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    基于PID的單容水箱液位控制系統(tǒng)仿真

    2017-01-20 17:15:50李小倩梁志鵬黃富磊
    中國新技術新產品 2017年1期

    李小倩 梁志鵬 黃富磊

    摘 要:在工業(yè)生產過程中,對于生產裝置的溫度、壓力、液位等工藝變量的控制常采用PID。本文以單容水箱液位為控制目標,將matlab軟件工具與PID控制理論相結合,著重討論了PID控制在matlab軟件里的建模、仿真及參數(shù)整定方法。

    關鍵詞:PID;單閉環(huán)控制;MATLAB

    中圖分類號:TP273 文獻標識碼:A

    0.引言

    PID控制理論是工業(yè)自動化控制領域經(jīng)典、成熟的控制思想,是理工科專業(yè)學生重要的學習內容。PID控制是比例(P)、積分(I)、微分(D)三部作用的數(shù)學綜合。因此,弄清P、I、D各自作用規(guī)律及對系統(tǒng)控制所貢獻的比重(參數(shù)整定)是掌握PID控制思想的關鍵。本文將以單容水箱液位為控制目標,以PID反饋控制為策略,借助matlab軟件,仿真PID控制的作用、調節(jié)規(guī)律。

    1.總體設計方案

    PID單容水箱液位控制由控制器、執(zhí)行調節(jié)器、被控對象、測量變送等部分構成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。本文將matlab軟件工具與PID控制理論相結合,著重討論了PID控制在matlab軟件里的建模、仿真及參數(shù)整定方法;同時通過參數(shù)的調整仿真結果,認識P、PI、PD、PID控制作用的規(guī)律。

    2.單容水箱液位控制系統(tǒng)建模

    本文探討的是單容水箱的液位控制問題。為了能更好地選取控制方法和參數(shù),有必要知道被控對象—上水箱的結構和特性。由圖1可以知道,單容水箱的流量特性:水箱的出水量與水壓有關,而水壓又與水位高度近乎成正比。這樣,當水箱水位升高時,其出水量也在不斷增大。所以,若閥V開度適當,在不溢出的情況下,當水箱的進水量恒定不變時,水位的上升速度將逐漸變慢,最終達到平衡。由此可見,單容水箱系統(tǒng)是一個自衡系統(tǒng)。

    設液位H,擾動為U,水箱底面積為F,現(xiàn)分析在擾動液位H在U下的動態(tài)特性,分析過程如圖1所示。

    3.仿真及參數(shù)整定

    擴充臨界比例度法是簡易工程整定方法之一。這種方法的優(yōu)點是整定參數(shù)時不必依賴被控對象的數(shù)學模型,故本次設計選用此方法。首先選擇一個足夠短的采樣周期Tmin=1;然后求出臨界比例度得他和臨界振蕩周期Tu=1/Kp,得Kp=5.6,Tu=1/5.6=0.18;Tu=0.5/2.5=0.2;其次選擇控制度,此次設計的控制度選用為1.05;最后根據(jù)選定的控制度,查表,得出T、Kp、Ti、TD,進而求出T、Kp、Ki、KD;參數(shù)整定此次設計選擇的是PID算法,查表Kp=0.63;δu=0.63×0.18=0.11

    Ti=0.49Tu=0.49×0.2=0.098

    TD=0.14Tu=0.14×0.2=0.028

    圖4為kp=0.11,ki=0.56,kd=0.006的仿真結。系統(tǒng)超調量24%,穩(wěn)態(tài)誤差為0,調節(jié)時間6s。該結果反映出系統(tǒng)調節(jié)過程較長,并且含有振蕩??商岣邽槲⒎謪?shù),增強系統(tǒng)的快速響應性能。圖5為微分參數(shù)為0.5的仿真結,系統(tǒng)調節(jié)時間為2s。該結果反映出靈敏性增強,但是從控制效果來看,可能不是最優(yōu)效果,可以參考擴充臨界比例度法的整定計算結果適當調整。

    結語

    本文通過matlab仿真設計,實現(xiàn)單容水箱的液位PID控制,理解了P、PI、PD、PID控制規(guī)律;同時,通過系統(tǒng)建模及參數(shù)整定,掌握了pid控制的實現(xiàn)方法及過實現(xiàn)過程。對PID控制的實際工程應用做了較好的基礎積累。

    參考文獻

    [1]喻其炳.工程中液位控制的三種常見方式[J].渝州大學學報,2002:19(4):91-93.

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