基于simulink液位控制PID实验指导书方案

MCG10型小型过程控制实训系统液位控制实验说明书

(simulink)

指导老师:王腾飞

学生:刘海利

大同煤炭职业学院

1.1 软件安装

本系统是使用matlab软件做检测控制，驱动设备为过程控制实验设备，系统要求先安装matlab软件，再安装REW驱动下载软件。

安装要求

win7系统旗舰版，32位系统。

1.2 SIMULINK PID

利用SImulink仿真过程控制算法，在网络上已经有很多的范例文件，本实验是利用simulink里的离散PID实现信号采集，信号计算，数据在线实时监视等，最终控制液位达到设定值。

打开simulink library库discrete中的PID Controller (2 DOF)，添加程序模板中。

图4.1PID封装模块

利用其即可搭建一个简单的PID控制器，模块数据连接端包括ref为参考基准值，下端为反馈信号输入端，右侧是PID输出。PID的3个参数值Proportional（P）比例，Integral (I)积分，Derivative (D)微分。

图4.2 PID功能设置

1.2.1、PID原结构

比例积分微分(PID)算法是工业中最常使用的控制算法。通常，PID用于加热和冷却系统、液面监控、流控制和压力控制应用。在PID控制中，必须指定过程变量和设定点。过程变量是要控制的系统参数（例如，温度、压力和流量），设定点是要控制的参数值。PID控制器可确定控制器的输出值（例如，加热器的功率或值位置），下图为PID原型。

1.2.2

控制器使用控制器输出值控制系统，使过程变量接近设定点的值.结构图如下图4.5.

图4.5 PID算法结构图

1.2.3基于simulink控制的IO接口

其中24V电源提供给外部传感器，PWM输出经过了功率放大，支持24V直流水泵，本次利用MCG10小型过程控制设备，内置小型直流潜水泵。下图为simulink驱动接口。该设备为Linux系统，在windows计算机系统中完成软件算法编写，通过以太网接口直接将程序下载到控制器中。

1.3 液位PID单回路控制

同样的程序和界面，可以用于单容、水平双容、垂直双容和水平三容的液位控制。只是管路有所不同，目标液位不同。我们选择单容来进行描述。1.3.1实验题目描述

单容水箱液位PID控制流程图如图1.3所示，采用左边支路进行实验，右边支路也是一样的。

图5.1 单容水箱液位调速器PID单回路控制

测点清单如表5.1所示。

表5.2单容水箱液位调速器PID单回路控制测点清单

序号位号设备名称用途原始信号类型工程量

1 U101 PWM调速器泵速控制直接驱动0～100％

2 LT101 压力变送器水箱液位4～20mADC AI 5kPa

水介质由泵P01从水箱V4中加压获得压头，经过手阀V-7进入水箱V1，通过手阀V-2回流至水箱V4而形成水循环；其中，水箱V1的液位由LT101测得，用调节手阀V-2的开启程度来模拟负载的大小。本例为定值自动调节系统，U101为操纵变量，LT101为被控变量，采用PID调节来完成。

1.3.2实验编程

1、编程分析：

单容液位PID控制回路，需要的I/O量:液位值、水泵驱动控制值AO。

界面内部量：目标设定值、实际液位显示值、手动控制输入值。手动/自动切换。

PID参数量：比例系数、积分时间、微分时间。

在安装好IO驱动后，在RT-esim中，在程序框图中调用模拟采集模块，以及PWM输出模块。调用PID函数，连接PID函数的输入输出端接口（详见程序视图).

2、计算过程

控制器采集的电压值为0-5V，我们将其转换成百分值参与PID计算，传感器的测量量程为0-50cm的水位，模拟信号是1-5V，采集A/D是0-4096，程序中百分比减去了820，除以占比，乘以100转换成液位量程工程的百分比，除以2得实际水位高度。设定值乘以2得百分值参与PID运算。PID输出0-100的值，经过转换成标定送PWM模块端口。

PID参数簇包含三个输入值，一次是比例、积分时间、微分时间。注意簇的用法，不可出错。

3、范例程序

程序框图

算法程序

1.3.3操作步骤和调试

1、编写控制器算法程序，下装调试；编写实验组态工程，连接控制器，进行联合调试。

点击SIMULINK环境下的编译按钮，执行程序下载，启动运行按钮，即可进行程序监控。

2、在现场系统上，打开手阀V-7，调节V-2开度(如果你希望控制量范围50-70%，则要开很大，否则开少一些)，其余阀门关闭。

3、在控制系统上，水箱液位输出连接到AI0，面板的PWM调速器U101控制端连到AO0,输出端接P01。

4、打开设备电源，插上电源插头，系统有电源，DC24V，

5、启动运行软件，进入实验项目界面。启动调节器，设置各项参数。

6、在自动状态下，观察控制输出值的变化，有变化有增减变化说明系统PID运行正常，

7、观察计算机显示屏上的曲线变化，实际液位值变化达到目标值响应太慢，增大比例值。响应太快减小比例值

8、如果出现较大的震荡，应该减小比例，增大积分时间。

9、选择合适的P和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。

10、在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把软件界面上设置D参数，然后加上与前面调节时幅值完全相等的扰动。

11、设定值与测量液位值能够很快地稳定，测量值正负接近设定值，始终保持快速响应，修正偏差，才是我们的最终目标。

1.3.4实验结果

测试结果如图1.4所示。由于手阀的开度不同，有不同的控制情况，所以各个用户的测试数据不一定相同。

图1.4 单容水箱液位调速器PID单回路控制

上述结果设定值为15cm，测量值14.99，基本上达到了稳态效果，在系统响应上，还要通过修改PID参数进行调试。