变频器双容液位.pdf

引言

在工业生产过程中液位控制问题是一类常见的问题,例如在食品

加工,溶液过滤,化工生产等多种行业中都需要对液位进行适当的控

制。液位控制技术广泛应用于国民生产中，随着过程控制技术的日益

成熟、生产线的更新、生产设备成本的降低等。需要研究和开发更为

优化的先进控制策略。液位控制在过程控制系统中占有重要的地位，

因此对液位控制系统的研究具有显著的理论和实际意义。在工业过程

中液位是最常见的参数，具有容易测量、便于直接观察和过程时间常

数小的特点。所以，以液位控制构成的实验系统，可灵活地进行组态

和实施各种不同的控制方案。可以构成一阶系统，二阶系统，三阶系

统和双输入双输出系统。

主题

1概述

双容水箱液位控制系统采用变频器--，变频器能根据需要调节其

转速。测量的液位信号经液位变送器转换，便可得到标准的电压信号，

信号范围为1-5V,反馈给变频器的VR2端。变频器根据输入给定值和

反馈的实际值，即根据液位变送器信号转换获得的反馈电压信号，输

出1-5V电压对应0-60Cm的高度。控制过程为：液位变送器把液位信

号转化成标准的1-5V电压信号，送到PID调节器，调节器的输出信

号调节电机转速来控制水箱的液位，以实现液位的自动控制，利用

PID控制自动调节，改变频率输出值来调节所控制的三相异步电机转

速，达到调速的目的。变频器通过改变电机的转速来调节液位。从而

实现控制水箱液位的稳定。PID参数合理选择设置起着重要的作用。

2双容水箱液位控制系统设计

2.1双容水箱液位控制系统设计及分析

阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状况下，待系统稳定后，

通过改变对象的输入信号。同时，记录对象的输出数据和阶跃响应，

然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理的处理，确

定模型中的相关参数。图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同

的模型结构，有不同的图解方法。双容水箱测试设流量Q1为双容水

箱的输入量，下水箱的液位高度H2为输出量，根据物理动态平衡关

系，并考虑到液体传输过程中的时间，其传递函数为：

式中的K=R4,T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分别为阀V2、V4的液阻，

C1和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数，K、T1和T2可由实验求

得的阶跃响应曲线求出，具体的做法是在图2所示的阶跃响应曲线上

取：h2(t)稳态值的渐近线h2(∞)；h2(t)/t=t1=0.4h2(∞)时曲线

上的点A和对h2(t)/t=t2=0.4h2(∞)

图2阶跃响应曲线

阶跃响应曲线上的t1对应A点0.4h2(∞)，t2对应B点0.8h2(∞)

0.32t1/t20.46，当t1/t2=0.32时，为一阶环节；当t1/t2=0.46

时，系统的过程传递函数G(S)=K/(TS+1)2，过曲线的拐点做一条

切线，它与横轴交于A点，OA即为滞后时间常数C。

图3为双容水箱液位控制系统。这是一个单回路控制系统，是有

两个水箱相串联，控制的目的既要使下水箱的液位高度等于给定值所

期望的值，又要具有减少或消除来自系统内部或外部的影响。显然，

这种反馈控制系统的性能主要取决于调节器参数的合理选择。由于双

容水箱的数学模型是二阶的。这种系统用比例调节器去控制，系统有

余差，且与比例度近似成的正比，若用比例积分调节器去控制，不仅

可实现无余差，而且只要调节器的参数和Ti选择得合理，也能使

系统具有良好的动态性能。比例积分微分调节器是在PI调节器的基

础上再引入微分D的控制作用，从而使系统即无余差存在，又使其动

态性能得到进一步改善。用临界比例度法整定调节器的参数，在实际

应用中，高阶系统PID调节器的参数常用下述临界比例度法来确定。

用临界比例度法去整定PID调节器的参数既方便又实用。它的具体做

法是：待系统稳定后，将调节器置于纯比例P控制。逐步减小调节器

的比例度，并且每当减小比例度，待被调量回复到平衡状态后，

再手动给系统施加一个5%-15%的阶跃扰动，观察被调量变化的动态

过程。若被调量为衰减的振动曲线，则