浅谈单水箱液位控制技术
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摘 要:在日常生活及工业控制中经常需要涉及到液位和流量控制问题,居民房顶水箱供水,饮料加工厂的液体存储箱,化工工厂中染料的调配等都涉及到水箱液位控制问题,要保证液体的合适高度,就需要设计合适的液位控制系统，建立水箱液位控制系统数字仿真模型，利用MATLAB的simulink对该模型进行仿真研究。
关键词：单水箱，液位，流量，控制系统，高度，Simulink。
中图分类号：TU822文献标识码： A
Abstract：In daily life and industrial control often need to involve level and flow control problem，Residents roof tank of liquid water, beverage processing, chemical factory in storage box of dye mixing and so on were related to water tank level control problem，To ensure the appropriate height, liquid need to design appropriate level control system，Establish water level control system of digital simulation model，Use of MATLAB simulink the model simulation。
Key words: Single tank，level，flow，Control system ，height ，Simulink。
引言
水箱液位控制系统的提出
在过程控制中，被控制量通过有以下四种：液位、压力、流量、温度，而液位不仅是工业过程中常见的参数，而且便于直接观察，也容易测量，过程时间常数一般比较小，以液位过程构成实验系统，可灵活的进行组态，液位控制装置也是过程控制最常用的实验装置。
一、单水箱液位控制系统原理。
如图（1）所示：
图（1）“水箱系统”液位控制原理
如图所示中,它有一个水箱，一个液位调节器，一个入水阀门，一个出水阀门，入口处的阀门调节器控制水流量和水位,出口处阀门由外部操纵,可将其看成一个扰动量，由外部起干扰作用。
符号说明：
水箱输入量: Qin
水箱流出量: Qout
水箱截面积: S
进水阀开度: u
水箱液位高度: h
水箱液位给定高度: hr
单水箱液位控制系统，无论通过Qout的输出量怎样发生变化，都能维持储存槽液面在h值附近，不超过允许的偏差值，浮子的位置就是测量出来的液位实际高度，它与调节器相连，调节器与入水阀相连，当液面高度恰好为h时，调节器输出电压u经过放大后，作用于调节阀门上，改变阀门开启量，从而调节输入流量，使储槽液面恢复到h值附近，液面就能维持在h值附近而不超过允许误差范围。
二、单水箱液位控制系统建模。
对上图系统可抽象成图（2）所示的数学模型：
图（2）“水箱系统”的数字模型
通过水箱系统的数学模型，我们可以初步建立系统的仿真模型，它有一个阶越信号，一个比例和比例积分环节的调节器，比例环节K1和K2，一个积分环节还有一个扰动环节组成。
三、单水箱液位控制系统实验设计。
（1）对上图水箱系统的数学模型利用simulink进行仿真实验，simulink是运行MATLAB环境下用于建模,仿真和分析动态系统,它包括一个庞大的结构方块图模型,用户可以既快又方便地对系统进行建模,并且simulink可以在屏幕上显示数据以及输出数据和图形,simulink本身就是一种用来实现计算机仿真的软件工具,它是MATLAB的一个附加组件,用来提供一个系统的建模与动态仿真工具平台,用模块组合的方法使用户能够快速,准确地创建动态系统计算机模型,由于simulink是一个动态统统建模、仿真和综合分析的集成软件包，它可以处理线性、非线性系统，离散、连续及混合系统，simulink把图形窗口扩展成为可以用来编程的图形界面，在simulink提供的图形用户界面上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可以构造出复杂的仿真模型，simulink以方块图形式，采用分层结构建立仿真模型。
（2）MATLAB/Simulink建立液位控制系统,采用PID调节器,其控制规律为比例、积分、微分控制,它以其结构简单,稳定性好工作可靠,调整方便而成为工业控制的主要技术之一,当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必需依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便,PID控制器就是根据系统误差,利用比例,积分,微分环节计算出控制量进行控制的。其中比例(P)控制是一种最简单的控制方式,其控制器的输出与输入误差信号成比例关系,当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。而比例积分（PI）控制是具有比例加积分控制规律的控制，PI控制器可以使系统在进行稳态后而无稳态误差，比例积分控制器与被控对象串联连接的，相当于在系统中增加了一个位于圆点的开环极点，同时也增加了一个位于S左半平面的开环零点，位于圆点的极点也可以提高系统型别，以消除式减小系统稳态误差，改善系统稳态性能，而增加的负实部零点则可以减小系统的阻尼比，缓和PI控制器极点对系统稳定性及动态过程中产生的不利影响，在实际工程中，PI控制器通常用来改善系统稳态性能.
（3）建立系统模型。
创建系统的模型需要多个模块，各模块的各名称以及参数设置如表（1）所示：
子模块库 模块 模块名 参数名 参数值 备注
Sources Step Step Step time 0 ,0 ,2 ,0 阶跃信号
Step1 Step Step time 100, 0, 0.05 0 阶跃信号
Step2 Step Step time 0 ,0 ,0.01 ,0 阶跃信号
Step3 Step Step time 100 ,0 ,0.01 0 阶跃信号
Math operation
Sum Sum1 List of signs +- 符号
Sum2 List of signs ++ 符号
Sum3 List of signs +- 符号
Sum4 List of signs +- 符号
Gain Kp Gain 1 增益
Ki Gain 0.1 增益
Continuous Integrator I 积分
Sink Scope Scope 示波器
Scope1 Scope 示波器
表（1）模块的名称以及参数设置表
（4）将模块添加到模型窗口，并使用信号连接起来，创建模型结构如图（3）所示：
图（3）“水箱系统”仿真框图
（5）数字仿真实验
①.调节器采用PID算法，当采用P调节规律时，比例环节为1，比例积分环节为0，其中外部干扰信号在t=100s时，由0.01增加到0.05时，如图所示水箱系统液位控制仿真框图(4)所示：
图（4）仿真框图
通过simulink仿真可以得出水箱系统液位控制仿真结果图（5）、（6）：
图（5）仿真结果图
图（6）仿真结果图
②.当调节器采用PI调节规律时，比例环节为3，比例积分环节为0.1，其中外部干扰信号在t=100s时，由0.01增加到0.05时，如图所示水箱系统液位控制仿真框图（7）所示：
图（7）仿真框图
通过simulink仿真可以得出水箱系统液位控制仿真结果图（8）、（9）：
图(8)仿真结果
图（9）仿真结果
四、结果分析
由上图所示的的仿真结果可见：当采用比例调节规律时，系统液位控制存在稳态误差且其随干扰量的增加而增大，而采用比例积分调节规律可有效地消除稳态误差，所以该系统以采用PI调节器为好。
总结
单水箱液位控制系统simulink仿真实验具有广泛的应用背景,依据其不同的实际背景设计水箱液位控制系统，并对这些系统建模，进行数字仿真，是很有实际意义的。本文利用系统建模法，分别建立被控对象的数学模型，利用simulink进行仿真实验，通过利用PID调节器建模仿真，通过对P调节器和PI调节器进行对比，我们可以很清楚的从图形上了解到PI调节规律比P调节规律更有效的消除稳态误差，改善系统的稳定性。
参考文献
[1]王正林编.MATLAB/Simulink与控制系统仿真.北京:电子工业出版社.2008.7.
[2]黄忠霖,黄京编著.控制系统的MATLAB计算机仿真.北京:国防工业出版社.2009.1.
[3]王海英,袁丽英编著.控制系统的MATLAB仿真设计.北京:高等教育出版社.2009.2.
[4]曹戈主编.MATLAB教程及实训.北京:机械工业出版社.2008.4.
[5]张晓华主编.控制系统数字仿真与CAD.北京:机械工业出版社.2009.12.