單容水箱液位過程控制實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、單容水箱液位過程控制實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、了解單容水箱液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成。2、掌握單容水箱液位控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法。3、研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能的影響。4、了解PID調(diào)節(jié)器對(duì)液位、水壓控制的作用。二、單容水箱系統(tǒng)模型圖12.1液位控制的實(shí)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)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，再將輸出值經(jīng)過D/A模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，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。2.2 被控對(duì)象

2、本實(shí)驗(yàn)是單容水箱的液位控制。被控對(duì)象為圖1中的上水箱，控制量為流入水箱的流量，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為調(diào)節(jié)閥。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V6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)。三、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥流量特性物理模型 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥兩個(gè)部分，它是過程控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥接受調(diào)節(jié)器輸出420mADC的信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)輸出軸的角位移，以改變閥節(jié)流面積S的大小。圖2為電動(dòng)調(diào)

3、節(jié)閥與管道的連接圖。圖2圖中： u-來自調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)（420mADC）-閥的相對(duì)開度s-閥的截流面積q-液體的流量 由過程控制儀表的原理可知，閥的開度與控制信號(hào)的靜態(tài)關(guān)系是線性的，而開度與流量Q的關(guān)系是非線性的。四、單容水箱系統(tǒng)PID控制規(guī)律及整定方法數(shù)字PID控制是在實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)過程中采用最普遍的一種控制方法，在液位控制系統(tǒng)中也有著極其重要的控制作用。本章主要介紹PID控制的基本原理，液位控制系統(tǒng)中用到的數(shù)字PID控制算法及其具體應(yīng)用。PID控制原理一般，在控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成。積分比

4、例微分被控對(duì)象 + + +u(t)e(t)r(t) +-c(t)圖3 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差 et=rt-c(t) (3-1) 將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合可以構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。它的控制規(guī)律為ut=KP+1TI01e(t)dt+TDde(t)dt (3-2)寫成傳遞函數(shù)形式為GS=KP(1+1TIS+TDS) (3-3)式中 KP比例系數(shù)； TI積分時(shí)間常數(shù)； TD微分時(shí)間常數(shù)；從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，PID控制器各

5、校正環(huán)節(jié)的作用如下：1、比例環(huán)節(jié) 用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。KP越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。KP取值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。2、積分環(huán)節(jié) 主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。TI越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但TI過小，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若TI過大，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。3、微分環(huán)節(jié) 能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但TD過大，會(huì)使響應(yīng)過程

6、提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法:調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定一般有兩種方法：一種是理論設(shè)計(jì)法，即根據(jù)廣義對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和性能要求，用根軌跡法或頻率法來確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，另一種方法是工程實(shí)驗(yàn)法，通過對(duì)典型輸入響應(yīng)曲線所得到的特征量，然后查照經(jīng)驗(yàn)表，求得調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。工程實(shí)驗(yàn)整定法有以下四種，本次試驗(yàn)采用經(jīng)驗(yàn)法：將控制系統(tǒng)液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對(duì)象往往比較接近，所以無論是控制器形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表一為經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進(jìn)一步修正。 若需加微分作用，微分時(shí)間數(shù)按TD=（

7、1314）TI計(jì)算。x100TI(min)TD(min)溫度20603100.53流量401000.11壓力30700.43液位2080表格 1經(jīng)驗(yàn)法調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析壓力控制水位控制對(duì)實(shí)驗(yàn)的分析：實(shí)驗(yàn)主要通過調(diào)節(jié)PID值來使水箱的水位達(dá)到設(shè)定值。KP為比例控制環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)KP值可以調(diào)節(jié)水位的變化速度，但如果KP 值過大，會(huì)使控制曲線產(chǎn)生振蕩。TI作用是消除穩(wěn)定值和設(shè)定值之間的殘差。TI越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但TI過小，會(huì)引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。由于實(shí)驗(yàn)儀器的傳感器誤差較大，對(duì)TD調(diào)節(jié)作用不大，所以對(duì)TD作用觀察的不夠明顯。六、實(shí)驗(yàn)收獲與心得這是我們第一次做過程控制的實(shí)驗(yàn)，通過這次實(shí)驗(yàn)，我了解了水箱液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及其工作原理。之前都只是在課本上看到過PID控制