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2025年单容水箱液位过程控制实验报告.pdfVIP

2025年单容水箱液位过程控制实验报告.pdf

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志不强者智不达,言不信者行不果。——墨翟

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。

海纳百川,有容乃大;壁立千仞,无欲则刚。——林则徐

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

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

子曰:“知者不惑,仁者不忧,勇者不惧。”——《论语》

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。

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

(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

(3-2)

学而不知道,与不学同;知而不能行,与不知同。——黄睎

写成传递函数形式为

(3-3)

式中

——比例系数;

——积分时间常数;

——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

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