实验二、单容水箱液位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AE2000B1型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。三、实验原理图2-15图2-15为单回路上水箱液位控制系统。单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即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，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。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图2-16中的曲线①、②、③所示。图2-16P、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).关闭阀门00，往AE2000B1型过程控制对象的储水箱灌水，水位达到总高度的90％以上时停止灌水。2).打开以齿轮泵为动力的支路至A水箱的所有阀门（包括有：阀门R10、阀门R18和阀门R11），关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门（包括有：阀门R19、阀门R13、阀门R12和阀门R14）。3).打开A水箱出水阀（阀门R01），开至适当的开度。4).检查电源开关是否关闭。2、系统连线如图2-17所示：7017 4AI 通道7024 4AO 通道AI0AI1AI2AI3AO0AO1AO2AO3加 热控制信号控制信号电动调节阀阀位信号控制信号夹套水温压力变送器内胆纯滞后上水箱中水箱下水箱水温水温液位液位液位流量变送器调节阀支路信号输出250Ω+4～20mA-变频器支路信号输出++图2-17A水箱液位PID参数整定控制接线图f-1).将I/O信号接口板上的A水箱液位的钮子开关打到1～5V位置。2).将A水箱液位+（正极）接到ICP7017的AI0+端，A水箱液位－（负极）接到ICP7017的AI0－端。3).将ICP7024的AO0+端接至电动调节阀的4~20mA输入端的+端（即正极），将ICP7024的AO0－端接至电动调节阀的4~20mA输入端的－端（即负极）。4).电源控制板上的电源空气开关、齿轮泵电源开关打在关的位置。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).打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。4).开启24VDC电源开关。打开7017、7024的电源开关。4、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2-18所示：图2-18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，调整比例系数（K）。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).减小比例系数重复步骤4，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。6).增大比例系数重复步骤4，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。7).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。5、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，即在界面上设置积分时间（Ti）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).固定比例系数值（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2-10积分时间常数Ti超调量σp大不同Ti时的超调量σp中小3).固定积分时间于某一中间值，然后改变比例系数的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同K值下的超调量σp。表2-11比例系数K超调量σp大不同K值下的σp中小6、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微分时间（Td）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PI控制下的曲线相比较，由此可看到微分时间（Td）对系统性能的影响。7、用临界比例度法整定调节器的参数在实现应用中，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).在只有比例调节作用下（将积分时间放到最大，微分时间放到最小），先把比例系数K放在较小值上，然后逐步增加调节器的比例系数，并且每当增加一次比例系数，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，则应继续增加比例系数，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，则表示比例系数调节得过大，应适当减少，使之出现等幅振荡。图2-19为它的实验方块图。图2-19具有比例调节器的闭环系统2).在图2-20系统中，当被调量作等幅荡时，此时的比例系数K就是临界比例系数，用Km表示之，此时的临界比例度为δk，δk＝1/Km，相应的振荡周期就是临界周期Tm。据此，按下表可确定PID调节器的三个参数δ、Ti和Td。图2-20具有周期Tm的等幅振荡表2-12调节器参数调节器名称PPIPID用临界比例度δk整定PID调节器的参数比例度δ（δ＝1/K）2δk2.2δk1.7δk0.85Tm0.5Tm0.13Tm积分时间Ti(S)微分时间Td(S)3).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的衰减振荡），则要在表格给出参数的基础上，对δ、Ti（或Td）作适当调整。注：图2-18中设定值15cm，比例系数5，积分时间100秒，微分时间0。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、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K、（K、Ti）和（K、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？