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液位控制系统参数整定实验概述一、PID调节器中各参数对控制结果的影响1比例作用比例作用即成比例的反应控制系统的偏差信号，一旦有偏差产生，控制器立即产生控制作用，使偏差向减小的趋势变化。比例系数的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，也就是对偏差的分辨率(重视程度)越高，将会产生超调，甚至导致系统不稳定。取值过小，则会降低调节精度，尤其是使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态环节变坏。2积分作用积分作用的强弱取决于积分时间常数。越大，积分作用越弱，反之则越强。积分环节的作用在于消除系统的稳态误差，提高系统的无差度。积分作用系数越大，系统静态误差消除越大，但积分作用系数过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若积分作用系数过小，将使系统的静态误差难以消除，影响系统的调节精度。3微分作用微分环节是响应系统偏差变化的环节，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间，对偏差变化进行提前预报。但微分作用太强，会引起被控参数大幅度变动，使过程产生振荡，微分作用太弱，导致静差较大。因此，适当的加入微分作用不但会增加控制过程的稳定性，而且能使静差减小。上面的分析表明，比例、积分、微分三者之间的关系是相互改善又相互制约的。比例、积分、微分环节的综合作用使PID控制具有结构简单、物理意义明确、鲁棒性强及稳态无静差等优点。因此，PID控制算法在工业控制中处于主导地位。随着科学技术的发展特别是计算机的诞生和发展，涌现出许多新的控制方式，然而直到现在，PID控制仍有非常广泛的应用。二、参数整定实验原理调节器在控制系统中将被调参数的测量值与给定值进行比较，得到偏差值，根据偏差进行逻辑判断和数学运算，产生一个使偏差减小甚至为零的控制信号，参数整定的实验目的就是根据被控过程的特性确定PID调节器的比例度δ，积分时间TI及微分时间TD的大小，以达到较好的控制效果在简单的过程控制系统中，调节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要指标，保证系统具有一定的稳定裕量。调节器参数的整定的方法很多，概括起来分为两大类。一是理论计算整定法。理论整定的基础是已经获得控制系统各环节的数学模型，即广义的传递函数已知，根据控制要求确定系统的闭环传递函数或过渡过程指标计算调节器的相应参数，通常采用控制理论中的根轨迹法频率特性法等，经过理论计算确定调节器的数值。二是工程整定法，它主要依靠工程经验，直接在过程控制的实验中进行，且方法简单，易于掌握，相当实用，从而在工程实际中被广泛采用。调节器的工程整定方法，主要有临界比例度法、衰减曲线法。（1）临界比例度法这是一种闭环整定方法。由于该方法直接在闭环系统中进行，不需测试过程的动态特性，因为方法简单，使用方便，获得了广泛的应用。具体步骤如下：●先将调节器的积分时间TI置于最大（TI=∞）微分时间TD置零（TD=0），比例度δ置为较大的数值，使系统投入闭环运行。●待系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃扰动，并减小δ，直到系统出现如图1.1所示的等幅振荡，即临界振荡过程。记录此时的δk（临界比例带）和等幅振荡周期Tk。●根据记录的δk和TK，按表给出的经验公式计算出调整器的δ、TI及TD的参数。需要指出的是，采用这种方法整定调节器的参数时会受到一定的限制，如有些过程控制系统不允许进行反复振荡实验，像锅炉给水系统和燃烧控制系统等，就不可能应用此法。再如某些时间常数较大的单容过程，采用比例调节时根本不可能出现等幅振荡，也就不能应用此法。（2）衰减曲线法这种方法与临界比例度法相类似，所不同的是无需出现等幅振荡过程，具体方法如下：●先置调节器积分时间TI=∞,微分时间TD=0,比例带δ置于较大的值。将系统投入运行。整定参数调节规律δ（℅）TiTdP2δkPI2.2δk0.85TkPID1.7δk0.5Tk0.125Tk●待系统工作稳定后，对设定值作阶跃扰动，然后观察系统的响应。若响应振荡衰减太快，就减小比例带；反之，则增大比例带。如此反复，直到出现如图1.2（a）所示的衰减比为4：1的振荡过程时，记录此时的δ值（设为δs），以及Ts的值（如图1.2(a)中所示），或者Tr的值。Ts为衰减振荡周期，Tr为响应上升时间。●按表1-2中所给的经验公式计算δ、TI及TD的参数。表1-2衰减曲线法整定计算公式衰减率整定参数调节规律δ（℅）0.75PδsPI1.2δs0.5TsPID0.8δs0.3Ts0.1Ts0.90PδsPI1.2δs2TrPID0.8δs1.2Tr0.4Tr衰减曲线对多数过程都适用，该方法的缺点是较难确定4：1的衰减程度，从而较难得到准确的δ、Ti及Td的值。三、仿真系统的参数整定值得注意的是，无论是衰减振荡法或是临界比例度法，他们都要求系统出现一定的振荡，但是因为我们所使用的仿真系统中，单容或双容对象都是理想的线性系统，一个“纯粹”的线性系统是很难出现稳定的等幅震荡的。实际的系统由于有各种非线性，例如PID控制器的饱和非线性（对输出的限幅作用），不难观察到等幅震荡。这种震荡一般是在设定值上下的等幅振荡。很多书上都有临界比例度法，用来确定PID的初始参数。有的系统不允许临界振荡，临界振荡的幅度可能较大，也可能变为振幅越来越大的发散振荡，因此这个方法对某些系统有一定的危险性。可以用下面的方法来调试闭环：首先选用PI控制器，初始参数尽量取得保守些（比例系数尽量小、积分时间尽量大），以防止初次运行时出现大的超调量或系统不稳定。然后根据阶跃响应的特征调节控制器参数。如果阶跃响应的超调量太大，应减小控制器的比例系数、增大积分时间。如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整参数。如果消除误差的速度较慢，可以适当减小积分时间。[/URL]反复调节比例系数和积分时间，如果超调量仍然较大，可以加入微分部分，逐渐增大微分时间。实验三单容以及双容液位参数整定实验一、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.分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。3.根据被控过程的特性确定PID调节器的比例度δ，积分时间TI及微分时间TD的大小，以达到较好的控制效果二、实验原理：单容：本实验采用计算机控制，将液位控制在设定高度SV。当加入扰动信号f以后，下水箱液位PV将发生变化，此时的PV信号输出给计算机，计算机根据P、I、D参数进行PID运算，输出信号给电动调节阀，然后由电动调节阀控制水泵供水系统的进水流量，从而达到控制设定液位基本恒定的目的。双容：本实验采用计算机控制，将液位控制在设定高度SV。当加入扰动信号f以后，下水箱液位PV将发生变化，此时的PV信号输出给计算机，计算机根据P、I、D参数进行PID运算，输出信号给电动调节阀，然后由电动调节阀控制水泵供水系统的进水流量，控制上水箱液位，再控制下水箱液位，从而达到控制设定液位的目的。当下水箱液位平衡时，上水箱液位也达到平衡。三、预习实验时应注意的问题1.注意复习控制通道和扰动通道的知识点，本系统的扰动信号是经过扰动通道对系统施加影响的。2.设置扰动通道参数kf,tf时应注意在一个控制效果较好的自动控制系统中，一般希望控制通道的放大系数k0越大越好，因为k0越大，表示控制作用对被控变量影响越显著，控制作用越有效，另一方面对象干扰通道的放大系数kf则越小越好，kf小表示干扰对被控变量影响不大，超调量也不大。3.调节器的控制作用，是通过控制通道施加于对象去影响被控变量的，所以控制通道的时间常数不能过大，否则会使操纵变量的校正作用迟缓、超调量大、过渡时间长。干扰时间常数tf则应选取得大一些，tf越大表示干扰对被控变量的影响越缓慢，有利于控制。四、实验步骤进入实验界面:打开组态王软件，选中工程列表中的“液位控制”,双击进入，选择“单容液位参数整定实验”（或“双容液位参数整定实验”）,进入控制主界面，设置一个合适的给定值SV,并且设定一个尽量小些的采样周期，例如0.055设定单容对象数学模型及扰动通道参数设置扰动通道参数，k0稍大，t0稍小(若是双容液位参数整定则需设定k0,t1,t2的初值)，kf稍小tf稍大，可保证控制效果较好（原理见上文）设置初稳状态，在界面中“设置初稳状态”旁的绿灯闪烁的状态下设定一个初始的阀门开度op,系统会自动计算它的最终输出。按照以下不同的控制作用分别进行实验只含比例作用P的调节器将调节器的参数设定为Ti=1000，即最大值，Td=0，相当于切除了积分作用和微分作用，设定一个合适的kc加入阶跃开始试验，按下“加扰动”按钮，使得“加入扰动”状态灯开始闪烁，然后设定一个较小的扰动输入量f，在此状态下相当于给了对象一个扰动输入，观察液位输出的变化。通过查看并记录液位输出的历史曲线以及查询实验报表来观察控制结果，将kc的值由小到大的改动，观察控制结果并且分析kc值的改变对系统性能的影响含比例作用P和积分作用I的调节器将调节器的参数设定为Td=0，相当于切除了微分作用，设定一个合适的不宜过大的kc值和一个较小的ti值。按下“加扰动”按钮，使得“加入扰动”状态灯开始闪烁，然后设定一个较小的扰动输入量f，在此状态下相当于给了对象一个扰动输入，观察液位输出的变化。通过查看并记录液位输出的历史曲线以及查询实验报表来观察控制结果，保持kc值不变，将ti值由大到小的改动，观察控制结果并且分析ti值的改变对系统性能的影响五、实验建议：实验中，学生选择不同的P、I、D参数进行P调节、PI调节、PID调节实验，寻找最佳控制调节方法及参数，总结不同的调节过程特性，得出控制性能的结论。P：Pi：双容：P：