雙容水箱pid控制

“過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”實(shí)物實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：雙容水箱液位PID控制實(shí)驗(yàn)姓名：王季誠學(xué)號(hào)：20101496班級(jí)：2010032班指導(dǎo)老師：李芹同組人：黃圣、沈依春實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2013年5月21日一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)雙容水箱液位PID控制系統(tǒng)的組成和原理2、進(jìn)一步熟悉PID的調(diào)節(jié)規(guī)律3、進(jìn)一步熟悉PID控制器參數(shù)的整定方法二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（畫出“系統(tǒng)方框圖”和“設(shè)備連接圖”）設(shè)備連接圖如下圖（1）：圖（1）設(shè)備連接圖系統(tǒng)框圖如下圖（2）：圖（2）系統(tǒng)方框圖PI水箱3液位控制器水箱1電動(dòng)閥門給定水箱水位液位控制器水箱1電動(dòng)閥門-水位傳感器水位傳感器三、實(shí)驗(yàn)步驟1、進(jìn)入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行DDC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件，選擇DDC實(shí)驗(yàn)；2、選擇控制回路a)選擇控制對(duì)象:“水箱1和3”作為控制回路，此時(shí)只有水箱1的PID控制器是有效的。b)控制回路構(gòu)成:打開水箱1和3的對(duì)應(yīng)閥門，關(guān)閉其它進(jìn)水閥，從而構(gòu)成雙容PID控制回路。3、選擇PID控制器的工作點(diǎn)a)PID控制器設(shè)置成手動(dòng)方式:設(shè)置水箱1的控制器,單擊實(shí)驗(yàn)界面中的“水箱1液位控制器”標(biāo)簽，打開控制器窗體，如下圖所示：圖（3）單擊控制器窗體中的“手動(dòng)”按鈕，將控制器設(shè)置成手動(dòng)；b)設(shè)定工作點(diǎn):單擊控制器界面中MV柱體旁的增/減鍵，設(shè)置MV（U1）的值，如下圖所示：圖（4）將閥門U1開度設(shè)置在某一確定值——即選定某一工作點(diǎn)；4、設(shè)置PID控制器參數(shù)根據(jù)對(duì)象特性，設(shè)置P、I、D參數(shù)：如下圖所示：圖（5）5、啟動(dòng)水箱1液位PID控制器a)將控制器改成自動(dòng)方式：單擊控制器窗體的“自動(dòng)”按鈕；b)改變?cè)O(shè)定值：單擊控制器窗體SV柱體旁的增/減鍵，改變控制器的設(shè)定值SV。6、根據(jù)控制效果，調(diào)整PID控制器參數(shù)四、實(shí)驗(yàn)記錄（包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形圖）為得到PI控制的初始值，先按照實(shí)驗(yàn)一的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，得出對(duì)象的K,T,，根據(jù)響應(yīng)曲線法整定公式計(jì)算出PI控制器的初始值。得到K=0.45，Ti=663..3s,1、將參數(shù)設(shè)定為=0.45、=663.3s、=0時(shí)數(shù)據(jù)及波形圖如下圖（6）：圖（6）=0.45、=663.3s、=0時(shí)的波形圖得到的曲線數(shù)據(jù)如下表（1）：表（1）第一組曲線數(shù)據(jù)超調(diào)量0%過渡時(shí)間（）（s）1200穩(wěn)態(tài)誤差0.22、=0.8、=663.3s、=0時(shí)數(shù)據(jù)及波形圖如下：圖（6）=0.5、=600s、=0時(shí)的波形圖得到的曲線數(shù)據(jù)如下表（2）：表（2）第二組曲線數(shù)據(jù)超調(diào)量22過渡時(shí)間（）（s）100.98穩(wěn)態(tài)誤差0.13、=0.8、=863s、=0時(shí)數(shù)據(jù)及波形圖如下：圖（7）=0.8、=863s、=0時(shí)的波形圖得到的曲線數(shù)據(jù)如下表（3）表（3）第三組曲線數(shù)據(jù)超調(diào)量21.875過渡時(shí)間（）（s）1828穩(wěn)態(tài)誤差0五、結(jié)果分析將以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合在下表（5）中：表（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合表組別第一組第二組第三組控制參數(shù)P0.450.80.8I(s)663.3663.3863D(s)000超調(diào)量（%）0%22%21.875%過渡時(shí)間（s）12001000.981828穩(wěn)態(tài)誤差0.20.10效果評(píng)估過渡過程時(shí)間較長。超調(diào)量較大超調(diào)量一般，過渡過程時(shí)間長。1、將實(shí)際的PID參數(shù)與經(jīng)驗(yàn)法得出的參數(shù)進(jìn)行比較，并驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)法。適當(dāng)加大積分時(shí)間會(huì)使超調(diào)量大大減小，調(diào)整時(shí)間變化不大，由于經(jīng)驗(yàn)法得出的積分時(shí)間較小，積分作用較大，那么得到的曲線超調(diào)量會(huì)較大，甚至不穩(wěn)定。這說明經(jīng)驗(yàn)法雖然整定出控制器參數(shù)，但是仍需要在實(shí)際過程中進(jìn)行微調(diào)。2、比較單容和雙容PID控制的效果。由于單容和雙容水箱均為有自平衡能力的系統(tǒng)，所以均需要加入積分控制，而積分作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，故單容和雙容水箱的控制均無靜差，但是在響應(yīng)速度方面兩者有很大差異：單容水箱是一階系統(tǒng)，其PID控制非常直接、簡單，系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)迅速，過渡時(shí)間也短。雙容水箱可以看做是兩個(gè)單容水箱的串聯(lián)，所以其PID控制總體反應(yīng)比單容水箱環(huán)節(jié)慢很多，如：對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)存在遲延、過渡過程時(shí)間長。3、根據(jù)趨勢(shì)曲線，計(jì)算在較佳控制參數(shù)下的超調(diào)量、過渡時(shí)間和衰減比等特性參數(shù)從表中比較可得，第二組數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)過程中的最優(yōu)數(shù)據(jù)，其超調(diào)量小、過渡過程時(shí)間短，但是其衰減率幾乎為100%4、分析P、I、D三種調(diào)節(jié)作用對(duì)控制效果的影響P：比例控制是基礎(chǔ)，適當(dāng)加大比例作用可加快響應(yīng)速度、減小余差，但是過大的比例作用會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；I：積分控制可消除穩(wěn)態(tài)偏差，但是過大或過小的積分作用會(huì)使系統(tǒng)變慢、控制不及時(shí)，甚至不穩(wěn)定。并且積分作用一般不單獨(dú)使用，常常把比例與積分組合使用；D：微分控制可改善動(dòng)態(tài)特性，但是其對(duì)靜態(tài)毫無作用，并且在頻繁的外擾，如流量、液位和部分壓力控制的場(chǎng)合下不應(yīng)使用。所以本次雙容水箱液位控制中不能使用液位控制。六、思考題1、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在運(yùn)行前應(yīng)做好哪些準(zhǔn)備工作？在實(shí)驗(yàn)前需做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，理解雙容水箱PID控制的組成和原理；整理好利用經(jīng)驗(yàn)法整定得到的參數(shù)，實(shí)驗(yàn)時(shí)可投入，然后根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整；在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行前應(yīng)調(diào)節(jié)好水箱1、3的閥門后，將電動(dòng)閥門手動(dòng)打開到開度為30%，然后等待系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，才能投入PID控制。2、比較單容PID控制器和雙容PID控制器的控制效果，并分析之。由于單容和雙容水箱均為有自平衡能力的系統(tǒng)，所以均需要加入積分控制，而積分作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，故單容和雙容水箱的控制均無靜差，但是在響應(yīng)速度方面兩者有很大差異：單容水箱是一階系統(tǒng)，其PID控制非常直接、簡單，系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)迅速，過渡時(shí)間也短。雙容水箱可以看做是兩個(gè)單容水箱的串聯(lián)，是一個(gè)二階系統(tǒng)，所以其PID控制總體反應(yīng)比單容水箱環(huán)節(jié)慢很多，如：對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)存在遲延、過渡過程時(shí)間長。雙容水箱經(jīng)常簡化為帶有遲延的一階慣性環(huán)節(jié)。3、比較以上兩種不同的被控對(duì)象，分析PID控制器的通用性。比較單容、雙容水箱，其PID控制都能到達(dá)基本要求：穩(wěn)定性好、超調(diào)量較好、過渡過程時(shí)間較短。但由于單容水箱系統(tǒng)較為簡單，所以總體性能比雙容水箱好。PID控制是公認(rèn)具有簡單易懂、實(shí)現(xiàn)方便、適用性好、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，它兼有比例、積分和微分三種控制作用的特點(diǎn)，所以只要三種控制作用配合得當(dāng)，PID控制既能快速控制，又能消除靜差，具有較好的控制性能。七、心得體會(huì)在做實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，我們的本意是減小超調(diào)量與調(diào)整時(shí)間，結(jié)果錯(cuò)誤的減小了比例作用，使得調(diào)整時(shí)間