单容水箱液位控制系统设计与实现

1.2 生产单位的统一结构
未来：1. 2.
y, xi ,G xi1, E, D
y | xi ,G xi1, E, D
控制
优化
1.3 控制工程师的作用
了解实际系统 ‒被控对象 ‒控制结构 ‒控制器选型
‒系统运行环境
1.4 控制器设计的目的
保证闭环系统稳定 保证跟踪性能 抗干扰
PWM占空比P到水泵电压U的过程
PWM占空比P与电压U具有比例关系，即：U k0P
水泵电压U到入水流量q1的过程
U到q1 的过程包括U到电机转速 及 到入水流量 q1 两部分：
1. U到 的过程具有近似的一阶惯性关系，即： (s) k1
2. 到 q1 的过程具有比例关系：q1 k2
执行机构和检测装置
‒执行机构
2号水泵 ‒检测装置
采用TOTTON PUMPS的DC15/5型磁耦合离心泵，工作 前，水泵和进水管必须灌满水形成真空状态，当叶轮快速 转动时，叶片促使水快速旋转，旋转着的水在离心力的作 用下从叶轮中飞出，泵内的水被抛出后，叶轮的中心部分 形成真空区域。水在大气压力或水压的作用下，通过水管 压到了进水管内，这样循环就可以实现连续抽水。
q1

q2

A
dy dt
(1)
由流体力学可知，流体在紊乱情况下，液位与流量之间的非线性关系如 下，其中 k3 为泄水阀流量系数：
q2 k3 y
(2)
将式（2）带入（1）得到被控对象模型：
dy dt
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1 A
k3
y

1 A
q1
(3)
由式（3）可知系统具有非线性，令f
(
y,
q1 )


1 A
k3
h
软件平台
‒EasyControl 控制软件平台
特点： 1. 用于开放式结构的快速控制原型开发、 硬件样机在线测试，有效地缩短开发周 期，保证系统柔性； 2. 由于可以采用实时在线测试，应用于 难以建立精确数学模型的系统，可以降 低建模和控制器设计的难度； 3. 与MATLAB系统的无缝集成，便于 开发者使用MATLAB中的各种先进算法； 4. 该软件通过与TCP/IP网络的集成性， 可应用于网络控制，远程设置控制方案， 便于调试和升级。
单容水箱液位控制系统设计与实现
王宏
东北大学“千人计划”教授 英国曼彻斯特大学主任教授
提纲
1. 做好控制工程师的技术要求 2. 单容水箱液位控制系统描述 3. 被控对象与控制器设计模型 4. 控制器设计 5. 系统仿真 6. 闭环实验
1.做好控制工程师的技术要求
1.1 生产过程控制的作用
在工艺和管理运行结构确定后，控制系统是唯一的一组可 以改变（优化）产品质量、生产效率和节能减排的手段
故本环节模型为：W0 (s)

y(s) q1 ( s)

K Ts 1
其中：
2 K
y0
k3
2A T
y0
k3
被控对象模型
将上述三个环节串联，得到被控对象模型为：
W (s) y(s) k0k1k2K P(s) (T1s 1)(Ts 1)

1 A
q1
则
dy dt

f ( y, q1)
在平衡点 (y0, q1) 处进行泰勒级数展开，并忽略高阶项得到：
dy dt

f ( y, q1)
f
f
f ( y0 , q1) y y y0 ,q1q1 ( y y0 ) q1 y y0 ,q1q1 (q1 q1)
其中
运行过程系统安全
保证控制系统在运行过程中安全可靠
控制软件平台具有易用性
控制软件平台功能丰富，操作容易
2.2 单容水箱液位控制系统组成
硬件平台组成(控制器实现平台、检测装置、执行机构)
‒ 检测装置
‒ 执行机构
流量传感器 液位传感器
2号水泵
‒ 控制器实现平台
网络化嵌入式控制器： 已嵌入水箱内部
f
( y0 , q1)

1 A q1

1 A k3
y0 0
f
1
q1 y y0 ,q1 q1
A
f
k3 q1 1
y y y0 ,q1 q1
2A y0
y0 2A y0
q1 2 Ay0
由此，
dy dt

1 A
(q1
q1)
q1 2 Ay0
(y

y0 )

使用GEMS流量传感器，通过累计流过液体体积的脉冲 信号，计算得到液体流量
流量传感器
‒检测装置 液位传感器
‒被控对象
单容水箱
使用Honeywell的26PC型差压传感器作为液位 传感器，根据水箱内水的上下表面压力差进行 折算得到相应的液位从而进行反馈。
尺寸：高度25cm，内径7.5cm，外径7.6cm 含有一个入水阀，一个泄水阀，单入单出的 被控对象，平衡点处可近似一阶惯性环节
1.5 控制器设计步骤
1. 输入-输出识别 2. 寻找合理的建模手段 3. 建立被控对象模型 4. 设计控制器（结构与参数）
1.6 系统实验的内容
1. 跟踪实验 2. 抗干扰实验 3. 控制器参数的调整
2.单容水箱液位控制系统描述
2.1 控制目标
液位达到设定值
单容水箱液位能够在一定时间内达到并稳定在给定值，且超调量控制 在给定范围内。
1 A
dq1

q1 2 Ay0
dy
两边分别除以 dt ，有：
dy 1 dq1 q1 dy dt2 A dt 2Ay0 dt
进行拉普拉斯变换，整理得到： 2 y0
y(s) q1 q1(s) 2 Ay0 s 1
q1 由于在平衡点(q1, y0 )处，入水流量等于出水流量，因此：
q1=q2 =k3 y0
‒MATLAB/Simulink
利用MATLAB/Simulink编写控制程序，能够实现从基础到复杂的控制
3.被控对象与控制器设计模型 3.1 控制系统与被控对象组成
3.2 被控对象模型
被控对象组成
被控对象模型是从水泵PWM占空比到液位的过程，包括三部分： PWM到电机给定电压U，U到入水流量q1 及 q1 到液位y三个过程。
U (s) T1s 1
因此，此过程的传递函数为： q1(s) k1k2 U (s) T1s 1
入水流量q1到液位y的过程
输入：入水流量q1 输出：液位y
‒ 原理 某一时刻，单容水箱的入水量与出水
量的差值即为水箱内储水量的变化 ‒ 模型建立
假设 q1 为入水流量，q2 为出水流量，A 为水箱横截面积，y 为液位，根据 物料平衡原理，