双容水箱液位PID控制实验

“过程控制系统设计”实物实验报告实验名称：__双容水箱液位PID控制实验__姓名：_______郭少杰_______学号：_______20113324_____班级：_______2011033_____指导老师:_______孙宇贞_______同组人：____程国鑫、高若阳____实验时间：2013年5月15日一、实验目的学习双容水箱液位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二、实验设备1、四水箱实验系统DDC实验软件2、PC机（WindowsXP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：图1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、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“实物模型”。单击实验菜单，进入双容水箱液位PID控制实验界面。2、选择控制回路a）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，从两个回路中任选一个。这里，我们选择“水箱1和3”作为控制回路，此时只有水箱1的PID控制器是有效的。b）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和3”对象为例，此时需打开水箱1和3的对应阀门，关闭其它进水阀，从而构成双容PID控制回路。具体的设置方式请参考《单容水箱特性测试实验》的实验步骤4。3、选择PID控制器的工作点a、PID控制器设置成手动方式假定我们选择了“水箱1和3”构成的控制回路，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，如下图所示：单击控制器窗体中的“手动”按钮，将控制器设置成手动；b、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，如下图所示：4、设置PID控制器参数根据对象特性，设置P、I、D参数：假定估算PID参数如下：P＝5I＝20D＝0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。5、启动水箱1液位PID控制器a、将控制器改成自动方式：单击控制器窗体的“自动”按钮；b、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SV。6、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8步。7、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：a、如果系统出现振荡时，应适当减小比例作用和积分作用；b、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；c、如果期望缩短过渡时间，可以适当加大比例作用；d、液位调节中，一般不用微分作用；跳转到第4步，继续实验。8、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：时间19:29:0620:46:53控制参数Kc0.70.5I(s)438.9438.9D(s)00超调量（%）43%36.8%过渡时间（s）28801632稳态误差00衰减率0.7331效果评估超调量大，衰减率小超调量和衰减率均有所改善（详细计算过程见纸质版报告）上述表格的得到过程如下：1、对实验数据纸中的数据(初始化后)进行分析：时间s18:17:56(0)306090120150180240下水箱水位H1（cm）00.20.10.60.711.31.6时间300360420480600720840960下水箱水位H1（cm）2.63.23.94.45.46.06.77.1时间s1080120013201500168018602040下水箱水位H1（cm）7.88.08.28.48.38.58.5（原始数据见纸质版报告）图2-1水箱1液位初始稳态阶跃响应曲线（绿色）水箱1液位初始稳态阶跃响应曲线（纸质版计算过程见纸质版报告）根据表1—1在毫米方格纸上画出系统的阶跃响应，用两点法求其传递函数。cm5.85.90.18)(y5%0x722.41885%/100%630/5.8x)(0cmcmykcmy315.30.395.8)(ty)y()(t2*1cmy372.50.6325.8)(ty)y()(t2*2根据图可得sttttTstst133-2s482)-(2615,374211221，系统传递函数为sessG331-14824.722)(则由经验法得到sTktPi9.4381333.33.34332.17.44821331.11.1，则cK=0.7图2-2cK=0.7，iT=438.9时水箱1液位阶跃响应曲线（绿色）根据结果再次设置PID参数，这里选取cK=0.5，iT=438.9，结果如下：图2-3cK=0.5，iT=438.9时水箱1液位阶跃响应曲线（绿色）9、结果分析a、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。b、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c、分析P、I、D三种调节作用对控制效果的影响五、实验报告1、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。由实验二所得出的7.0Kc，sTi438.9；在本次实验中所调试出的最佳参数为0.5Kc，sTi438.9，实验一中所得出的Kc值较大，可能会引起系统发散，本次试验用经验法调试出的Kc较合适，使本身的衰减比约为4:1。但由于试验时间问题，未能进一步地检测Ti对各参数的影响，因此在经验法的基础上，由于超调量较大，衰减率较小，我认为接下来应减小Kc从而达到减小超调量以及加大衰减比的目的。2、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。超调量：36.8%过渡时间：1632衰减率：13、分析P、I、D三种调节作用对控制效果的影响。比例度P减小会加大超调量和振荡频率，同时会减少静差和衰减率；积分时间Ti减小同样会加大超调量和振荡频率，同时会减小衰减率，但会使静差恒等于0；微分时间Td增加会减小超调量，同时会增大衰减率和振荡频率，但不会影响静差。在本实验中运用的是PI控制，不能使用微分控制，由于微分控制过快过于迅速，不适用于液位控制。4、若实验过程中出现不顺利或失败情况，试分析其中的原因。在记录初始稳态曲线时由于错误选择了水箱3进行记录，使最后结果出现了错误，经过更正后，从历史趋势曲线中重新选择水箱1进行了数据记录后，得到了正确的初始稳态曲线。在用经验法计算PID参数时，本身已经使衰减比达到了4：1，在进行第二次实验时，Kc的选取也较为合理，使得响应曲线已经满足要求，由于时间关系没有进行第三组实验，最终只能完成两组数据。5、通过本次实验总结在PID参数整定过程中应注意的问题。整定PID参数时，应该根据实际情况先选择控制规律，然后按由P开始，I、D的顺序进行各项参数的整定，修改参数时，要注意P不能过小、Ti不能过短、Td不能过长（本次实验为用到），不然会引起周期性的激烈振荡。六、思考题1、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。2、试用控制原理的相关理论分析PID调节器的微分作用为什么不能太大？答：由于增大微分作用能使超调量减小，衰减率增加，振荡频率增加，微分作用过大会产生周期性的激烈振荡，会引起控制阀时而全开时而全关，会使系统对扰动的抑制能力减弱，不利于我们对系统进行调节。3、为什么微分作用的引入必须缓慢进行？这时的比例系数K是否要改变？为什么？答：由于微分作用会增加快速性，直接加入微分作用会使系统响应过快反而不能达到预期的控制效果。此时比例系数K不需要进行改变，因为微分作用只对改善动态特性有效果，对静态特性无关。4、调节器参数（K、Ti和Td）的改变对整个控制过程有什么影响？答：K增大会加大超调量和振荡频率，同时会减少静差和衰减率；积分时间Ti减小同样会加大超调量和振荡频率，同时会减小衰减率，但会使静差恒等于0；微分时间Td增加会减小超调量，同时会增大衰减率和振荡频率，但不会影响静差。七、心得体会本次实验运用所得出的PID参数来对双容水箱大的对象特性进行控制。是我们首次对实物进行PID参数的整定，在实验中，由于错误地选取水箱3作为响应曲线进行记录，导致我们只能重新记录水箱1的值，进行实验建模和经验法计算PID参数，浪费了很多宝贵的时间，所以最终只能调节Kc参数到理想值，对于Ti就没来得及改动，这是十分遗憾的。不过这次实验的收获还是很多的。