三容水箱分段PID控制算法设计与仿真

程锦发 李兴红 向茜

摘要：随着工业4.0标准的出现，国内外工业自动化控制系统发展势头空前迅猛。在实际工程中，许多的工业控制对象都可以抽象成三容水箱进行仿真或者实验研究。而对三容水箱的控制策略常见的有PID控制、模糊PID控制及遗传算法控制。由于三容水箱具有非线性、时间延迟等特点，常规的PID控制方法往往控制精度低、响应速度慢、甚至容易引起振荡超调。本文根据水箱流量的近似分段特性，对三容水箱进行分段线性化处理，并设计分段的PID控制策略，实现更为优质的液位控制效果。为实验教学方便，笔者在MATLAB/Simulink平台上设计了液位仿真软件，界面友好，操作方面，可移植性强。

关键词：液位控制；分段PID控制；过程控制；三容水箱

中图分类号：TP334.2 文献标识码：A

0 引言

三容水箱系统在过程控制的研究与仿真中具有重要的工程实践意义。主要因为，首先三容水箱液位控制系统具有非线性、时间延迟及大惯性的特点。其次，对三容水箱系统的建模方法、控制算法及故障诊断的研究已形成系统体系，其模型结构便于科研工作者通过仿真软件试验算法的有效性。此外，在过程控制领域，液位控制系统被公认为控制算法研究与仿真的理想模型。

本文采用的是一个三容串级式水箱液位系统，通过在每一个水箱出水口处插入阻力板，系统可以构成三阶线性或者非线性的研究对象。由于非线性阻力板使得系统具有堰型隙缝式流量计的特性，其模型过程参数和传递函数都会发生变化，对其进行有效且稳定的控制显得更为重要有意义。……