PID液位控制系统(单回路反馈)

过程控制实验报告

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一、实验要求与简介 (3)

二、控制原理 (4)

三、实验设备详细介绍 (6)

四．实验过程调试 (15)

五．单回路控制系统 (16)

六．课程总结 (16)

一．实验要求与简介

要求：设计液位控制系统，利用实验室过程控制设备构建单回路PID液位控制系统。了解设备的结构框架，学习对象模型建立的方法和技术、PID参数整定技术、自动化仪表选择相关技能。根据实验条件和系统配置确定实验过程性能指标。综合考虑抗干扰问题、系统稳定性问题、动态性能、稳态偏差等，对实验结果进行分析。实验目标如下：

A.了解实验设备，能够根据实物画出系统框图；

B.了解和掌握P909自动化仪表的应用场合和使用方法；

C.熟悉PID参数整定技术，在实验中正确运用，分析参数整定的作用和效果；

D.熟悉液位控制系统中各种自动化测量点、调节阀的相关技术参数；

E.实现单回路液位控制，有基本的系统调节能力。

液位的自动控制在工业生产领域应用的非常普遍，就控制系统本身而言，其含有压力传感器、计算机与采集板组成的控制器、执行器（水泵）、控制对象（水箱）等。本次实验的主要任务是了解一个完整的液位系统的组成、构成液位控制系统的各个部件的工作原理及连接方式、工业上离散控制系统的通信标准、熟悉p909仪表的操作并实现单回路液位控制，有基本的液位调节能力。

液位系统结构图：

整个系统主要有水泵、电磁阀、传感器、水箱组成。

由水泵供水，电动阀调节流速（实验系统中还含有手动调节阀）通过两个入水口进入水

箱，在通过一个出水口进入排水箱，之所以用两个入水口是考虑到进水会带来液位的波动从而给控制器的控制带来困难所以通过两个入口从底部进水，但虽然减少了液位波动但也造成了一些负面影响：入水管中的压强会随着液位的上升而变大，在实际成产中可能会导致事故。

安置在系统中的传感器将系统的状态（温度，水箱液位，入水管压强）通过电流形式上传给上位机，通过控制器的计算再输出电流控制执行器，如：电动阀的开度，加热器等从而达到系统的反馈控制。

传感变送系统

传感器：压力传感器：测量液位高度用的压力传感器为集成压力传感器，通过内部电路将压力信号转化为4~20mA标准信号传送给控制器P909。传感器安装在容器的底部，传感器信号传送至P909。

二．控制原理

控制系统框图：

本系统使用的是PID控制，但PID控制器的参数与系统所处的稳态工况有关。一旦工况改变了，控制器参数的“最佳”值也就随着改变，这就意味着需要适时地整定控制器的参数。但PID 参数复杂繁琐的整定过程一直困扰着工程技术人员。因此研究PID参数整定技术具有十分重大的工程实践意义。

在实时控制中，一般要求被控过程是稳定的，对给定量的变化能够迅速跟踪，超调量要小且有一定的抗干扰能力。一般要同时满足上述要求是很困难的，但必须满足主要指标，兼顾其它方面。参数的选择可以通过实验确定，也可以通过试凑法或者经验数据法得到。

PID参数的整定方法：

1用试凑法确定PID控制器参数

试凑法就是根据控制器各参数对系统性能的影响程度，边观察系统的运行，边修改参数，直到满意为止。一般情况下，增大比例系数Kp会加快系统的响应速度，有利于减少静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡使稳定性变差。减小积分系数KI将减少积分作用，有利于减少超调使系统稳定，但系统消除静差的速度慢。增加微分系数KD 有利于加快系统的响应，是超调减少，稳定性增加，但对干扰的抑制能力会减弱。在试凑时，一般可根据以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行先比例、后积分、再微分的步骤进行整定。

（1）比例部分整定。首先将积分系数KI和微分系数KD取零，即取消微分和积分作用，采用纯比例控制。将比例系数Kp由小到大变化，观察系统的响应，直至速度快，且有一定范围的超调为止。如果系统静差在规定范围之内，且响应曲线已满足设计要求，那么只需用纯比例调节器即可。

（2）积分部分整定。如果比例控制系统的静差达不到设计要求，这时可以加入积分作用。在整定时将积分系数KI由小逐渐增加，积分作用就逐渐增强，观察输出会发现，系统的静差会逐渐减少直至消除。反复试验几次，直到消除静差的速度满意为止。注意这时的超调量会比原来加大，应适当的降低一点比例系数KP。

（3）微分部分整定。若使用比例积分（PI）控制器经反复调整仍达不到设计要求，或不稳定，这时应加入微分作用，整定时先将微分系数KD从零逐渐增加，观察超调量和稳定性，同时相应地微调比例系数KP、积分系数KI，逐步使凑，直到满意为止。

2扩充临界比例度法

这种方法适用于有自平衡的被控对象，是模拟系统中临界比例度法的扩充。其整定步骤如下：

（1）选择一个足够短的采样周期T。所谓足够段，就是采样周期小于对象的纯之后时间的1/10。

（2）让系统作纯比例控制，并逐渐缩小比例度e（e=1/KP）是系统产生临界振荡。此时的比例度和振荡周期就是临界比例度eK和临界振荡周期TK。

（3）选定控制度。所谓控制，就是以模拟调节器为基准，将系统的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较，其笔直即控制度。

扩充临界比例度法的参数整定表。

三．设备详细介绍：

一． YMC303P型压力变送器

原理：

把压力信号传到电子设备，进而在计算机显示压力将水压这种压力的力学信号转变成电流（4-20mA）这样的电子信号压力和电压或电流大小成线性关系，一般是正比关系所以，变送器输出的电压或电流随压力增大而增大由此得出一个压力和电压或电流的关系式压力变送器的被测介质的两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采用大气压或真空，作用在δ元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。

压力变送器的选择：先确定系统中要确认测量压力的最大值，一般而言，需要选择一个

具有比最大值还要大倍左右的压力量程的变送器。这主要是在许多系统中，尤其是水压测量和加工处理中，有峰值和持续不规则的上下波动，这种瞬间的峰值能破坏压力传感器，持续的高压力值或稍微超出变送器的标定最大值会缩短传感器的寿命，然而，由于这样做会精度下降。于是，可以用一个缓冲器来降低压力毛刺，但这样会降低传感器的响应速度。所以在选择变送器时，要充分考虑压力范围，精度与其稳定性。

二．ZDYP-16P型电动调节阀

ZDYP超小型电动单座调节阀，由电子式执行机构和低流阻直通阀体组成。电动执行机构，采用 DY-JSF 精小型电动执行器伺服放大器，它以 220V交流单相电源作为驱动电源，接受标准的 4-20mA DC控制信号，经伺服放大器控制，使电机带动减速器运行而产生轴向推力，使阀芯作相应移动，改变阀门的开度，达到对压力、温度、流量、液位等工艺参数的调节，从而实现自动控制的目的。伺服放大器还输出一个与执行器的位移相对应的 4-20mA DC阀位反馈输出信号。

选择电动调节阀的技巧：

1.从调节系统的质量分析

K1变送器的放大系数，K2调节仪表的放大系数，K3执行机构的放大系数，K4控制阀的放大系数，K5调节对象的放大系数。很明显，系统的总放大系数K为：K=K1*K2*K3*K4*K5 K1、K2、K3、K4、K5分别为变送器、调节仪表、执行机构、控制阀、调节对象的放大系数，在负荷变动的情况下，为使调节系统仍能保持预定的品质指标；则希望总的放大系数在调节系统的整个操作范围内保持不变。通常，变送器、调节器（已整定好）和执行机构的放大系数是一个常数，但调节对象的放大系数却总是随着操作条件变化而变化，所以对象的特性往往是非线性的。因此，适当选择控制阀的特性，以阀的放大系数的变化来补偿

调节对象放大系数的变化，而使系统的总放大系数保持不变或近似不变，从而提高调节系统的质量。

因此，控制阀流量特性的选择应符合： K4*K5=常数

对于放大系数随负荷的加大而变小的现象，假如选用放大系数随负荷加大而变大的等百分比特性控制阀，便能使两者相互抵消，合成的结果，使总放大系数保持不变，近似于线性。当调节对象的放大系数为线性时，则应采用直线流量特性，使总放大系数保持不变。

2. 从工艺配管情况考虑

控制阀总是与管道、设备等连在一起使用，由于系统配管情况的不同，配管阻力的存在引起控制阀上压降的变化，因此，阀的工作流量特性与阀的理想流量特性也有差异。必须根据系统特点来选择希望得到的工作特性，然后再考虑配管情况来选择相应的理想特性。

3. 从负荷变化情况分析

直线特性控制阀在小开度时流量相对变化值大，过于灵敏容易引起振荡，使阀芯、阀座极易受到破坏，在S值小，负荷变化大的场合不宜采用。等百分比控制阀的放大系数随控制阀行程增加而增加，流量相对变化值是恒定不变的，因此它对负荷波动有较强的适应性，无论在满负荷或半负荷生产时，都能很好的调节；从制造角度来看也并不困难。在生产过程中等百分比是应用最广泛的一种。

三．P909仪表

P909 智能PID控制仪表

特点：

型号sp-p909详细说明 sp—p900系列50段pid可编程序控制仪，具有ai人工智能控制功能，适用于需要按一定时间规律自动改变给定值进行控制的场合，可设置任意大小的给定值升/降斜率，从而获得斜率加热/降温或曲线加热的能力，它具有强大的可编程能力，可进一步提高控制设备的自动化程序。

1、可根据生产过程要求，按照一定的曲线进行控制，最多可分50段曲线对控制对象进行编程控制，每一段均采用pid及ai人工智能控制,使控制更为精确可靠.

2、每一段时间设定范围为1～9999分或1～9999秒.

3、利用1～50段程序的跳转功能,实现多条不同曲线的记忆与运行.

4、具有运行/暂停(run/hoid)功能,程序在运行时,时间计时,给定值按预先编排的程序曲线变化；程序在暂停状态下,时间停止时,给定值不变.

5、具有2路事件输出功能,事件输出由程序编排发生,可在程序运行中控制2路报警开关动作.以方便控制各种外部设备同步或连锁工作.

6、具有准备(rdy)与测量值启动功能,用于自动解决启动运行时的测量值与设定值的不一致而对程序产生的不确定性,以获得高效率,完整并符合用户要求的程序运行结果.

7、停机/开机事件,仪表接通电源或在运行中意外停电.可提供多种处理方案供用户选择.

8、可以在运行时查询正在运行的程序段和运行该段的剩余时间.

四．仪表接口标准RS-485

智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS232

接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。随后出现的RS485解决了这个问题。

RS-485标准

RS-485是双向、半双工通信协议,允许多个驱动器和接收器挂接在总线上,其中每个驱动器都能够脱离总线。该规范满足所有RS-422的要求,而且比RS-422稳定性更强。具有更高的接收器输入阻抗和更宽的共模范围(-7V至+12V)。

接收器输入灵敏度为±200mV,这就意味着若要识别符号或间隔状态,接收端电压必须高于+200mV或低于-200mV。最小接收器输入阻抗为12k,驱动器输出电压为± (最小值)、±5V (最大值)。

驱动器能够驱动32个单位负载,即允许总线上并联32个12k的接收器。对于输入阻抗更高的接收器,一条总线上允许连接的单位负载数也较高。RS-485接收器可随意组合,连接至同一总线,但要保证这些电路的实际并联阻抗不高于32个单位负载(375)。

采用典型的24AWG双绞线时,驱动器负载阻抗的最大值为54,即32个单位负载并联2个120终端匹配电阻。RS-485已经成为POS、工业以及电信应用中的最佳选择。较宽的共模范围可实现长电缆、嘈杂环境(如工厂车间)下的数据传输。更高的接收器输入阻抗还允许总线上挂接更多器件。

四、实验过程调试

PID 参数整定

在调整PID 参数时，可以使用试凑法，根据参数对控制过程的影响趋势，对参数实行“先比例，后积分，再微分”的步骤。

首先整定比例部分，可以先将比例系数Kp 由小变大，并观察相应的系统响应，直到响应曲线超调小，反应快。如果系统没有静差，或者静差小到允许的范围内，那么只需比例调节即可。

如果比例调节的基础上系统的静差不能满足要求，则需加入积分环节。整定时首先置积分时间一较大值，并将第一步整定的比例系数Kp 减小，然后减小积分时间，使静差消除。如果动态性能也能满意，则PI 调节器即可。

若动态性能不好则需加入微分控制环节。整定时，使微分时间从0变大，并相应改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直到满意为止。

PID 参数整定原则以及各参数影响效果

1.根据控制系统稳定运行准则，对于控制系统开环总增益（

o c K K ）来讲，当系统运行正常后，如果增大了

o K ，则应将c K 相应地减少相同倍数；反之亦然。例如，变送器量程变小时，

c K 应相应减小倍数；当执行器口径变大时，c K 相应减小等。 2.o o T /τ是广义对象的动态参数，该值越大，控制系统越不易稳定，这时，应减小c K ，以保证系统的稳定性。同时o i T τ/和o

d T τ/应合适，通常取o i T τ2=，o d T τ5.0=。

3.P 、I 、D 三者中，P 作用是最基本的控制作用。一般先按纯比例进行闭环测试，然后适当引入i T 和d T 。也可根据广义对象的时滞o τ，设置好i T 和d T ，然后调整比例增益

c K 。 4.硬尽量发挥积分作用消除余差。一般取o i T τ2=。引入积分作用后，所引入的相位滞后o τ不应超过40度。幅值比增加不超过20%，为此，c K 应比纯P 时减小约10%。

5.微分作用的引入时为了解决高阶现象的过渡阶段滞后对对象控制品质的不利影响，对于纯滞后，微分做哟无能为力。一般取o d T τ5.0=。多数情况下引入微分后，c K 应比纯P 时增加约10%。

6.对于有高频噪声的过程，不易引入微分，否则，高频分量将被放大得很厉害，对控制不利。

7.稳定性是控制系统品质指标的前提条件。通常，可取衰减比作为稳定性指标。在整定完成后一定要确保过程控制系统的稳定性。

8.衰减比的选择，对于随动控制系统，通常衰减比n=10:1；定值控制系统常取n=4:1。

五．单回路控制系统

单回路控制框图

单回路系统简介：

单回路调节系统，一般是指用一个控制器来控制一个被控对象，即SISO（single input single output）系统。其中，控制器只接收一个测量喜好，其输出也只控制一个执行机构。单回路流量PID控制系统也是一种单回路调节系统，系统框图如上图所示。在此控制回路中，被控对象的液位是被控量。利用压力型液位感测器和调理电路对测量信号进行归一化处理，形成4~20mA的信号；PID控制器作为系统的核心，控制输出，使液位打到期望的设定值。

六．课程总结

建立更好的人机界面，更好的控制性能，更人性化的操作，未来的过程控制一定是更加的完善，不如记录历史数据、勾画历史数据曲线，控制系统集成化，实现在一个控制室实现多个参量的控制、观测监督等。生产技术的发展使得生产规模越来越大，生产速度和强度越来越高，从单一参数的局部测量逐渐发展到多参数或间接指标的检测和计算、巡回检测和数据处理;在控制方面由简单的顺序控制、单回路反馈控制逐渐发展到集中管理、相互关联的反馈控制、前馈控制和最优化控制等。单纯采用常规仪表已难于取得预期的效果，因而在仪表控制技术的基础上出现了应用电子计算机的过程控制。计算机过程控制的优点是：①能达到常规仪表控制达不到的速度和质量；②计算机具有分时操作功能，一台计算机能代替多台常规过程控制仪表；③计算机过程控制能够综合过程情况，在环境或工艺参数变化时能及时作出判断，选择优化的方案和对策；④对于大滞后和相关联多参数复杂的工艺过程，采用计算机控制可以达到仪表控制所不能得到的结果。随着计算机技术的发展未来的过程控制将更加自动化，以下是目前控制领域常用的计算机控制系统：数据采集系统在这种应用中，计算机只承担数据的采集跟处理工作，而不直接参与控制。它对生产过程各种工艺变量进行巡回检测、处理、记录及变量的超限报警，同时对这些变量进行累计分析和实时分析，得出各种趋势分析，为操作人员提供参考。直接数字控制系统计算机根据控制规律进行运算，然后将结果经过过程输出通道，作用到被控对象，从而使被控变量符合要求的性能指标。与模拟系统不同之处在于，在模拟系统中，信号的传送不需要数字

化；而数字系统必须先进行模数转换，输出控制信号也必须进行数模转换，然后才能驱动执行机构。监督计算机控制系统

这个系统根据生产过程的工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化设定值，送给直接数字控制系统执行。监督计算机系统承担着高级控制与管理任务，要求数据处理功能强，存储容量大等，一般采用较高档微机。分级控制系统也就是DCS系统，具体请看集散控制系统的词条。现场总线控制系统也就是FCS，是新一代分布式控制系统。该系统改进了DCS系统成本高，各厂商的产品通信标准不统一而造成不能互联的弱点。