上水箱液位簡單PID控制實驗

1、實驗二上水箱液位簡單PID控制實驗一. 實驗?zāi)康?. 通過實驗熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理。2. 分析分別用P、PI和PID調(diào)節(jié)時的過程圖形曲線。3. 定性地研究P、PI和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。二. 實驗原理圖3-1、實驗原理圖圖3-1為單回路上水箱液位控制系統(tǒng)，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個調(diào)節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制上水箱液位等于給定值所要求的高度。 根據(jù)控制框圖，這是一個閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用工業(yè)智能儀表控制。當(dāng)調(diào)節(jié)方案確定之后，

2、接下來就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，一個單回路系統(tǒng)設(shè)計安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會使控制質(zhì)量變壞，達不到預(yù)期效果。因 此，當(dāng)一個單回路系統(tǒng)組成好以后，如何整定好控制器參數(shù)是一個很重要的實際問題。一個控制系統(tǒng)設(shè)計好以后，系統(tǒng)的投運和參數(shù)整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比例度S的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)S , Ti調(diào)節(jié)合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。

3、比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分 D的作用，從而使系統(tǒng)既無 余差存在，又能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能 （快速性、穩(wěn)定性等）。在單位階躍作用下，P、PI、PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖3-2中的曲線、所示。三. 實驗設(shè)備AE2000A型過程控制實驗裝置、上位機軟件、計算機、RS232-485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根、萬用表一只四. 實驗內(nèi)容和步驟1、設(shè)備的連接和檢查:1）將AE2000A實驗對象的儲水箱灌滿水（至最高高度）。2）打開以丹麥泵、電動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計組成的動力支路至上水箱的出水閥門：閥1、閥4、閥6，關(guān)閉動力支路上通往其他對象的切換閥門：閥2、閥5、閥10、閥

4、17、閥 20。3）打開上水箱的出水閥：閥8,至適當(dāng)開度。4）檢查電源開關(guān)是否關(guān)閉。2、系統(tǒng)連線如圖3-3所示：績能調(diào)節(jié)儀p>pOp>用WE桿削調(diào)更就晝、k)K）+A/Ou A/Ol A/Q± A/(hLoLq_Lo_Lq_ pCpO4 pO|p©+A/CM A/Ch A/lfc MhLLq Lq Lqi'Miriil/ui i研接口唧0-0OPR'llUJ-OUATl Ll7:?Q-ea-Q0.流星變滋棒電00m <*? ran(-)o oO-c=>-O彈刖00也源E列圖3-3、上水箱液位PID參數(shù)整定控制接線圖1）將I/O信號接口

5、板上的上水箱液位的鈕子開關(guān)打到OFF位置。2）將上水箱液位+ （正極）接到任意一個智能調(diào)節(jié)儀的1端（即RSV的正極），將上水箱液位-（負極）接到智能調(diào)節(jié)儀的2端（即RSV的負極）。3）將智能調(diào)節(jié)儀的420mA輸出端的7端（即正極）接至電動調(diào)節(jié)閥的 420mA輸入端 的+端（即正極），將智能調(diào)節(jié)儀的420mA輸出端的5端（即負極）接至電動調(diào)節(jié) 閥的420mA輸入端的-（即負極）。4）智能調(diào)節(jié)儀的220V的電源開關(guān)打在關(guān)的位置。5）三相電源、單相I空氣開關(guān)打在關(guān)的位置3、啟動實驗裝置1）將實驗裝置電源插頭接到 380V的三相交流電源。2）打開電源三相帶漏電保護空氣開關(guān)，電壓表指示380V。3）打開

6、總電源鑰匙開關(guān)，按下電源控制屏上的啟動按鈕，即可開啟電源4）開啟單相I,調(diào)整好儀表各項參數(shù)（儀表初始狀態(tài)為手動且為0 ）和液位傳感器的零位。5）啟動智能儀表，設(shè)置好儀表參數(shù)。（一）.比例調(diào)節(jié)控制1）啟動計算機MCGS&態(tài)軟件，進入實驗系統(tǒng)選擇相應(yīng)的實驗，如圖3-4所示:EJ址2聞呼型過程拴劄買鯊倉韌 叭戰(zhàn)肯寺用課屯堆同 M2儲水箱H4八亠-VIt寅肝曲筑|卻衍史站進|占|越窮般軸早七亙迪譏機海土二1遲出本左帥圖3-4、實驗軟件界面2）打開電動調(diào)節(jié)閥和單相電源泵開關(guān)，開始實驗。3）設(shè)定給定值，調(diào)整 P參數(shù)。4）待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動，一般可通過改變設(shè)定值實

7、現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差 大小。5）減小P重復(fù)步驟4，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。6）增大P重復(fù)步驟4，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。7）選擇合適的P,可以得到較滿意的過渡過程曲線。改變設(shè)定值（如設(shè)定值由50%變?yōu)?0%）,同樣可以得到一條過渡過程曲線。8）注意：每當(dāng)做完一次試驗后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次試驗。（二）、比例積分調(diào)節(jié)器（PI）控制1） 、在比例調(diào)節(jié)實驗的基礎(chǔ)上，加入積分作用，即在界面上設(shè)置I參數(shù)不為0,觀察被控制量是否能回到設(shè)定值，以驗證PI控制下，系統(tǒng)對階躍擾動無余差存在。2） 、固定比例P值（中等大小），改變PI調(diào)節(jié)器的

8、積分時間常數(shù)值 Ti，然后觀察加階 躍擾動后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同Ti值時的超調(diào)量b p。表二、不同Ti時的超調(diào)量b p積分時間常數(shù)Ti大中小超調(diào)量b p3）、固定I于某一中間值，然后改變P的大小，觀察加擾動后被調(diào)量輸出的動態(tài)波形,據(jù)此列表記錄不同值 Ti下的超調(diào)量b p。表三、不同S值下的b p比例P大中小超調(diào)量b p4）、選擇合適的P和Ti值，使系統(tǒng)對階躍輸入擾動的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過 程曲線。此曲線可通過改變設(shè)定值（如設(shè)定值由50%為60%）來獲得。（三）、比例積分微分調(diào)節(jié)（PID）控制1）在PI調(diào)節(jié)器控制實驗的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即把軟件界面上設(shè)置D參數(shù)，然后加

9、上與前面實驗幅值完全相等的擾動，記錄系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動態(tài)曲線，并與實驗（二）PI控制下的曲線相比較，由此可看到微分D對系統(tǒng)性能的影響。2）選擇合適的P、Ti和Td,使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線（階躍 輸入可由給定值從 50%突變至60%來實現(xiàn)）。3）在歷史曲線中選擇一條較滿意的過渡過程曲線進行記錄。（四）、用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)在實現(xiàn)應(yīng)用中，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)常用下述實驗的方法來確定。用臨界比例度法去整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)是既方便又實用的。它的具體做法是：1）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步減小調(diào)節(jié)器的比例度S （即1/P ），并且每當(dāng)減小一次比例度S，待被調(diào)量回復(fù)到平衡狀態(tài)后，再

10、手動給系統(tǒng)施加一個5%15的階躍擾動，觀察被調(diào)量變化的動態(tài)過程。若被調(diào)量為衰減的振蕩曲線，則應(yīng)繼續(xù)減小比例度 S,直到輸出響應(yīng)曲線呈現(xiàn)等幅振蕩為止。如果響應(yīng)曲線出現(xiàn)發(fā)散振蕩，則表示比例度調(diào)節(jié)得過小，應(yīng)適當(dāng)增大, 使之出現(xiàn)等幅振蕩。圖 2-5為它的實驗方塊圖。r給定量圖3-5、具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)2）、在圖3-5系統(tǒng)中，當(dāng)被調(diào)量作等幅蕩時，此時的比例度3就是臨界比例度，用S k表示之，相應(yīng)的振蕩周期就是臨界周期Tk。據(jù)此，按下表可確定PID調(diào)節(jié)器的三個參數(shù)S、Ti 和 Td。圖3-6、具有周期TK的等幅振蕩表四、用臨界比例度S k整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù) 調(diào)節(jié)器名稱S kTi(S)T

11、d(S)P23 kPI2.2 S kTk/1.2PID1.6 S k0.5Tk0.125Tk3）、必須指出，表格中給出的參數(shù)值是對調(diào)節(jié)器參數(shù)的一個初略設(shè)計，因為它是根據(jù)大量實驗而得出的結(jié)論。若要就得更滿意的動態(tài)過程（例如：在階躍作用下，被調(diào)參量作4:1地衰減振蕩），則要在表格給出參數(shù)的基礎(chǔ)上，對 S、Ti （或Td）作適當(dāng)調(diào)整。五. 實驗報告要求1. 畫出單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖。2. 用接好線路的單回路系統(tǒng)進行投運練習(xí)，并敘述無擾動切換的方法。3. 用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，寫出三種調(diào)節(jié)器的余差和超調(diào)量。4. 作出P調(diào)節(jié)器控制時，不同 3值下的階躍響應(yīng)曲線。5. 作出PI調(diào)節(jié)器控制時，不同3和Ti值時的階躍響應(yīng)曲線。6. 畫出PID控制時的階躍響應(yīng)曲線，并分析微分D的作用。7. 比較P、PI和PID三種