【正文】 到它的一些優(yōu)點，如對攝動的某種完全適應性，并可用來設(shè)計日益復雜對象的控制規(guī)律，近年來又受到較大重視并獲得巨大的發(fā)展。特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進行檢測、控制，能收到很好的生產(chǎn)效果。隨著計算機控制技術(shù)應用的普及、可靠性的提高及價格的下降，液位檢測的微機控制必將得到更加廣泛的應用。在生產(chǎn)過程中，對液位的相關(guān)參數(shù)進行控制，使其保持為一定值或按一定規(guī)律變化，以保證質(zhì)量和生產(chǎn)安全，使生產(chǎn)自動進行下去。因此，當流入(流出)對象的質(zhì)量或能量發(fā)生變化時，由于存在容量、慣性、阻力，被控參數(shù)不可能立即產(chǎn)生響應，這種現(xiàn)象叫做滯后。大多數(shù)生產(chǎn)過程都具有非線性，弄清非線性產(chǎn)生的原因及非線性的實質(zhì)是極為重要的。過程的穩(wěn)定被破壞后，往往具有自動趨向平衡的能力，即被控量發(fā)生變化時，對象本身能使被控量逐漸穩(wěn)定下來，這就具有慣性環(huán)節(jié)的特性。任何生產(chǎn)過程被控制的參數(shù)都不是一個，這些參數(shù)又各具有不同的特性，因此要針對這些不同的特性設(shè)計相應不同的控制系統(tǒng)。PID控制是以對象的數(shù)學模型為基礎(chǔ)的一種控制方式。但對于復雜的大型系統(tǒng)，其數(shù)學模型往往難以獲得，通過簡化、近似等手段獲得數(shù)學模型不能正確地反映實際系統(tǒng)的特性。液位控制由于其應用極其普遍，種類繁多，其中不乏一些大型的復雜系統(tǒng)。隨著生產(chǎn)水平和科學技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制系統(tǒng)的控制的規(guī)模日趨大型化，復雜化，對設(shè)備和被控系統(tǒng)的安全性，可靠性，有效性的要求也越來越高，為了確保工業(yè)生產(chǎn)過程高效，安全的進行，保證并提高產(chǎn)品的質(zhì)量,對生產(chǎn)過程進行在線監(jiān)測,及時準確地把握生產(chǎn)運行狀況,已成為目前過程控制領(lǐng)域的一個研究熱點。在輕工行業(yè)中，液位控制的應用非常普遍，從簡單的浮球液位開關(guān)、非接觸式的超聲波液位檢測一直到高精度的同位素液位檢測系統(tǒng)到處都可以見到他們的身影。而且液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少的元件。目前，我國液位控制主要以常規(guī)的 PID 控制器為主，它只能適應一般系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復雜、時變溫度系統(tǒng)控制。由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的液位控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應用。而在完成傳統(tǒng)的PID操作控制系統(tǒng)后，未來我們更將利用Genetic Algorithms 找出最好的參數(shù)并建構(gòu)在液位控制系統(tǒng)。近年來液位控制系統(tǒng)取得了很大進步，出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位儀、雷達液位儀、光電液位開關(guān)等，這些控制器利用無線電波的折射及反射原理。當被測液體處于高位時則被測液體與光電開關(guān)形成一種分界面，當被測液體處于低位時，則空氣與光電開關(guān)形成另一種分界面。 液位控制系統(tǒng)是以液位為控制對象的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)中的各個領(lǐng)域都有廣泛的應用。在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，很多場合都要對液位進行控制，使其高精度、快速度地到達并保持給定的數(shù)值。在本文中，液位控制系統(tǒng)中的水箱為控制對象，液位為控制量。這樣使控制系統(tǒng)能夠達到更好的控制要求，提高了系統(tǒng)的控制性能。 第二章 建立系統(tǒng)數(shù)學模型數(shù)學模型（Mathematical Model）是一種模擬，是用數(shù)學符號、數(shù)學式子、程序、圖形等對實際課題本質(zhì)屬性的抽象而又簡潔的刻劃，它或能解釋某些客觀現(xiàn)象，或能預測未來的發(fā)展規(guī)律，或能為控制某一現(xiàn)象的發(fā)展提供某種意義下的最優(yōu)策略或較好策略。這種應用知識從實際課題中抽象、提煉出數(shù)學模型的過程就稱為數(shù)學建模（Mathematical Modeling）。數(shù)學建模和計算機技術(shù)在知識經(jīng)濟時代的作用可謂是如虎添翼。建立教學模型的過程，是把錯綜復雜的實際問題簡化、抽象為合理的數(shù)學結(jié)構(gòu)的過程。這就需要深厚扎實的數(shù)學基礎(chǔ)，敏銳的洞察力和想象力，對實際問題的濃厚興趣和廣博的知識面。1）模型準備　　了解問題的實際背景，明確其實際意義，掌握對象的各種信息。 2）模型假設(shè)　　根據(jù)實際對象的特征和建模的目的，對問題進行必要的簡化，并用精確的語言提出一些恰當?shù)募僭O(shè)。 4）模型求解　 利用獲取的數(shù)據(jù)資料，對模型的所有參數(shù)做出計算（或近似計算）。 6）模型檢驗將模型分析結(jié)果與實際情形進行比較，以此來驗證模型的準確性、合理性和適用性。如果模型與實際吻合較差,則應該修改假設(shè)，再次重復建模過程。系統(tǒng)建?；痉椒ㄓ袡C理法建模和測試法建模兩種，機理法建模主要用于生產(chǎn)過程的機理已經(jīng)被人們充分掌握，并且可以比較確切的加以數(shù)學描述的情況；測試法建模是根據(jù)工業(yè)過程的實際情況對其輸入輸出進行某些數(shù)學處理得到。用機理法建模就是根據(jù)生產(chǎn)過程中實際發(fā)生的變化機理，寫出各種有關(guān)的平衡方程如：物質(zhì)平衡方程；能量平衡方程；動量平衡方程；相平衡方程以及反映流體流動、傳熱、傳質(zhì)、化學反應等基本規(guī)律的運動方程；物性參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性方程等，從中獲得所需的數(shù)學模型。水槽的平衡方程為 Q Q=A (11)此時出口物料流量Q可以寫成 Q= (12)將（12）帶入（11）可得 AR+ h =RQ (13)將（13）進行拉式變換后，可得傳遞函數(shù) (14)令AR=T，R=K，H=Y，Q=X，可得單容液位對象的數(shù)學模型，即傳遞函數(shù)為 (15) 實際上，水槽底面積越大，對液體的容量也越大，相同流量的改變造成的液位變化也越小。雙容液位過程如下所示： 圖22兩容器的流出閥均為手動閥門，流量Q1只與容器1的液位h1有關(guān)，與容器2的液位h2無關(guān)。由于兩容器的流出閥均為手動閥門，故有：=A=A其對應的拉式變化為 Q(s)Q(s)=Ash(s) （21） Q(s)Q(s)=Ash(s) （22）令容器容器2相應的閥門液阻分別為和,其中 Q(s)= （23） Q(s)= （24）將（23）和（24）帶入（21）和（22），可得 = （25）令T=AR,T=AR,可得 （26）可見，雖然容器1的液位會影響容器2的液位，但容器2的液位不會影響容器1，二者不存在相互影響；過程的傳遞函數(shù)相當于兩個容器分別獨立時的傳遞函數(shù)相乘，但過程增益為兩個獨立傳遞函數(shù)相乘的1/R1倍。其中時間常數(shù)的大小決定了系統(tǒng)反應的快慢，時間常數(shù)越小，系統(tǒng)對輸入的反應越快，反之，若時間常數(shù)較大（即容器面積較大），則反應較慢。在該液位控制系統(tǒng)中，建模參數(shù)如下：控制變量：水流量Q；被控參數(shù)：下水箱液位；控制器：PID； 執(zhí)行器：控制閥；控制對象特性： （上水箱傳遞函數(shù)） （下水箱傳遞函數(shù)）第三章 液位控制系統(tǒng)方案設(shè)計為保持下水箱液位的穩(wěn)定，設(shè)計中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將下水箱液位信號經(jīng)水位檢測器送至控制器（PID），控制器將實際水位與設(shè)定值相比較，產(chǎn)生輸出信號作用于執(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調(diào)節(jié)水位。該設(shè)計對象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個對象控制通道相對較長，如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當上水箱有干擾時，此干擾經(jīng)過控制通路傳遞到下水箱，影響控制效果，在實際生產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，將無法得到滿意的效果。 單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 不加串級控制對象的PID控制系統(tǒng)框圖如下： 圖31 單回路系統(tǒng)框圖 整定主控制器的PID參數(shù)，整定好參數(shù)后，分別改變P、I、D參數(shù)，觀察各參數(shù)的變化對系統(tǒng)性能的影響。該方法與臨界比例度法類似，在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)10:1的衰減過程為止，記下此時比例帶以及相鄰波峰之間的時間。(2)穩(wěn)定邊界法(臨界比例度法)。然后按照經(jīng)驗公式確定PID參數(shù)。它既能保證實現(xiàn)穩(wěn)定閉環(huán)振蕩，又不需離線進行，是獲