过程控制课程设计三容水箱液位控制系统的建模与仿真专 业：自动化班 级:组员:指导老师：重庆大学自动化学院2013年10月目录摘 要11两种三容水箱的工作原理11.1三容水箱的结构11.2三容水箱系统的特点22两种三容水箱的理论建模32.1 假设及相关参数定义32.2执行器（阀门）的数学模型42.3阶梯式三容水箱的数学模型42.4水平式三容水箱的数学模型63两种三容水箱模型的控制与仿真73.1 阶梯式三容水箱的简单PID控制83.2阶梯式三容水箱的串级PID控制93.3 水平式三容水箱的简单PID控制113.4 水平式三容水箱串级PID控制124总结145心得体会145.1 顾振博心得体会145.2 陈冶心得体会155.3 谢海龙心得体会15参考文献16附录16所用参数及其数值16摘 要三容水箱是工业过程中许多被控对象的典型抽象模型，在非线性、大惯性过 程控制研究应用中具有广泛代表性。近年来国内外许多学者对三容水箱系统的建 模方法、控制算法及故障诊断等方面进行了探讨。进一步研究三容水箱系统的控 制算法并构建现在实验教学系统，在工业控制领域和工程控制论教学中都具有较 为重要的理论和实际应用价值。本设计通过对阶梯式、水平式这两种典型的水平式三容水箱系统分别进行理 论建模，再分别加入了简单PID和串级PID控制器，并且在MATLAB的Simulink 仿真平台上搭建了相应的控制系统框图，对阶跃响应下的输出信号进行了仿真， 实现了对两种三容水箱液位控制系统的控制。1两种三容水箱的工作原理1.1三容水箱的结构三容水箱主体由3个圆柱型玻璃容器(Tankl(T1)、Tank2(T2)、Tank3(T3)、 4个阀门(VT0、VT1、VT2、VT3、VT4)、一个增压泵、一个蓄水池和响应的连接 部件组成。实验台工作时，增压泵抽出储水箱内的水，通过比例电磁阀VT0注入 容器T1，T1内的水再通过VT1、VT3依次流入丁2和T3中，最终通过VT3流回蓄 水池中，构成了一个封闭的回路。通过各个阀门(VT0-VT3)开关状态的不同组 合，可组成各阶控制对象和不同的控制系统。下图是两种不同形式的三容水箱的结构简图，其中图1为阶梯式三容水箱， 图2为水平式三容水箱。图2水平式三容水箱从以上两种三容水箱的结构简图我们可以知道，水平式三容水箱的三个水箱 间的耦合关系要强于阶梯式三容水箱，故对其研究更有理论意义；但阶梯型三容 水箱应用较之水平式三容水箱更广泛，对其研究更具实际意义。所以，本文将分 别对水平式三容水箱和阶梯式三容水箱进行理论建模、控制与仿真。1.2三容水箱系统的特点三容水箱系统是有较强代表性和工业背景的对象，具有非常重要的研究意义 和价值，主要是因为它具有如下特点：(1) 通过改变各个阀门的关闭或打开状态可构成灵活多变的对象，如一阶对象、 二阶对象或双入多出系统对象等；(2) 三容水箱系统是典型的非线性、时延对象，所以可对其进行非线性系统的辨 识和控制等的相关研究：(3) 三容水箱系统可构造单回路控制系统、串级控制系统、复杂过程控制系统等， 从而对各种控制系统的研究提供可靠对象；(4) 由于对三容水箱系统的控制主要通过计算机来完成，所以，可由计算机编程 实现各种控制算法来对水箱系统进行控制，为控制算法的研究提供了良好的试验 平台。2两种三容水箱的理论建模三容水箱液位控制系统的被控对象是三容水箱，被控参数是T3的液位，控 制参数为T1的进水量，使用电动调节阀改变其开度来控制其进水量。三容水箱是液位控制系统中的被控对象。若流入量和流出量相同，水箱的液 位不变，平衡后当流入侧阀门开大时，流入量大于流出量导致液位上升。同时由 于出水压力的增大使流出量逐渐增大，其趋势是重新建立起流入量与流出量之间 的平衡关系，即液位上升到一定高度使流出量增大到与流入量相等而重新建立起 平衡关系，液位最后稳定在某一高度上；反之，液位会下降，并最终稳定在另一 高度上。由于水箱的流入量可以调节，流出量随液位高度的变化而变化，所以只 需建立流入量与液位高度之间的数学关系就可以建立该水箱对象的数学模型。2.1假设及相关参数定义1. 此液体流动性好，粘度可忽略不计。2. 此系统所有阀门动作均无延时，且在其动作范围内遵循线性化准则。3. 此系统中所有阀门性能参数均相同，且其液阻相等，并在整个控制过程中 恒定。由于此系统与实际装置有关，故将常用参数定义如下：1. )三个发酵罐大小容积相等均为5m高，底面面积为0.2 m2。2. )电磁阀门控制电压为05v。3. )电磁阀的开度的取值范围为0-1，对应控制电压的0-5v。4.）三个阀门的液阻R = 3005 / m 2。2.2执行器（阀门）的数学模型此系统中执行器即为阀门VT0。由假设可知，此系统中所有阀门的动作均无 延时，且在其动作范围内遵循线性化准则。此系统中阀门的输入信号为05V，开度为0100%。由以上可知，阀门的 比例系数为k = 5，执行器的传递函数Ga为：Ga = Q = k 其中q .为T1的进水流量，a为阀门输入信号，q为阀 a 111门开度最大时的进水流量。取 q 为 1 mm3 / s，则。Ga = 0.2。 i2.3阶梯式三容水箱的数学模型水槽1：dt= T（Q Q12）水槽2：水槽3：1字=；（QQ23）T3的进2其中Qn是入水量，Q12、Q23分别为T1、T2的出水流量（也是T2、 水流量），Qo为出水量，h（i =123）为第i个水箱的液位，T1、A2、T3分别为T1、T2、T3三个水箱的横截面积。 为简化问题的求解，在此取A = A = A = A = 0.2m2。这里Q R，其中 叩T、2、3）为上中下三个水箱的液位，R、R、R 123分别为阀门VT1、VT2、VT3的线性化液阻。则有如下公式Q = h / R Q = h / R Q = h / R111222333按照流体力学原理，水箱流出量Q0与出口静压有关，同时还与调节阀门的阻力R有关，假设三者之间的变化关系为:流体在一般流动条件下，液位h和流量 0之间的关系是非线性的。为了简 化问题，通常将其线性化。线性化方法如下图所示。通常在特性曲线工作点a附近不大的范围内，用切于a点的一段切线代替原 曲线上的一段曲线，进行线性化处理。经过线性化后，水阻R是常数。由上式可 知，只要确定了三个水箱的水阻，这个三阶微分方程的参数就定下来了，进而可 以确定三容水箱系统的传递函数。由假设3可知，R1 = R2 = R3 = R。为简化计算， 我们近似取R = 300si m 2。通过对以上公式进行拉式变换，代入相关的数值，则可以得出三容对象关于 第三级水箱液位h3的传递函数。Gs =、T + 1)(Ts + 1)(Ts +1)式中：T1 第一个水箱的时间常数，T = A1 R1;T -第二个水箱的时间常数=AR ;222 2T -第三个水箱的时间常数=AR ;333 3h (s)0.00 1 3 8 892.代入相关数值，得Gs = =Q. (s)(s + 0.0 16 6)7此系统开环阶跃响应曲线如下:由上图可知，此阶梯式三容水箱系统具有自平衡的能力，但其稳态误差过大， 稳定时h3 = 300m，超过了容器的高度（5m）。故此系统无法达到稳态，需要加入 相应的控制器进行校正，使其满足相应的性能指标要求。2.4水平式三容水箱的数学模型通过水槽T1、T2、T3的物料平衡关系可得以下微分关系式:T1：T2：T3：dh _ 1乙dt - 了(4一Q23)2dh _ 1()dt T Q23 QO)3其中Qm是入水量，Q12、Q23分别为T1、T2的出水流量（也是T2、T3的进 水流量），Q。为出水量，技 为第i个水箱的液位，1、A2、分别为T1、T2、T3三个水箱的横截面积。 为简化问题的求解，在此取A = A = A = A = 0.2m2。式（1）、（2）、（3）中的QQ、Q分别满足下列各式:Q 12h - hR2iQ 23h3R3上式中R、R、R分别为阀门VT1、VT2、VT3的线性化液阻。由假设3可 123知，R = R = R = R。为简化计算，此处近似取R = 3005 / m2。将上面（1）、（2）、（3）式进行拉普拉斯变换，代入各个参数并合并胡，得300到此三容水箱系统的传递函数Gs为:h (5) Gs = =Qn (s) 216000s3 +18000s2 + 360.072s +1此系统开环阶跃响应曲线如下图（从上到下依次为hl、h2、h3）：由上图可知，此水平式三容水箱系统与阶梯式三容水箱一样具有自平衡的能 力，但其稳态误差过大，稳定时h3 = 300m，超过了容器的高度（5m）。故此系统 无法达到稳态，需要加入相应的控制器进行校正，使其满足相应的性能指标要求。3两种三容水箱模型的控制与仿真PID控制器是工程中应用最广泛的一类控制器，其具有结构简单、调节容易 等优点。故本三容水箱液位控制系统也采用PID控制器进行控制。在此，本文采 用简单PID和串级PID两种控制方法分别对系统进行调试。3.1阶梯式三容水箱的简单PID控制PID控制器根据给定值R与实际输出值C构成偏差信号E=R-C。PID控制器 的各个校正环节均有其作用：比例环节（P）能成比例地反映控制系统的偏差信号 error（t），偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差；积分环节（I） 则主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分环节（D）反映了偏差信号的变化 趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早 期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。PID控制器的公式为Gc = K 1 + + TB5= K + K + K s，其中a =（0.01 0.02）c T s aT s +1 c s d1-ID 在此我们以T3的液位高度h3作为反馈信号，选择PID控制器构建控制系统， 其控制原理图如下：设定值*PID控制器执行器Gak三容水箱 系统Gsh3此系统的开环传递函数为厂 _ h （s） _Gope nRXs） Gc * Ga , Gs闭环传递函数为G= h （s） = G - G - GciosidR（s）_ i+G G G在matlab的simulink仿真平台上搭建此控制系统，以PID控制器的输出信号作为阀门VT0的输入信号，以h3作为被控变量，画出框图如下所示：构建好仿真平台后，开始进行PID参数的调节，这是一个充满挑战性的任务。 在选取的时候，增大比例增益Kp会增加超调，同时会减小系统响应时间。而积 分环节则可以消除稳态误差，但会增加系统调节时间。微分作用的增大会加重系 统的震荡，加快了系统反应时间，超调增加。经过多次尝试，结合计算机对参数 自动进行整定，最终选定PID控制器的三个参数为：Kp=0.015，Ki=0.0001，Kd=0.5。得到此闭环系统的阶跃响应曲线如下图（从上到下依次为hl、h2、h3）：从上图可以看出，h