單容水箱液位PID控制系統(tǒng)

PAGE1PAGE4實(shí)驗(yàn)3、單容水箱液位PID控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）、通過(guò)實(shí)驗(yàn)熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理。2）、研究系統(tǒng)分別用P、PI調(diào)節(jié)器時(shí)的階躍響應(yīng)。3）、研究系統(tǒng)分別用P、PI調(diào)節(jié)器時(shí)的抗擾動(dòng)作用。4）、定性地分析P、PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)備1）、THGK-1型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置：GK-04GK-06GK-07-22）、萬(wàn)用表一只3）、秒表一只4）、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三、實(shí)驗(yàn)原理1、單容水箱液位控制系統(tǒng)圖6-1、單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖圖6-1為單容水箱液位控制系統(tǒng)。這是一個(gè)單回路反饋控制系統(tǒng)，它的控制任務(wù)是使水箱液位等于給定值所要求的高度；減小或消除來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動(dòng)的影響。單回路控制系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資省、操作方便、且能滿(mǎn)足一般生產(chǎn)過(guò)程的要求，故它在過(guò)程控制中得到廣泛地應(yīng)用。當(dāng)一個(gè)單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)的選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來(lái)滿(mǎn)意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會(huì)導(dǎo)致控制質(zhì)量變壞，甚至使系統(tǒng)不能正常工作。因此，當(dāng)一個(gè)單回路系統(tǒng)組成以后，如何整定好控制器的參數(shù)是一個(gè)很重要的實(shí)際問(wèn)題。一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好以后，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定是十分重要的工作。系統(tǒng)由原來(lái)的手動(dòng)操作切換到自動(dòng)操作時(shí)，必須為無(wú)擾動(dòng)，這就要求調(diào)節(jié)器的輸出量能及時(shí)地跟蹤手動(dòng)的輸出值，并且在切換時(shí)應(yīng)使測(cè)量值與給定值無(wú)偏差存在。一般言之，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個(gè)有差系統(tǒng)，比例度δ的大小不僅會(huì)影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)余差，而且只要參數(shù)δ，Ti選擇合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。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(wú)余差存在，又能改善圖6-3、P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。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6-3中的曲線①、②、③所示。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟（一）、比例（P）調(diào)節(jié)器控制1）、按圖6-1所示，將系統(tǒng)接成單回路反饋系統(tǒng)（接線參照實(shí)驗(yàn)一）。其中被控對(duì)象是上水箱，被控制量是該水箱的液位高度h1。2）、啟動(dòng)工藝流程并開(kāi)啟相關(guān)的儀器，調(diào)整傳感器輸出的零點(diǎn)與增益。3）、在老師的指導(dǎo)下，接通單片機(jī)控制屏，并啟動(dòng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，為記錄過(guò)渡過(guò)程曲線作好準(zhǔn)備。4）、在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，利用調(diào)節(jié)器的手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)把被控制量“手動(dòng)”調(diào)到等于給定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%點(diǎn)處）。5）、觀察計(jì)算機(jī)顯示屏上的曲線，待被調(diào)參數(shù)基本達(dá)到給定值后，即可將調(diào)節(jié)器切換到純比例自動(dòng)工作狀態(tài)（積分時(shí)間常數(shù)設(shè)置于最大，積分、微分作用的開(kāi)關(guān)都處于“關(guān)”的位置，比例度設(shè)置于某一中間值，“正-反”開(kāi)關(guān)拔到“反”的位置，調(diào)節(jié)器的“手動(dòng)”開(kāi)關(guān)撥到“自動(dòng)”位置），讓系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。6）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對(duì)系統(tǒng)加擾動(dòng)信號(hào)（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動(dòng)，一般可通過(guò)改變?cè)O(shè)定值實(shí)現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過(guò)幾次波動(dòng)穩(wěn)定下來(lái)后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。7）、減小δ，重復(fù)步驟6，觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，并記錄余差大小。8）、增大δ，重復(fù)步驟6，觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，并記錄余差大小。9）、選擇合適的δ值就可以得到比較滿(mǎn)意的過(guò)程控制曲線。10）、注意：每當(dāng)做完一次試驗(yàn)后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次試驗(yàn)。（二）、比例積分調(diào)節(jié)器（PI）控制1）、在比例調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加入積分作用（即把積分器“I”由最大處“關(guān)”旋至中間某一位置，并把積分開(kāi)關(guān)置于“開(kāi)”的位置），觀察被控制量是否能回到設(shè)定值，以驗(yàn)證在PI控制下，系統(tǒng)對(duì)階躍擾動(dòng)無(wú)余差存在。2）、固定比例度δ值（中等大?。?，改變PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)值Ti，然后觀察加階躍擾動(dòng)后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同Ti值時(shí)的超調(diào)量σp。表二、δ值不變、不同Ti時(shí)的超調(diào)量σp積分時(shí)間常數(shù)Ti大中小超調(diào)量σp3）、固定積分時(shí)間Ti于某一中間值，然后改變?chǔ)牡拇笮?，觀察加擾動(dòng)后被調(diào)量輸出的動(dòng)態(tài)波形，并列表記錄不同δ值下的超調(diào)量σp。表三、Ti值不變、不同δ值下的σp比例度δ大中小超調(diào)量σp4）、選擇合適的δ和Ti值，使系統(tǒng)對(duì)階躍輸入擾動(dòng)的輸出響應(yīng)為一條較滿(mǎn)意的過(guò)渡過(guò)程曲線。此曲線可通過(guò)改變?cè)O(shè)定值（如設(shè)定值由50%變?yōu)?0%）來(lái)獲得。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1）、繪制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)，并敘述無(wú)擾動(dòng)切換的方法。3）、P調(diào)節(jié)時(shí)，作出不同δ值下的階躍響應(yīng)曲線。4）、PI調(diào)節(jié)時(shí)，分別作出Ti不變、不同δ值時(shí)的階躍響應(yīng)曲線和δ不變、不同Ti值時(shí)的階躍響應(yīng)曲線。六、注意事項(xiàng)1）、實(shí)驗(yàn)線路接好后，必須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查認(rèn)可后方可接通電源。2）、必須在老師的指導(dǎo)下，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和