基于PID控制和Simulink仿真的单容自衡水箱设计.pdf

96 电子技术 基于 PID 控制和 Simulink 仿真的 单容自衡水箱设计 赵东鹏 （河南工学院电气工程与自动化学院 , 河南 新乡 453000） 摘　要：本文以单容自衡水箱为被控对象，以 MATLAB/Simulink 为仿真工具，提出了 PID 控制方法，经过一系列参数整定，从而实现对单容自 衡水箱液位的精确控制，并解决了传统水箱系统响应和调节时间长，超调大的问题。使得系统具有稳、准、快的良好性能。 关键词：单容自衡水箱；PID控制；Simulink；参数整定 DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.084 　　随着科技的不断发展和人们生活水平的日益提升，我们对用于生 　　将式（2）和式（3）带入（1）中可得，单容水箱系统的微分方程为： 活当中以及大多数工业生产领域的液位控制技术提出了更高的要求， 　　　　　　　　   （4） 使得液位控制系统具有更好的稳定性、准确性和快速性。传统的水箱 液位大多采用包括手动控制在内的单回路控制方式，同时应用传统的 　　式中，T=RS,K=KuR。在零初始条件下，对式（4）进行拉氏变换， 指针型机械仪表来显示液位的当前值，如浮子式、接近开关式、电容式、 可得单容水箱系统的传递函数为： 声波式等。这种控制方法往往无法使系统具有一个良好的动态和稳态 　　　　　　　　　（5） 性能。21世纪发展的PID控制技术是一项先进的控制技术，运用PID 　　设该系统为延时系统，延时时间为L，则： 控制技术可以很好的改善这个问题。 1　单容水箱控制系统建模 　　其中， ， 。 　　此次给定h=16cm，水箱的底面为20cm×20cm的矩形。采用 T940-16电动调节阀，查其参数表可知，DN=8，Ku=5.1，且延时时间 为L=10s。 　　根据公式： 　　底面积： 　　则： 　　则： 2　PID 控制器设计 2.1　PID 控制器介绍 图 1　单容自衡水箱模拟图 　　PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）、微分单元（D）组成， 　　如图1所示为一个常见的单容水箱控制系统。系统由一个水箱、 它是根据系统的误差，利用以上三个单元计算出控制量进行控制的。 控制水流流入的调节阀、控制水流流出的负载阀组成。水流通过调节 它因具有结构和算法简单、稳定性好、适应性强等优点而成为现代工 阀不断地流入水箱，同时也有水通过负载阀不断地流出水箱。水流入 业中应用最为广泛的控制器。PID控制器的输出信号为： 量Q1由调节阀开度加以控制，流出量Q2则由用户根据需要通过负 载阀加以改变。 　　设Q1为输入水流量的稳态值，△Q1为输入水流量的增量值。 　　其传递函数为： 。 Q2为输出水流量的稳态值，△Q2为输出水流量的增量值。设h为 水箱液位高度。它由两部分组成，其中h0为水箱液位的稳态值，△h 　　其中，Kp为比例系数，Ki为积分