过程控制实验报告材料48728

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1、实用文档基于液位控制系统的PID控制算法谭彩铭南京理工大学测控技术与仪器系2009年10月摘要：本文对机械院420实验室的液位控制系统进行了探讨。不使用其中的加热器、流量计等环节。集中精力研究液位控制过程，通过多次实验探寻比例、积分、微分各系数变化对液位控制品质的影响，实验结果和理论推想一致。本文结合实验数据阐述了比例、积分、微分各系数变化对液位控制品质的影响。在此基础上，最终确定的PID参数可以使液位稳定在29.8cm到30.2cm的范围（期望值为30cm）。一、液位控制系统介绍这是个液位控制系统，如下图所示图1液位控

2、制系统装置示意图大全实用文档1.上位水箱2.手动阀门3上位增压泵（家用增压泵，型号：UPA15-900160，格兰富水泵（上海）有限公司）4.比例阀（厂商产品型号：060459R，德国宝德公司）5.下位水箱6.下位增压泵7.手动阀门现在要实现的任务是使上位水箱的液位稳定在某一期望值。在这个过程中，上位增压泵和下位增压泵均须在全速运行，手动阀门2和7在某一固定的开度。如果没有实时的调节，水箱中的液位高是不可能长时间稳定在某一期望值的。故对阀门4进行实时的调节，液位高了，就把比例阀开小点，液位低了，就把比例阀开大点，当然不可

3、能让人一直呆在那去手动完成这样的控制。要实现自动控制，就需要液位传感器代替人的眼睛，用计算机代替人的大脑。液位传感器为HM型压力传感器，它要测的当然是上位水箱的液位，测得值要传送给计算机，就需要有数采卡和必要的信号调理电路，计算机分析液位若是偏高了（比期望值大了），就输出个较大的值给比例阀，让之开大点，让水流快点。这之间就必然需要DA转换单元了。水的液位也许基本稳定住了，但控制效果有好坏。比如期望值为30cm，有的控制使液位在25cm到35cm之间变化，而且液位在不停地上升和下降；有的控制使液位就在30cm的左右，上下只

4、有0.1cm的波动。而这些，在硬件不可改变的情况下，全在计算机的控制了，或者说就是人赋予它的算法。二、PID控制算法有种算法，叫做PID算法，或曰比例-积分-微分算法。大全实用文档若没有计算机，真的让一个人坐在水箱旁边去控制比例阀时，你会怎么做呢？发现水箱的液位高了，就把比例阀开大些；发现水箱的液位低了，就把比例阀开小些；忍不住须要上个厕所，回来时发现，水箱液位已远远超过期望值30cm了，赶紧把比例阀开到底。这个过程当中，你用的就是比例算法。比例阀的开口大小在某个程度时，进水和出水的速率大致相等，记下这个开口大小，用一数

5、字表示为130。比例阀开小些，这个数字就减小些，比例阀关掉时，对应的数字就是0，比例阀开到最大时，对应的数字为220。设当前液位值为h，你希望使液位保持在的高度值（期望值）为，这时比例阀的开度为，这里为一常数，且大于0。这样的运算对计算机来说太容易了。计算机算得该值，再将该值传给比例阀，控制比例阀的开度。当然计算机不会去上厕所，如果计算机也死机了一会儿，等它活过来时，发现液位传感器传给它的液位值h远远超过了，那么经过运算后，会达到220，使比例阀开到底了。有人说，不一定，这跟的取值有关系。对，那么的取值到底有什么影响呢？

6、1、比例系数对控制品质的影响为探寻之，按上述思路用LabVIEW编写了一个简单的比例算法去控制这个系统，其程序面板如下图2所示。图2简单的比例算法控制程序上图稳态字即设为130，期望液位是15cm下图是=10时，液位随时间的变化情况。大全实用文档图3=10时，液位随时间的变化曲线下图是=30时，液位随时间的变化情况。图4=30时，液位随时间的变化曲线好像看不出什么差别，那么看看=100时的。大全实用文档图5=100时，液位随时间的变化曲线再看看=150时的。图6=150时，液位随时间的变化曲线发现了什么？振荡，当越大越易

7、产生振荡，且振幅越来越大。观察控制比例阀的运算式，当大全实用文档达到150时，h偏大0.5cm，就会使比例阀增大到205，此时比例阀已几乎完全打开，全速放水，在经过1s的延迟，水放掉了许多，这时h又偏小了0.5cm，又会使比例阀减小到55，比例阀动作太大，使水的液位变化幅度过大，振荡明显。（笔者的描述风格旨在希望让读者更容易明白笔者的意思，不一定就是变化了那么多，但从定性的角度来看是一致的）下图为=150时，比例阀的控制字随时间的变化。图7=150时，比例阀控制字随时间的变化曲线比例阀控制字振荡的幅度过大必然导致液位的大

8、幅振荡。另外，比例控制字大会使控制响应更快，这不难理解，反馈值越大，比例阀反应越明显。从图3、图4、图5和图6的曲线上升速率也可大致看出。另外发现图3、图4、图5和图6的过冲基本一致，那是由于液位控制系统滞后很小，不会像加热丝一样，即便停止加热了，加热丝上的余热会使被加热物体温度继续上升。这里，比例阀关掉，就不会再流