雙容水箱液位PID控制實驗

1、上海電力學(xué)院實驗報告過程控制實驗課程題 目 雙容水箱液位PID控制實驗 班 級 姓 名 學(xué) 號 同組成員 指導(dǎo)老師 時 間 2011-5-16 上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院一、實驗?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、實驗設(shè)備1、 四水箱實驗系統(tǒng)硬件平臺2、 PC 機（Window XP操作系統(tǒng)）三、實驗原理1、 控制系統(tǒng)的組成及原理單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一般是指用一個控制器來控制一個被控對象，其中控制器只接收一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu)。雙容水箱液位 PID 控制系統(tǒng)也是一種單回

2、路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，典型的雙容水箱液位控制系統(tǒng)如下圖所示：干擾雙容水箱液位 PID 控制系統(tǒng)的方框圖在雙容水箱液位 PID 控制系統(tǒng)中，以液位為被控量。其中，測量電路主要功能是測量對象的液位并對其進(jìn)行歸一化等處理；PID 控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，它根據(jù)設(shè)定值和測量值的偏差信號來進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制雙容水箱的液位達(dá)到期望的設(shè)定值。單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以滿足大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)的要求，只有在單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)更高要求的情況下，才采用復(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。2、 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律PID控制是比例、積分、微分控制的簡稱。在生產(chǎn)過程自動控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。目前，PID控制仍

3、然是得到最廣泛應(yīng)用的基本控制方式。常用的控制規(guī)律有：、，可根據(jù)被控對象的特點和控制要求選擇其中之一作為控制器。3、 PID 控制器參數(shù)的實驗整定方法雙容水箱液位PID控制器參數(shù)整定，是為了得到某種意義下的最佳過渡過程。我們這里選用較通用的“最佳”標(biāo)準(zhǔn)，即要求在階躍擾動作用下，被調(diào)量的波動具有衰減率0.75左右，在這個前提下，盡量滿足準(zhǔn)確性和快速性的要求。常用的實驗整定方法有： a、動態(tài)特性曲線法 b、穩(wěn)定邊界法 c、衰減曲線法 四、實驗步驟1、 實驗前準(zhǔn)備工作2、 進(jìn)入實驗運行四水箱實驗系統(tǒng) DDC 實驗軟件，進(jìn)入首頁界面；選擇實驗?zāi)Ｊ綖椤皩嶒炑b置”；單擊實驗菜單，進(jìn)入雙容水箱液位 PID 控

4、制實驗界面。3、 選擇控制回路（1）、選擇控制對象在實驗界面的“請選擇控制回路”選擇框中選擇控制回路，如下圖所示：從兩個回路中任選一個。在這里，我們選擇“水箱 1”作為控制回路，此時只有水箱 1 的 PID 控制器是有效的。（2）、控制回路構(gòu)成根據(jù)選擇的控制對象，調(diào)節(jié)相應(yīng)的進(jìn)水閥狀態(tài)。以“水箱 1”對象為例，此時需打開閥門 K31，關(guān)閉其它進(jìn)水閥，從而構(gòu)成雙容 PID 控制回路。操作方式：打開實驗裝置上的進(jìn)水閥“K31”，關(guān)閉其它進(jìn)水閥。4、 選擇 PID 控制器的工作點假定我們選擇了“水箱 1”控制回路，則相應(yīng)地設(shè)置水箱 1 的控制器。單擊實驗界面中的“水箱 1 液位控制器”標(biāo)簽，打開控制器

5、窗體，在控制器窗體中，單擊“手動”按鈕，將控制器設(shè)置成手動。如下圖所示。（2）、設(shè)定工作點單擊控制器界面中 MV 柱體旁的增/減鍵，設(shè)置 MV（U1）的值。將閥門 U1 開度設(shè)置在某一確定值即選定某一工作點。如下圖所示：5、設(shè)置 PID 控制器參數(shù)（1）、根據(jù)對象特性，設(shè)置 P、I、D 參數(shù)假定估算 PID 參數(shù)如下：Kc 5 Ti 80 Td 0（2）、將參數(shù)輸入控制器中單擊控制器界面中的“參數(shù)設(shè)置”按鈕，彈出控制器參數(shù)設(shè)置窗體，如下圖所示：通過鍵盤輸入比例系數(shù)、積分時間和微分時間，一般不用修改其它參數(shù)。6、啟動水箱 1 液位 PID 控制器（1）、將控制器改成自動方式：單擊控制器窗體的“自

6、動”按鈕。（2）改變設(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 SV7、水箱 1 液位 PID 控制器的控制效果通過“實時趨勢”或“歷史趨勢”窗體可以查看趨勢曲線；根據(jù)趨勢曲線，從超調(diào)量、過渡時間和衰減比等方面對控制效果進(jìn)行評估，當(dāng)達(dá)到或接近期望效果時，跳到第 9步。8、根據(jù)控制效果，調(diào)整 PID 控制器參數(shù)當(dāng)控制效果不佳時，重新將控制器設(shè)置成手動，根據(jù)以下幾條參考調(diào)節(jié)規(guī)律或其它經(jīng)典的調(diào)節(jié)規(guī)律修正 PID 參數(shù)：（1）、如果系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩時，應(yīng)適當(dāng)減小比例作用和積分作用（2）、如果系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)時，應(yīng)當(dāng)減小積分作用；反之，應(yīng)加大積分作用（3）、如果期望縮短過渡時間，可

7、以適當(dāng)加大比例作用（4）、液位調(diào)節(jié)中，一般不用微分作用9、記錄數(shù)據(jù)記錄記錄控制的調(diào)節(jié)參數(shù)，并利用趨勢窗體查看控制效果，并結(jié)果記錄在下表中：實驗序列1234時間開始18:18:0918:50:5019:41:1020:25:42結(jié)束18:35:0019:33:0820:23:1121:17:39控制參數(shù)Kc51.51.31.7Ti80180200220Td0000超調(diào)量（%）發(fā)散13.7910.1822.4過渡時間（min）30.627.624.3衰減比>11/3.331/5.61/3.67效果評估差較好好較好10、結(jié)果分析（1）、分析 PID 控制器的參數(shù)將實際的 PID 參數(shù)與經(jīng)驗法得

8、出的參數(shù)進(jìn)行比較，并驗證經(jīng)驗法。（2）、分析 PID 控制器的控制曲線根據(jù)趨勢曲線，計算在較佳控制參數(shù)下的超調(diào)量、過渡時間和衰減比等特性參數(shù)（3）、分析 P、I、D 三種調(diào)節(jié)作用對控制效果的影響五、注意事項四水箱實驗系統(tǒng) DDC 實驗軟件使用時，確保文件“四容水箱系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫”不在使用六、實驗報告1、根據(jù)趨勢曲線，計算在較佳控制參數(shù)下的超調(diào)量、過渡時間和衰減比等特性參數(shù)根據(jù)趨勢曲線以及計算的各項指標(biāo)，實驗的第三組參數(shù)效果最佳。此時，超調(diào)量為10.18%，調(diào)整時間為27.6min，衰減比為1/5.6。.2、分析P、I、D三種調(diào)節(jié)作用對控制效果的影響理論上說，比例作用控制及時，反應(yīng)靈敏，偏差越大，控

9、制力度越大，但控制結(jié)果純在殘差，積分隨時間積累逐漸增強，控制動作緩慢，控制不及時，不單獨使用。微分超前控制，能在偏差很小時，提前增大控制作用改善控制品質(zhì)，當(dāng)偏差存在，但不變化時，控制作用為0，故也不單獨使用。從本實驗中觀察，在第一組參數(shù)出現(xiàn)震蕩的時候，減小Kc(從5到1.5，并且增大Ti(從80到180，有效的控制住了震蕩并接近理想曲線。可見，在出現(xiàn)震蕩的時候，可以通過減小比例作用和積分作用來解決。七、思考題實驗系統(tǒng)在運行前應(yīng)做好哪些準(zhǔn)備工作？答：實驗需要了解雙容水箱實驗對象和內(nèi)容，被控對象為水箱，被控量為液位高度，所以做PID設(shè)計時不應(yīng)加入微分作用，同時要注意每次變換PID控制參數(shù)進(jìn)行實驗觀察波形時都必須要有階躍作用，即設(shè)定值變化時都會有調(diào)節(jié)閥開度的變化。在改變參數(shù)時要注意各個參數(shù)變化的大小，不宜過大，不然會影響實驗效果，浪費時間，同時在參數(shù)改變后要將PID控制設(shè)