双容水箱液位PID控制实验

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（WindowXP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：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ＰＩＤ控制规律有：Ｐ、ＰＩ、ＰＤ、ＰＩＤ，可根据被控对象的特点和PID控制器执行机构双容水箱测量电路液位设定值-干扰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＝5Ti＝80Td＝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。