双容水箱液位PID控制实验

《过程控制系统设计》课程实验报告

2018年5月9日

实验二双容水箱液位PID控制实验

一、实验目的

1、学习双容水箱液位PID 控制系统的组成和原理；

2、进一步熟悉PID 的调节规律；

3、进一步熟悉PID 控制器参数的整定方法。

二、实验设备

1、四水箱实验系统DDC 实验软件；

2、PC 机（Window XP 操作系统）；

3、CS4000型过程控制实验装置。

三、实验原理

1、控制系统的组成及原理

单回路调节系统，一般是指用一个控制器来控制一个被控对象，其中控制器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。双容水箱液位PID 控制系统也是一种单回路调节系统，典型的双容水箱液位控制系统如图 1 所示：

图 1 双容水箱液位PID 控制系统的方框图

在双容水箱液位PID 控制系统中，以液位为被控量。其中，测量电路主要功能是测量对象的液位并对其进行归一化等处理；PID 控制器是整个控制系统的核心，它根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节，从而控制双容水箱的液位达到期望的设定值。

3、PID 控制器参数的实验整定方法

双容水箱液位PID 控制器参数整定，是为了得到某种意义下的最佳过渡过程。我们这里选用较通用的“最佳”标准，即在阶跃扰动作用下，先满足需要的衰减率，然后尽量协调准确性和快速性要求。

四、实验内容

在手动情况下进入初始稳态（如图3），然后根据水箱的实际液位情况进行了一次下水箱阶跃响应测试，最终达到平衡状态，如图4所示。根据两点法求K、T、τ参数，并用响应曲线法整定出对应的控制器参数。将整定好的参数投入设备，进行闭环自动控制，并微调参数，记录分析控制系统的响应曲线。

图2 现场接线图

图3 建立工作点

图4 下水箱阶跃响应测试曲线

五、数据记录

由图4的阶跃响应曲线，根据两点法求出K、T、τ参数，并用响应曲线法整定出对应的控制器参数P、Ti，绘图及计算过程如图5所示。

图5 响应曲线法整定参数

设置完PID参数（Kc=1/P=1/0.7=1.43,Ti=8.52min×60=514.8s），手动切自动，修改设定值（SV=13），最终达到平衡状态，如图6所示。

图6 投初始整定参数

在此基础上增大Kc，最终达到平衡状态，如图7所示。

图7 增大Kc后

再在此基础上减小Ti，最终达到平衡状态，如图8所示。

图8 减小Ti后

在图6（投初始整定参数）的基础上，加入Td=Ti/4=128.7,效果如图9所示。

图9 加入微分作用后

六、数据处理

七、结果分析

针对本次的双容水箱液位控制实验，我们选的是PI控制规律。我们首先投入的Kc（1.43）、Ti（541.8）值是我们通过响应曲线法算出来的，发现曲线效果良好，超调量为37%，过渡时间（从开始直到稳定）41min。

在第二次投参数时，我们想加快响应速度，于是我们增大了kc(1.73)，Ti（514.8）不变，结果我们发现，曲线振荡加快，过渡时间反而增加了!通过查找资料，比例作用增大时，闭环系统稳态误差变小，响应的振荡加剧，响应速度加快。试验表明，当Kp超过某值后，系统响应将变得不稳定。于是，经过分析得出，Kc增大，虽会加快响应速度，但是会使系统最终达到稳定的时间增长，即也就是上升时间、峰值时间缩短，调整时间、过渡时间增大。除此之外，超调量也会增大。

在第三次投参数时，kc(1.73)不变，减小Ti（484.8），响应曲线十分不光滑，应该可以说是失败的。经过分析得出，在一个不合适的Kc上，再调Ti基本是无意义的。Kc偏大，再在此基础上加强微分作用，会导致曲线加剧振荡，不光滑。

在第四次实验中，我们在第一组参数的基础上，加入了微分作用(Td=Ti/4)，由图9可知，其下水箱液位控制曲线效果还是较为理想的，然而调节阀的曲线却是极度地不稳定，甚至有时忽高忽低，这在实际应用时有很大的安全隐患，不宜采取本方案，即液位控制系统的PID控制规律中不宜使用微分环节。

最终本次实验——双容水箱液位PID控制实验，我们组选用的最佳参数

为：Kc=1.43, Ti=514.8s

八、思考题

1、实验系统在运行前应做好哪些准备工作？

正确连接好电路，接通电源并把开关转到相应的位置。检查下水箱阀门是否全关。启动计算机，进入试验系统。

2、试用控制原理的相关理论分析为什么不加入微分作用？

Y=Td（de/dt）,当偏差为阶跃信号时，微分输出为一冲激信号，容易导致调节阀频繁开启。因此不适用于流量、压力、液位等一些变化剧烈的过程。

3、调节器参数（K、Ti 和 Td）的改变对整个控制过程有什么影响？

K增大，系统响应加快，静差减小，但系统振荡增强，稳定性下降；

Ti增大，系统超调减小，振荡减弱，但系统静差的消除也随之减慢；

Td增大，调节时间减小，快速性增强，系统振荡减弱，稳定性增强，但系统对干扰的抑制能力减弱。