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1、第四课 上水箱液位PID整定实验安徽化工学校 陶运道一、 实验目的1）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。2）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。3）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。二、 实验设备1）、CS2000型过程控制实验装置、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根。2）、万用表一只三、实验原理 图4.1图4.1为单回路上水箱液位控制系统。本系统控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。当调节方案确定之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有
2、着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作
3、用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。对于我们的实验系统，在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图4.2中的曲线、所示。 图4.2 P、PI和PID调节的阶跃响应曲线 四、 实验内容和步骤1、设备的连接和检查：1）、将CS2000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。2）、打开以威乐泵、电动调节阀、孔板流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。3）、打开上水箱的出水阀至适当开度。4）、检查电源开关是否关闭。2、系统连线如图4.3所示：图4.3上水箱液位
4、PID参数整定控制接线图1）、总电源空气开关打在关的位置。2）、智能调节仪的220V的电源开关打在关的位置。3）、找到I/O信号接口板上的上水箱液位的信号通道1。3、启动实验装置1）、将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。2）、打开电源带漏电保护空气开关。3）、打开总电源空气开关，即可开启电源4）、开启单相，调整好仪表各项参数（仪表初始状态为手动且为0）和液位传感器的零位。5）、启动智能仪表，设置好仪表参数。（一） 比例调节控制1）、启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统选择相应的实验，如图4.4所示：图4.4 实验软件界面2）、打开电动调节阀和单相电源泵开关，开始实验。3）、设定给
5、定值，调整P参数。4）、待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现）。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。5）、减小P重复步骤4，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。6）、增大P重复步骤4，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。7）、选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。改变设定值（如设定值由50变为60），同样可以得到一条过渡过程曲线。8）、注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。（二）、比例积分调节器（PI）控制1）、在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置I参数不为0，观察被控制量是否能回到
6、设定值，以验证PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。2）、固定比例P值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量p。 表一 不同Ti时的超调量p积分时间常数Ti大中小超调量p3）、固定I于某一中间值，然后改变P的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同值Ti下的超调量p。 表二 不同值下的p比例P大中小超调量p4）、选择合适的P和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。（三）、用临界比例度法整定调节器的参数 在实现应用中，
7、PID调节器的参数常用下述实验的方法来确定。用临界比例度法去整定PID调节器的参数是既方便又实用的。它的具体做法是：1）、待系统稳定后，逐步减小调节器的比例度（即1/P），并且每当减小一次比例度，待被调量回复到平衡状态后，再手动给系统施加一个5%15%的阶跃扰动，观察被调量变化的动态过程。若被调量为衰减的振荡曲线，则应继续减小比例度，直到输出响应曲线呈现等幅振荡为止。如果响应曲线出现发散振荡，则表示比例度调节得过小，应适当增大，使之出现等幅振荡。图4.5为它的实验方块图。图4.5具有比例调节器的闭环系统2）、在图4.6系统中，当被调量作等幅荡时，此时的比例度就是临界比例度，用k表示之，相应的振
8、荡周期就是临界周期Tk。据此，按下表可确定PID调节器的三个参数、Ti和Td。 图4.6具有周期TK的等幅振荡 表三 用临界比例度k整定PID调节器的参数调节器参数调节器名称kTi(S)Td(S)P2kPI2.2kTk/1.2PID1.6k0.5Tk0.125Tk3）、必须指出，表格中给出的参数值是对调节器参数的一个初略设计，因为它是根据大量实验而得出的结论。若要就得更满意的动态过程（例如：在阶跃作用下，被调参量作4：1地衰减振荡），则要在表格给出参数的基础上，对、Ti（或Td）作适当调整。五、 实验报告要求1）、画出单容水箱液位控制系统的方块图。2）、用接好线路的单回路系统进行投运练习，并叙
9、述无扰动切换的方法。3）、用临界比例度法整定调节器的参数，写出三种调节器的余差和超调量。4）、作出P调节器控制时，不同值下的阶跃响应曲线。5）、作出PI调节器控制时，不同和Ti值时的阶跃响应曲线。6）、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。7）、比较P、PI和PID三种调节器对系统无差度和动态性能的影响。六、 注意事项1）、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。七、 思考题1）、实验系统在运行前应做好哪些准备工作？2）、为什么要强调无扰动切换？3）、试定性地分析三种调节器的参数、（、Ti）和（、Ti和Td）的变化对控制过程各产生什么影响？4）、如何实现减小或消除余差？纯比例控制能否消除余差？
