【文章內容簡介】 壓力傳感器作為測量元件，用來讀出容器的實時液位值。進水閥門通過兩個步進電機控制其開度，從而調節(jié)進入容器水量的大小。液位壓力傳感器將容器中的水位值轉換為相應的電信號傳到數據采集模塊，又由數據采集模塊傳給上位機，為各種控制算法提供實時的數據。這些數據通過相應的處理，生成恰當的控制信號，也需要經過數據采集卡給到步進電機，進一步控制閥門的開度，從而實現對各種控制算法的模擬和檢驗。泄水閥門可以保證實驗結束后放掉容器中的水。 水箱的建模過程 單容水箱的建模過程1）單容過程單容過程就是指只有一個儲蓄容量的過程，單容過程還可分為有自衡能力和無自衡能力兩類，在此只介紹有自衡能力的過程。2）自衡過程 所謂自衡過程，試制過程在擾動的作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員后儀表等敢于，依靠自身重新恢復平衡的過程。 下圖所示位一個單容液位被控過程，其流入量，改變閥1的開度可以改變的大小，其流出量為，它取決于用戶的需要改變閥2開度可以改變，液位h的變化反映了和不等而引起的儲罐中蓄水或泄水的過程，如果作為被控過程的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控過程的數學模型就是h與之間的數學表達式。 單容被控過程 出水閥2固定于某一開度值，根據物料的動態(tài)平衡關系，所求的微分方程：在零初始狀態(tài)條件下，對上式求拉氏變換，得： 階躍響應曲線式中，T為誰想的時間常數（閥2的開度會直接影響到水箱的時間常數），為過程的放大倍數，為閥2的液阻，C為水箱的容量系數（表征過程存儲能力的大?。? 容量系數：被控過程都具有一定的貯存物料或能量的能力，其貯存能力的大小，稱為容量或容量系數。其物理意義是：引起單位被控量變化時被控過程貯存量變化的大小。 從上述分析可知，液阻不僅影響過程的時間常數T，而且還能影響過程的放大系數，而容量系數C只能影響過程的時間常數。在工業(yè)生產過程中，過程的純滯后問題經常碰到，如皮帶運輸機的物料傳輸過程，管道輸送，管道反應和管道的混合過程等。 二階雙容水箱的對象特性 在工業(yè)生產過程中，被控過程往往是有多個容積和阻力構成，這種過程成為多容過程。以其有自衡能力的雙容過程為例，來討論其建立數學模型的方法。 雙容水箱被控過程上圖所示為兩只水箱串聯工作的雙容過程，其被控量是第二只水箱的液位，輸入量為。根據物料平衡關系可以列出下列方程：由上圖可知，這是由兩個一階非周期慣性環(huán)節(jié)串聯起來，被調量是第二水草的水位當輸入量有一個階躍增加時，被調量變化的反應區(qū)縣如圖，是一個呈S型的一條曲線。由于多了一個容器，是調節(jié)對象的飛升特性在時間上又落后了一步。設流量為雙容水箱的輸入量,下水箱的液位高度為為輸出量，根據物料平衡關系，并考慮到液體傳輸過程中的時延，其傳遞函數為：其中K=，，和分別為閥和的液阻，分別為上水箱和下水箱的容量系數。 雙容過程的階躍響應曲線當上水箱輸入量有一個階躍增量變化時，上水箱液位的響應曲線為圖(a)所示一單調上升的指數曲線，而下水箱液位的響應曲線則呈如圖(b)所示的曲線，即下水箱的液位響應滯后了?？赏ㄟ^試驗測量確定出具體的K、T、τ的值，辨識方法將在下文中詳述。 單容與雙容水箱階躍響應圖 單容上水箱的參數辨識單容上水箱的時間常數T的辨識方法：在零初始條件下，對單容水箱有 單容水槽的建模在式中，T為水箱的時間常數（的開度影響水箱的時間常數），為過程的放大倍數，為2號閥門的液阻，C為水箱的容量系數。令流入流量，為常量，則輸出液位的高度為：，拉式反變換，即由上式，當t=T時，有：當時，因而有輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入，、y（0）分別是被控變量新的穩(wěn)態(tài)值與原來的的穩(wěn)態(tài)值；、分別是階躍作用后與原來的操作變量的值。此式表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應曲線是一條單調上升的指數函數由實驗求得該響應曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所需的時間就是水箱的時間常數T。 二階雙容水箱的下水箱對象參數辨識 雙容水槽的建模由雙容水箱的建模結果可知， ，其中的可以從實驗中求得的階躍響應曲線中求出。具體做法是: 雙容過程的階躍響應曲線1） 響應曲線在階躍響應曲線上取2） 時曲線上的點A和對應的時間；3） 時曲線上的點B和對應的時間。然后，利用下面的近似公式計算參數K、和的值：4） ，對于始終的和的大小關系。當=，為一階環(huán)節(jié)，當=，過程的傳遞函數； 水箱液位PID參數整定方法 單回路控制系統(tǒng)結構框圖 本系統(tǒng)索要保持的恒定參數就是液位的給定高度，即控制的任務是控制小上水箱液位等于給定值所需要的高度。根據控制框圖，這是一個閉環(huán)反饋單回路液位控制。采用工業(yè)智能儀表控制。當控制方案確定后，接下來就是整定調節(jié)器的參數。在一個單回路系統(tǒng)設計安裝就緒后，控制質量的好壞就取決于參數值的選擇了。合適的控制參數，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制其參數選擇的不合適，就會使控制質量變壞，達不到預期的效果。因此，當一個單回路系統(tǒng)組成好以后，系統(tǒng)的投運和參數整定就變成了一項非常重要的工作。一般而言，用比例調節(jié)器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比例度的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關。比例積分調節(jié)器由于積分的作用，不僅能夠實現無余差，而且只要參數和合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。比例積分微分（PID）調節(jié)器實在PI調節(jié)器的基礎上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能是系統(tǒng)的動態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）得到改善。 關于比例（P）、積分（I）、微分（D）的調節(jié)順序，一般如下：整定步驟 整定步驟為先比例，再積分，最后微分。（1） 整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。（2） 整定積分環(huán)節(jié)若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數減小為原來的50～80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數，反復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數。（3） 整定微分環(huán)節(jié)若經過步驟（2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，則應加入微分控制，構成PID控制。 先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比例系數和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數。 主回路和副回路的PID參數整定關于主回路與副回路的調節(jié)順序，一般是先對副回路進行調節(jié)，然后對主回路進行調節(jié)。(1) 主參數的選擇和主回路的設計： 串級控制系統(tǒng)是由主回路和副回路組成。主回路是一個定值控制系統(tǒng)。對于主參數的選擇和主回路的設計，基本上可以按照單回路控制系統(tǒng)的設計原則進行。凡直接或間接與生產過程運行性能密切相關并可直接測量的工藝參數均可以選擇為主參數。再此我們選擇雙容水箱下水箱的液位高度作為主控制參數。（2） 副參數的選擇和副回路的設計 1）副參數的選擇副回路應包括生產過程中的變化劇烈，頻繁并且幅度很大的主要擾動，并要盡可能的多包含一些擾動。由于串級控制系統(tǒng)副回路具有調節(jié)速度快、抑制擾動能力強的