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4〜20mADC的信号，并将其转换为相应输岀轴的角 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。
电动调节阀
图2 图中：
u——来自调节器的控制信号（4〜20mADC）
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 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。
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
1「
TDde(t)
u(t) = Kp+-Joe(t)dt + -jr- (3-2)
写成传递函数形式为
G(S) = Kp(l+z^ + TDS)
(3-3)
式中
Kp
——比例系数；
T|
——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。
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
计算。
AxlOO 温度 流量 压力 液位 20 〜60 40 〜100 30 〜70 20 〜80 TI(min) 3〜10 0・1〜1 TD(min) 0.5〜3 0.4〜3
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
■ 倒 0 R e - O］堂理區；专开发*境］卫£柱1T |也对实验的分析:实验主要通过调节PID值来使水箱的水位达到设定值。 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。
T]
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。山于实验仪器的传感器误差较大，对
% D
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 系统的结构以及其丄作原理。
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。
