实验3-液位数字PID计算机控制系统实验

实验3液位数字PID控制及参数整定提示：希望大家在做实验之前仔细阅读实验指导书，并且编写三个程序（P、PI、PID）争取能够到实验室就进行调节，观察效果，进行整定参数。一、实验目的1、通过实验进一步学习单回路反馈控制系统的组成和工作原理。2、掌握P、PI和PID调节器原理，并编写比例控制算法，比例积分控制算法，比例、积分、微分控制算法，并进行参数整定，使得液位控制在20cm处，超调量不超过10%，稳态误差5%。3、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。二、实验设备过程控制实验装置、万用表、计算机控制教学实验开发平台CC-1型、ADS1.2软件开发环境，实验连接线数根。三、实验原理图1闭环控制系统原理图图1为单回路水箱液位控制系统。单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，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，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。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。一般言之，用比例（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调节合理，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）。但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。对于我们的实验系统，在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2中的曲线①、②、③所示。图2P、PI和PID调节的阶跃响应曲线参数整定方法：PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作。(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期。(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。PID参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线，从而调整P\I\D的大小。这里介绍一种经验法。这种方法实质上是一种试凑法，它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法，并在现场中得到了广泛的应用。这种方法的基本程序是先根据运行经验，确定一组调节器参数，并将系统投入闭环运行，然后人为地加入阶跃扰动（如改变调节器的给定值），观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线。若认为控制质量不满意，则根据各整定参数对控制过程的影响改变调节器参数。这样反复试验，直到满意为止。经验法简单可靠，但需要有一定现场运行经验，整定时易带有主观片面性。当采用PID调节器时，有多个整定参数，反复试凑的次数增多，不易得到最佳整定参数。下面以PID调节器为例，具体说明经验法的整定步骤：1、让调节器参数积分系数Ki=0，实际微分系数Kd=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数Kp，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。2、取比例系数Kp为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数Ki，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。3、积分系数Ki保持不变，改变比例系数Kp，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数Kp增大一些，再调整积分系数Ki，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数Kp和积分系数Ki为止。4、引入适当的实际微分系数Kd和实际微分时间TD，此时可适当增大比例系数Kp和积分系数Ki。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。注意：Kp增大，系统响应加快，静差减小，但系统振荡增强，稳定性下降；Ti增大，系统超调减小，振荡减弱，但系统静差的消除也随之减慢；Td增大，调节时间减小，快速性增强，系统振荡减弱，稳定性增强，但系统对扰动的抑制能力减弱。四、实验内容和步骤1、系统连线如图3所示：+-+++---4~20mA信号输出信号输入1~5V信号输入上水箱液位调节阀仪表接线端子I/O信号接线端子图3单容水箱液位PID参数整定控制接线图2、启动ADS1.2进行程序编写1）比例（P）控制CC—1过程控制装置图4比例控制程序流程图操作步骤：○1打开被控制水箱的泄水阀，开至适当的开度。○2启动程序，控制调节阀，填写下表：Kp值超调量调节时间稳态范围○3适当修改Kp值重复步骤2。○4适当修改U0值重复步骤2。2）比例、积分（PI）控制在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置积分时间（Ti）不为0，观察被控制量是否能回到设定值，以验证PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。图5比例积分调节控制程序流程图注意其中的T为采样周期，Ti为积分常数，需要自己给，参数给的好坏直接决定控制精度。操作步骤：○1打开被控制水箱的泄水阀，开至适当的开度。○2启动程序，控制调节阀，填写下表：其中：Kp比例系数TiTKpKi积分系数Kp值Ki值超调量调节时间稳态范围○3适当修改Kp值重复步骤2。○4适当修改Ki值重复步骤2。3）比例、积分、微分（PID）控制我们主要是介绍PID算法的两种形式，一种是PID算法的位置式，另外一种是PID算法的增量式。位置式：})]1()([)()({0kjkekeTTdjeTiTkeKpUk其中Uk为K时刻数字PID控制器的输出，它对应于执行机构的位置，所以叫做位置式算法。在进行算法编写的时候注意，第一次采样的值来作为e(k-1)的初值，给出一个标志位来判断。其中Kp，为比例常数，T为采样周期，Ti为积分常数，Td为微分常数。增量式：由于位置式在计算过程中需要累加输入误差，而且计算机的任何故障都会使执行机构大幅度变化，因此，我们加以改进，产生增量式。由可知：其中：)1(1TTdTiTKpq)21(2TTdKpqTTdKpq3其中的q1、q2、q3都需要自己给定。)2()1()()]2()1(2)([)()]1()([)1()()(321keqkeqkeqkekekeKkeKkekeKkukukudip00])1()()()([)(PIDuTkekeTieTTkeKkukidip：位置式图6位置增量式控制算法流程图操作步骤：○1打开被控制水箱的泄水阀，开至适当的开度。○2启动程序，控制调节阀，填写下表：q1值q2值q3值超调量调节时间稳态范围○3适当修改q1值重复步骤2。○4适当修改q2值重复步骤2。○5适当修改q3值重复步骤2。总结：填出该水箱所对应的最好的控制系数。调节器参数调节器名称比例度Kp（δ＝1/K）积分时间Ti(S)微分时间Td(S)PPIPID位置式PID增量式五、实验报告要求1、画出单容水箱液位控制系统的方块图。2、用临界比例度法整定调节器的参数，写出三种调节器的余差和超调量。3、作出P调节器控制时，不同δ值下的阶跃响应曲线。4、作出PI调节器控制时，不同δ和Ti值时的阶跃响应曲线。5、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。6、比较P、PI和PID三种调节器对系统无差度和动态性能的影响。六、注意事项1、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。七、思考题1、实验系统在运行前应做好哪些准备工作？2、为什么要强调无扰动切换？3、试定性地分析三种调节器的参数K、（K、Ti）和（K、Ti和Td）的变化对控制过程各产生什么影响？4、如何实现减小或消除余差？纯比例控制能否消除余差？