双容水箱液位PID控制实验.doc

精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除上海电力学院实验报告过程控制实验课程题 目 双容水箱液位PID控制实验 班 级 姓 名 学 号 同组成员 指导老师 时 间 2011-5-16 上海电力学院电力与自动化工程学院一、实验目的1、 学习双容水箱液位 PID 控制系统的组成和原理2、 进一步熟悉 PID 的调节规律3、 进一步熟悉 PID 控制器参数的整定方法二、实验设备1、 四水箱实验系统硬件平台2、 PC 机（Window XP操作系统）三、实验原理1、 控制系统的组成及原理单回路调节系统，一般是指用一个控制器来控制一个被控对象，其中控制器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。双容水箱液位 PID 控制系统也是一种单回路调节系统，典型的双容水箱液位控制系统如下图所示：PID控制器执行机构双容水箱测量电路液位设定值-干扰双容水箱液位 PID 控制系统的方框图在双容水箱液位 PID 控制系统中，以液位为被控量。其中，测量电路主要功能是测量对象的液位并对其进行归一化等处理；PID 控制器是整个控制系统的核心，它根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节，从而控制双容水箱的液位达到期望的设定值。单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求，只有在单回路调节系统不能满足生产更高要求的情况下，才采用复杂的调节系统。2、 PID 调节规律PID控制是比例、积分、微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。目前，PID控制仍然是得到最广泛应用的基本控制方式。常用的控制规律有：、，可根据被控对象的特点和控制要求选择其中之一作为控制器。3、 PID 控制器参数的实验整定方法双容水箱液位PID控制器参数整定，是为了得到某种意义下的最佳过渡过程。我们这里选用较通用的“最佳”标准，即要求在阶跃扰动作用下，被调量的波动具有衰减率0.75左右，在这个前提下，尽量满足准确性和快速性的要求。常用的实验整定方法有： a、动态特性曲线法 b、稳定边界法 c、衰减曲线法 四、实验步骤1、 实验前准备工作2、 进入实验运行四水箱实验系统 DDC 实验软件，进入首页界面；选择实验模式为“实验装置”；单击实验菜单，进入双容水箱液位 PID 控制实验界面。 3、 选择控制回路（1）、选择控制对象在实验界面的“请选择控制回路”选择框中选择控制回路，如下图所示：从两个回路中任选一个。在这里，我们选择“水箱 1”作为控制回路，此时只有水箱 1 的 PID 控制器是有效的。（2）、控制回路构成根据选择的控制对象，调节相应的进水阀状态。以“水箱 1”对象为例，此时需打开阀门 K31，关闭其它进水阀，从而构成双容 PID 控制回路。操作方式：打开实验装置上的进水阀“K31”，关闭其它进水阀。4、 选择 PID 控制器的工作点 假定我们选择了“水箱 1”控制回路，则相应地设置水箱 1 的控制器。单击实验界面中的“水箱 1 液位控制器”标签，打开控制器窗体，在控制器窗体中，单击“手动”按钮，将控制器设置成手动。如下图所示。（2）、设定工作点单击控制器界面中 MV 柱体旁的增/减键，设置 MV（U1）的值。将阀门 U1 开度设置在某一确定值即选定某一工作点。如下图所示：5、设置 PID 控制器参数（1）、根据对象特性，设置 P、I、D 参数假定估算 PID 参数如下：Kc 5 Ti 80 Td 0（2）、将参数输入控制器中单击控制器界面中的“参数设置”按钮，弹出控制器参数设置窗体，如下图所示：通过键盘输入比例系数、积分时间和微分时间，一般不用修改其它参数。6、启动水箱 1 液位 PID 控制器（1）、将控制器改成自动方式：单击控制器窗体的“自动”按钮。（2）改变设定值：单击控制器窗体 SV 柱体旁的增/减键，改变控制器的设定值 SV7、水箱 1 液位 PID 控制器的控制效果通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体可以查看趋势曲线；根据趋势曲线，从超调量、过渡时间和衰减比等方面对控制效果进行评估，当达到或接近期望效果时，跳到第 9步。8、根据控制效果，调整 PID 控制器参数当控制效果不佳时，重新将控制器设置成手动，根据以下几条参考调节规律或其它经典的调节规律修正 PID 参数：（1）、如果系统出现振荡时，应适当减小比例作用和积分作用（2）、如果系统出现较大的超调时，应当减小积分作用；反之，应加大积分作用（3）、如果期望缩短过渡时间，可以适当加大比例作用（4）、液位调节中，一般不用微分作用9、记录数据记录记录控制的调节参数，并利用趋势窗体查看控制效果，并结果记录在下表中：实验序列1234时间开始18:18:0918:50:5019:41:1020:25:42结束18:35:0019:33:0820:23:1121:17:39控制参数Kc51.51.31.7Ti80180200220Td0000超调量（%）发散13.7910.1822.4过渡时间（min）30.627.624.3衰减比>11/3.331/5.61/3.67效果评估差较好好较好10、结果分析（1）、分析 PID 控制器的参数将实际的 PID 参数与经验法得出的参数进行比较，并验证经验法。（2）、分析 PID 控制器的控制曲线根据趋势曲线，计算在较佳控制参数下的超调量、过渡时间和衰减比等特性参数（3）、分析 P、I、D 三种调节作用对控制效果的影响五、注意事项四水箱实验系统 DDC 实验软件使用时，确保文件“四容水箱系统数据库”不在使用六、实验报告1、根据趋势曲线，计算在较佳控制参数下的超调量、过渡时间和衰减比等特性参数根据趋势曲线以及计算的各项指标，实验的第三组参数效果最佳。此时，超调量为10.18%，调整时间为27.6min，衰减比为1/5.6。.2、分析P、I、D三种调节作用对控制效果的影响理论上说，比例作用控制及时，反应灵敏，偏差越大，控制力度越大，但控制结果纯在残差，积分随时间积累逐渐增强，控制动作缓慢，控制不及时，不单独使用。微分超前控制，能在偏差很小时，提前增大控制作用改善控制品质，当偏差存在，但不变化时，控制作用为0，故也不单独使用。从本实验中观察，在第一组参数出现震荡的时候，减小Kc(从5到1.5)，并且增大Ti(从80到180)，有效的控制住了震荡并接近理想曲线。可见，在出现震荡的时候，可以通过减小比例作用和积分作用来解决。但是第二组还不太理想，超调量偏大，过渡时间偏长，衰减比偏大。减小Kc(从1.5到1.3)，并且增大Ti(从180到200)，成功的改善了以上问题，使超调量、控制时间和衰减比都比较接近理想值。此时，再增大Kc和 Ti后，过渡时间减小了，衰减比增大到1/4左右，但是超调量却增大了。综合分析后可知，减小积分作用（增大Ti）可以减小超调量，而加大比例作用可以缩短过渡时间。七、思考题实验系统在运行前应做好哪些准备工作？答：实验需要了解双容水箱实验对象和内容，被控对象为水箱，被控量为液位高度，所以做PID设计时不应加入微分作用，同时要注意每次变换PID控制参数进行实验观察波形时都必须要有阶跃作用，即设定值变化时都会有调节阀开度的变化。在改变参数时要注意各个参数变化的大小，不宜过大，不然会影响实验效果，浪费时间，同时在参数改变后要将PID控制设定为自动模式，不然没有控制效果。实验心得体会 本次实验与实验一得操作有相似的之处，主要学习双容水箱液位PID控制系统的组成和原理，进一步熟悉PID的调节规律，进一步熟悉PID控制器参数的整定方法，可以说实验进行的较为顺利。理论知识有时候比较死板，只有通过自己亲自动手实验，才真正灵活的运行知识。【精品文档】第 5 页