单容水箱液位PID控制系统1

自 动 检 测 与 控 制 实 验 报 告

实验名称： 实验名称：单容水箱液位 PID 控制系统

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、研究系统分别用 P、PI 和 PID 调节器时的阶跃响应。 3、研究系统分别用 P、PI 和 PID 调节器时的抗扰动作用。 4、定性地分析 P、PI 和 PID 调节器的参数变化对系统性能的影响。

二.实验原理当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很 大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合 适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。因此，当一个单回路系统组 成以后， 如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。 一个控制系统设计好以后， 系统的投运和参数整定是十分重要的工作。 系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出 量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定值无偏差存在。 一般言之，具有比例(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 选择合理，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) 。在 单位阶跃作用下，P、PI、PID 调节系统的阶跃响应分别如图 7-3 中的曲线①、②、③所 示。

三.主要仪器、试剂及装置图 主要仪器、单容水箱液位控制系统

1、THKGK-1 型过程控制实验装置： GK-02、 2、万用表一只 3、计算机系统 GK-03、 GK-04、 GK-07(2 台)

四.实验步骤和实验现象1、比例(P)调节器控制 1) 、按图 7-1 所示，将系统接成单回路反馈系统(接线参照实验一) 。其中被控对象 是上水箱，被控制量是该水箱的液位高度 h1。 2) 、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。 3) 、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过 程曲线作好准备。 4) 、在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调到等于给定 值(一般把液位高度控制在水箱高度的 50%点处) 。 5) 、观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可将调节器切换 到纯比例自动工作状态(积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关” 的位置，比例度

设置于某一中间值， “正-反”开关拔到“反”的位置，调节器的“手动” 开关拨到“自动”位置) ,让系统投入闭环运行。

(接上页)6) 、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。 7) 、减小δ,重复步骤 6,观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 8) 、增大δ,重复步骤 6,观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 9) 、选择合适的δ值就可以得到比较满意的过程控制曲线。 10) 、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。 2、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(即把积分器“I”由最大处“关” 旋 至中间某一位置，并把积分开关置于“开”的位置) ,观察被控制量是否能回到设定值， 以验证在 PI 控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。 2) 、固定比例度δ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。 3) 、固定积分时间 T i 于某一中间值，然后改变δ的大小，观察加扰动后被调量输出 的动态波形，并列表记录不同δ值下的超调量σp。 4) 、选择合适的δ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。 3、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 D 打开。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，并与实验步骤 (二)所得的曲线相比较，由此可看到微分 D 对系统性能的影响。 2) 、选择合适的δ、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) 、用计算机记录实验时所有的过渡过程实时曲线，并进行分析。

五.实验结果及数据处理实验结果图像如下：

(张贴原始记录卡)

六.实验讨论实验过程中可能由于操作原因不当以致所得响应曲线不够完美。

考核内容 A 预习情况 实验情况 实 完整性 验 规范性 报 告 正确性 总分

评分 B C

D

教师(签名)