沈燕燕 嚴(yán)偉燦 王杰

摘要：?jiǎn)稳菟湟何欢ㄖ礟ID數(shù)字控制系統(tǒng)主要采用數(shù)字PID控制單容水箱的液位高度。首先用壓力變送器實(shí)時(shí)采集單容水箱的液位高度，信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信號(hào)離散化后通過(guò)THBXD數(shù)據(jù)采集卡輸入到計(jì)算機(jī)中。數(shù)字PID在計(jì)算機(jī)中用VBScript編程，所采集的信號(hào)通過(guò)數(shù)字PID控制，輸出的信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器和零階保持器后輸出PWM信號(hào)，用所產(chǎn)生的PWM控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制微型水泵來(lái)控制水流量的大小。這樣實(shí)現(xiàn)對(duì)單容水箱液位的定值控制，準(zhǔn)確達(dá)到所要求的液位高度，并具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。

關(guān)鍵詞：數(shù)字PID；單容水箱液位；定值；PID數(shù)字控制系統(tǒng)；水箱水位控制；PID控制算法

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2012）06-0120-03

傳統(tǒng)的水箱液位控制多采用包含手動(dòng)控制方式的單回路控制，同時(shí)采用傳統(tǒng)的指針式機(jī)械儀表來(lái)顯示液位的當(dāng)前值，如浮子式、磁電式、接近開(kāi)關(guān)式、電容式、聲波式等。而21世紀(jì)發(fā)展中的PID控制是一項(xiàng)先進(jìn)的控制技術(shù)，即當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便，在單容水箱液位控制上具有良好的穩(wěn)態(tài)性和動(dòng)態(tài)性。

一、PID數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)水箱水位的控制

（一）控制流程圖

圖1 流程圖 圖2系統(tǒng)原理圖

（二）數(shù)字控制系統(tǒng)原理圖

圖2為單容水箱單回路控制閉環(huán)系統(tǒng)。被控對(duì)象為單容水箱。

控制器采用了工業(yè)過(guò)程控制中所采用的最廣泛的控制器——PID控制器。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬PID控制規(guī)律直接變換得到的數(shù)字PID控制器，它是按偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）組合而成的控制

規(guī)律。

用壓力變送器實(shí)時(shí)采集單容水箱的液位高度，信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器和保持器實(shí)現(xiàn)信號(hào)離散化后通過(guò)THBXD數(shù)據(jù)采集卡輸入到計(jì)算機(jī)中。數(shù)字PID在計(jì)算機(jī)中用VBScript編程，所采集的信號(hào)通過(guò)數(shù)字PID控制，輸出的信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器和保持器后輸出PWM信號(hào)，用所產(chǎn)生的PWM控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制微型水泵來(lái)控制水流量的大小。這樣實(shí)現(xiàn)對(duì)單容水箱液位的定值控制。

二、PID數(shù)字控制系統(tǒng)水箱水位運(yùn)算及PID控制算法流程和程序

（一）水箱水位運(yùn)算

已知單容水箱的流入量為q1，改變閥1的開(kāi)度可以改變q1的大??；單容水箱的流出量為q2，它取決于用戶的需要，改變閥2的開(kāi)度可以改變流量q2的大??；液位h的變化反映了由于q1與q2不相等而引起的液位在單容水箱內(nèi)的積累。設(shè)h為被控量，q1為輸入量，q2為擾動(dòng)量，構(gòu)成單輸入有擾動(dòng)的系統(tǒng)。

單容水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3：

圖3

設(shè)單容水箱的截面積為A，水箱底面直徑為D=15cm，高度為h，最高高度為18cm。水體積為Ah，根據(jù)物料平衡關(guān)系有：

（1）

這是累計(jì)流量的關(guān)系式。

系統(tǒng)研究更關(guān)心的是在某平衡狀態(tài)下的增量式，設(shè)各個(gè)參數(shù)分別為q10、q20、h0，則增量為：

（2）

則式（2）為：

（3）

在靜態(tài)時(shí)：

（4）

在動(dòng)態(tài)時(shí)，求出流出量q2與液位h的關(guān)系。

由流體力學(xué)知：

（5）

式中，、v2和A2分別是出口流體的密度、速度和橫截面積。

根據(jù)伯努利方程有：

（6）

式中，p1、p2為流體在閥2前后的壓力；v1、v2為閥2前后的流速；、為閥2前后的密度。

由于單容水箱的截面積比出水管的截面積大得多，出水口無(wú)定量泵，而且流體無(wú)壓縮，故認(rèn)為v10，p20，==代入（6）得：

（7）

代入（3）得：

（8）

式中，Kc為系數(shù)?？梢?jiàn)，液位與流量呈非線性關(guān)系。對(duì)曲線進(jìn)行線性化處理，可近似認(rèn)為與成正比。

（二）PID控制算法流程和程序

水箱液位定值控制系統(tǒng)一般有由電流傳感器構(gòu)成大電流反饋環(huán)。為了方便測(cè)量與觀察反饋信號(hào)，通常把電流反饋信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)：反饋端輸出端串接一個(gè)250Ω的高精度電阻。

電壓與液位的關(guān)系為：

H =（V -1）×12.5 （單位：cm）

采用VBScript編程，用此編程可以方便的進(jìn)行數(shù)字PID控制的一種程序，它的主要功能是能輕松地在電腦上設(shè)定各種參數(shù)值如給定液位值sv、比例參數(shù)P、積分參數(shù)Ti、微分參數(shù)Td等。

三、結(jié)論

采用數(shù)字PID對(duì)單容水箱的水位定值控制，水位誤差不大于5%。所使用的傳感器是壓力傳感器，并用AD和DA轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)字和模擬量之間的轉(zhuǎn)化，使用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的控制器電路，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用直流電機(jī)和微型小水泵，構(gòu)成單容水箱液位PID數(shù)字控制控制系統(tǒng)來(lái)控制水箱的液位定值高度。對(duì)隨機(jī)出水的單水箱供液系統(tǒng)以及隨機(jī)入水的單水箱排液系統(tǒng)的建模進(jìn)行研究是很有意義的。

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（責(zé)任編輯：趙秀娟）