基于Labview的單容水箱液位控制系統(tǒng)

1、控制理論模塊項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐報(bào)告  基于Labview的單容水箱液位控制系統(tǒng)     學(xué) 院： 電氣工程與自動(dòng)化   專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化151班   學(xué) 號(hào)： 2420152857   學(xué)生姓名： 廖 梓 柔   指導(dǎo)老師： 任 金 霞   時(shí) 間： 2017.6.23  摘 要本文是基于Labview的單容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，涉及到Labview的應(yīng)用、數(shù)據(jù)采集、水箱系統(tǒng)的建模、PID算法、液位的動(dòng)態(tài)控制等一系列的知識(shí)。作為單容水箱液位的控制系統(tǒng)，其模型為一階慣性函數(shù)，控制方式采

2、用了PID算法。選用合適的器件設(shè)備、控制方案和算法，能夠最大限度地達(dá)到系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)精度等控制性能的要求。Labview 程序稱為虛擬儀器 (VI) ，擁有的整套工具可用于采集、分析、顯示和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以及解決用戶在編寫代碼過程中可能出現(xiàn)的問題。本設(shè)計(jì)通過Labview輸入控件和顯示控件創(chuàng)建用戶界面（前面板）。輸入控件指旋鈕、按鈕、轉(zhuǎn)盤等輸入裝置。顯示控件指圖形、指示燈等輸出顯示裝置。結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用建立水箱慣性系統(tǒng)的模型。在水箱建模的基礎(chǔ)上利用matlab仿真獲得最優(yōu)PID控制參數(shù)。前面板創(chuàng)建完畢后，使用 VI 和結(jié)構(gòu)控制前面板上水箱的輸入電壓，通過NI數(shù)據(jù)采集卡采集液面高度

3、反饋的電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液面高度的PID調(diào)節(jié)，從而達(dá)到對(duì)一階水箱的液位控制。關(guān)鍵詞： Labview;水箱建模；數(shù)據(jù)采集；PID控制目 錄第一章 緒論11.1設(shè)計(jì)背景及意義11.2設(shè)計(jì)目的11.3 設(shè)計(jì)要求2第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)32.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理32.1.1水箱液位變化的原理32.1.2水箱液位控制的原理32.2水箱液位系統(tǒng)的控制模型4第三章 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備53.1硬件準(zhǔn)備53.1.1水箱比例系數(shù)的調(diào)節(jié)53.1.2數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）73.2軟件安裝83.2.1Labview的安裝83.2.2DAQ的安裝93.2.3PID控制器的安裝10第四章 設(shè)計(jì)過程114.1水箱系統(tǒng)建模114.1.1水箱建

4、模原理114.1.2建模數(shù)據(jù)采集144.1.3數(shù)據(jù)處理174.1.4確定水箱參數(shù)194.2基于matlab的數(shù)據(jù)仿真204.3 PID參數(shù)的選取214.3.1比例控制（K）214.3.2積分控制（I）234.3.3微分控制（D）234.3.4比例積分控制（PI）244.3.5比例積分微分控制（PID）244.3.6PID參數(shù)的確定25第五章 最終控制及調(diào)試265.1最終控制的Labview設(shè)計(jì)265.1.1PID控制前面板的繪制265.1.2PID控制程序框圖的繪制275.1.3各模塊的功能275.2調(diào)試28致 謝30參考文獻(xiàn)31第一章 緒論1.1設(shè)計(jì)背景及意義大型水箱是很多公司生產(chǎn)過程中必不

5、可少的部件，它的性能和工作質(zhì)量的優(yōu)良不僅僅對(duì)生產(chǎn)有著巨大的影響，而且也關(guān)系著生產(chǎn)的安全。在過去，大量的對(duì)水箱操作是由相應(yīng)的人員進(jìn)行操作的，這樣的人工方式帶來了很大的弊端，比如水位的控制，時(shí)刻監(jiān)控水箱的環(huán)境，夜間的監(jiān)控等等，操作員稍有疏忽，或者簡(jiǎn)易的監(jiān)測(cè)器件損壞，將帶來無法彌補(bǔ)的損失，更嚴(yán)重的會(huì)危機(jī)到生產(chǎn)人員的人身安全等。所以，對(duì)水箱控制，如果能夠使用精密而且完全會(huì)嚴(yán)格按照生產(chǎn)規(guī)定運(yùn)行的自動(dòng)化系統(tǒng)，可以最大限度的避免事故的幾率，同時(shí)也能節(jié)省資源并能有效提高生產(chǎn)的效率。從水資源節(jié)約方面考慮，以往的人工控制在很多情況下，造成資源不必要的浪費(fèi)，大部分原因是水箱內(nèi)部水位沒有及時(shí)的反饋信息到操作員，從而使

6、控制上有一定的延遲，從而造成了水量過多或者沒能及時(shí)補(bǔ)水而導(dǎo)致資源的浪費(fèi)或生產(chǎn)出現(xiàn)異常。而對(duì)水箱水位的監(jiān)控以及自動(dòng)化的引入可以很好的改善補(bǔ)水過多或及時(shí)補(bǔ)水的情況，可以很好的節(jié)約資源，有效的降低成本。深入地研究液位控制系統(tǒng),能給工業(yè)過程控制的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用提供非常重要的指導(dǎo)資料，因此對(duì)水箱液位控制算法進(jìn)行研究對(duì)實(shí)際的工程應(yīng)用具有很重要的意義。1.2設(shè)計(jì)目的該實(shí)踐旨在使學(xué)生在深入消化控制理論課堂教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用所學(xué)課程的基本原理與方法，解決實(shí)際設(shè)計(jì)與應(yīng)用問題，提高學(xué)生分析問題與解決問題的能力，并在設(shè)計(jì)過程中，學(xué)會(huì)查閱資料、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試與分析、撰寫報(bào)告等，達(dá)到綜合能力培養(yǎng)的目的。1.

7、根據(jù)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，學(xué)會(huì)方案比較和論證，初步掌握工程設(shè)計(jì)的基本方法；2. 了解水箱的工作原理及單容水箱控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成與數(shù)學(xué)建模方法；3. 進(jìn)一步了解和掌握PID控制的方法和應(yīng)用，合理的整定PID的控制參數(shù)，取得良好的控制效果；4. 在學(xué)習(xí)、運(yùn)用現(xiàn)在所學(xué)知識(shí)的同時(shí)，回顧以前所學(xué)知識(shí)，運(yùn)用到設(shè)計(jì)中來，加強(qiáng)知識(shí)的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)及知識(shí)的銜接、融合。5. 提高總結(jié)歸納、撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告的能力，應(yīng)當(dāng)規(guī)范、有條理、充分、清楚地論述設(shè)計(jì)內(nèi)容和調(diào)試成果。1.3 設(shè)計(jì)要求1.了解水箱的工作原理，畫出單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖。2.用接好線路的單回路系統(tǒng)進(jìn)行投運(yùn)練習(xí)，對(duì)系統(tǒng)建模。3.設(shè)計(jì)控制器，整定P、PI

8、和PID三種調(diào)節(jié)器的參數(shù)，寫出三種調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間。4. 控制器的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)水箱液位的閉環(huán)控制。第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理2.1.1水箱液位變化的原理本設(shè)計(jì)探討的是單容水箱的液位控制問題。為了能更好的選取控制方法和參數(shù)，有必要知道被控對(duì)象上水箱的結(jié)構(gòu)和特性。由圖1所示可以知道，單容水箱的流量特性：水箱的出水量與水壓有關(guān)，而水壓又與水位高度近乎成正比。這樣，當(dāng)水箱水位升高時(shí)，其出水量也在不斷增大。所以，若閥開度適當(dāng)，在不溢出的情況下，當(dāng)水箱的進(jìn)水量恒定不變時(shí)，水位的上升速度將逐漸變慢，最終達(dá)到平衡。由此可見，單容水箱系統(tǒng)是一個(gè)自衡系統(tǒng)。圖2-1 單容水箱結(jié)構(gòu)圖2.1

9、.2水箱液位控制的原理簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)有著共同的特征，它們均有四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象、測(cè)量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。對(duì)于不同對(duì)象的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用相同的方框圖表示。除模擬PID調(diào)節(jié)器外，可以采用計(jì)算機(jī)、ARM 實(shí)現(xiàn)PID算法控制。首先由差壓傳感器檢測(cè)出水箱水位；水位實(shí)際值通過單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號(hào)后，被輸入計(jì)算機(jī)中；最后，在計(jì)算機(jī)中，根據(jù)水位給定值與實(shí)際輸出值之差，利用PID程序算法得到輸出值，再將輸出值傳送到ARM中，由ARM將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。最后，由ARM的輸出模擬信號(hào)控制水泵，從而形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水位的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。圖2-

10、2 單容水箱液位設(shè)計(jì)控制框圖2.2水箱液位系統(tǒng)的控制模型該系統(tǒng)主要是自衡的非振蕩過程，即在外部階躍輸入信號(hào)作用下，過程原有的平衡狀態(tài)被破壞，并在外部信號(hào)作用下自動(dòng)的非震蕩地穩(wěn)定到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)，這一大類是在工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見的過程。由這個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)通用的框圖設(shè)計(jì)出水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖如下圖2-3 水箱控制系統(tǒng)原理框圖第三章 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備3.1硬件準(zhǔn)備3.1.1水箱比例系數(shù)的調(diào)節(jié)本次課程實(shí)踐采用的單容水箱為杭州求是教儀公司生產(chǎn)的ACT-YK1單容水箱，如圖3-3所示。水泵由功率放大器電路控制。輸入水量從頂部進(jìn)入水箱,流出水量從流量控制閥門底部流出。壓力傳感器的輸出電壓作為控制面板的輸出電壓，

11、輸出電壓范圍010V。輸入電壓010V。通控制器、開關(guān)控制可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)PID控制。圖3-1 ACT-YK1單容水箱本課題采用的單容水箱型號(hào)為ACT-YK1。220V交流電壓供電。輸入輸出電壓均為010V。ACT-YK1型實(shí)驗(yàn)對(duì)象的監(jiān)測(cè)模塊為一個(gè)壓力傳感器如圖，型號(hào)為PT330-4K14。量程04Kpa。螺紋：M20*1.5，輸出電壓010V，此模塊內(nèi)部電路有一個(gè)調(diào)節(jié)電路，如圖 所示有兩個(gè)可調(diào)電阻，左為調(diào)零電阻，右為比例調(diào)節(jié)電阻。執(zhí)行裝置為一個(gè)水泵，型號(hào)為FLO-2201。額定電壓為12V。由于控制輸入電壓為010V，即控制電路為一個(gè)將小控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為大控制電壓的放大電路。圖3-2 PT330-4

12、K14壓力傳感器為方便計(jì)算，本次設(shè)計(jì)將水位為0刻度時(shí)調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕至對(duì)應(yīng)電壓調(diào)為0V，滿位30cm刻度時(shí)，對(duì)應(yīng)電壓調(diào)成5V，此時(shí)水箱滿足:水位高度(h)=電壓值×6調(diào)整結(jié)果如下:圖3-3 水箱比例系數(shù)的調(diào)節(jié)3.1.2數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）本次課題采用NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡以及Labview2013的共同控制。NI myDAQ提供了八種常用的基于計(jì)算機(jī)和Labvie的即插即用型實(shí)驗(yàn)室儀器，包括萬用表(DMM)、示波器和函數(shù)發(fā)生器。學(xué)生可使用所有可立即運(yùn)行的軟件儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和練習(xí)，包括伯德圖分析儀、任意波形發(fā)生器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀（快速傅里葉變換）、數(shù)字輸入和數(shù)字輸出。 該平臺(tái)包含一

13、個(gè)數(shù)據(jù)采集引擎，可用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)差分模擬輸入和模擬輸出通道（200 kS / s，16位，±10 V）。還可通過8 條數(shù)字輸入和數(shù)字輸出線（兼容3.3 V TTL）連接低電壓TTL(LVTTL)和5 V TTL數(shù)字電路。 NI myDAQ通過+5 V、+15 V和-15 V電源輸出（功率高達(dá)500 mW）為簡(jiǎn)單的電路和傳感器提供充足的電量。 直流電壓和電流以及電阻、二極管電壓和連續(xù)性。圖3-4 數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡各個(gè)端口如下圖所示：圖3-5 數(shù)據(jù)采集卡各端口3.2軟件安裝本設(shè)計(jì)是基于Labview的單容水箱液位控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)之應(yīng)做好設(shè)計(jì)過程中相應(yīng)的軟件準(zhǔn)備，對(duì)即將使用的軟件進(jìn)行必要

14、的了解，掌握并熟悉基本的操作3.2.1Labview的安裝因此次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）是來自美國美國國家儀器(NI)有限公司的版本，基于此硬件環(huán)境，安裝Labview2013,如圖所示：圖3-5 Labview的安裝3.2.2DAQ的安裝DAQ是英文Data Acquisition （數(shù)據(jù)采集）的縮寫。廣泛應(yīng)用于電子、信息、科技、檢測(cè)、試驗(yàn)領(lǐng)域。 數(shù)據(jù)采集（DAQ）是指測(cè)量：電壓、電流、溫度、壓力、聲音、編碼數(shù)據(jù)等電氣或物理現(xiàn)象的過程。圖3-6 DAQ的安裝3.2.3PID控制器的安裝 因Labview中只提供單獨(dú)的比例、微分、積分控制器未提供此次試驗(yàn)可直接使用的PID（比例-積分-微分控

15、制器）控制模塊，為提高實(shí)驗(yàn)效率和精度，在Labview2013以及DAQ安裝完成之后，在Labview中添加PID控制模塊的安裝。第四章 設(shè)計(jì)過程4.1水箱系統(tǒng)建模4.1.1水箱建模原理單容水箱的流量特性：水箱的出水量與水壓有關(guān)，而水壓又與水位高度近乎成正比。這樣，當(dāng)水箱水位升高時(shí)，其出水量也在不斷增大。所以，若閥 開度適當(dāng)，在不溢出的情況下，當(dāng)水箱的進(jìn)水量恒定不變時(shí)，水位的上升速度將逐漸變慢，最終達(dá)到平衡。由此可見，單容水箱系統(tǒng)是一個(gè)自衡系統(tǒng)。（1） 確定過程的輸入變量和輸出變量如下圖所示，流入水箱的流量是由進(jìn)料閥1來控制的；流出水箱的流量取決于水箱液位L和出料閥2的開度，而出料閥的開庫是隨

16、用戶的需要而改變的。這里，液位L是被控變量（即輸出變量），進(jìn)料閥1為控制系統(tǒng)中的控制閥，它所控制的進(jìn)料流量是過程的控制輸入（即操縱量），出料流量是外部擾動(dòng)。本設(shè)計(jì)以進(jìn)料流量作為輸入變量。圖4-1 水箱液位過程及其階躍響應(yīng)曲線（2）根據(jù)過程內(nèi)在機(jī)理，列寫原始方程根據(jù)物料平衡關(guān)系，當(dāng)過程處于原有穩(wěn)定狀態(tài)是，水箱液位保持不變，其靜態(tài)方程為：-=0（41），、分別為原穩(wěn)定狀態(tài)下水箱的進(jìn)料流量和出料流量，當(dāng)進(jìn)料流量突然增大是，水箱原來的平衡狀態(tài)被破壞，此時(shí)進(jìn)料量大于出料量，多余的液體在水箱內(nèi)儲(chǔ)存起來，使其液位升高。設(shè)水箱液體的儲(chǔ)存量為V，則單位時(shí)間內(nèi)出料流量與進(jìn)料流量之差等于水箱液體儲(chǔ)存量的凈增量。其動(dòng)

17、態(tài)方程為：-=（42）=、，、分別為和的增量。設(shè)水箱截面積為A，則有V=AL，其增量形式為dV=AdL，即：（43）。將=、和式（43）代入式（42），得 （44）。 將式（14）減去式（41）可得用新增量形式表示的動(dòng)態(tài)方程式，為： （45）（3）消去中間變量，簡(jiǎn)化，求的微分方程式中間變量式原始方程式中出現(xiàn)的一些既不是輸入變量也不是輸出變量的工藝變量。式（45）中，為中間變量。與輸出變量L的關(guān)系可表示為：= ：比例系數(shù) （46）當(dāng)只考慮液位與流量均在有限小的范圍內(nèi)變化式，就可以認(rèn)為出料流量與液位變化呈線性關(guān)系。將式（46）改寫成增量形式： 令，則有： （47）將式（47）代入式（45）中，即得

18、 （48）式（48）即為水箱液位過程的數(shù)學(xué)模型。由此可見，這是一個(gè)一階微風(fēng)方程，液位過程為一階過程。將該式寫成的一階過程的微風(fēng)方程的標(biāo)準(zhǔn)形式： （49）或 （410）為一階過程的時(shí)間常數(shù)，,具有時(shí)間量綱；為一階過程的放大系數(shù)，具有放大倍數(shù)的量綱；為一階過程的輸出變量；為一階過程的輸入變量；為阻力系數(shù)，=液位的變化量 / 出料流量的變化量；為容量系數(shù)，=儲(chǔ)存的物料變化量/ 液位的變化量。當(dāng)被控變量的檢測(cè)地點(diǎn)與產(chǎn)生擾動(dòng)的地點(diǎn)之間由一段物料傳輸距離時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)滯后。在控制過程中，若進(jìn)料閥安裝在與水箱進(jìn)料口有一段距離，則當(dāng)進(jìn)料閥開度變化而引起進(jìn)料流量變化后，液體需要經(jīng)過一段傳輸時(shí)間才能流入水箱，使液位

19、發(fā)生變化并被檢測(cè)出來。顯然液體流經(jīng)這段距離所需時(shí)間完全是傳輸滯后造成的。純滯后一階過程的微風(fēng)方程為：具有純滯后的一階過程的特性與放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間有關(guān)。綜上所述，水箱液位控制系統(tǒng)是一個(gè)一階自衡過程，其特性可用放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間這三個(gè)特性參數(shù)來全面表征。該時(shí)間常數(shù)T可以通過坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線，此切線與穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)T。 圖4-2 階躍響應(yīng)曲線4.1.2建模數(shù)據(jù)采集在NI中新建VI模塊，添加數(shù)值輸入控件、DAQ助手及波形顯示等相關(guān)控件。數(shù)值的作用是給定期望電壓。圖4-3 數(shù)據(jù)采集面板DAQ助手2的作用是生成電壓并限定電壓輸出范圍，將給定的電壓數(shù)值

20、（05V）輸送給水箱；在添加時(shí)，設(shè)置對(duì)應(yīng)通道，將NI數(shù)據(jù)采集卡對(duì)應(yīng)的端口與水箱對(duì)應(yīng)端口相互連接：圖4-4 DAQ助手的設(shè)置圖中DAQ助手1的作用是測(cè)量電壓并采集數(shù)據(jù), 在添加時(shí)，設(shè)置對(duì)應(yīng)通道，將NI數(shù)據(jù)采集卡對(duì)應(yīng)的端口與水箱對(duì)應(yīng)端口相互連接詳細(xì)設(shè)置如下所示，設(shè)置為連續(xù)采樣，采樣率為1Hz，并開啟記錄數(shù)據(jù)功能，即可將實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)記錄下來并保存為表格形式：圖4-5 DAQ助手2的設(shè)計(jì)波形圖表的作用是直觀地顯示水箱水位的變化過程，由此圖表，可以清晰地判斷系統(tǒng)液位的上升趨勢(shì)、是否達(dá)到穩(wěn)定，何時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。圖4-6 波形圖表4.1.3數(shù)據(jù)處理采集后的數(shù)據(jù)如下所示，每個(gè)數(shù)據(jù)為每秒采集到的水箱電壓值：圖4-

21、7 采集數(shù)據(jù)顯示運(yùn)用matlab編程，以采樣時(shí)間為橫坐標(biāo)，電壓值為縱坐標(biāo)，畫出系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖：圖4-8 matlab編程圖4-9 系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線4.1.4確定水箱參數(shù)一階系統(tǒng)的參數(shù)模型為 KTs+1 ,T的求取方法如下：Matlab擁有強(qiáng)大的功能，用matlab中提供的cftool函數(shù)所得系統(tǒng)響應(yīng)，設(shè)定擬合參數(shù)及擬合函數(shù)形式，結(jié)果如圖（4-10）所示：圖4-10 系統(tǒng)響應(yīng)曲線擬合圖4-11 系統(tǒng)響應(yīng)曲線擬合根據(jù)一階水箱建模原理，求得水箱的系統(tǒng)參數(shù)T=236；K的求取方法如下：給定一個(gè)3V的輸入電壓，在干擾的共同作用下系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)水位的高度h1,令擾動(dòng)為0，重新給定3V電壓是系統(tǒng)運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)

22、輸出達(dá)到3V時(shí)，讀取液面高度h2,比例系數(shù) K= h1h2 ,由實(shí)踐結(jié)果，K=0.469。由此確定水箱的傳遞函數(shù)為 2360.469s+1 。4.2基于matlab的數(shù)據(jù)仿真4.2.1程序框圖的繪制水箱實(shí)際控制操作繁瑣響應(yīng)緩慢，且不易修改參數(shù)，因此，為獲得最佳PID參數(shù)，用matlab中的simulink仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的響應(yīng)過程，程序框圖如圖4-12 simulink程序框圖4.3 PID參數(shù)的選取4.3.1比例控制（K）比例控制規(guī)律是指：控制器的輸出信號(hào)(指變化量)與輸出信號(hào)（指偏差、當(dāng)設(shè)定值）變時(shí)，偏差就是被控量測(cè)量值的變化量）之間成比例關(guān)系，即： 比例增益：某值在一定范圍內(nèi)可調(diào),在相同偏差

23、輸入下，越大，輸出也越大，比例控制作用越強(qiáng)，因此是衡量比例作用弱的一個(gè)重要參數(shù)。 比例控制器傳遞函數(shù)：在階躍偏差作用下，比例控制器響應(yīng)曲線：在階躍偏差作用下，比例控制器響應(yīng)曲線：圖4-13 比例控制響應(yīng)曲線比例控制是最基本的控制規(guī)律，其特點(diǎn)是控制作用簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，且負(fù)荷變化時(shí)，克服擾動(dòng)能力強(qiáng)，控制作用及時(shí)，過渡過程時(shí)間短，但因控制器的輸出信號(hào)與偏差信號(hào)之間在任何時(shí)刻都存在之比例關(guān)系，所以過程終了時(shí)存在偏差，且負(fù)荷變化越大，余差也越大。比例控制對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響比例控制的控制作用效果如何，關(guān)鍵問題在于選擇合適的比例度，比例度時(shí)指控制器輸入的變化相對(duì)值與輸出的相對(duì)變化值之比的百分?jǐn)?shù)，即： 控制

24、器的輸入信號(hào)的變化量，即偏差信號(hào)。：控制器的輸出信號(hào)的變化量，即控制命令。：控制器的輸入信號(hào)的變化范圍，即量程。：控制器輸出信號(hào)的變化范圍。將比例控制器切入系統(tǒng)，閉環(huán)運(yùn)行時(shí)其比例度對(duì)系統(tǒng)過渡過程的影響如圖：圖4-14 不同比例度下的過渡過程 （1）余差：在擾動(dòng)（如負(fù)荷）及設(shè)定值變化時(shí)，控制系統(tǒng)有余差存在。在相同的負(fù)荷變化量的擾動(dòng)下，比例度越小，余差越??；在比例度相同的情況下負(fù)荷變化量越大，則余差越大。（2）對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響：有圖可看出，比例度越大，過渡過程的曲線越平穩(wěn);隨著比例度的減少，系統(tǒng)將發(fā)散振蕩程度增加，衰減比減少，穩(wěn)定性變差，當(dāng)減少到某一數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)散振蕩，十分危險(xiǎn)，有時(shí)甚至造成

25、重大事故。（3）對(duì)系統(tǒng)過渡過程的影響：由圖可見，隨比例度的減少，振蕩加劇，振蕩頻率提高，將被控量拉回到設(shè)定值所需時(shí)間就短。一般而言，在廣義對(duì)象的放大系數(shù)較小，時(shí)間常數(shù)較大，時(shí)滯較小的情況下，比例度選的小些，以提高系統(tǒng)靈敏度；反之，當(dāng)廣義對(duì)象的放大系數(shù)較大，時(shí)間常數(shù)較小，而時(shí)滯較大的情況下，必須適當(dāng)增大比例度以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（4）對(duì)最大偏差的影響：最大偏差在兩類外作用下不一樣，在擾動(dòng)作用下越小，最大偏差越??；在設(shè)定作用下是系統(tǒng)處于衰減振蕩時(shí)，越小，最大偏差越大。有上述可知，只有當(dāng)比例度的取值適當(dāng)是，才可能取得系統(tǒng)呈衰減振蕩、最大偏差和余差都不太大，過程穩(wěn)定快，回復(fù)時(shí)間短的控制效果，在工業(yè)生產(chǎn)

26、中近長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，液位控制系統(tǒng)大致取值范圍為： 20%80%。在控制器的控制規(guī)律中，比例作用是最基本、最主要也是應(yīng)用最普遍的控制規(guī)律，它能較為迅速地克服擾動(dòng)的影響，使系統(tǒng)很快的確定下來，通常使用干擾幅度較小，負(fù)荷變化不大，過程時(shí)滯較小，控制要求不高，允許有余差存在的場(chǎng)合。在液位控制系統(tǒng)中，往往只要求液位穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，并沒有嚴(yán)格要求即可采用比例控制。4.3.2積分控制（I）積分控制規(guī)律是指輸出變化量與輸入變化量積分成正比，即: :積分速度積分控制特點(diǎn)：積分控制主要用于消除余差，但作用緩慢，總滯后與偏差的存在不能及時(shí)有效的克服擾動(dòng)的影響，致使被控變量的動(dòng)態(tài)偏差增大，控制過程拖長(zhǎng)，甚至使系統(tǒng)難以

27、穩(wěn)定，因此積分控制規(guī)律在工業(yè)生產(chǎn)上很少單獨(dú)使用，都是與比例作用組合來使用的。4.3.3微分控制（D）微分控制規(guī)律是指其輸出信號(hào)的變化量與偏差信號(hào)的變化速度成正比，即： ：微分時(shí)間。微分控制規(guī)律特點(diǎn)：微分控制作用是按偏差的變化速度進(jìn)行控制的，因此它具有“超前控制”作用，其控制的結(jié)果不能消除偏差，所以控制規(guī)律不能單獨(dú)使用。它常與比例或比例積分組合構(gòu)成比例微分或比例積分微分控制規(guī)律，而從實(shí)際使用情況來看，比例微分控制規(guī)律使用的較少，在生產(chǎn)上微分往往與比例積分結(jié)合在一起使用，組成PID控制。4.3.4比例積分控制（PI）比例積分控制規(guī)律是比例作用與積分作用的疊加，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： ：比例項(xiàng) :是積分項(xiàng)

28、 :積分時(shí)間 比例積分控制是在比例控制作用的基礎(chǔ)上引入積分作用來消除余差，故比例積分控制是使用最多、應(yīng)用最廣的控制規(guī)律，在反饋控制系統(tǒng)中，約有75%是采用PI作用的。但是，加入積分作用后，會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低；要保持系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性，必須加大比例度（即削弱比例作用），這又會(huì)使2質(zhì)量有所下降，如最大偏差和振蕩周期相應(yīng)增大、過渡時(shí)間加長(zhǎng)。對(duì)于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不太大、工藝、參數(shù)不允許有余差的場(chǎng)合（如流量或壓力控制），采用比例積分控制規(guī)律可獲得較好的控制質(zhì)量。4.3.5比例積分微分控制（PID）理想比例積分微分控制規(guī)律PID的表達(dá)式：雖然微分作用對(duì)于克服容量滯后有顯著的效果，但對(duì)克服純滯后是無

29、能為力的。在比例作用的基礎(chǔ)上加上微分作用能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，再加入積分作用可以消除余差。所以適當(dāng)調(diào)整、三個(gè)參數(shù)，可以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量。由于，PID控制規(guī)律集中了三種控制作用的優(yōu)點(diǎn)，既能快速進(jìn)行控制，有能消除偏差，還可以根據(jù)被控制變量的變化趨勢(shì)超前動(dòng)作，具有較好的控制性能，所以在實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。4.3.6PID參數(shù)的確定依據(jù)此次實(shí)踐要達(dá)到的相應(yīng)快，誤差小，且鑒于該水箱為一階水箱，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)得在P控制器下系統(tǒng)所達(dá)到的效果最佳。在P控制器的作用下，該閉環(huán)控制系統(tǒng)始終為一階控制，不會(huì)引起超調(diào)，在增加Kp參數(shù)值的情況下，響應(yīng)會(huì)不斷加快。但考慮到實(shí)際上的應(yīng)用，盲目的Kp是不可實(shí)現(xiàn)的，因

30、此設(shè)置參數(shù)Kp=500,Ki=0,Kd=0,使得響應(yīng)合理又迅速。如圖（4-15）所示圖4-15 PID控制仿真曲線第五章 最終控制及調(diào)試5.1最終控制的Labview設(shè)計(jì)5.1.1PID控制前面板的繪制圖5-1 PID控制前面板5.1.2PID控制程序框圖的繪制圖5-2 PID控制程序框圖5.1.3各模塊的功能（1）滑動(dòng)桿：設(shè)定05v中任意的給定電壓；（2）數(shù)值：通過乘法器與常數(shù)6（即水箱液面與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系）后顯示實(shí)時(shí)液面高度；（3）波形圖表：通過乘法器與常數(shù)6（即水箱液面與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系）后顯示液面高度隨時(shí)間的變化而變化的過程；（4）PID：通過對(duì)P、I、D各參數(shù)的調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)對(duì)液面的最優(yōu)控

31、制；（5）DAQ助手:將采集的數(shù)據(jù)通過采集卡記錄到電腦中；（6）DAQ助手2：通過采集卡從電腦中輸出給定電壓；（7）while循環(huán)：使整個(gè)運(yùn)行能夠持續(xù)進(jìn)行。5.2調(diào)試在實(shí)際操作過程中，系統(tǒng)往往會(huì)受到一定外界環(huán)境的影響，以至于造成偏差。因此，調(diào)試過程要根據(jù)實(shí)際情況操作，在之前仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)水箱，PID控制器參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，實(shí)現(xiàn)水箱液位快速準(zhǔn)確地達(dá)到期望值，并達(dá)到一定的穩(wěn)態(tài)精度的目的。 調(diào)試過程如下：(1)在穩(wěn)定值輸入框中輸入你想要穩(wěn)定的液面高度，觀測(cè)實(shí)驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)態(tài)需要的時(shí)間并計(jì)算穩(wěn)態(tài)精度；(2)將建模得到的PID參數(shù)輸入，查看并實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。如若不合適，則自行調(diào)整PID。（3）改變擾動(dòng)量，查看實(shí)