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1.3 课题研究的主要内容
（1）一个系统是否能达到预期的控制效果，其系统的数学模型相当的重要，直接关系到控制结果的正确与否。
（2）控制方案的选取，一个好的方案会让系统更加完美，所以方案的选取也非常重要。
（3）调节器参数的整定，一个系统有了好的方案，但是如果参数整定错误那也是功亏一篑。
2. 控制方案设计
因为液位高度和水箱底部的水压成反比，故可用一个压力传感器来检测水箱底部压力，从而确定液位高度。要控制水位恒定，可用PID算法对水位进行自动调节，把压力传感器检测到的水位信号4~20mA送入PLC中，在PLC中对设定值和检测值的偏差进行PID运算，用运算结果输出去调节水泵电机的转速，从而调节水量[7]。
系统启动后，液位变送器检测液位值,检测后将检测到的液位信号传送给PID控制器，控制器根据液位情况来控制水泵的转速。水箱液位值小于设定值时，水泵转速增加，水箱注入水量增加，水箱液位逐渐上升到设定值；水箱液位大于设定值时，调节阀开度减小，水箱注入水量减小，水箱液位逐渐降低到设定值，系统原理结构图如图1所示。
图1 系统原理结构图
2.1 系统设计
系统启动，打开水箱的出水阀，水泵电机以一定的转速来控制进入水箱的水流量，调节手段是通过将液位传感器检测到的电信号送入PLC中，经过A/D变换成数字信号，送入数字PID调节器中，经PID算法后将控制量经过D/A转换
成水泵电机转速相对应的电信号送入水泵电机来控制通道中的水流量。
当水箱的液位小于设定值时，液位传感器检测到的信号小于设定值，设定值与反馈值的差就是PID调节器的输入偏差信号。经过运算后即输出控制信号给水泵电机，使其转速增大，以使通道里的水流量变大，增加水箱里的进水量，液位升高。当液位升高到设定高度时，设定值与控制变量平衡，PID调节器的输入偏差信号为零，水泵电机就文持在那个转速，流量也不变，同时水箱的液位也文持不变。
当水箱的液位大于设定值时，液位传感器检测到的信号大于设定值，设定值与反馈值的差就是PID调节器的输入偏差信号。经过运算后即输出控制信号给水泵电机，使其转速减小，以使通道里的水流量减小，减小水箱里的进水量，液位降低。当液位降低到设定高度时，设定值与控制变量平衡，PID调节器的输入偏差信号为零，水泵电机就文持在那个转速，流量也不变，同时水箱的液位文持不变，系统原理图如图2所示[8]。
图2 系统原理图
2.2 单容水箱对象特性
所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。本文研究的是有自衡能力的贮蓄过程，以下简称自衡过程。
所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。
自衡过程的建摸：
单容水箱液位被控过程中，其流入量 ，改变阀1的开度可以改变 的大小。其流出量为 ，它取决于用户的需要，改变阀2开度可以改变 。液位h的变化反映了 与 不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程。若 作为被控过程的输入变量，h为其输出变量,则该被控过程的数学模型就是h与 之间的数学表达式，水箱水位控制模型如图3所示，液位控制过程阶跃响应如图4所示。
图3 水箱水位控制模型
(a) (b)
图4 液位被控过程及其阶跃响应
根据动态物料平衡关系有