摘 要

随着工业生产的快速发展，工业上离不开可视化水箱的液面控制系统。本设计主要是对可视化水箱系统控制进行设计，研究设计时，PID控制策略不仅便于设计控制算法同时又足以有效的满足设计需要，因此本篇研究选择了PID控制。本论文目的是设计可视化水箱系统控制，设计时充分利用了自动控制原理，过程控制以实现对水箱液位的控制。本设计主要内容有对水箱的实验曲线分析以及确定其特性，对MATLAB进行概括，其次了解过程控制的定义目的以及特点，然后根据可视化水箱控制模型和被控过程属性设计PID调节器从而控制系统仿真。通过参数的不同设置得到不同的控制结果，证明提高系统性能的有效性最好的办法是加入串级控制。用MATLAB建立液位控制系统，调节器采用PID控制，建立水箱液位控制系统的数学模型再设计出水箱的控制系统，选择合适的PID算法。对所得到的仿真曲线进行分析，得出最优化的仿真参数及各个参数的控制性能，总结参数变化对系统性能的影响。
关键词：可视化水箱系统控制；串级控制；过程控制；MATLAB仿真；PID控制；

标题 水箱液位控制系统原理

3.1人工控制和自动控制的比较
如图3-1为水箱液位控制系统示意图，在人工控制示意图中，为了让水箱的液位不变，我们需要时刻观察水箱液位的高度变化然后控制不同液位水箱的净水量。首先，眼睛观察水箱液位的高低再送给大脑；其次，大脑将眼睛看到的液体水位高度与的进行比较，得到系统的偏差大小和方向，然后发出控制命令；最后，大脑控制手去改变进水阀的大小，使水箱液位保持在指定的高度上。在整个过程中，眼、脑、手分别起了检测、判断和执行的作用，三个协调合作完成测量、求偏差、纠正偏差的工作过程，最终保持水箱液位的恒定。

人工控制 自动控制
图3-1水箱液位控制系统示意图
如果采用检测仪表装置和自动控制装置，在水箱液位控制系统自动控制示意图3-1中，当系统受到了扰动的作用后，液位发生了变化，检测仪表测得液位的高低，即测量值；液位测量变送器送来的信号发送给控制器，将与设定值相比较得出偏差信号，再按其运算规律进行运算并且输出控制信号；控制阀接收到控制器的控制信号，再根据其大小改变阀门的开度，将对水箱的给水量进行调节，使被控变量即水箱液位回到设定值，尽可能的减小系统扰动所带来的影响，使得水箱液位最终达到恒定。
3.2水箱液位控制系统原理框图
本论文对可视化水箱系统液位控制的设计是一个简单的控制系统，所谓简单液位控制系统是指由一个控制器、一个被控对象、一个检测变送单元、一个执行器组成的单闭环负反馈控制系统。简单控制系统，它们由被控对象、检测装置、控制器和执行器组成。尽管控制系统的被控对象、具体的装置和变量不同，但全部可以用一样的流程框图去表示，如图3-2所示：

图3-2 简单控制系统常用的框图
由图3-2这个简单控制系统常用框图做出水箱液位控制系统的原理框图，如图3-3所示：

图3-3 水箱液位控制系统原理框图
3.3水箱液位控制系统数学模型
在输入单位阶跃信号的作用下，系统本来的平衡状态被破坏，但是又在外部信号作用下从非震荡稳定状态到一个新的稳态，控制过程如下：
（1）确定输入输出变量
如下图3-4水箱液位过程图及其阶跃响应曲线所示，流入水箱的流量 是由进料阀1决定的；流出水箱的流量取决于水箱液位L和出料阀2的开度。值得注意的是，液位L是被控变量，进料阀1为控制系统中的控制阀，它所控制的进料流量是过程的控制输入，出料流量是外部扰动，本设计以进料流量作为输入变量。

图3-4水箱液位过程图及其阶跃响应曲线
（2）据过程内在机理，列写原始方程
当过程处于原来的平衡状态时，水箱的液位恒定不变，其静态方程为：- =0（3-1），是开始稳定状态下水乡的进料流量，是原来稳定状态下水箱的出料流量。当水箱的进料流量突然增大，那么水箱就不会保持原来的平衡状态，此时进料量大于出料量，水箱内多余的水就储存起来，水箱的液位就会升高。设水箱液体的储存量为 V，则水箱液体储存量的净增量是单位时间内出料流量与进料流量之差。其动态方程为：
(3-2)，=+∆,=+∆，∆、∆ 分别为和的增量。设水箱的截面积为 S，那么储存量 V=SL，其增量形式为 dV=SdL,则有:
=S (3-3)
将=+∆,=+∆以及3-3带入3-2得：
+∆∆=S (3-4)
将式（3-4）减去式（3-1）可得用新增量形式表示的动态方程式，为：
∆∆ =S (3-5)
（3）消去中间变量，求微分方程式
对于系统中出现的一些既不是输入变量又不是输出变量的工艺变量，如式（3-6）中就是中间变量。与输出变量L的关系可表示为:
k：比例系数 （3-6）
当液位和流量均在一定的误差范围内变化时，就可看作出料流量与液位变化呈线性关系。将式（3-6）改写成增量形式，则可得：=，设=,那么有：
= （3-7）
将式（3-7）代入式（3-5）中，即得
RS (3-8)
式（3-8）即为水箱液位过程的数学模型。由3-8可见，这是一阶微分方程，因此液位过程是一阶过程。将此公式写成一阶过程的微分方程的标准形式：
(3-9)
(3-10)
R =液位变化量/出料流量变化量；C为容量系数，C =储存物料变化量/ 液位变化量；K为一阶过程的放大系数，是具有放大功能的量纲；T 为一阶过程的时间常数，且T=RC，具有时间量纲；x(t)是一阶过程的输入变量；y(t) 为一阶过程的输出变量；R为阻力系数,。
在控制过程中，进料阀开度发生变化，会使得进料流量发生变化，那么液体就需要经过传输时间才会流入水箱内，就会滞后，水箱的液位发生变化最终系统检测出来。显然液体经过这段距离所需要的时间完全是由输送滞后造成的，纯滞后一阶过程的微分方程为：
（3-11）
可视化水箱液位控制系统与纯滞后的一阶过程的特性与放大系数K、时间常数T和纯滞后时间有关。
3.4 水箱液位控制系统的组成
本次设计研究是使用的最常用的、结构最简单的一种控制系统。由一个被控对象、一个控制器、一个检测变送模块、一个执行器组成的闭环负反馈控制系统是简单控制系统。
3.4.1被控制变量选择
被控制的变量选择对于控制系统十分重要，在本次设计中液位为被控变量，正确选择被控变量系统会达到很好的控制效果。
3.4.2 执行器选择
控制器的正确使用决定着控制系统性能的好坏。执行器接收控制信号之后，开始执行各种调节动作，让控制变量达到设定值。不同于其他组成模块，控制阀一般是在条件非常恶劣的工作现场，比如高温环境，腐蚀环境，高压环境，甚至易燃的环境等；这些经常使的控制阀出现失控，导致控制系统无法正常运行。
3.4.3 液位变送器选择
液位变送器指的是工业生产过程中的测量变送环节，将生产过程中被控变量的情况实时反应出来，达到对系统进行监控的作用。用于液位控制系统中的变送器，有以下几个选择：浮球式变送器，静压力变送器，浮筒式变送器，超声波变送器等。
3.4.4 PID控制器选择
控制器是安装在生产现场进行测量变送的装置，它根据测量信号对系统进行分析，然后根据设定的值进行对比，最后产生一个信号，由执行器去执行。在系统中它相当于大脑，是核心部件。常见的三种PID控制有以下三种：软件型控制器，硬件型PID控温器，内置变频器的PID控制器。三种不同控制器的比较，如表3-1所示：

类型
分类条件 基本结构 控制算法和参数设定 优点 缺点 适用场合
PID控温器 硬件型，数字型控制器 具有数字 PID 控制方式，位空方式，以及模糊控制方式，部分具有自整定功能 输入输出类型可通过设置参数来改变 操作简单、功能强大、动态调节性能好 PID 调节过于频繁，稳态性能不好，线路复杂 适用于选择变频器性能不是很高的场合
软件型PID 软件性 使用PLC指令编程编写PID算法程序 使用离散形式的 PID 控制算法 在调节结束后十分稳定，信号干扰小，调试简单，线路简单，可靠性高控制性能好 需要编程，工作量多，需增加硬件成本高 程序设计十分熟练的场合
变频器内置PID 软件型，变频器内置 使用变频器内置 PID 控制功能 设定值可以是外部信号，也可以是面板设定值 控制性能好，设置的参数少，成本低，线路简单，抗干扰性最好。 响应较慢，易出现超调现象 多种参数设定需求的场合
表3-1不同控制器的比较