雙容水箱液位PID控制實(shí)驗(yàn)

1、過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)報告2018年5月9日實(shí)驗(yàn)二 雙容水箱液位PID控制實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)雙容水箱液位 PID 控制系統(tǒng)的組成和原理；2、進(jìn)一步熟悉 PID 的調(diào)節(jié)規(guī)律；3、進(jìn)一步熟悉 PID 控制器參數(shù)的整定方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) DDC 實(shí)驗(yàn)軟件；2、PC 機(jī)（Window XP 操作系統(tǒng)）；3、CS4000型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置。三、實(shí)驗(yàn)原理1、控制系統(tǒng)的組成及原理 單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一般是指用一個控制器來控制一個被控對象，其中控制器只接收一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。雙容水箱液位 PID 控制系統(tǒng)也是一種單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，典型的雙容水箱液位控制系統(tǒng)如圖 1

2、所示：圖 1 雙容水箱液位 PID 控制系統(tǒng)的方框圖在雙容水箱液位 PID 控制系統(tǒng)中，以液位為被控量。其中，測量電路主要功能是測量對象的液位并對其進(jìn)行歸一化等處理；PID 控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，它根據(jù)設(shè)定值和測量值的偏差信號來進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制雙容水箱的液位達(dá)到期望的設(shè)定值。3、PID 控制器參數(shù)的實(shí)驗(yàn)整定方法雙容水箱液位 PID 控制器參數(shù)整定，是為了得到某種意義下的最佳過渡過程。我們這里選用較通用的“最佳”標(biāo)準(zhǔn)，即在階躍擾動作用下，先滿足需要的衰減率，然后盡量協(xié)調(diào)準(zhǔn)確性和快速性要求。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在手動情況下進(jìn)入初始穩(wěn)態(tài)（如圖3），然后根據(jù)水箱的實(shí)際液位情況進(jìn)行了一次下水箱階躍響應(yīng)測

3、試，最終達(dá)到平衡狀態(tài)，如圖4所示。根據(jù)兩點(diǎn)法求K、T、參數(shù)，并用響應(yīng)曲線法整定出對應(yīng)的控制器參數(shù)。將整定好的參數(shù)投入設(shè)備，進(jìn)行閉環(huán)自動控制，并微調(diào)參數(shù)，記錄分析控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。圖2 現(xiàn)場接線圖圖3 建立工作點(diǎn)圖4 下水箱階躍響應(yīng)測試曲線五、數(shù)據(jù)記錄由圖4的階躍響應(yīng)曲線，根據(jù)兩點(diǎn)法求出K、T、參數(shù)，并用響應(yīng)曲線法整定出對應(yīng)的控制器參數(shù)P、Ti，繪圖及計(jì)算過程如圖5所示。圖5 響應(yīng)曲線法整定參數(shù)設(shè)置完P(guān)ID參數(shù)（Kc=1/P=1/0.7=1.43,Ti=8.52min×60=514.8s），手動切自動，修改設(shè)定值（SV=13），最終達(dá)到平衡狀態(tài)，如圖6所示。圖6 投初始整定參數(shù)在此基

4、礎(chǔ)上增大Kc，最終達(dá)到平衡狀態(tài)，如圖7所示。圖7 增大Kc后再在此基礎(chǔ)上減小Ti，最終達(dá)到平衡狀態(tài)，如圖8所示。圖8 減小Ti后在圖6（投初始整定參數(shù)）的基礎(chǔ)上，加入Td=Ti/4=128.7,效果如圖9所示。圖9 加入微分作用后六、數(shù)據(jù)處理七、結(jié)果分析針對本次的雙容水箱液位控制實(shí)驗(yàn)，我們選的是PI控制規(guī)律。我們首先投入的Kc（1.43）、Ti（541.8）值是我們通過響應(yīng)曲線法算出來的，發(fā)現(xiàn)曲線效果良好，超調(diào)量為37%，過渡時間（從開始直到穩(wěn)定）41min。在第二次投參數(shù)時，我們想加快響應(yīng)速度，于是我們增大了kc(1.73)，Ti（514.8）不變，結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，曲線振蕩加快，過渡時間反而增

5、加了! 通過查找資料，比例作用增大時，閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差變小，響應(yīng)的振蕩加劇，響應(yīng)速度加快。試驗(yàn)表明，當(dāng)Kp超過某值后，系統(tǒng)響應(yīng)將變得不穩(wěn)定。于是，經(jīng)過分析得出，Kc增大，雖會加快響應(yīng)速度，但是會使系統(tǒng)最終達(dá)到穩(wěn)定的時間增長，即也就是上升時間、峰值時間縮短，調(diào)整時間、過渡時間增大 。除此之外，超調(diào)量也會增大。在第三次投參數(shù)時，kc(1.73)不變，減小Ti（484.8），響應(yīng)曲線十分不光滑，應(yīng)該可以說是失敗的。經(jīng)過分析得出，在一個不合適的Kc上，再調(diào)Ti基本是無意義的。Kc偏大，再在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)微分作用，會導(dǎo)致曲線加劇振蕩，不光滑。在第四次實(shí)驗(yàn)中，我們在第一組參數(shù)的基礎(chǔ)上，加入了微分作用(Td=

6、Ti/4)，由圖9可知，其下水箱液位控制曲線效果還是較為理想的，然而調(diào)節(jié)閥的曲線卻是極度地不穩(wěn)定，甚至有時忽高忽低，這在實(shí)際應(yīng)用時有很大的安全隱患，不宜采取本方案，即液位控制系統(tǒng)的PID控制規(guī)律中不宜使用微分環(huán)節(jié)。 最終本次實(shí)驗(yàn)雙容水箱液位PID控制實(shí)驗(yàn)，我們組選用的最佳參數(shù)為：Kc=1.43, Ti=514.8s八、思考題1、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在運(yùn)行前應(yīng)做好哪些準(zhǔn)備工作？正確連接好電路，接通電源并把開關(guān)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置。檢查下水箱閥門是否全關(guān)。啟動計(jì)算機(jī)，進(jìn)入試驗(yàn)系統(tǒng)。2、試用控制原理的相關(guān)理論分析為什么不加入微分作用？Y=Td（de/dt）,當(dāng)偏差為階躍信號時，微分輸出為一沖激信號，容易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥頻繁開啟。因此不適用于流量、壓力、液位等一些變化劇烈的過程。3、調(diào)節(jié)器參數(shù)（K、Ti 和 Td）的改變對整個控制過程有什么影響？K增大，系統(tǒng)響應(yīng)