三容水箱液位控制

三容水箱液位控制（共3篇）

三容水箱液位控制 篇1

1 三容水箱液位控制结构

液位控制是工业控制过程中的常用的控制参数, 具有易于观察、便于测量以及过程时间常数相对比较小等优点。因此, 以液位过程控制构成的实验系统, 可有效实现各种不同的控制方案和进行灵活地组态控制。三容水箱液位控制系统试验装置主要是模拟现代工业生产中对水位和流量参数的测量过程、控制并观测其参数变化。动态过程控制系统一般具有惯性大、大时延长和非线性的特点, 难以对其进行精确控制。通过水箱液位控制系统实验研究, 可以有效掌握控制理论、微机系统、仪器仪表等相关内容和现代控制技术, 同时还可以了解生产过程中的工艺流程, 便于人们从控制的角度掌握液位控制的的静态和动态工作特性。因而容水箱液位控制系统试验装置成为了控制理论与控制工程、过程控制教学、试验和研究的理想实验平台。

三容水箱实验系统的控制结构由以下几部分组成:1、控制器;2、由计算机软件实现;3、主要实现各种控制算法, 如神经网络式PID控制算法、模糊PID控制算法等;执行机构, 包括水泵、比例及其控制器、溢流阀等。比例电磁阀用于控制向实验台的水箱容器注水, 通过改变比例电磁流量阀控制的输入电压值可明显改变水箱出口流量Q, 从而实现容器内液位高度自动的控制目的;溢流阀主要是保障整个系统压力在安全可控的范围内;由于被控对象为三容水箱, 可测得被控量为圆柱型水箱内的液位高度;三容水箱实验系统的测量元件是三个应变式的压力传感器, 一般被用作测量各容器内的液位高度的数值;模/数、数/ 模接口, 通过数据采集卡的模/ 数转换功能可将传感器采集的模拟电信号转换成计算机可识别的数字信号, 同时通过此数据采集卡的数/ 模转换功能, 将预先设置的数字电压信号转换成相应的模拟电压信号, 再传送给比例电磁阀, 从而调节三容水箱实验系统得进水流量, 劲儿执行各种控制算法。

2 模糊PID控制器的设计

PID控制器和被控对象共同组成了模糊PID控制系统。其中, 模糊PID控制器由模糊控制调节器和PID控制算法两部分组成。模糊PID控制系统的输入变量包括以下三部分:控制系统的实际测量变量与系统设定初始值的差值和差值变化率, 三个值是已知数值的确定量。通过模糊控制调节器的模糊化、模糊推理以及清晰化后间接的调节PID的比例、微分和积分系数, 进而实现PID的控制算法的在线控制并最终获得可操作的确定值, 而这值即是模糊PID控制器的输出值。通过确定值的调节和控制, 可以使得误差和误差变化率都趋近于零, 从而实现被控系统处于稳定状态的目标。

在模糊PID控制器的整体结构和参数确定下来以后, 可以根据该系统的的要求具体设计整个系统结构的模糊PID控制器。但是无论选取何种结构的模糊控制器, 其设计过程大致会包含以下有几步:首先确定控制系统的输入、输出变量;其次确定控制系统中包含的变量的模糊化条件;再设计控制规则库;再设计模糊推理结构;最后确定模糊判决的方法。

3 模型建立

时域法建模是表较常用的一种实验建模的方法, 大致可分为系统阶跃响应法和矩形脉冲响应法。相对来讲阶跃信号更容易获取, 且节约信号的对象特性的测定方法也相对较多, 故此本文主拟采用阶跃响应法, 阶跃响应方法是给被控制对象施加阶跃信号, 测定其阶跃响应变化曲线, 然后根据该曲线的变化特点, 求出被控制对象的整体传递函数。对于单入单出的一阶函数对象的特征, 根据物料守恒原理, 容器内液体总量的变化率等于单位时间内流入液体的总量减掉单位时间内流出液体的总量。推导可得容器内液位h的变化可列如下方程:

其中R称为阀门的液阻, A为容器截面积。本文采用数据参数[1]如下:

4 系统仿真

水箱系统选定在在180-360mm液位高度, 由Ziegler-Nichols[2]整定公式:

其中三者关系为:, 式 (4)

其中, Kp为控制系统的比例参数, Ki为积分时间参数, Kd为微分时间参数, K为被控对象的增益, 即K=0.086, T为被控对象的时间参数, 即T=34 s, T为被控对象的延迟时间, 即T=2 s。本文控制中采样周期Ts=0.3s[3], 从而根据式 (3) 、式 (4) 确定积分式PID控制器的参数分别为:

由此, 通过MATLAB软件, 通过变化相关参数, 可得出较为理想的 (响应速度快、稳定) 水箱液位变化曲线, 从而较好的控制水箱液位。

5 总结

本文分析了三容水箱液位控制系统结构, 对PID的控制算法实施控制的原理进行了讨论与研究。在此基础上, 应用系统仿真对三容水箱液位控制系统进行了建模仿真, 研究了系统的运行特点, 对系统运行过程中的系统参数进行了设定、控制, 并且进行了相关分析, 以期获得稳定精确的水箱液位控制手段。

摘要：三容水箱系统是一种典型的过程控制系统, 通常可用作工业控制的模型。该控制系统具有祸合性强、惯性大和非线性化等特点。对三容水箱控制系统的分析和研究具有现实意义。模糊PID控制算法作为较为前言而又成熟的系统控制理论, 应用于控制系统十分广泛, 可以根据系统性能的不同要求, 完成相应的控制目的。把模糊PID控制策略三容水箱的液位控制, 构成模糊PID复合控制, 是改善和提高三容水箱控制精度和响应速度的有效途径。

关键词：三容水箱,PID控制技术,仿真

参考文献

[1]王晓静.基于三容水箱的模糊PID控制算法研究及实验教学系统开发[D].长沙:中南大学, 2009:5-1.

[2]侯燕.三容水箱液位控制系统的研究[D].武汉:华中科技大学, 2005:4-18.

三容水箱预测PID控制方法研究 篇2

关键词：三容水箱,预测控制,多模型,PID

0 引言

三容水箱液位控制系统, 因其可以模拟生产实际中的复杂过程的控制对象, 而被广泛应用。但由于其具有动态过程的一般特点, 如大惯性、非线性、大时滞性、参数时变性等缺点, 所以具有一定的局限性。近几年来, 许多学者针对这类被控对象做了大量的实验研究。普遍认为, 采用多模型策略可以达到很好的控制效果。

1980年, Cutler从大量的生产现场试验中, 提出了基于阶跃响应的动态矩阵控制 (Dynamic Matrix Control, 简称DMC) 。本文基于动态矩阵控制, 并用反复地在线滚动优化代替了传统的全局优化, 在此过程中不断利用实际输出值进行反馈校正, 以此来解决参数时变性带来的二次扰动, 增强鲁棒性;同时针对于多模型控制的优点, 将预测控制与PID相结合, 以提高系统的响应速度, 以克服传统控制的大时滞性的缺点。

1 三容水箱液位控制系统简介

三容水箱液位控制系统组成如图1所示, 由三个水箱和储水箱组成, 上中水箱尺寸为:D=25cm, H=20cm;下水箱尺寸为:D=35cm, H=20cm, 可以组成一阶、二阶、三阶控制系统。水箱接有量程为0~5k Pa, 精度为0.5级的压力传感器, 型号为QSTP-16K的电动调节阀, 起到干扰作用的电磁阀, 控制出水流量的手动调节阀。

2 三容水箱模型的建立

描述系统动态响应特性的主要参数有时间常数、增益、纯滞后时间, 由于动态矩阵控制采用的模型是阶跃响应模型, 并且是离散的, 这样我们就可以测定不同输入下的输出数据, 存放到数据库中, 相当于阶跃响应模型, 把这种模型结构作为多模型集合的元素, 并对系数进行加权即可。

2.1 模型的建立

用实验的方法建立FOPDT模型, 对系统做阶跃响应测试, 如图2, 输入端输入的是不同液位给定值, 将输出的当前液位值存放到数据库中。为了提高响应速度, PID控制器采用P控制。分别采集输入为30mm, 50mm, 70mm, 100mm这几种情况下的输出值, 存放到数据库中。

图3为输入为50mm下采得的数据画出的响应曲线, 由图可以很清晰的看到本系统有很大的延时, 约18s, 数值在某一范围内上下波动, 这和压力传感器的灵敏度, 和外界的干扰有关, 最终达到平衡, 但是数据的波动较大。针对该问题, 本文采用提升小波的方法对这组数据进行平滑处理, 效果如图4所示。其余数据处理方法同上。

2.2 权重的计算

递推贝叶斯概率权重计算方法, 计算量小, 模型切换平稳, 具有平滑的控制效果。该方法是基于对象当前匹配误差和历史误差来计算的。如式 (1) 。

式中, Pj, k为当前时刻第j个子模型与被控对象匹配度的条件概率, m为模型个数, , 当前模型与被控对象的匹配误差, 由于与历史信息有关, 所以用到前一时刻的条件概率Pj, k-1, K为收敛系数, 取值越大, 收敛的越快, 当收敛到最真模型时, 概率为1, 其他情况为0, 为了使所有的模型都可用, 设定一个很小的数λ, 当Pj, k<λ时, 使Pj, k=λ, 则模型权值公式为:

n为Pj, k=λ时的模型编号。

3 多模型预测PID控制

三容水箱系统有滞后的特点, 为了提高响应的速度和扰动的影响, 本文首先对上水箱实施PID控制, 相当于串级控制的内环, 具有快速响应的作用, 有效克服二次扰动的影响。预测PID控制框图如图5所示。

子模型是针对广义被控对象建立的, 子模型由前面方法可得。

子模型在k时刻n步超前预测为:

y0为系统输出的初值, aj, i为第j个子模型的第i个阶跃响应系数, m为子模型的个数, P为预测时域长度, N为模型的长度, 右边第二项表示该时刻和未来时刻控制增量对系统预测的影响, 第三项表示的是历史时刻对预测输出的影响。则, 预测模型的输出为:

反馈校正环节要对当前时刻的误差进行校正, k时刻的误差为:

e (k) =y (k) -y赞 (k) (5)

为了消除多因素对预测值的影响, 取e (k) 的P维校正向量h=[h1, h2, …, hp]T,

对进行修正:

将 (3) 和 (4) 带入 (5) 得

S为加权模型阶跃响应系数构成的矩阵, 其中

M为控制时域长度, P个优化时域的参考轨即期望输出为:

η=[η (k+1) , η (k+2) , …η (k+p) ]T

滚动优化目标为:

4 算法仿真研究

本文首先采用多模型预测PID控制算法对被控对象进行控制, 输入为50mm, 滞后时间18s, 图6为被控对象输出, 图7为控制曲线, 为了说明该方法的有效性, 比较了不同输入下的输出情况, 为了比较算法的优劣, 本文将多模型预测PID控制与预测控制和串级PID控制进行比较, 比较结果见表1。

由图8可知, 采用多模型预测PID方法在不同的输入下都能很好的到达目标值, 适应不同的工况要求。由表1和图9可知, 多模型预测PID的控制方法响应速度快, 达到稳态时间比较短。

5 结论

本文针对传统三容水箱液位控制系统难以建立精确模型和大滞后性、多时变性等缺点, 提出了采用多模型方法进行建模, 以及子模型采用阶跃响应模型的建模方法;同时, 将预测控制与PID控制相结合, 内环采用P控制, 进一步解决了多时变性, 克服二次扰动的影响, 提高响应速度, 克服了大滞后性的缺点。预测控制PID控制结合方法与传统方法相比, 显现出了很强的优越性, 大幅度提高了稳定性, 增强了鲁棒性。

参考文献

[1]刘岑俐.张明.基于模糊规则参数自整定PID的三容水箱液位控制[J].电子测试, 2009 (11) .

[2]汪玉凤, 霍德鹏, 崔颖, 杨桢.基于模糊PID控制器的重介密度自动调节系统[J].仪表技术与传感器, 2010 (12) .

[3]任子武, 高俊山.基于神经网络的PID控制器[J].自动化技术与应用, 2004 (05) .

三容水箱液位控制 篇3

一、三容液位过程控制实训系统的工作原理[1]

三容液位过程控制实训系统主要硬件构成为三个玻璃水箱、气动调节阀、差压变送器、电磁阀、电/气转换器、液位传感器、空气压缩机、水泵、计算机等, 基本结构如图1所示。

水流是经过手动阀v0后分成两路再经过气动调节阀vc1、vc2和手动阀v1~v6后进入三个水箱的。一路可以通过手动阀v1、v3、v5的开关不同来实现单容、双容和三容的控制。假设想控制3号水箱液位h3, 让v5开, v1、v3关, 则是单容水箱控制;若让v3开, v1、v5关, 则为双容水箱控制;而若让v1开, v3、v5关, 则为三容水箱控制。而调节阀vc2和手阀v2、v4、v6成为另一路水流的干扰环节, 选择分别进入三个水箱的手动阀v2、v4、v6的开关不同, 可改变加入干扰环节的位置, 都也会影响实验的效果。

二、智能控制算法研究

1. BP网络PID控制器设计[2]。

BP神经网络PID控制器主要利用了神经网络的非线性映射能力和自适应能力[3]。系统结构如图所示, 控制器由两部分组成: (1) 可通过自动调节参数实现对被控参数的闭环控制。 (2) 也可根据系统运行过程的状态自动调节参数达到某种性能指标的最优化。BP神经网络PID控制器结果如图2所示。

输出节点分别为可调PID控制器的三个参数KP、K1、KD, 即

O1 (3) (k) =Kp, O2 (3) (k) =k1, O3 (3) (k) =KD。各节点的输入输出关系为:

上式按照沿着J (k) 对wi (k) 的负梯度方向检索调整即使用梯度下降法修正加权系数w (k) , 并引入惯性项, 从而使BP算法的收敛速度得到提高, 于是:

与此类似, 可求得隐层权值系数的调节规律为:

式中, g&apos; (·) =g (x) (1-g (x) ) , f&apos; (·) = (1-f2 (x) ) /2。

2. BP网络PID智能控制仿真研究。

三容液位过程控制系统的线性数学模型为:

在MATLAB环境中, 利用M语言编写控制程序。设定目标液位高度为单位阶跃输入, BP网络结构为2-3-3, 两套仿真的初始给定水位为:h1f=12cm, h2f=10cm, 下面改变系统的干扰量, 当t=195s时, 将水箱3下面的出水阀门调节调节到原来的30;在t=345s时将出水阀拧到原来的60%, 通过仿真我们得到输出响应曲线。

通过以上仿真图我们可以看到采用BP神经网络PID控制器时, 水位上升速度相对较慢, 但是在BP神经网络PID控制器控制下系统超调量小, 出现扰动时, 能迅速的消除扰动。改变输入量以后, 发现BP神经网络PID控制器跟踪特性仍然表现不错, 系统输出与输入的误差几乎为零。说明BP神经网络PID控制器对参数具有很好的适应性, 鲁棒性较好。

摘要：本文以实训室三容液位过程控制实训系统为模型, 设计了基于BP神经网络智能控制算法并在三容液位系统中仿真分析, 研究三容液位控制系统的控制学习《自动化控制原理》课程有很好的指导意义。

关键词：三容液位控制系统,过程控制,智能控制

参考文献

[1]赵科, 王生铁, 张计科.三容水箱的机理建模[J].控制工程, 2006.

[2]卢娟.BP神经网络PID在三容系统中的控制研究[D].合肥: 合肥工业大学硕士论文, 2009.

[3]余建勇.网络控制系统及其预测控制算法研究[D].浙江工业 大学硕士论文, 2005.