雙容水箱液位PID控制實驗

雙容水箱液位PID控制實驗“過程控制系統(tǒng)設(shè)計”實物實驗報告實驗名稱：—雙容水箱液位PID控制實驗—姓名： 郭少杰 學(xué)號： 20113324 班級： 2011033 指導(dǎo)老師: 孫宇貞 同組人： 程國鑫、高若陽 實驗時間：2013年5月15日一、 實驗?zāi)康膶W(xué)習(xí)雙容水箱液位PID控制系統(tǒng)的組成和原理進(jìn)一步熟悉PID的調(diào)節(jié)規(guī)律進(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)DDC實驗軟件2、PC機(jī)（WindowsXP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(jī)構(gòu)。雙容水箱液位PID控制系統(tǒng)也是一種單回路調(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：蛭￥*（3—-FIORIS「執(zhí)行扭構(gòu)雙審水箱一嚴(yán) 施戦■ 圖1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(qiáng)的基本控制方式。目前，PID控制仍然是得到最廣泛應(yīng)用的基本控制方式。常用的PID控制規(guī)律有：P、PI、PD、PID，可根據(jù)被控對象的特點(diǎn)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、 進(jìn)入實驗運(yùn)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綖椤皩嵨锬Ｐ汀薄螕魧嶒灢藛?，進(jìn)入雙容水箱液位PID控制實驗界面。2、 選擇控制回路a）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，從兩個回路中任選一個。這里，我們選擇“水箱1和3”作為控制回路，此時只有水箱1的PID控制器是有效的。b）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和3”對象為例，此時需打開水箱1和3的對應(yīng)閥門，關(guān)閉其它進(jìn)水閥，從而構(gòu)成雙容PID控制回路。具體的設(shè)置方式請參考《單容水箱特性測試實驗》的實驗步驟4。3、選擇PID控制器的工作點(diǎn)a、PID控制器設(shè)置成手動方式假定我們選擇了“水箱1和3”構(gòu)成的控制回路，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，打開控制器窗體，如下圖所示：單擊控制器窗體中的“手動”按鈕，將控制器設(shè)置成手動；b如下圖所示：單擊控制器窗體中的“手動”按鈕，將控制器設(shè)置成手動；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：SVPV(F1)SVPV(F1)4設(shè)置PID控制器參數(shù)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：P二5I二20D二0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：莊進(jìn)引體，如下圖所示：莊進(jìn)引入標(biāo)忘FID藝積并科間￡L戡分時回TdE|廠廠正ft用 晴塾明苴它爭鯊彳噸越半罡 甌販培注廠話出下凰悝］p 抵出上PS⑥|IODffiiswra(s)|1 闔［~厭認(rèn)孑曲| 取消| 仁礴二：|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)。5、啟動水箱1液位PID控制器a、 將控制器改成自動方式：單擊控制器窗體的“自動”按鈕；b、 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SV。6、 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8步。7、 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)：a、 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；b、 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；C、如果期望縮短過渡時間，可以適當(dāng)加大比例作用；d、液位調(diào)節(jié)中，一般不用微分作用；跳轉(zhuǎn)到第4步，繼續(xù)實驗。8、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：時間19:29:0620:46:53控制參數(shù)KC0.70.5I（s）438.9438.9D（s）00超調(diào)量（%）43%36.8%過渡時間（s）28801632穩(wěn)態(tài)誤差00衰減率0.7331效果評估超調(diào)量大，衰減率小超調(diào)量和衰減率均有所改善（詳細(xì)計算過程見紙質(zhì)版報告）上述表格的得到過程如下：1、對實驗數(shù)據(jù)紙中的數(shù)據(jù)（初始化后）進(jìn)行分析：時間s18:17:56（0）306090120150180240下水箱水位H1（cm）00.20.10.60.711.31.6時間300360420480600720840960下水箱水位H1（cm）2.63.23.94.45.46.06.77.1時間S1080120013201500168018602040下水箱水位H1(cm)7.88.08.28.48.38.58.5實船愎Ji?Mr 題容PI坯8fr 由龍常?PI? 實船愎Ji?Mr 題容PI坯8fr 由龍常?PI? 21-W圖2-1水箱1液位初始穩(wěn)態(tài)階躍響應(yīng)曲線（綠色）原始數(shù)據(jù)見紙質(zhì)版報告）-11I^MULQ1?0-01牠;1 IOlQ1IBMI1水箱1液位初始穩(wěn)態(tài)階躍響應(yīng)曲線.■（紙質(zhì)版計算過程見紙質(zhì)版報告）根據(jù)表1—1在毫米方格紙上畫出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，用兩點(diǎn)法求其傳遞函數(shù)。cm5.85.90.18)(y=-=^5%0=x722.41885

630/5.8x)(0===8二cmcmykcmy315.30.395.8)(ty)y()(t2*1二？二？8二cmy372.50.6325.8)(ty)y()(t2*2二？二?8二根據(jù)圖可得sttttTstst133-2s482)-(2615,374211221====二二二t,系統(tǒng)傳遞函數(shù)為sessG331-14824.722)(+=則由經(jīng)驗法得到sTktPi9.4381333.33.34332rT"Bn曲WEi——iM.aiJMlJJ.31I叱wIi js.sI—□ZljH-D]TK= ■HD|jr-1zl峑將甩￡? 耳老FT謨盼 尺眾幣：PIT- E）H-5-LI ：I7；S1331.11.1二？二二二？？二二TT,則cK=0.7圖2-2cK=0.7，iT=438.9時水箱1液位階躍響應(yīng)曲線（綠色）根據(jù)結(jié)果再次設(shè)置PID參數(shù)，這里選取cK=0.5，iT=438.9，結(jié)果如下：cK=0.5，iT=438.9時水箱1液位階躍響應(yīng)曲線（綠色）9、結(jié)果分析a、 分析PID控制器的參數(shù)將實際的PID參數(shù)與經(jīng)驗法得出的參數(shù)進(jìn)行比較，并驗證經(jīng)驗法。b、 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)c、 分析P、I、D三種調(diào)節(jié)作用對控制效果的影響五、實驗報告1將實際的PID參數(shù)與經(jīng)驗法得出的參數(shù)進(jìn)行比較，并驗證經(jīng)驗法。由實驗二所得出的7.0=Kc，sTi438.9=；在本次實驗中所調(diào)試出的最佳參數(shù)為0.5=Kc，sTi438.9=，實驗一中所得出的Kc值較大，可能會引起系統(tǒng)發(fā)散，本次試驗用經(jīng)驗法調(diào)試出的Kc較合適，使本身的衰減比約為4:1。但由于試驗時間問題，未能進(jìn)一步地檢測Ti對各參數(shù)的影響，因此在經(jīng)驗法的基礎(chǔ)上，由于超調(diào)量較大，衰減率較小，我認(rèn)為接下來應(yīng)減小Kc從而達(dá)到減小超調(diào)量以及加大衰減比的目的。2、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)。超調(diào)量：36.8%過渡時間：1632衰減率：13、 分析P、I、D三種調(diào)節(jié)作用對控制效果的影響。比例度P減小會加大超調(diào)量和振蕩頻率，同時會減少靜差和衰減率；積分時間Ti減小同樣會加大超調(diào)量和振蕩頻率，同時會減小衰減率，但會使靜差恒等于0；微分時間Td增加會減小超調(diào)量，同時會增大衰減率和振蕩頻率，但不會影響靜差。在本實驗中運(yùn)用的是PI控制，不能使用微分控制，由于微分控制過快過于迅速，不適用于液位控制。4、 若實驗過程中出現(xiàn)不順利或失敗情況，試分析其中的原因。在記錄初始穩(wěn)態(tài)曲線時由于錯誤選擇了水箱3進(jìn)行記錄，使最后結(jié)果出現(xiàn)了錯誤，經(jīng)過更正后，從歷史趨勢曲線中重新選擇水箱1進(jìn)行了數(shù)據(jù)記錄后，得到了正確的初始穩(wěn)態(tài)曲線。在用經(jīng)驗法計算PID參數(shù)時，本身已經(jīng)使衰減比達(dá)到了4：1，在進(jìn)行第二次實驗時，Kc的選取也較為合理，使得響應(yīng)曲線已經(jīng)滿足要求，由于時間關(guān)系沒有進(jìn)行第三組實驗，最終只能完成兩組數(shù)據(jù)。5、 通過本次實驗總結(jié)在PID參數(shù)整定過程中應(yīng)注意的問題。整定PID參數(shù)時，應(yīng)該根據(jù)實際情況先選擇控制規(guī)律，然后按由P開始，I、D的順序進(jìn)行各項參數(shù)的整定，修改參數(shù)時，要注意P不能過小、Ti不能過短、Td不能過長（本次實驗為用到），不然會引起周期性的激烈振蕩。六、思考題1、實驗系統(tǒng)在運(yùn)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(fèi)時間，同時在參數(shù)改變后要將PID控制設(shè)定為自動模式，不然沒有控制效果。2、 試用控制原理的相關(guān)理論分析PID調(diào)節(jié)器的微分作用為什么不能太大？答：由于增大微分作用能使超調(diào)量減小，衰減率增加，振蕩頻率增加，微分作用過大會產(chǎn)生周期性的激烈振蕩，會引起控制閥時而全開時而全關(guān)，會使系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱，不利于我們對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。3、 為什么微分作用的引入必須緩慢進(jìn)行？這時的比例系數(shù)K是否要改變？為什么？答：由于微分作用會增加快速性，直接加入微分作用會使系統(tǒng)響應(yīng)過快反而不能達(dá)到預(yù)期的控制效果。此時比例系數(shù)K不需要進(jìn)行改變，因為微分作用只對改善動態(tài)特性有效果，對靜態(tài)特性無關(guān)。4調(diào)節(jié)器參數(shù)（K、Ti和Td）的改變對整個控制過程有什么影響？答：K增大會加大超調(diào)量和振蕩頻率，同時會減少靜差和衰減率；積分時間Ti減小同樣會加大超調(diào)量和振蕩頻率，同時會減小衰