上水箱液位PID整定实验.doc

姓名 xx 学号 xx 实验室 数图xx
实验时间：第 8 周星期二第 9-12 节 指导老师xx老师
实验四、上水箱液位PID整定实验
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
扰动
AE2000A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、万用表一只
液位
三、实验原理
给定
上水箱
电动调节阀
PID控制器

─
+

液位变送器

图4-1、实验原理图

一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ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δ，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下中的曲线①、②、③所示。

三、 实验内容和步骤
1、设备的连接和检查：
（1）、将AE2000A 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。
（2）、打开以丹麦泵、电动调节阀、电磁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：
1）、三相电源、单相Ⅰ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）、将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到OFF位置。
4）、将上水箱液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV的正极），将上水箱液位-（负极）接到智能调节仪的2端（即RSV的负极）。
5）、将智能调节仪的4~20mA输出端的7端（即正极）接至电动调节阀的4~20mA输入端的+端（即正极），将智能调节仪的4~20mA输出端的5端（即负极）接至电动调节阀的4~20mA输入端的-（即负极）。
3、启动实验装置
1）、将实验装置电源插头接到380V的三相交流电源。
2）、打开电源三相带漏电保护空气开关，电压表指示380V。
3）、打开总电源钥匙开关，按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源
4）、开启单相Ⅰ，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σp。
表二、不同Ti时的超调量σp
积分时间常Ti
大
中
小
超调量σp
38.5%
42.5%
59.3%
3）、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σp。
表三、不同δ值下的σp
比例P
大
中
小
超调量σp
43.3%
29%
20.4%
4）、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）、比例积分微分调节（PID）控制
1）、在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把软件界面上设置D参数，然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与实验（二）PI控制下的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。
2）、选择合适的P、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现）。
3）、在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录。
五、实验结果
1、P控制
比例度：1 积分时间：0 微分时间：0
σ=（27.2-20）/20=36%
P调节器控制时的阶跃响应曲线：

2、PI控制
比例度：0.9 积分时间：2.0 微分时间：0
σ=（23.9-15）/15=59.33%
PI调节器控制时的阶跃响应曲线：

3、PID控制
比例度：1.3 积分时间：2.0 微分时间：4.0
σ=（25.8-20）/20=29%
PID调节器控制时的阶跃响应曲线：

六、思考题
1）、实验系统在运行前应做好哪些准备工作？
答：储水箱灌满水，上水箱出水阀打开适当开度，系统线路图连好。
2）、为什么要强调无扰动切换？
答：因为系统存在微分环节，如果有扰动时则会使系统引起很大的波动，使曲线不能趋近于平稳。
3）、试定性地分析三种调节器的参数δ、（δ、Ti）和（δ、Ti和Td）的变化对控制过程各产生什么影响？
答：参数δ可以使余差减小；δ、Ti可以把余差全部累加起来，从而减小误差；δ、Ti和Td可以使超调量减小，从而是体统尽快达到最大值，减小上升时间。
4）、如何实现减小或消除余差？纯比例控制能否消除余差？
答：纯比例控制不能消除余差。增加一个积分控制，把所有的余差累加起来，这样可以消除余差。