上水箱液位PID整定实验.doc

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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。