单容水箱液位过程控制实验报告.doc

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
图1
2.1液位控制的实现
本实验采用计算机PID算法控制。首先由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。
由图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，而水压又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V6开度适当，在不溢出的情况下，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4～20mADC的信号，并将其转换为相应输出轴的角位移，以改变阀节流面积S的大小。图2为电动调节阀与管道的连接图。

图2
图中：
u----来自调节器的控制信号（4～20mADC）
θ----阀的相对开度
s----阀的截流面积
q----液体的流量
由过程控制仪表的原理可知，阀的开度θ与控制信号的静态关系是线性的，而开度θ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控制系统原理框图如图3所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。
积分
比例
微分
被控对象
+
+

+
u(t)
e(t)
r(t) +
-
c(t)
图3 模拟PID控制系统原理框图

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
et=rt-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
ut=KP+1TI01e(t)dt+TDde(t)dt (3-2)
写成传递函数形式为
GS=KP(1+1TIS+TDS) (3-3)
式中 KP——比例系数；
TI——积分时间常数；
TD——微分时间常数；
从系统的稳定性、响应速度、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。KP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。TI越小，系统的静态误差消除越快，但TI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TI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，
在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。
若需加微分作用，微分时间数按TD=（13~14）TI计算。

Δx100
TI(min)
TD(min)
温度
20～60
3～10
0.5～3
流量
40～100
0.1～1

压力
30～70
0.4～3

液位
20～80

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
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。KP为比例控制环节，调节KP值可以调节水位的变化速度，但如果KP 值过大，会使控制曲线产生振荡。TI作用是消除稳定值和设定值之间的残差。TI越小，系统的静态误差消除越快，但TI过小，会引起响应过程的较大超调。由于实验仪器的传感器误差较大，对TD调节作用不大，所以对TD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工作原理。
之前都只是在课本上看到过PID控制，但对其并不太了解。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。但由于实验条件有限，对其他的方面理解的还是有点少，这是比较遗憾的。