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1、单容水箱液位过程控制实验报告一、实验目的1、了解单容水箱液位控制系统的结构与组成。2、掌握单容水箱液位控制系统调节器参数的整定方法。3、研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响4、了解PID调节器对液位、水压控制的作用。二、单容水箱系统模型2.1 液位控制的实现本实验采用计算机PID算法控制。首先山差压传感器检测出水箱水位，水位实际 值通过A/D转换，变成数字信号后，被输入计算机中，最后，在计算机中，根据水位 给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值经过D/A模块 转换成模拟信号，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位 的计算机自 动控制。2. 2 被
2、控对象本实验是单容水箱的液位控制。被控对象为图 1 中的上水箱，控制量为流入 水箱 的流量，执行机构为调节阀。山图 1所示可以知道，单容水箱的流量特性：水箱的出水量与水压有关，而水压乂与水位高度近乎成正比。这样，当水箱 水位 升高时，其出水量也在不断增大。所以，若阀开度适当，在不溢岀的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐 渐变 慢，最终达到平衡。由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。三、电动调节阀流量特性物理模型 电动调节阀包括执行机构和阀两个部分，它是过程控制系统中的一个重要环 节。电动调节阀接受调节器输出420mADC的信号，并将其转换为相应输出轴的角位移， 以改变阀节流面
3、积S的大小。图2为电动调节阀与管道的连接图。电动调节阀图2图中：u来自调节器的控制信号（420mADC）0阀的相对开度s阀的截流面积q 液体的流量山过程控制仪表的原理可知，阀的开度 0与控制信号的静态关系是线性的， 而开度 0与流量Q的关系是非线性的。四、单容水箱系统PID控制规律及整定方法数字 PID 控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在液 位控 制系统中也有着极其重要的控制作用。本章主要介绍 PID 控制的基本原理，液 位控制系 统中用到的数字 PID 控制算法及其具体应用。PID 控制原理一般，在控制系统中，控制器最常用的控制规律是 PID 控制。常规 PID 控制
4、系统 原理框图如图 3 所示。系统山模拟 PID 控制器和被控对象组成。比例图 3 模拟 PID 控制系统檢理根图PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值：r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(0 = r(t) -c(t)(3-1)将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进 行控制，故称 PID 控制器。它的控制规律为八1TDde(t)u(t) = Kp+-Joe(t)dt + -jr- (3-2)D写成传递函数形式为G(S) = Kp(l+zA + TDS)(3-3)式中Kp 比例系数；T|积分时间常数；微分时间常数； D从系统的稳定性、响应
5、速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，PID控制器各校正环节的作用如下：1、 比例环节用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。KP越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系 统不 稳定。取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静 态、动态特性变坏。2、 积分环节 主要用来消除系统的稳态误差。T| 越小，系统的静态误差消除越快，但T| 过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若T|过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。3、微分环节能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方
6、向的 变化 对偏差变化进行提前预报。但TD过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性 能。调节器参数的整定方法：调节器参数的整定一般有两种方法：一种是理论设计法，即根据广义对象的 数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率法来确定调节器的相关参数，另一种方法 是工 程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相 关参数。工程实验整定法有以下四种，本次试验采用经验法：将控制系统液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系 统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参 考。表 一为经验法整定参数的参考数据，在
7、此基础上，对调节器的参数作进一步修正。Td =若需加微分作用，微分时间数按AxlOOTl(min)TD(min)温度20 603100.5 3流量40 1000. 1 1压力30 700.43液位20 80计算。表格 1经验法调节器参数经验数据五. 实验数据分析压力控制水位控制乩13|i* fa*倒0 R e -0堂理區；专开发*境卫柱1T |也XMIHUJI过翘校制1181乡步3JJ 16 02对实验的分析:实验主要通过调节PID值来使水箱的水位达到设定值。KPKPTiTTi为比例控制环节，调节 值可以调节水位的变化速度，但如果 值过大，会使控制曲线产生振荡。 作用是消除稳定值和设定值之间的残差 越小，系统的静态误差消除越快，但过小，会引起响应过程的较大超调。山于实验仪器的传感器误差较大，对 %调节作用不大，所以对DTD作用观察的不够明显。六、实验收获与心得这是我们第一次做过程控制的实验，通过这次实验，我了解了水箱液位控制系统 的结构以及其丄作原理。之前都只是在课本上看到过PID控制，旦对其并不太了解。通过这次实验的操作， 更直观的对PID控制中比例环节（P）、积分环节（I）、微分环节（D）在系统控制中 起到的作用。旦山于实验条件有限，对其他的方面理解的还是有点少, 这是比较遗憾的。
