单容水箱液位定值PID数字控制系统

来源:用户上传      作者: 沈燕燕 严伟灿 王杰

　　摘要：单容水箱液位定值PID数字控制系统主要采用数字PID控制单容水箱的液位高度。首先用压力变送器实时采集单容水箱的液位高度，信号通过A/D转换器实现信号离散化后通过THBXD数据采集卡输入到计算机中。数字PID在计算机中用VBScript编程，所采集的信号通过数字PID控制，输出的信号通过D/A转换器和零阶保持器后输出PWM信号，用所产生的PWM控制驱动电机的转速进而控制微型水泵来控制水流量的大小。这样实现对单容水箱液位的定值控制，准确达到所要求的液位高度，并具有良好的稳态性能和动态性能。
　　关键词：数字PID；单容水箱液位；定值；PID数字控制系统；水箱水位控制；PID控制算法
　　中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）06-0120-03
　　
　　传统的水箱液位控制多采用包含手动控制方式的单回路控制，同时采用传统的指针式机械仪表来显示液位的当前值，如浮子式、磁电式、接近开关式、电容式、声波式等。而21世纪发展中的PID控制是一项先进的控制技术，即当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，这时应用PID控制技术最为方便，在单容水箱液位控制上具有良好的稳态性和动态性。
　　一、PID数字控制系统对水箱水位的控制
　　（一）控制流程图
　　
　　 图1 流程图 图2 系统原理图
　　（二）数字控制系统原理图
　　图2为单容水箱单回路控制闭环系统。被控对象为单容水箱。
　　控制器采用了工业过程控制中所采用的最广泛的控制器――PID控制器。通过计算机模拟PID控制规律直接变换得到的数字PID控制器，它是按偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）组合而成的控制
　　规律。
　　用压力变送器实时采集单容水箱的液位高度，信号通过A/D转换器和保持器实现信号离散化后通过THBXD数据采集卡输入到计算机中。数字PID在计算机中用VBScript编程，所采集的信号通过数字PID控制，输出的信号通过D/A转换器和保持器后输出PWM信号，用所产生的PWM控制驱动电机的转速进而控制微型水泵来控制水流量的大小。这样实现对单容水箱液位的定值控制。
　　二、PID数字控制系统水箱水位运算及PID控制算法流程和程序
　　（一）水箱水位运算
　　已知单容水箱的流入量为q1，改变阀1的开度可以改变q1的大小；单容水箱的流出量为q2，它取决于用户的需要，改变阀2的开度可以改变流量q2的大小；液位h的变化反映了由于q1与q2不相等而引起的液位在单容水箱内的积累。设h为被控量，q1为输入量，q2为扰动量，构成单输入有扰动的系统。
　　单容水箱液位控制结构图见图3：
　　
　　 图3
　　设单容水箱的截面积为A，水箱底面直径为D=15cm，高度为h，最高高度为18cm。水体积为Ah，根据物料平衡关系有：
　　 （1）
　　这是累计流量的关系式。
　　系统研究更关心的是在某平衡状态下的增量式，设各个参数分别为q10、q20、h0，则增量为：
　　
　　 （2）
　　则式（2）为：
　　 （3）
　　在静态时：
　　
　　 （4）
　　在动态时，求出流出量q2与液位h的关系。
　　由流体力学知：
　　 （5）
　　式中，、v2和A2分别是出口流体的密度、速度和横截面积。
　　根据伯努利方程有：
　　 （6）
　　式中，p1、p2为流体在阀2前后的压力；v1、v2为阀2前后的流速；、为阀2前后的密度。
　　由于单容水箱的截面积比出水管的截面积大得多，出水口无定量泵，而且流体无压缩，故认为v10，p20，==代入（6）得：
　　
　　 （7）
　　代入（3）得：
　　 （8）
　　式中，Kc为系数。可见，液位与流量呈非线性关系。对曲线进行线性化处理，可近似认为与成正比。
　　（二）PID控制算法流程和程序
　　水箱液位定值控制系统一般有由电流传感器构成大电流反馈环。为了方便测量与观察反馈信号，通常把电流反馈信号转化为电压信号：反馈端输出端串接一个250Ω的高精度电阻。
　　电压与液位的关系为：
　　H =（V -1）×12.5 （单位：cm）
　　采用VBScript编程，用此编程可以方便的进行数字PID控制的一种程序，它的主要功能是能轻松地在电脑上设定各种参数值如给定液位值sv、比例参数P、积分参数Ti、微分参数Td等。
　　
　　三、结论
　　采用数字PID对单容水箱的水位定值控制，水位误差不大于5%。所使用的传感器是压力传感器，并用AD和DA转换器实现数字和模拟量之间的转化，使用数字PID调节器的控制器电路，执行机构采用直流电机和微型小水泵，构成单容水箱液位PID数字控制控制系统来控制水箱的液位定值高度。对随机出水的单水箱供液系统以及随机入水的单水箱排液系统的建模进行研究是很有意义的。
　　
　　参考文献
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　　（责任编辑：赵秀娟）

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