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水箱水位监测电路实验报告 　　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。　　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。　　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θ----阀的相对开度s----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　　et=rt?c(t)(3-1)将偏差的比例、积分和微分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　　1　　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。　　2、积分环节　　主要用来消除系统的稳态误差。TI越小，系统的静态误差消除越快，但TI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TI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TD=TI计算。　　1　　1　　DONGFANGCOLLEGE，FUJIANAGRICULTUREANDFORESTRYUNIVERSITY　　实验名称：系别：年级专业：学号：姓名：任课教师：　　水位指示及水满报警器　　计算机系　　10电子信息工程