双容水箱液位PID控制实验.docx

过程控制系统设计》课程实验报告2018 年 5 月9 日实验二 双容水箱液位 PID 控制实验一、实验目的1、学习双容水箱液位 PID 控制系统的组成和原理2、进一步熟悉 PID 的调节规律；3、进一步熟悉 PID 控制器参数的整定方法二、实验设备1、四水箱实验系统 DDC 实验软件；2、 PC机（Window XP操作系统）；3、 CS4000 型过程控制实验装置三、实验原理1、控制系统的组成及原理单回路调节系统，一般是指用一个控制器来控制一个被控对象，其中控制器 只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构双容水箱液位 PID 控制 系统也是一种单回路调节系统，典型的双容水箱液位控制系统如图 1 所示：图 1 双容水箱液位 PID 控制系统的方框图在双容水箱液位 PID 控制系统中，以液位为被控量其中，测量电路主要 功能是测量对象的液位并对其进行归一化等处理； PID 控制器是整个控制系统 的核心，它根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节，从而控制双容水箱的液 位达到期望的设定值3、PID 控制器参数的实验整定方法双容水箱液位 PID 控制器参数整定，是为了得到某种意义下的最佳过渡过 程。

我们这里选用较通用的“最佳”标准，即在阶跃扰动作用下，先满足需要的 衰减率，然后尽量协调准确性和快速性要求四、实验内容在手动情况下进入初始稳态（如图 3），然后根据水箱的实际液位情况进行了一次下水箱阶跃响应测试，最终达到平衡状态，如图4所示根据两点法求K、 T、t参数，并用响应曲线法整定出对应的控制器参数将整定好的参数投入设 备，进行闭环自动控制，并微调参数，记录分析控制系统的响应曲线图 2 现场接线图E实时趋势SWT.I即上I审円掏甘号町亡］Z4站];■!,(■ !ME劭IT- T :■:目曲谄I 汕图 3 建立工作点丽可实时趋势IWOl*a*I I CLQ I|调fiai加世呷川二|IM '. ■S I15-31 31IE-憐 IIWTt?B^K岂！fiifiu |込血:说ta4HT图 4 下水箱阶跃响应测试曲线五、数据记录由图4的阶跃响应曲线，根据两点法求出K、T、t参数，并用响应曲线法 整定出对应的控制器参数P、Ti,绘图及计算过程如图5所示图 5 响应曲线法整定参数设置完 PID 参数(Kc=l/P=l/0.7=1.43,Ti=8.52minX60=514.8s),手动切自动,图 7 增大 Kc 后再在此基础上减小Ti,最终达到平衡状态，如图8所示。

实时趋势1 no II 11 j.a.o |的対価泄仟工|肿51拙血峭财二|i■■供沌5<" K 帀当馬算同| Lfeoa岛|MH~a ■■ l s~n ■■ 1 zr匚11 ZIZZII z图 8 减小 Ti 后在图6 （投初始整定参数）的基础上，加入Td=Ti/4=128.7,效果如图9所示[Sj™&实时趋势I•五 ■二I硏因询咖11 -\9iXL CT19 IE.CBI, W CEI 旧沁g I图 9 加入微分作用后六、数据处理斤j%門』叩汕1%[理k/［牛吝A7?如1 #00翩A辺非用i"femO00|戲第報jw 七、结果分析针对本次的双容水箱液位控制实验，我们选的是 PI 控制规律我们首先投 入的Kc (1.43)、Ti (541.8)值是我们通过响应曲线法算出来的，发现曲线效果 良好，超调量为 37%，过渡时间(从开始直到稳定) 41min在第二次投参数时,我们想加快响应速度，于是我们增大了 kc(1.73),Ti(514.8) 不变，结果我们发现，曲线振荡加快，过渡时间反而增加了! 通过查找资料，比 例作用增大时，闭环系统稳态误差变小，响应的振荡加剧，响应速度加快试验 表明，当Kp超过某值后，系统响应将变得不稳定于是，经过分析得出，Kc增 大，虽会加快响应速度，但是会使系统最终达到稳定的时间增长，即也就是上升 时间、峰值时间缩短，调整时间、过渡时间增大。

除此之外，超调量也会增大在第三次投参数时，kc(1.73)不变，减小Ti (484.8),响应曲线十分不光滑， 应该可以说是失败的经过分析得出，在一个不合适的Kc上，再调Ti基本是无 意义的Kc偏大，再在此基础上加强微分作用，会导致曲线加剧振荡，不光滑在第四次实验中，我们在第一组参数的基础上，加入了微分作用(Td=Ti/4), 由图9可知，其下水箱液位控制曲线效果还是较为理想的，然而调节阀的曲线却 是极度地不稳定，甚至有时忽高忽低，这在实际应用时有很大的安全隐患，不宜 采取本方案，即液位控制系统的PID控制规律中不宜使用微分环节最终本次实验——双容水箱液位PID控制实验，我们组选用的最佳参数为：Kc=1.43, Ti=514.8s八、思考题1、实验系统在运行前应做好哪些准备工作？ 正确连接好电路，接通电源并把开关转到相应的位置检查下水箱阀门是否 全关启动计算机，进入试验系统2、试用控制原理的相关理论分析为什么不加入微分作用？Y=Td(de/dt),当偏差为阶跃信号时，微分输出为一冲激信号，容易导致调 节阀频繁开启因此不适用于流量、压力、液位等一些变化剧烈的过程3、调节器参数(K、Ti和Td)的改变对整个控制过程有什么影响？ K增大，系统响应加快，静差减小，但系统振荡增强，稳定性下降； Ti增大，系统超调减小，振荡减弱，但系统静差的消除也随之减慢； Td增大，调节时间减小，快速性增强，系统振荡减弱，稳定性增强，但系统 对干扰的抑制能力减弱。