1、控制理論模塊項目驅動實踐報告  基于Labview的單容水箱液位控制系統     學 院： 電氣工程與自動化  專業班級： 自動化151班   學 號: 2420152857   學生姓名：廖梓 柔   指導老師： 任 金 霞   時 間: 2017。6。23  摘要本文是基于Labview的單容水箱液位控制系統的設計過程，涉及到Labview的應用、數據采集、水箱系統的建模、PID算法、液位的動態控制等一系列的知識。作為單容水箱液位的控制系統,其模型為一階慣性函數，控制方式采用了PI

2、D算法。選用合適的器件設備、控制方案和算法，能夠最大限度地達到系統對調節時間、超調量、穩態精度等控制性能的要求.Labview 程序稱為虛擬儀器 （VI) ，擁有的整套工具可用于采集、分析、顯示和存儲數據，以及解決用戶在編寫代碼過程中可能出現的問題.本設計通過Labview輸入控件和顯示控件創建用戶界面（前面板）.輸入控件指旋鈕、按鈕、轉盤等輸入裝置。顯示控件指圖形、指示燈等輸出顯示裝置。結合數據采集卡的應用建立水箱慣性系統的模型。在水箱建模的基礎上利用matlab仿真獲得最優PID控制參數。前面板創建完畢后，使用 VI 和結構控制前面板上水箱的輸入電壓，通過NI數據采集卡采集液面高度反饋的電

3、壓，從而實現對水箱液面高度的PID調節，從而達到對一階水箱的液位控制。關鍵詞:Labview;水箱建模;數據采集；PID控制目錄第一章緒論11。1設計背景及意義11.2設計目的11。3 設計要求2第二章系統總體設計32。1系統設計原理32.1。1水箱液位變化的原理32.1。2水箱液位控制的原理32。2水箱液位系統的控制模型4第三章設計準備53。1硬件準備53.1。1水箱比例系數的調節53。1。2數據采集卡(DAQ）73.2軟件安裝83。2。1Labview的安裝83。2。2DAQ的安裝93。2。3PID控制器的安裝10第四章設計過程114。1水箱系統建模114.1。1水箱建模原理114。1。2

4、建模數據采集144。1。3數據處理174。1。4確定水箱參數194。2基于matlab的數據仿真204.3 PID參數的選取214。3。1比例控制（K）214。3。2積分控制（I）234。3。3微分控制(D）234。3。4比例積分控制（PI）244。3。5比例積分微分控制(PID）244。3。6PID參數的確定25第五章最終控制及調試265.1最終控制的Labview設計265。1。1PID控制前面板的繪制265.1。2PID控制程序框圖的繪制275.1.3各模塊的功能275。2調試28致謝30參考文獻31第一章緒論1.1設計背景及意義大型水箱是很多公司生產過程中必不可少的部件，它的性能和工作

5、質量的優良不僅僅對生產有著巨大的影響，而且也關系著生產的安全。在過去，大量的對水箱操作是由相應的人員進行操作的，這樣的人工方式帶來了很大的弊端,比如水位的控制,時刻監控水箱的環境，夜間的監控等等,操作員稍有疏忽，或者簡易的監測器件損壞，將帶來無法彌補的損失，更嚴重的會危機到生產人員的人身安全等。所以,對水箱控制，如果能夠使用精密而且完全會嚴格按照生產規定運行的自動化系統，可以最大限度的避免事故的幾率,同時也能節省資源并能有效提高生產的效率。從水資源節約方面考慮，以往的人工控制在很多情況下,造成資源不必要的浪費，大部分原因是水箱內部水位沒有及時的反饋信息到操作員,從而使控制上有一定的延遲,從而造

6、成了水量過多或者沒能及時補水而導致資源的浪費或生產出現異常。而對水箱水位的監控以及自動化的引入可以很好的改善補水過多或及時補水的情況，可以很好的節約資源,有效的降低成本。深入地研究液位控制系統，能給工業過程控制的理論研究和實踐應用提供非常重要的指導資料,因此對水箱液位控制算法進行研究對實際的工程應用具有很重要的意義。1。2設計目的該實踐旨在使學生在深入消化控制理論課堂教學內容的基礎上，綜合運用所學課程的基本原理與方法,解決實際設計與應用問題，提高學生分析問題與解決問題的能力，并在設計過程中，學會查閱資料、系統設計、調試與分析、撰寫報告等，達到綜合能力培養的目的.1. 根據自動控制系統的設計要求

7、，學會方案比較和論證，初步掌握工程設計的基本方法；2. 了解水箱的工作原理及單容水箱控制系統的結構、組成與數學建模方法；3。 進一步了解和掌握PID控制的方法和應用，合理的整定PID的控制參數，取得良好的控制效果；4。 在學習、運用現在所學知識的同時，回顧以前所學知識，運用到設計中來，加強知識的系統性學習及知識的銜接、融合.5. 提高總結歸納、撰寫設計報告的能力,應當規范、有條理、充分、清楚地論述設計內容和調試成果。1。3 設計要求1.了解水箱的工作原理，畫出單容水箱液位控制系統的方塊圖。2。用接好線路的單回路系統進行投運練習,對系統建模.3。設計控制器，整定P、PI和PID三種調節器的參數，

8、寫出三種調節器的穩態誤差和超調量、調節時間。4。 控制器的實現,實現水箱液位的閉環控制。第二章 系統總體設計2.1系統設計原理2。1.1水箱液位變化的原理本設計探討的是單容水箱的液位控制問題.為了能更好的選取控制方法和參數，有必要知道被控對象-上水箱的結構和特性。由圖1所示可以知道，單容水箱的流量特性：水箱的出水量與水壓有關,而水壓又與水位高度近乎成正比.這樣,當水箱水位升高時，其出水量也在不斷增大。所以，若閥開度適當，在不溢出的情況下，當水箱的進水量恒定不變時，水位的上升速度將逐漸變慢,最終達到平衡.由此可見，單容水箱系統是一個自衡系統。圖2-1 單容水箱結構圖2.1。2水箱液位控制的原理簡

9、單控制系統有著共同的特征，它們均有四個基本環節組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和執行器。對于不同對象的簡單控制系統，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用相同的方框圖表示。除模擬PID調節器外，可以采用計算機、ARM 實現PID算法控制。首先由差壓傳感器檢測出水箱水位；水位實際值通過單片機進行A/D轉換，變成數字信號后，被輸入計算機中；最后，在計算機中,根據水位給定值與實際輸出值之差，利用PID程序算法得到輸出值，再將輸出值傳送到ARM中,由ARM將數字信號轉換成模擬信號。最后，由ARM的輸出模擬信號控制水泵,從而形成一個閉環系統,實現水位的計算機自動控制。圖2-2 單容水箱液位設計控制

10、框圖2。2水箱液位系統的控制模型該系統主要是自衡的非振蕩過程，即在外部階躍輸入信號作用下，過程原有的平衡狀態被破壞，并在外部信號作用下自動的非震蕩地穩定到一個新的穩態，這一大類是在工業生產過程中最常見的過程。由這個簡單控制系統通用的框圖設計出水箱液位控制系統的原理框圖如下圖23 水箱控制系統原理框圖第三章 設計準備3。1硬件準備3.1.1水箱比例系數的調節本次課程實踐采用的單容水箱為杭州求是教儀公司生產的ACTYK1單容水箱，如圖33所示。水泵由功率放大器電路控制.輸入水量從頂部進入水箱，流出水量從流量控制閥門底部流出.壓力傳感器的輸出電壓作為控制面板的輸出電壓，輸出電壓范圍010V.輸入電壓

11、010V。通控制器、開關控制可實現閉環PID控制。圖31 ACT-YK1單容水箱本課題采用的單容水箱型號為ACT-YK1.220V交流電壓供電。輸入輸出電壓均為010V。ACTYK1型實驗對象的監測模塊為一個壓力傳感器如圖，型號為PT3304K14.量程04Kpa。螺紋:M201。5，輸出電壓010V，此模塊內部電路有一個調節電路，如圖 所示有兩個可調電阻，左為調零電阻,右為比例調節電阻。執行裝置為一個水泵，型號為FLO2201。額定電壓為12V。由于控制輸入電壓為010V，即控制電路為一個將小控制信號轉化為大控制電壓的放大電路。圖32 PT330-4K14壓力傳感器為方便計算，本次設計將水位

12、為0刻度時調節調零旋鈕至對應電壓調為0V,滿位30cm刻度時,對應電壓調成5V，此時水箱滿足：水位高度(h）=電壓值×6調整結果如下：圖33 水箱比例系數的調節3。1。2數據采集卡(DAQ）本次課題采用NI USB6009數據采集卡以及Labview2013的共同控制。NI myDAQ提供了八種常用的基于計算機和Labvie的即插即用型實驗室儀器，包括萬用表(DMM)、示波器和函數發生器。學生可使用所有可立即運行的軟件儀器進行實驗和練習，包括伯德圖分析儀、任意波形發生器、動態信號分析儀(快速傅里葉變換）、數字輸入和數字輸出。 該平臺包含一個數據采集引擎，可用于測量兩個差分模擬輸入和模

13、擬輸出通道(200 kS / s，16位，±10 V).還可通過8 條數字輸入和數字輸出線（兼容3。3 V TTL）連接低電壓TTL（LVTTL）和5 V TTL數字電路. NI myDAQ通過+5 V、+15 V和-15 V電源輸出(功率高達500 mW)為簡單的電路和傳感器提供充足的電量. 直流電壓和電流以及電阻、二極管電壓和連續性。圖34 數據采集卡數據采集卡各個端口如下圖所示：圖3-5 數據采集卡各端口3。2軟件安裝本設計是基于Labview的單容水箱液位控制系統,在設計之應做好設計過程中相應的軟件準備，對即將使用的軟件進行必要的了解,掌握并熟悉基本的操作3。2。1Labvi

14、ew的安裝因此次試驗的數據采集卡（DAQ)是來自美國美國國家儀器（NI)有限公司的版本,基于此硬件環境，安裝Labview2013，如圖所示:圖35Labview的安裝3.2.2DAQ的安裝DAQ是英文Data Acquisition （數據采集）的縮寫。廣泛應用于電子、信息、科技、檢測、試驗領域。數據采集（DAQ）是指測量：電壓、電流、溫度、壓力、聲音、編碼數據等電氣或物理現象的過程.圖36 DAQ的安裝3。2。3PID控制器的安裝因Labview中只提供單獨的比例、微分、積分控制器未提供此次試驗可直接使用的PID（比例積分微分控制器）控制模塊，為提高實驗效率和精度，在Labview2013

15、以及DAQ安裝完成之后,在Labview中添加PID控制模塊的安裝。第四章設計過程4。1水箱系統建模4.1。1水箱建模原理單容水箱的流量特性：水箱的出水量與水壓有關，而水壓又與水位高度近乎成正比。這樣，當水箱水位升高時，其出水量也在不斷增大。所以，若閥開度適當，在不溢出的情況下，當水箱的進水量恒定不變時，水位的上升速度將逐漸變慢，最終達到平衡。由此可見,單容水箱系統是一個自衡系統.(1） 確定過程的輸入變量和輸出變量如下圖所示，流入水箱的流量是由進料閥1來控制的；流出水箱的流量取決于水箱液位L和出料閥2的開度，而出料閥的開庫是隨用戶的需要而改變的。這里,液位L是被控變量（即輸出變量),進料閥1

16、為控制系統中的控制閥，它所控制的進料流量是過程的控制輸入（即操縱量），出料流量是外部擾動。本設計以進料流量作為輸入變量。圖41 水箱液位過程及其階躍響應曲線（2）根據過程內在機理,列寫原始方程根據物料平衡關系，當過程處于原有穩定狀態是，水箱液位保持不變,其靜態方程為:=0（41），、分別為原穩定狀態下水箱的進料流量和出料流量，當進料流量突然增大是，水箱原來的平衡狀態被破壞,此時進料量大于出料量，多余的液體在水箱內儲存起來，使其液位升高。設水箱液體的儲存量為V,則單位時間內出料流量與進料流量之差等于水箱液體儲存量的凈增量.其動態方程為：-=（42）=、，、分別為和的增量。設水箱截面積為A,則有V

17、=AL，其增量形式為dV=AdL，即：（4-3）。將=、和式（4-3）代入式（42），得（44)。將式（14)減去式(41)可得用新增量形式表示的動態方程式,為:（4-5)(3)消去中間變量,簡化，求的微分方程式中間變量式原始方程式中出現的一些既不是輸入變量也不是輸出變量的工藝變量。式（45）中,為中間變量。與輸出變量L的關系可表示為：=:比例系數（4-6）當只考慮液位與流量均在有限小的范圍內變化式，就可以認為出料流量與液位變化呈線性關系.將式（4-6）改寫成增量形式：令，則有：（47）將式（4-7）代入式(45）中，即得（4-8)式（4-8）即為水箱液位過程的數學模型。由此可見，這是一個一階

18、微風方程,液位過程為一階過程。將該式寫成的一階過程的微風方程的標準形式:(49)或（410)為一階過程的時間常數，具有時間量綱;為一階過程的放大系數，具有放大倍數的量綱;為一階過程的輸出變量；為一階過程的輸入變量；為阻力系數，=液位的變化量 / 出料流量的變化量;為容量系數,=儲存的物料變化量/ 液位的變化量。當被控變量的檢測地點與產生擾動的地點之間由一段物料傳輸距離時,就會出現滯后。在控制過程中,若進料閥安裝在與水箱進料口有一段距離，則當進料閥開度變化而引起進料流量變化后，液體需要經過一段傳輸時間才能流入水箱，使液位發生變化并被檢測出來。顯然液體流經這段距離所需時間完全是傳輸滯后造成的。純滯

19、后一階過程的微風方程為:具有純滯后的一階過程的特性與放大系數、時間常數和純滯后時間有關。綜上所述，水箱液位控制系統是一個一階自衡過程,其特性可用放大系數、時間常數和純滯后時間這三個特性參數來全面表征。該時間常數T可以通過坐標原點對響應曲線作切線,此切線與穩態值的交點所對應的時間就是時間常數T。圖42 階躍響應曲線4.1.2建模數據采集在NI中新建VI模塊，添加數值輸入控件、DAQ助手及波形顯示等相關控件。數值的作用是給定期望電壓.圖43 數據采集面板DAQ助手2的作用是生成電壓并限定電壓輸出范圍,將給定的電壓數值（05V）輸送給水箱；在添加時，設置對應通道,將NI數據采集卡對應的端口與水箱對應

20、端口相互連接：圖4-4 DAQ助手的設置圖中DAQ助手1的作用是測量電壓并采集數據， 在添加時，設置對應通道，將NI數據采集卡對應的端口與水箱對應端口相互連接詳細設置如下所示，設置為連續采樣,采樣率為1Hz，并開啟記錄數據功能，即可將實驗過程中數據記錄下來并保存為表格形式:圖4-5 DAQ助手2的設計波形圖表的作用是直觀地顯示水箱水位的變化過程，由此圖表，可以清晰地判斷系統液位的上升趨勢、是否達到穩定，何時達到穩定。圖4-6 波形圖表4。1。3數據處理采集后的數據如下所示，每個數據為每秒采集到的水箱電壓值:圖47 采集數據顯示運用matlab編程，以采樣時間為橫坐標，電壓值為縱坐標,畫出系統響

21、應曲線圖：圖4-8 matlab編程圖4-9 系統輸出響應曲線4。1。4確定水箱參數一階系統的參數模型為KTs+1 ，T的求取方法如下：Matlab擁有強大的功能，用matlab中提供的cftool函數所得系統響應，設定擬合參數及擬合函數形式，結果如圖（4-10）所示:圖410 系統響應曲線擬合圖4-11 系統響應曲線擬合根據一階水箱建模原理，求得水箱的系統參數T=236;K的求取方法如下：給定一個3V的輸入電壓，在干擾的共同作用下系統達到平衡時水位的高度h1，令擾動為0，重新給定3V電壓是系統運行，當系統輸出達到3V時，讀取液面高度h2，比例系數 K= h1h2 ,由實踐結果,K=0.469

22、。由此確定水箱的傳遞函數為 2360.469s+1 .4.2基于matlab的數據仿真4.2。1程序框圖的繪制水箱實際控制操作繁瑣響應緩慢，且不易修改參數，因此，為獲得最佳PID參數,用matlab中的simulink仿真系統實現的響應過程，程序框圖如圖412 simulink程序框圖4。3 PID參數的選取4。3。1比例控制（K)比例控制規律是指：控制器的輸出信號（指變化量)與輸出信號(指偏差、當設定值）變時，偏差就是被控量測量值的變化量）之間成比例關系，即： 比例增益：某值在一定范圍內可調，在相同偏差輸入下,越大，輸出也越大，比例控制作用越強，因此是衡量比例作用弱的一個重要參數. 比例控制

23、器傳遞函數：在階躍偏差作用下，比例控制器響應曲線：在階躍偏差作用下,比例控制器響應曲線：圖413 比例控制響應曲線比例控制是最基本的控制規律，其特點是控制作用簡單，調整方便，且負荷變化時,克服擾動能力強，控制作用及時，過渡過程時間短，但因控制器的輸出信號與偏差信號之間在任何時刻都存在之比例關系,所以過程終了時存在偏差，且負荷變化越大,余差也越大。比例控制對系統控制質量的影響比例控制的控制作用效果如何，關鍵問題在于選擇合適的比例度，比例度時指控制器輸入的變化相對值與輸出的相對變化值之比的百分數，即:控制器的輸入信號的變化量，即偏差信號.：控制器的輸出信號的變化量，即控制命令。：控制器的輸入信號的

24、變化范圍，即量程。：控制器輸出信號的變化范圍.將比例控制器切入系統，閉環運行時其比例度對系統過渡過程的影響如圖：圖414 不同比例度下的過渡過程(1）余差:在擾動（如負荷）及設定值變化時，控制系統有余差存在。在相同的負荷變化量的擾動下，比例度越小,余差越??；在比例度相同的情況下負荷變化量越大，則余差越大。（2）對系統穩定性的影響:有圖可看出，比例度越大,過渡過程的曲線越平穩；隨著比例度的減少，系統將發散振蕩程度增加,衰減比減少,穩定性變差，當減少到某一數值時,系統將發散振蕩，十分危險,有時甚至造成重大事故。（3）對系統過渡過程的影響：由圖可見，隨比例度的減少，振蕩加劇，振蕩頻率提高,將被控量拉

25、回到設定值所需時間就短.一般而言，在廣義對象的放大系數較小，時間常數較大，時滯較小的情況下,比例度選的小些，以提高系統靈敏度;反之,當廣義對象的放大系數較大，時間常數較小，而時滯較大的情況下，必須適當增大比例度以增加系統的穩定性。（4)對最大偏差的影響:最大偏差在兩類外作用下不一樣,在擾動作用下越小,最大偏差越小;在設定作用下是系統處于衰減振蕩時,越小，最大偏差越大.有上述可知，只有當比例度的取值適當是，才可能取得系統呈衰減振蕩、最大偏差和余差都不太大，過程穩定快，回復時間短的控制效果，在工業生產中近長期實踐經驗，液位控制系統大致取值范圍為：2080.在控制器的控制規律中，比例作用是最基本、最

26、主要也是應用最普遍的控制規律，它能較為迅速地克服擾動的影響，使系統很快的確定下來，通常使用干擾幅度較小,負荷變化不大，過程時滯較小，控制要求不高，允許有余差存在的場合。在液位控制系統中，往往只要求液位穩定在一定范圍內，并沒有嚴格要求即可采用比例控制。4。3。2積分控制(I）積分控制規律是指輸出變化量與輸入變化量積分成正比,即：積分速度積分控制特點：積分控制主要用于消除余差,但作用緩慢，總滯后與偏差的存在不能及時有效的克服擾動的影響，致使被控變量的動態偏差增大，控制過程拖長，甚至使系統難以穩定，因此積分控制規律在工業生產上很少單獨使用，都是與比例作用組合來使用的。4。3。3微分控制（D）微分控制

27、規律是指其輸出信號的變化量與偏差信號的變化速度成正比，即：微分時間。微分控制規律特點：微分控制作用是按偏差的變化速度進行控制的,因此它具有“超前控制”作用,其控制的結果不能消除偏差，所以控制規律不能單獨使用。它常與比例或比例積分組合構成比例微分或比例積分微分控制規律，而從實際使用情況來看，比例微分控制規律使用的較少，在生產上微分往往與比例積分結合在一起使用,組成PID控制。4。3.4比例積分控制（PI)比例積分控制規律是比例作用與積分作用的疊加,其數學表達式為:比例項 :是積分項 ：積分時間 比例積分控制是在比例控制作用的基礎上引入積分作用來消除余差,故比例積分控制是使用最多、應用最廣的控制規

28、律，在反饋控制系統中，約有75是采用PI作用的。但是，加入積分作用后，會使系統穩定性降低;要保持系統原有的穩定性,必須加大比例度(即削弱比例作用)，這又會使2質量有所下降,如最大偏差和振蕩周期相應增大、過渡時間加長。對于控制通道滯后較小、負荷變化不太大、工藝、參數不允許有余差的場合（如流量或壓力控制）,采用比例積分控制規律可獲得較好的控制質量。4.3。5比例積分微分控制（PID)理想比例積分微分控制規律PID的表達式：雖然微分作用對于克服容量滯后有顯著的效果，但對克服純滯后是無能為力的。在比例作用的基礎上加上微分作用能提高系統的穩定性，再加入積分作用可以消除余差.所以適當調整、三個參數,可以使

29、控制系統獲得較高的控制質量。由于,PID控制規律集中了三種控制作用的優點，既能快速進行控制，有能消除偏差，還可以根據被控制變量的變化趨勢超前動作，具有較好的控制性能，所以在實際應用中得到廣泛應用.4.3。6PID參數的確定依據此次實踐要達到的相應快，誤差小,且鑒于該水箱為一階水箱,經反復實驗得在P控制器下系統所達到的效果最佳。在P控制器的作用下,該閉環控制系統始終為一階控制，不會引起超調,在增加Kp參數值的情況下,響應會不斷加快。但考慮到實際上的應用,盲目的Kp是不可實現的，因此設置參數Kp=500,Ki=0，Kd=0，使得響應合理又迅速.如圖（415）所示圖415 PID控制仿真曲線第五章最

30、終控制及調試5。1最終控制的Labview設計5.1.1PID控制前面板的繪制圖51 PID控制前面板5.1。2PID控制程序框圖的繪制圖52 PID控制程序框圖5。1.3各模塊的功能（1）滑動桿：設定05v中任意的給定電壓；（2)數值：通過乘法器與常數6（即水箱液面與電壓的對應關系）后顯示實時液面高度；（3)波形圖表:通過乘法器與常數6(即水箱液面與電壓的對應關系)后顯示液面高度隨時間的變化而變化的過程；（4）PID:通過對P、I、D各參數的調節而實現對液面的最優控制；(5)DAQ助手:將采集的數據通過采集卡記錄到電腦中；(6）DAQ助手2：通過采集卡從電腦中輸出給定電壓;（7）while循環：使整個運行能夠持續進行。5。2調試在實際操作過程中，系統往往會受到一定外界環境的影響，以至于造成偏差.因此,調試過程要根據實際情況操作，在之前仿真結果的基礎上,對水箱,PID控制器參數進行適當的調整，實現水箱液位快速準確地達到期望值,并達到一定的穩態精度的目的。 調試過程如下：（1）在穩定值輸入框中輸入你想要穩定的液面高度，觀測實驗達到穩態需要的時間并計算穩態精度；(2）將建模得到的PID參數輸入,查看并實驗現象。如若不合適,則自行調整PI