基于Labview的單容水箱液位控制系統(tǒng)

..控制理論模塊項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐報(bào)告

—基于Labview的單容水箱液位控制系統(tǒng)

學(xué)院：電氣工程與自動(dòng)化

專業(yè)班級：自動(dòng)化151班

學(xué)號：2420152857

學(xué)生姓名：廖梓柔

指導(dǎo)老師：任金霞

時(shí)間：2017.6.23

摘要本文是基于Labview的單容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，涉及到Labview的應(yīng)用、數(shù)據(jù)采集、水箱系統(tǒng)的建模、PID算法、液位的動(dòng)態(tài)控制等一系列的知識(shí)。作為單容水箱液位的控制系統(tǒng)，其模型為一階慣性函數(shù)，控制方式采用了PID算法。選用合適的器件設(shè)備、控制方案和算法，能夠最大限度地達(dá)到系統(tǒng)對調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)精度等控制性能的要求。Labview程序稱為虛擬儀器(VI)，擁有的整套工具可用于采集、分析、顯示和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以及解決用戶在編寫代碼過程中可能出現(xiàn)的問題。本設(shè)計(jì)通過Labview輸入控件和顯示控件創(chuàng)建用戶界面（前面板）。輸入控件指旋鈕、按鈕、轉(zhuǎn)盤等輸入裝置。顯示控件指圖形、指示燈等輸出顯示裝置。結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用建立水箱慣性系統(tǒng)的模型。在水箱建模的基礎(chǔ)上利用matlab仿真獲得最優(yōu)PID控制參數(shù)。前面板創(chuàng)建完畢后，使用VI和結(jié)構(gòu)控制前面板上水箱的輸入電壓，通過NI數(shù)據(jù)采集卡采集液面高度反饋的電壓，從而實(shí)現(xiàn)對水箱液面高度的PID調(diào)節(jié)，從而達(dá)到對一階水箱的液位控制。關(guān)鍵詞：Labview;水箱建模；數(shù)據(jù)采集；PID控制

目錄TOC\o"1-3"\u第一章緒論 11.1設(shè)計(jì)背景及意義 11.2設(shè)計(jì)目的 11.3設(shè)計(jì)要求 2第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 32.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 32.1.1水箱液位變化的原理 32.1.2水箱液位控制的原理 32.2水箱液位系統(tǒng)的控制模型 4第三章設(shè)計(jì)準(zhǔn)備 53.1硬件準(zhǔn)備 53.1.1水箱比例系數(shù)的調(diào)節(jié) 53.1.2數(shù)據(jù)采集卡（DAQ） 73.2軟件安裝 83.2.1Labview的安裝 83.2.2DAQ的安裝 93.2.3PID控制器的安裝 10第四章設(shè)計(jì)過程 114.1水箱系統(tǒng)建模 114.1.1水箱建模原理 114.1.2建模數(shù)據(jù)采集 144.1.3數(shù)據(jù)處理 174.1.4確定水箱參數(shù) 194.2基于matlab的數(shù)據(jù)仿真 204.3PID參數(shù)的選取 214.3.1比例控制（K） 214.3.2積分控制（I） 234.3.3微分控制（D） 234.3.4比例積分控制（PI） 244.3.5比例積分微分控制（PID） 244.3.6PID參數(shù)的確定 25第五章最終控制及調(diào)試 265.1最終控制的Labview設(shè)計(jì) 265.1.1PID控制前面板的繪制 265.1.2PID控制程序框圖的繪制 275.1.3各模塊的功能 275.2調(diào)試 28致謝 30參考文獻(xiàn) 31

.第一章緒論1.1設(shè)計(jì)背景及意義大型水箱是很多公司生產(chǎn)過程中必不可少的部件，它的性能和工作質(zhì)量的優(yōu)良不僅僅對生產(chǎn)有著巨大的影響，而且也關(guān)系著生產(chǎn)的安全。在過去，大量的對水箱操作是由相應(yīng)的人員進(jìn)行操作的，這樣的人工方式帶來了很大的弊端，比如水位的控制，時(shí)刻監(jiān)控水箱的環(huán)境，夜間的監(jiān)控等等，操作員稍有疏忽，或者簡易的監(jiān)測器件損壞，將帶來無法彌補(bǔ)的損失，更嚴(yán)重的會(huì)危機(jī)到生產(chǎn)人員的人身安全等。所以，對水箱控制，如果能夠使用精密而且完全會(huì)嚴(yán)格按照生產(chǎn)規(guī)定運(yùn)行的自動(dòng)化系統(tǒng)，可以最大限度的避免事故的幾率，同時(shí)也能節(jié)省資源并能有效提高生產(chǎn)的效率。從水資源節(jié)約方面考慮，以往的人工控制在很多情況下，造成資源不必要的浪費(fèi)，大部分原因是水箱內(nèi)部水位沒有及時(shí)的反饋信息到操作員，從而使控制上有一定的延遲，從而造成了水量過多或者沒能及時(shí)補(bǔ)水而導(dǎo)致資源的浪費(fèi)或生產(chǎn)出現(xiàn)異常。而對水箱水位的監(jiān)控以及自動(dòng)化的引入可以很好的改善補(bǔ)水過多或及時(shí)補(bǔ)水的情況，可以很好的節(jié)約資源，有效的降低成本。深入地研究液位控制系統(tǒng),能給工業(yè)過程控制的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用提供非常重要的指導(dǎo)資料，因此對水箱液位控制算法進(jìn)行研究對實(shí)際的工程應(yīng)用具有很重要的意義。1.2設(shè)計(jì)目的該實(shí)踐旨在使學(xué)生在深入消化控制理論課堂教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用所學(xué)課程的基本原理與方法，解決實(shí)際設(shè)計(jì)與應(yīng)用問題，提高學(xué)生分析問題與解決問題的能力，并在設(shè)計(jì)過程中，學(xué)會(huì)查閱資料、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試與分析、撰寫報(bào)告等，達(dá)到綜合能力培養(yǎng)的目的。1.根據(jù)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，學(xué)會(huì)方案比較和論證，初步掌握工程設(shè)計(jì)的基本方法；2.了解水箱的工作原理及單容水箱控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成與數(shù)學(xué)建模方法；3.進(jìn)一步了解和掌握PID控制的方法和應(yīng)用，合理的整定PID的控制參數(shù)，取得良好的控制效果；4.在學(xué)習(xí)、運(yùn)用現(xiàn)在所學(xué)知識(shí)的同時(shí)，回顧以前所學(xué)知識(shí)，運(yùn)用到設(shè)計(jì)中來，加強(qiáng)知識(shí)的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)及知識(shí)的銜接、融合。5.提高總結(jié)歸納、撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告的能力，應(yīng)當(dāng)規(guī)范、有條理、充分、清楚地論述設(shè)計(jì)內(nèi)容和調(diào)試成果。1.3設(shè)計(jì)要求1. 了解水箱的工作原理，畫出單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖。2. 用接好線路的單回路系統(tǒng)進(jìn)行投運(yùn)練習(xí)，對系統(tǒng)建模。3. 設(shè)計(jì)控制器，整定P、PI和PID三種調(diào)節(jié)器的參數(shù)，寫出三種調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間。4.控制器的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)水箱液位的閉環(huán)控制。

第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理2.1.1水箱液位變化的原理本設(shè)計(jì)探討的是單容水箱的液位控制問題。為了能更好的選取控制方法和參數(shù)，有必要知道被控對象—上水箱的結(jié)構(gòu)和特性。由圖1所示可以知道，單容水箱的流量特性：水箱的出水量與水壓有關(guān)，而水壓又與水位高度近乎成正比。這樣，當(dāng)水箱水位升高時(shí)，其出水量也在不斷增大。所以，若閥開度適當(dāng)，在不溢出的情況下，當(dāng)水箱的進(jìn)水量恒定不變時(shí)，水位的上升速度將逐漸變慢，最終達(dá)到平衡。由此可見，單容水箱系統(tǒng)是一個(gè)自衡系統(tǒng)。圖2-1單容水箱結(jié)構(gòu)圖2.1.2水箱液位控制的原理簡單控制系統(tǒng)有著共同的特征，它們均有四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。對于不同對象的簡單控制系統(tǒng)，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用相同的方框圖表示。除模擬PID調(diào)節(jié)器外，可以采用計(jì)算機(jī)、ARM實(shí)現(xiàn)PID算法控制。首先由差壓傳感器檢測出水箱水位；水位實(shí)際值通過單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號后，被輸入計(jì)算機(jī)中；最后，在計(jì)算機(jī)中，根據(jù)水位給定值與實(shí)際輸出值之差，利用PID程序算法得到輸出值，再將輸出值傳送到ARM中，由ARM將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。最后，由ARM的輸出模擬信號控制水泵，從而形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水位的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。圖2-2單容水箱液位設(shè)計(jì)控制框圖2.2水箱液位系統(tǒng)的控制模型該系統(tǒng)主要是自衡的非振蕩過程，即在外部階躍輸入信號作用下，過程原有的平衡狀態(tài)被破壞，并在外部信號作用下自動(dòng)的非震蕩地穩(wěn)定到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)，這一大類是在工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見的過程。由這個(gè)簡單控制系統(tǒng)通用的框圖設(shè)計(jì)出水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖如下圖2-3水箱控制系統(tǒng)原理框圖

第三章設(shè)計(jì)準(zhǔn)備3.1硬件準(zhǔn)備3.1.1水箱比例系數(shù)的調(diào)節(jié)本次課程實(shí)踐采用的單容水箱為杭州求是教儀公司生產(chǎn)的ACT-YK1單容水箱，如圖3-3所示。水泵由功率放大器電路控制。輸入水量從頂部進(jìn)入水箱,流出水量從流量控制閥門底部流出。壓力傳感器的輸出電壓作為控制面板的輸出電壓，輸出電壓范圍0~10V。輸入電壓0~10V。通控制器、開關(guān)控制可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)PID控制。圖3-1ACT-YK1單容水箱本課題采用的單容水箱型號為ACT-YK1。220V交流電壓供電。輸入輸出電壓均為0~10V。ACT-YK1型實(shí)驗(yàn)對象的監(jiān)測模塊為一個(gè)壓力傳感器如圖，型號為PT330-4K14。量程0~4Kpa。螺紋：M20*1.5，輸出電壓0~10V，此模塊內(nèi)部電路有一個(gè)調(diào)節(jié)電路，如圖所示有兩個(gè)可調(diào)電阻，左為調(diào)零電阻，右為比例調(diào)節(jié)電阻。執(zhí)行裝置為一個(gè)水泵，型號為FLO-2201。額定電壓為12V。由于控制輸入電壓為0~10V，即控制電路為一個(gè)將小控制信號轉(zhuǎn)化為大控制電壓的放大電路。圖3-2PT330-4K14壓力傳感器為方便計(jì)算，本次設(shè)計(jì)將水位為0刻度時(shí)調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕至對應(yīng)電壓調(diào)為0V，滿位30cm刻度時(shí)，對應(yīng)電壓調(diào)成5V，此時(shí)水箱滿足:水位高度(h)=電壓值×6調(diào)整結(jié)果如下:圖3-3水箱比例系數(shù)的調(diào)節(jié)3.1.2數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）本次課題采用NIUSB-6009數(shù)據(jù)采集卡以及Labview2013的共同控制。NImyDAQ提供了八種常用的基于計(jì)算機(jī)和Labvie的即插即用型實(shí)驗(yàn)室儀器，包括萬用表(DMM)、示波器和函數(shù)發(fā)生器。學(xué)生可使用所有可立即運(yùn)行的軟件儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和練習(xí)，包括伯德圖分析儀、任意波形發(fā)生器、動(dòng)態(tài)信號分析儀（快速傅里葉變換）、數(shù)字輸入和數(shù)字輸出。該平臺(tái)包含一個(gè)數(shù)據(jù)采集引擎，可用于測量兩個(gè)差分模擬輸入和模擬輸出通道（200kS/s，16位，±10V）。還可通過8條數(shù)字輸入和數(shù)字輸出線（兼容3.3VTTL）連接低電壓TTL(LVTTL)和5VTTL數(shù)字電路。NImyDAQ通過+5V、+15V和-15V電源輸出（功率高達(dá)500mW）為簡單的電路和傳感器提供充足的電量。直流電壓和電流以及電阻、二極管電壓和連續(xù)性。圖3-4數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡各個(gè)端口如下圖所示：圖3-5數(shù)據(jù)采集卡各端口3.2軟件安裝本設(shè)計(jì)是基于Labview的單容水箱液位控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)之應(yīng)做好設(shè)計(jì)過程中相應(yīng)的軟件準(zhǔn)備，對即將使用的軟件進(jìn)行必要的了解，掌握并熟悉基本的操作3.2.1Labview的安裝因此次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）是來自美國美國國家儀器(NI)有限公司的版本，基于此硬件環(huán)境，安裝Labview2013,如圖所示：圖3-5Labview的安裝3.2.2DAQ的安裝DAQ是英文DataAcquisition（數(shù)據(jù)采集）的縮寫。廣泛應(yīng)用于電子、信息、科技、檢測、試驗(yàn)領(lǐng)域。數(shù)據(jù)采集（DAQ）是指測量：電壓、電流、溫度、壓力、聲音、編碼數(shù)據(jù)等電氣或物理現(xiàn)象的過程。圖3-6DAQ的安裝3.2.3PID控制器的安裝因Labview中只提供單獨(dú)的比例、微分、積分控制器未提供此次試驗(yàn)可直接使用的PID（比例-積分-微分控制器）控制模塊，為提高實(shí)驗(yàn)效率和精度，在Labview2013以及DAQ安裝完成之后，在Labview中添加PID控制模塊的安裝。

第四章設(shè)計(jì)過程4.1水箱系統(tǒng)建模4.1.1水箱建模原理單容水箱的流量特性：水箱的出水量與水壓有關(guān)，而水壓又與水位高度近乎成正比。這樣，當(dāng)水箱水位升高時(shí)，其出水量也在不斷增大。所以，若閥開度適當(dāng)，在不溢出的情況下，當(dāng)水箱的進(jìn)水量恒定不變時(shí)，水位的上升速度將逐漸變慢，最終達(dá)到平衡。由此可見，單容水箱系統(tǒng)是一個(gè)自衡系統(tǒng)。（1）確定過程的輸入變量和輸出變量如下圖所示，流入水箱的流量是由進(jìn)料閥1來控制的；流出水箱的流量取決于水箱液位L和出料閥2的開度，而出料閥的開庫是隨用戶的需要而改變的。這里，液位L是被控變量（即輸出變量），進(jìn)料閥1為控制系統(tǒng)中的控制閥，它所控制的進(jìn)料流量是過程的控制輸入（即操縱量），出料流量是外部擾動(dòng)。本設(shè)計(jì)以進(jìn)料流量作為輸入變量。圖4-1水箱液位過程及其階躍響應(yīng)曲線（2）根據(jù)過程內(nèi)在機(jī)理，列寫原始方程根據(jù)物料平衡關(guān)系，當(dāng)過程處于原有穩(wěn)定狀態(tài)是，水箱液位保持不變，其靜態(tài)方程為：-=0（4—1），、分別為原穩(wěn)定狀態(tài)下水箱的進(jìn)料流量和出料流量，當(dāng)進(jìn)料流量突然增大是，水箱原來的平衡狀態(tài)被破壞，此時(shí)進(jìn)料量大于出料量，多余的液體在水箱內(nèi)儲(chǔ)存起來，使其液位升高。設(shè)水箱液體的儲(chǔ)存量為V，則單位時(shí)間內(nèi)出料流量與進(jìn)料流量之差等于水箱液體儲(chǔ)存量的凈增量。其動(dòng)態(tài)方程為：-=（4—2）=、，、分別為和的增量。設(shè)水箱截面積為A，則有V=AL，其增量形式為dV=AdL，即：（4—3）。將=、和式（4—3）代入式（4—2），得（4—4）。將式（1—4）減去式（4—1）可得用新增量形式表示的動(dòng)態(tài)方程式，為：（4—5）（3）消去中間變量，簡化，求的微分方程式中間變量式原始方程式中出現(xiàn)的一些既不是輸入變量也不是輸出變量的工藝變量。式（4—5）中，為中間變量。與輸出變量L的關(guān)系可表示為：=：比例系數(shù)（4—6）當(dāng)只考慮液位與流量均在有限小的范圍內(nèi)變化式，就可以認(rèn)為出料流量與液位變化呈線性關(guān)系。將式（4—6）改寫成增量形式：令，則有：（4—7）將式（4—7）代入式（4—5）中，即得（4—8）式（4—8）即為水箱液位過程的數(shù)學(xué)模型。由此可見，這是一個(gè)一階微風(fēng)方程，液位過程為一階過程。將該式寫成的一階過程的微風(fēng)方程的標(biāo)準(zhǔn)形式：（4—9）或（4—10）為一階過程的時(shí)間常數(shù)，,具有時(shí)間量綱；為一階過程的放大系數(shù)，具有放大倍數(shù)的量綱；為一階過程的輸出變量；為一階過程的輸入變量；為阻力系數(shù)，=液位的變化量/出料流量的變化量；為容量系數(shù)，=儲(chǔ)存的物料變化量/液位的變化量。當(dāng)被控變量的檢測地點(diǎn)與產(chǎn)生擾動(dòng)的地點(diǎn)之間由一段物料傳輸距離時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)滯后。在控制過程中，若進(jìn)料閥安裝在與水箱進(jìn)料口有一段距離，則當(dāng)進(jìn)料閥開度變化而引起進(jìn)料流量變化后，液體需要經(jīng)過一段傳輸時(shí)間才能流入水箱，使液位發(fā)生變化并被檢測出來。顯然液體流經(jīng)這段距離所需時(shí)間完全是傳輸滯后造成的。純滯后一階過程的微風(fēng)方程為：具有純滯后的一階過程的特性與放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間有關(guān)。綜上所述，水箱液位控制系統(tǒng)是一個(gè)一階自衡過程，其特性可用放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間這三個(gè)特性參數(shù)來全面表征。該時(shí)間常數(shù)T可以通過坐標(biāo)原點(diǎn)對響應(yīng)曲線作切線，此切線與穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)T。圖4-2階躍響應(yīng)曲線4.1.2建模數(shù)據(jù)采集在NI中新建VI模塊，添加數(shù)值輸入控件、DAQ助手及波形顯示等相關(guān)控件。數(shù)值的作用是給定期望電壓。圖4-3數(shù)據(jù)采集面板DAQ助手2的作用是生成電壓并限定電壓輸出范圍，將給定的電壓數(shù)值（0～5V）輸送給水箱；在添加時(shí)，設(shè)置對應(yīng)通道，將NI數(shù)據(jù)采集卡對應(yīng)的端口與水箱對應(yīng)端口相互連接：圖4-4DAQ助手的設(shè)置圖中DAQ助手1的作用是測量電壓并采集數(shù)據(jù),在添加時(shí)，設(shè)置對應(yīng)通道，將NI數(shù)據(jù)采集卡對應(yīng)的端口與水箱對應(yīng)端口相互連接詳細(xì)設(shè)置如下所示，設(shè)置為連續(xù)采樣，采樣率為1Hz，并開啟記錄數(shù)據(jù)功能，即可將實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)記錄下來并保存為表格形式：圖4-5DAQ助手2的設(shè)計(jì)波形圖表的作用是直觀地顯示水箱水位的變化過程，由此圖表，可以清晰地判斷系統(tǒng)液位的上升趨勢、是否達(dá)到穩(wěn)定，何時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。圖4-6波形圖表4.1.3數(shù)據(jù)處理采集后的數(shù)據(jù)如下所示，每個(gè)數(shù)據(jù)為每秒采集到的水箱電壓值：圖4-7采集數(shù)據(jù)顯示運(yùn)用matlab編程，以采樣時(shí)間為橫坐標(biāo)，電壓值為縱坐標(biāo)，畫出系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖：圖4-8matlab編程圖4-9系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線4.1.4確定水箱參數(shù)一階系統(tǒng)的參數(shù)模型為KTs+1,Matlab擁有強(qiáng)大的功能，用matlab中提供的cftool函數(shù)所得系統(tǒng)響應(yīng)，設(shè)定擬合參數(shù)及擬合函數(shù)形式，結(jié)果如圖（4-10）所示：圖4-10系統(tǒng)響應(yīng)曲線擬合圖4-11系統(tǒng)響應(yīng)曲線擬合根據(jù)一階水箱建模原理，求得水箱的系統(tǒng)參數(shù)T=236；K的求取方法如下：給定一個(gè)3V的輸入電壓，在干擾的共同作用下系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)水位的高度h1,令擾動(dòng)為0，重新給定3V電壓是系統(tǒng)運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)輸出達(dá)到3V時(shí)，讀取液面高度h2,比例系數(shù)K=h1由此確定水箱的傳遞函數(shù)為2360.4694.2基于matlab的數(shù)據(jù)仿真4.2.1程序框圖的繪制水箱實(shí)際控制操作繁瑣響應(yīng)緩慢，且不易修改參數(shù)，因此，為獲得最佳PID參數(shù)，用matlab中的simulink仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的響應(yīng)過程，程序框圖如圖4-12simulink程序框圖4.3PID參數(shù)的選取4.3.1比例控制（K）比例控制規(guī)律是指：控制器的輸出信號(指變化量)與輸出信號（指偏差、當(dāng)設(shè)定值）變時(shí)，偏差就是被控量測量值的變化量）之間成比例關(guān)系，即：比例增益：某值在一定范圍內(nèi)可調(diào),在相同偏差輸入下，越大，輸出也越大，比例控制作用越強(qiáng)，因此是衡量比例作用弱的一個(gè)重要參數(shù)。比例控制器傳遞函數(shù)：在階躍偏差作用下，比例控制器響應(yīng)曲線：在階躍偏差作用下，比例控制器響應(yīng)曲線：圖4-13比例控制響應(yīng)曲線比例控制是最基本的控制規(guī)律，其特點(diǎn)是控制作用簡單，調(diào)整方便，且負(fù)荷變化時(shí)，克服擾動(dòng)能力強(qiáng)，控制作用及時(shí)，過渡過程時(shí)間短，但因控制器的輸出信號與偏差信號之間在任何時(shí)刻都存在之比例關(guān)系，所以過程終了時(shí)存在偏差，且負(fù)荷變化越大，余差也越大。比例控制對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響比例控制的控制作用效果如何，關(guān)鍵問題在于選擇合適的比例度，比例度時(shí)指控制器輸入的變化相對值與輸出的相對變化值之比的百分?jǐn)?shù)，即：：控制器的輸入信號的變化量，即偏差信號。：控制器的輸出信號的變化量，即控制命令。：控制器的輸入信號的變化范圍，即量程。：控制器輸出信號的變化范圍。將比例控制器切入系統(tǒng)，閉環(huán)運(yùn)行時(shí)其比例度對系統(tǒng)過渡過程的影響如圖：圖4-14不同比例度下的過渡過程（1）余差：在擾動(dòng)（如負(fù)荷）及設(shè)定值變化時(shí)，控制系統(tǒng)有余差存在。在相同的負(fù)荷變化量的擾動(dòng)下，比例度越小，余差越?。辉诒壤认嗤那闆r下負(fù)荷變化量越大，則余差越大。（2）對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響：有圖可看出，比例度越大，過渡過程的曲線越平穩(wěn);隨著比例度的減少，系統(tǒng)將發(fā)散振蕩程度增加，衰減比減少，穩(wěn)定性變差，當(dāng)減少到某一數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)散振蕩，十分危險(xiǎn)，有時(shí)甚至造成重大事故。（3）對系統(tǒng)過渡過程的影響：由圖可見，隨比例度的減少，振蕩加劇，振蕩頻率提高，將被控量拉回到設(shè)定值所需時(shí)間就短。一般而言，在廣義對象的放大系數(shù)較小，時(shí)間常數(shù)較大，時(shí)滯較小的情況下，比例度選的小些，以提高系統(tǒng)靈敏度；反之，當(dāng)廣義對象的放大系數(shù)較大，時(shí)間常數(shù)較小，而時(shí)滯較大的情況下，必須適當(dāng)增大比例度以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（4）對最大偏差的影響：最大偏差在兩類外作用下不一樣，在擾動(dòng)作用下越小，最大偏差越小；在設(shè)定作用下是系統(tǒng)處于衰減振蕩時(shí)，越小，最大偏差越大。有上述可知，只有當(dāng)比例度的取值適當(dāng)是，才可能取得系統(tǒng)呈衰減振蕩、最大偏差和余差都不太大，過程穩(wěn)定快，回復(fù)時(shí)間短的控制效果，在工業(yè)生產(chǎn)中近長期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，液位控制系統(tǒng)大致取值范圍為：20%～80%。在控制器的控制規(guī)律中，比例作用是最基本、最主要也是應(yīng)用最普遍的控制規(guī)律，它能較為迅速地克服擾動(dòng)的影響，使系統(tǒng)很快的確定下來，通常使用干擾幅度較小，負(fù)荷變化不大，過程時(shí)滯較小，控制要求不高，允許有余差存在的場合。在液位控制系統(tǒng)中，往往只要求液位穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，并沒有嚴(yán)格要求即可采用比例控制。4.3.2積分控制（I）積分控制規(guī)律是指輸出變化量與輸入變化量積分成正比，即::積分速度積分控制特點(diǎn)：積分控制主要用于消除余差，但作用緩慢，總滯后與偏差的存在不能及時(shí)有效的克服擾動(dòng)的影響，致使被控變量的動(dòng)態(tài)偏差增大，控制過程拖長，甚至使系統(tǒng)難以穩(wěn)定，因此積分控制規(guī)律在工業(yè)生產(chǎn)上很少單獨(dú)使用，都是與比例作用組合來使用的。4.3.3微分控制（D）微分控制規(guī)律是指其輸出信號的變化量與偏差信號的變化速度成正比，即：：微分時(shí)間。微分控制規(guī)律特點(diǎn)：微分控制作用是按偏差的變化速度進(jìn)行控制的，因此它具有“超前控制”作用，其控制的結(jié)果不能消除偏差，所以控制規(guī)律不能單獨(dú)使用。它常與比例或比例積分組合構(gòu)成比例微分或比例積分微分控制規(guī)律，而從實(shí)際使用情況來看，比例微分控制規(guī)律使用的較少，在生產(chǎn)上微分往往與比例積分結(jié)合在一起使用，組成PID控制。4.3.4比例積分控制（PI）比例積分控制規(guī)律是比例作用與積分作用的疊加，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：：比例項(xiàng): 是積分項(xiàng):積分時(shí)間比例積分控制是在比例控制作用的基礎(chǔ)上引入積分作用來消除余差，故比例積分控制是使用最多、應(yīng)用最廣的控制規(guī)律，在反饋控制系統(tǒng)中，約有75%是采用PI作用的。但是，加入積分作用后，會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低；要保持系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性，必須加大比例度（即削弱比例作用），這又會(huì)使2質(zhì)量有所下降，如最大偏差和振蕩周期相應(yīng)增大、過渡時(shí)間加長。對于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不太大、工藝、參數(shù)不允許有余差的場合（如流量或壓力控制），采用比例積分控制規(guī)律可獲得較好的控制質(zhì)量。4.3.5比例積分微分控制（PID）理想比例積分微分控制規(guī)律PID的表達(dá)式：雖然微分作用對于克服容量滯后有顯著的效果，但對克服純滯后是無能為力的。在比例作用的基礎(chǔ)上加上微分作用能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，再加入積分作用可以消除余差。所以適當(dāng)調(diào)整、、三個(gè)參數(shù)，可以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量。由于，PID控制規(guī)律集中了三種控制作用的優(yōu)點(diǎn)，既能快速進(jìn)行控制，有能消除偏差，還可以根據(jù)被控制變量的變化趨勢超前動(dòng)作，具有較好的控制性能，所以在實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。4.3.6PID參數(shù)的確定依據(jù)此次實(shí)踐要達(dá)到的相應(yīng)快，誤差小，且鑒于該水箱為一階水箱，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)得在P控制器下系統(tǒng)所達(dá)到的效果最佳。在P控制器的作用下，該閉環(huán)控制系統(tǒng)始終為一階控制，不會(huì)引起超調(diào)，在增加Kp參數(shù)值的情況下，響應(yīng)會(huì)不斷加快。但考慮到實(shí)際上的應(yīng)用，盲目的Kp是不可實(shí)現(xiàn)的，因此設(shè)置參數(shù)Kp=500,Ki=0,Kd=0,使得響應(yīng)合理又迅速。如圖（4-15）所示圖4-15PID控制仿真曲線

第五章最終控制及調(diào)試5.1最終控制的Labview設(shè)計(jì)5.1.1PID控制前面板的繪制圖5-1PID控制前面板5.1.2PID控制程序框圖的繪制圖5-2PID控制程序框圖5.1.3各模塊的功能（1）滑動(dòng)桿：設(shè)定0～5v中任意的給定電壓；（2）數(shù)值：通過乘法器與常數(shù)6（即水箱液面與電壓的對應(yīng)關(guān)系）后顯示實(shí)時(shí)液面高度；（3）波形圖表：通過乘法器與常數(shù)6（即水箱液面與電壓的對應(yīng)關(guān)系）后顯示液面高度隨時(shí)間的變化而變化的過程；（4）PID：通過對P、I、D各參數(shù)的調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)對液面的最優(yōu)控制；（5）DAQ助手:將采集的數(shù)據(jù)通過采集卡記錄到電腦中；（6）DAQ助手2：通過采集卡從電腦中輸出給定電壓；（7）while循環(huán)：使整個(gè)運(yùn)行能夠持續(xù)進(jìn)行。5.2調(diào)試在實(shí)際操作過程中，系統(tǒng)往往會(huì)受到一定外界環(huán)境的影響，以至于造成偏差。因此，調(diào)試過程要根據(jù)實(shí)際情況操作，在之前仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，對水箱，PID控制器參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，實(shí)現(xiàn)水箱液位快速準(zhǔn)確地達(dá)到期望值，并達(dá)到一定的穩(wěn)態(tài)精度的目的。調(diào)試過程如