过程控制实验(液位控制)

过程控制实验报告实验二传感器、执行器实验一、实验目的了解传感器、执行器的工作原理，掌握它们在实际过程控制中的应用。二、实验要求编程实现系统液位、温度、流量等模拟量的数据采集以及比例阀开度的控制。三、实验步骤1、液位传感器的测试水箱内按要求注入不同高度的纯净水，测量数据填表如下：高度输出250mm200mm150mm100mm50mm万用表测量值（伏）2.772.091.480.890.30A/D口测量值(伏)2.872.191.410.830.36机内转换高度（mm）221.5175.4112.966.828.9相对误差（%）11.412.324.733.242.22、温度传感器的测试数据如下表：温度计（度）15传感器输出电压（伏）0.77A/D口测量电压(伏)0.78机内转换温度（度）15.6相对误差（%）43、流量传感器的测试数据如下表：脉冲数（个/秒）278274264256270流量（l/min）3.743.683.573.473.644、比例阀的控制实验数据如下表：控制量（伏）02.557.510测量值（伏）0.002.505.017.5210.03相对误差（%）０00.20.2７0.3四、思考题1、用传感器测量过程变量的准确性如何？如果有误差，可以采取什么方法进行修正？答：用传感器测量过程变量中，液位测量的数值误差较大；流量传感器的测量值由于没有理论值相比较，所以不知道传感器的测量准确性如何；温度传感器的测量结果与实际温度相差不大。用PCL-812PG板卡的D/A口向比例阀输出的控制电压值与实际测量的误差很小。如果有误差，在后续中，我们人为的对误差进行补偿。分析高度传感器测量的结果，比实际液位高度低大约30cm。实验三系统动态特性的测试一、实验目的学习单容对象动态特性的实验测定方法。二、实验要求通过实验的方法建立液位对象的过程数学模型。三、实验步骤利用液位对象的液位与输出流量的关系建立其模型⑴测试系统结构如图3-1所示。进水出水图3-1利用液位—输出流量关系建立模型的实验原理图⑵原理对于液位系统，根据动态物料平衡关系有dthdAQQOi①式中：iQ—输入流量；OQ—输出流量；h—液位高度；A—水箱截面积；iQ、OQ、h分别为偏离某一平衡状态0iQ、0OQ、0h的增量。FTx计算机LT在静态时，OiQQ，0dthd，当iQ变化时，h、OQ也将发生变化，由流体力学可知，流体在紊流情况下，h与流量之间为非线性关系，为简化起见，作线性化处理。近似认为OQ与h在工作点附近成正比，而与出水阀的阻力2R（称为液阻）成反比，即2RhQO或02QhR②由①、②，消去中间变量OQ，再求拉氏变换得单容液位过程的传递函数为：11)()()(22TSKASRRSQSHSWi③⑶关闭所有出水阀，向水箱内注水至260mm左右，然后按图3-1将出水阀旋开至适当位置，测量给定液位高度所对应的流量值，填入下表。并根据式③求液位对象的模型。h(mm)120160200240OQ（l/min）2.672.843.053.28)min/(9.173)05.328.3/()200240(2lmmR)min/(5.190)84.205.3/()160200(2lmmR)min/(3.235)67.284.2/()120160(2lmmR)min/(2002lmmR其中水箱的截面积mmmmA175190。16650000200)(SSW四、思考题1、分析可能造成模型不准确的原因。答：造成模型不准确的原因有可能有：液位传感器的准确度不高；流量传感器的准确度不高；为简化模型进行线性化处理带来的误差等。实验四液位单回路控制系统的设计及参数整定一、实验目的掌握过程计算机控制系统的单回路控制方式。二、实验要求设计单容水箱的液位单回路控制系统，实现液位的定值控制，并对系统进行参数整定。三、实验内容1、按照图4-1，在组合式实验装置上通过选择管路，构造液位单回路控制系统。进水出水图4-1液位单回路控制系统原理图2、画出液位单回路控制系统方框图。3、根据液位对象的数学模型，选择系统的采样周期ST0.5s4、运用经验法确定数字调节器的参数实验次数调节器参数性能指标CKITDT00St10.510.12112m2110.1168m40s3210.1104m8s4220.1155m520.50.17.82m52s620.50.57.34m20s计算机LIM—液位调节器流量阀水箱液位检测变送器液位设定值实际液位值720.50.28.33m57s对于选择调节器参数CK、IT和DT值，对比上面多次实验结果，当CK=2，IT=0.5，DT=0.1时，控制效果最佳。对比1、2、3组实验数据，比例系数CK越大，控制作用越强，抑制超调量，缩短调节时间。但是CK过大，容易引起被控量的振荡，使闭环系统部稳定。对比3、4、5组实验数据，发现随着积分时间常数IT减小，积分控制作用有利于减小误差，减小超调量，缩短控制时间。但是积分时间常数IT不宜过小，否则系统稳定性有所下降。对比5、6、7组实验数据，没有明显看出积分控制作用对系统性能的影响。书本上说微分是按偏差的变化控制的，能够提高系统的稳定性，抑制超调。四、思考题1、在控制过程中遇到了哪些问题，你是如何解决的？为了提高控制效果，你在控制算法上还采取了哪些措施？答：在实验中，我们组的液位传感器的测量有较大误差，机内转换高度与实测值相差大约在30mm，所以对液位传感器的测量值进行误差补偿。由于我们先前学习的是计算机语言室C++，本次编程用的是C语言，我们实验过程中遇到一些编程语言方面的问题，在同学和老师的帮助下解决了。为了提高控制效果，我们小组采用了增量式ＰＩＤ控制算法。可以适当减小超调量，提高系统的稳定性，增量只与最近几采样值有关，容易获得较好的控制效果。另外，采用了过限削弱积分法，及当10)(ku时，10)(ku，当0)(0)(kuku时，。