“水箱系统”液位控制的仿真研究 　张 　波 “水箱系统”液位控制的仿真研究 (重庆电力高等专科学校控制教研室 重庆 , 400053) 张 　波 摘 　要 : 根据自动控制系统工艺过程 , 建立了 “水箱系统”的液位控制的数字仿真模型 , 利用 Matlab 的 Simulink 对该模型进行仿真研究 。仿真结果 , 对人们进一步研究相似的控制系统具有一定 的参考价值 。 关键词 : 调节规律 ; Simulink ; 过程分析 Abstract : On automatic cont rol system technological p rocess , we set t he simulation model of “water tank system”liquid level cont rol and use Matlab’s Simulink doing t he simulation research. Key words : Rule adjusting ; Simulink ; Process analyzing 中图分类号 : TP273 　　文献标识码 :B 　　　文章编号 :1001 - 9227 (2006) 02 - 0064 - 03 1 　模型建立 在化工及工业锅炉自动控制系统中 , 有许多问题 最终都可归结为 “水箱系统”的液位控制问题 。对 “水箱系统”的液位控制问题进行认真和透彻的研究 , 对从事自动控制系统的工程技术人员来说 , 具有很重 要的意义 , “水箱系统”液位控制系统的工艺过程原 理如图 1 所示 。 图 1 　“水箱系统”的液位控制工艺过程原理图 图 1 中 , 入口处的阀门由一个调节器控制 , 以保 持水位不变 , 出口处的阀门由外部操纵 , 可将其看成 一个扰动量 。 符号说明 : Q1 —水箱流入量 ; Q2 —水箱流出量 ; A —水箱截面积 ; u —进水阀开度 ; f —出水阀开度 ; h —水箱液位高度 ; h0 —水箱初始液位高度 ; 收稿日期 :2005 - 10 - 25 46 K1 —阀体流量比例系数 。 假设 f 不变 , 系统初始态为稳态 , h0 = 2m , K1 = 10 , A = 10m2 。 则 : ΔQ1 - ΔQ2 = A d h dt ΔQ1 = K1 ×u Q2 = K1 × h 对 (3) 式在 h0 处进行线性化 , 得 : ΔQ2 = K1 2 × h0 ×Δh (1) (2) (3) (4) 对 (1) 、(2) 、(3) 式进行拉普拉斯变化得 : Q1 ( s) - Q2 ( s) = s ×A ×H ( s) = 10s H ( s) Q1 ( s) = K1 ×U ( s) = 10 ×U ( s) Q2 ( s) = K1 2 × h0 ×H ( s) = 3 536 ×H ( s) 所以 “水箱系统”液位控制系统图 , 可以用图 2 表示 。 图 2 　“水箱系统”液位控制系统图 2 　仿真实验 众所周知 , Matlab 的动态系统建模 、仿真工具 使控制系统的计算机辅助设计向可视化的方向迈进了 

《自动化与仪器仪表》　2006 年第 2 期 (总第 124 期) 一大步 。所以 , 我们针对 “水箱系统”液位控制 , 考 虑利用 Matlab 的 Simulink 对原系统进行仿真研究 。 首先 , 我们可以在没设计调节器 (可设 P = 1 , I = 0 , D = 0) 的情况下用 Simulink 对原系统进行仿真 分析 : 在 Simulink 下原系统闭环结构图如图 3 所示 : 图 3 　Simulink 环境下系统闭环结构图 图 5 　调节器的结构参数 通过 Matlab 进行仿真运行后 , 得到系统的阶跃 响应曲线如图 4 所示 。 图 4 　阶跃响应曲线 从系统的阶跃响应曲线图可知 : “水箱系统”液 位控制系统在无调节器的情况下 , 过渡过程是一个非 周期过程 , 是稳定的系统 ; 调节时间较短 , 响应比较 迅速 , 但是 , 该系统为一个有静差的系统 。在许多工 业自动控制系统中 , “水箱系统”的液位控制是不允 许有静差的 , 因此我们对原系统进行重新设计 , 给原 系统增加一个调节器 , 实现无静差控制 。 3 　校正设计 调节器的调节规律是根据对象的特性和控制系统 的要求而确定的 。对于 “水箱系统”的液位控制问 题 , 希望校正以后的系统达到较好的动 、静态性能 , 稳态误差为零 , 抗干扰性能好的要求 , 我们采用 PI 调节器 , 应该能够实现 。 通过多次仿真实验 , 我们确定调节器的结构参数 如图 5 所示 。 观察系统校正设计后的阶跃响应曲线 (如图 6 所 示) , 我们发现校正后的系统与原系统相比具有较好 的动 、静态性能 , 且是无静差系统 。 图 6 　系统校正设计后的阶跃响应曲线 图 7 　衰减振荡过程调节器的参数设置 4 　结 　论 (1) “水箱系统”的液位控制可以实现无静差 , 并且具有较好的动态过程控制 ; (2) P 参数不宜设置过大 , 否则系统会出现不稳 定情况 ; (3) 当 I 参数设置较大 , 即积分作用较强时 , 可 56 

“水箱系统”液位控制的仿真研究 　张 　波 荡过程动态性能不如非周期过程理想 ; (4) 本系统采用 PI 调节作用 , 对抗干扰性能的 要求也能很好地满足 。 参 　考 　文 　献 1 　文德工作室. Matlab5. 1 实用指南 〔M〕. 北京 : 宇航出 版社 , 1999 2 　欧阳黎明. Matlab 控制系统设计 〔M〕. 北京 : 国防工业 出版社 , 2001 3 　薛定宇. 控制系统计算机辅助设计 ─Matlab 语言及应用 〔M〕. 北京 : 清华大学出版社 , 1998 Instrument Control Toolbox 〔Z〕, 2000 4 　Mathworks Corp . 5 　韩璞 , 朱希彦. 自动控制系统仿真 [ M ]. 北京 : 中国电 力出版社 , 1999 4 　结束语 本文提出的利用 MA TL AB 优化控制箱与优化函 数相结合对非线性系统 PID 控制器进行优化设计的 方法 , 不仅克服了单纯形法导致的局部最小问题 , 而 且降低了在使用 NCD 工具箱时更多主观因素对控制 性能的影响 。仿真结果证实了采用该方法 , 克服了非 线性对系统带来的影响 , 提高了系统的动态和稳态性 能 , 获得了较好的控制效果 , 而且为控制系统优化技 术的 “在线”应用提供了一种有效的手段 。 参 考 文 献 1 　李华. 基于 MA TL AB 环境下控制系统参数的优化设计 [J ]. 电气传动自动化 , 2003 , (2) : 29 - 31 2 　顾生杰. 基于模糊自整定 PID 控制器的非线性系统仿真 [J ]. 兰州交通大学学报 , 2004 , (3) 62 - 64 3 　何克忠. 计算机控制技术 [ M ]. 北京 : 清华大学出版社 , 1998 4 　姚俊 , 马松辉. Simulink 建模与仿真 [ M ]. 西安 : 西安电 子科技大学出版社 , 2002 图 8 　衰减振荡过程 以出现衰减振荡过程 。通常对大多数的自动控制系统 的动态过程 , 出现衰减振荡过程是人们所期望的 , 但 如果仅对我们这次所探讨的系统而言 , 应该是衰减振 (上接第 63 页) [ tout ,xout ,yout ] = sim (’t u2’ ,[ 0 10 ] ,opt) ; f = yout - 1 ; 运行程序后在命令窗口得到优化结果为 kp = 9377 , 响应曲线如图 4 8809 , kd = 1 4124 ,ki = 0 4 所示 。 图 4 　基于 NCD 工具箱与优化函数的非线性系统仿真曲线 对比图 3 与图 4 仿真曲线可知 , 基于 NCD 与优 化函数相结合的非线性控制系统 , 不仅缩短了响应时 间 , 使系统在较短的时间内达到了稳态 , 而且超调量 也进一步下降了 , 从而使系统性能得到了进一步的改 善 。 66