單容液位PID控制

1、單容水箱液位定值控制實驗（一）實驗?zāi)康暮鸵?、熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理，研究控制器參數(shù)對控制效果的影響;2、使用P、PI和PID等控制規(guī)律進行單容水箱的液位定值控制；3、分析控制過程中的過渡過程曲線并考察控制參數(shù)的影響；4、運用臨界比例度法進行控制器參數(shù)的工程整定，以得到理想控制曲線。（二）工作原理1、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1為單回路上水箱液位控制系統(tǒng)。單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個調(diào) 節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機 構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制上水箱液位等于給定值 所要求的高度。根據(jù)控制框圖，

2、這是一個閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用工業(yè)智能儀表控 制。當(dāng)調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，一個單回路系統(tǒng)設(shè)計安裝就緒之 后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的 控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會使控制質(zhì)量變壞，達不到預(yù)期效果。一個 控制系統(tǒng)設(shè)計好以后，系統(tǒng)的投運和參數(shù)整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比例度8的大小不僅會影響到 余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（ PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作 用，不僅能實現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)8,Ti調(diào)節(jié)合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性

3、能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分 D的作用，從而使系統(tǒng) 既無余差存在，又能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等） 。但是，并不是所有單回路 控制系統(tǒng)在加入微分作用后都能改善系統(tǒng)品質(zhì)，對于容量滯后不大，微分作用的效果并不明 顯，而對噪聲敏感的流量系統(tǒng)，加入微分作用后，反而使流量品質(zhì)變壞。對于我們的實驗系 統(tǒng)，在單位階躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖 2中的曲線、所 示。5圖2 P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線影響控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的因素有很多，除了被控對象的性質(zhì)之外，自動化裝置能否根據(jù)本實對象特性加以選擇和調(diào)整，控制參數(shù)是否合適，也直接影響著控

4、制質(zhì)量的好壞。因此,驗旨在通過對化工四大參數(shù)的控制，研究和掌握自動化裝置以及控制規(guī)律與控制參數(shù)等對控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響趨勢，從而獲得理想的控制質(zhì)量。三、實驗儀器及設(shè)備A3000過程控制系統(tǒng)是模擬實際工業(yè)控制過程的高級實驗裝置，整個系統(tǒng)可以分作現(xiàn)場系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分。 現(xiàn)場系統(tǒng)又由被控對象系統(tǒng)和測量變送系統(tǒng)構(gòu)成，前者包括一個儲水槽、三個水箱、兩個水泵、一個帶有大功率加熱管的鍋爐、一個工業(yè)用板式換熱器、一段 調(diào)整滯后時間用的滯后管和硬件聯(lián)鎖保護等，后者包括5個溫度傳感器、1個液位傳感器、1個壓力傳感器、2個渦輪流量計、1個電動控制閥、2個電磁閥、2個液位開關(guān)等傳感器和 執(zhí)行器。控制系統(tǒng)由2個百

5、特智能控制器、3個Adam DDC控制模塊，以及多個顯示儀表構(gòu) 成，詳細見下圖。由此可見，該控制系統(tǒng)集成了測量變送、顯示儀表、控制器、執(zhí)行器以及 計算機控制系統(tǒng)等各個環(huán)節(jié)，實驗功能較為齊全。JV-IC£DV-U2IL-1J1yioiOV-U9iGV-Kev-i(jQv-iiaV102J0V-tt7'GV-IUQV-121DV-1D1V103u-)oiTC-134!QV-LQV-1J4QV-1J3FT-IOl2V-1C1V1D4GV-LO£X-102圖3工藝流程圖控制邏輯如圖4所示，水流入量 Qi通過改變控制閥FV101的開度加以控制（也可以通 過控制連接到水泵上的變

6、頻器來控制），流出量Qo則由用戶通過負載閥 R來改變，被控變量為水位Ho在實驗過程中，分別采用P、PI、PID等不同的控制策略，通過觀察過渡過程的控制曲線來比較選擇不同的P、I、D參數(shù)值時的控制效果。圖2操作頁面(四)實驗內(nèi)容1、系統(tǒng)連接與啟動(1)工藝設(shè)置，分別控制上水箱和下水箱的液位。(2)打開A3000電源，在 A3000-FS上啟動右邊水泵和調(diào)節(jié)閥。(3)啟動A3000-CS計算機組態(tài)軟件，進入實驗系統(tǒng)選擇相應(yīng)的實驗；啟動控制器，設(shè) 置各項參數(shù)，可將控制器的手動控制切換到自動控制。2、比例控制(1)設(shè)置P參數(shù)，I參數(shù)設(shè)置到最大，D=0,觀察計算機顯示屏上的控制曲線，待被調(diào) 參數(shù)基本穩(wěn)定

7、于給定值后，可以開始施加干擾，進入實驗。(2)待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號(在純比例的基礎(chǔ)上加擾動，一般可通過改變設(shè)定值實現(xiàn))，記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄圖形及 余差大小。(3)減小P重復(fù)步驟1-2,觀察過渡過程曲線，并記錄圖形及余差大小。(4)增大P重復(fù)步驟1-2,觀察過渡過程曲線，并記錄圖形及余差大小。(5)選擇合適的P,可以得到較滿意的過渡過程曲線。改變設(shè)定值(如設(shè)定值由50%變?yōu)?0%),同樣可以得到一條過渡過程曲線。注意：每當(dāng)做完一次試驗后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次試驗。3、PI控制(1)在比例控制實驗的基礎(chǔ)上，加入積分作用，即把“I積分參數(shù))由最大

8、處設(shè)定到中間某一個值，觀察被控制量是否能回到設(shè)定值，以驗證PI控制下，系統(tǒng)對階躍擾動無余差存在。(2)固定比例P值(中等大小)，改變PI控制器的積分時間常數(shù)值 Ti,然后觀察加階躍表2.不同Ti時的超調(diào)量卬積分時間常數(shù)Ti大中小超調(diào)里 op擾動后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同Ti值時的超調(diào)量陰。(3)固定于某一中間值，然后改變P的大小，觀察加擾動后被調(diào)量輸出的動態(tài)波形,據(jù)此列表記錄不同值 下的超調(diào)量op0表3.不同8值下的op比例P大中小超調(diào)里cp(4)選擇合適的P和Ti值，使系統(tǒng)對階躍輸入擾動的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過 程曲線。此曲線可通過改變設(shè)定值(如設(shè)定值由50%變?yōu)?0%)來獲得。4

9、、PID控制(1)在PI控制實驗的基礎(chǔ)上， 再引入適量的微分作用，即設(shè)置D參數(shù)，然后加上與前面實驗幅值完全相等的擾動，記錄系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動態(tài)曲線，并與 PI控制下 的曲線相比較，由此可看到微分D對系統(tǒng)性能的影響。(2)選擇合適的P、和Td,使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線(階躍輸入可由給定值從50%突變至60%來實現(xiàn))。(3)在歷史曲線中選擇一條較滿意的過渡過程曲線進行記錄。5、控制參數(shù)的工程整定(臨界比例度法)(1)在現(xiàn)實應(yīng)用中，PID控制器的參數(shù)常用實驗的方法來確定。其中，用臨界比例度法去整定PID控制器的參數(shù)既方便又實用。首先要在單純的比例控制規(guī)律下，在推 薦的范圍內(nèi)初步選

10、定一個初始比例度；(2)待系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步減小控制器的比例度8即1/P),并且每當(dāng)減小一次比例度待被調(diào)量回復(fù)到平衡狀態(tài)后，再手動給系統(tǒng)施加一個5%15%的階躍擾動，觀察被調(diào)量變化的動態(tài)過程。若被調(diào)量為衰減的振蕩曲線，則應(yīng)繼續(xù)減小比例度直到輸出響應(yīng)曲線呈現(xiàn)等幅振蕩為止。如果響應(yīng)曲線出現(xiàn)發(fā)散振蕩，則表示比例度 控制得過小，應(yīng)適當(dāng)增大，使之出現(xiàn)等幅振蕩。(3)當(dāng)被調(diào)量作等幅振蕩時，如圖 4所示，此時的比例度 8就是臨界比例度，用 次表 示之，相應(yīng)的振蕩周期就是臨界周期Tko據(jù)此，按下表可確定 PID控制器的三個參數(shù)R Ti和Tdo表4,用臨界比例度6建定PID控制器的參數(shù)制參數(shù) 控制規(guī)辭SkTi(S)Td(S)P2aPI2.2 kTk/1.2PID1.6 k0.5Tk0.125Tk（4）必須指出，表格中給出的參數(shù)值是對控制器參數(shù)的一個初略設(shè)計，因為它是根據(jù) 大量實驗而得出的結(jié)論。若要獲得更滿意的動態(tài)過程（例如在階躍作用下，被調(diào)參量作4: 1地衰減振蕩），則要在表