1、 过程控制系统课程论文设计学院 物理与电气工程学院 课程名称 过程控制系统设计题目 单容水箱液位 FX2n-32MR 控制系统设计1 单容水箱液位控制系统辨识一、单容水箱液位控制系统原理单容水箱液位控制系统是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之,控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏
2、，甚至会使系统不能正常工作。因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。图 1-2 是单容液位控制系统结构图。1 单容水箱液位控制系统辨识 一、单容水箱液位控制系统原理 单容水箱液位控制系统是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。图 1-1 为单容水箱液位控制系统方块图。 当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏
3、与控制器参数的选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。图 1-2 是单容液位控制系统结构图。图 1-1 单容水箱液位控制系统的方块图 系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定2 值无偏差存在。图 1-2 是单容水箱液位控制系统结构图。 一般言之，具有比例（P）调节器的系统是
4、一个有差系统，比例度 的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数 ，Ti 选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在 PI 调节器的基础上再引入微分 D 的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等） 。在单位阶跃作用下，P 、PI 、PID 调节系统的阶跃响应分别如图 1-3 中的曲线、所示。2.1 液位控制的实现 液位控制的实现除模拟 PID 调节器外，可以采用计算机 PID 算法控制。首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过单片机进
5、行 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，再将输出值传送到单片机中，由单片机将数字信号转换成模拟信号。最后，由单片机的输出模拟信号控制交流变频器，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 本文探讨的是单容水箱的液位控制问题。为了能更好的选取控制方法和参数，需要知道被控对象上水箱的结构和特性。 由图 2-1 所示可以表示出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 2V 开度
6、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。6 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。主要介绍了 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。 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 3-1 所示。系统由模拟 PID 控制器和被控对象组成。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。PK 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。PK 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。IT 越小，系统的静态误差消除越快，但 I 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 IT 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 DT 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。
