滨州学院
课程设计
课程名称工业自动化仪表与过程控制
课题名称单容水箱液位控制系统
专业自动化
班级08电本一
学号
姓名孙运柱
指导教师刘瑞歌
f
单容水箱液位控制系统的设计
一、单容水箱液位控制系统建模
11液位控制的实现
除模拟PID调节器外可以采用计算机PID算法控制。首先由差压传感器检测出水箱水位水位实际值通过单片机进行AD转换变成数字信号后被输入计算机中最后在计算机中根据水位给定值与实际输出值之差利用PID程序算法得到输出值再将输出值传送到单片机中由单片机将数字信号转换成模拟信号。最后由单片机的输出模拟信号控制交流变频器进而控制电机转速从而形成一个闭环系统实现水位的计算机自动控制。
12被控对象
本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。为了能更好的选取控制方法和参数有必要知道被控对象上水箱的结构和特性。
由图11所示可以知道单容水箱的流量特性
水箱的出水量与水压有关而水压又与水位高度近乎成正比。这样当水箱水位升高时其出水量也在不断增大。所以若阀2V开度适当在不溢出的情况下当水箱的进水量恒定不变时水位的上升速度将逐渐变慢最终达到平衡。由此可见单容水箱系统是一个自衡系统。
图11单容水箱结构图
13水箱建模
这里研究的被控对象只有一个那就是单容水箱图21。要对该对象进行较好的计算机控制有必要建立被控对象的数学模型。正如前面提到的单容水箱是一个自衡系统。根据它的这一特性我们可以用阶跃响应测试法进行建模。如图21设水箱的进水量为Q1出水量为Q2水箱的液面高度为h出水
阀V2固定于某一开度值。若Q1作为被控对象的输入变量h为其输出变量则该
被控对象的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系有12dhQQCdt
21将式21表示为增量形式
12dhQQCdt
22
f式中1Q、2Q、h分别为偏离某一平衡状态10Q、20Q、0h的增量C水箱底面积。
在静态时1Q2Qdhdt0当1Q发生变化时液位h随之变化阀2V处的静压也随之变化2Q也必然发生变化。由流体力学可知流体在紊流情况下液位h与流量之间为非线性关系。但为简化起见经线性化处理则可近似认为1Q与h成正比而与阀2V的阻力2R成反比即
22hQR或22
hRQ23式中2R为阀2V的阻力称为液阻。
将式23代入式22可得
221dhRChRQdt
24在零初始条件下对上式求拉氏变换得
201211
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