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单容水箱液位过程控制实验报告范文

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。

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

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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

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。

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

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et=rtc(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+T0e(t)dt+

I

11

TDde(t)dt

(3-2)

写成传递函数形式为

GS=KP(1+TS+TDS)(3-3)

I

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