1、單容水箱液位PID控制系統一、實驗目的1、通過實驗熟悉單回路反饋控制系統的組成和工作原理。2、研究系統分別用P、PI和PID調節器時的階躍響應。3、研究系統分別用P、PI和PID調節器時的抗擾動作用。4、定性地分析P、PI和PID調節器的參數變化對系統性能的影響。二、實驗設備1、THKGK-1型過程控制實驗裝置： GK-02、 GK-03、 GK-04、 GK-07(2臺) 2、萬用表一只 3、計算機系統三、實驗原理1、單容水箱液位控制系統圖7-1、單容水箱液位控制系統的方塊圖圖7-1為單容水箱液位控制系統。這是一個單回路反饋控制系統，它的控制任務是使水箱液位等于給定值所要求的高度；并減小或消

2、除來自系統內部或外部擾動的影響。單回路控制系統由于結構簡單、投資省、操作方便、且能滿足一般生產過程的要求，故它在過程控制中得到廣泛地應用。當一個單回路系統設計安裝就緒之后，控制質量的好壞與控制器參數的選擇有著很大的關系。合適的控制參數，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數選擇得不合適，則會導致控制質量變壞，甚至會使系統不能正常工作。因此，當一個單回路系統組成以后，如何整定好控制器的參數是一個很重要的實際問題。一個控制系統設計好以后，系統的投運和參數整定是十分重要的工作。 圖7-2單容液位控制系統結構圖系統由原來的手動操作切換到自動操作時，必須為無擾動，這就要求調節器的輸出量能及時地跟蹤手動

3、的輸出值，并且在切換時應使測量值與給定值無偏差存在。一般言之，具有比例（P）調節器的系統是一個有差系統，比例度的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統的動態性能密切相關。比例積分（PI）調節器，由于積分的作用，不僅能實現系統無余差，而且只要參數，Ti選擇合理，也能使系統具有良好的動態性能。比例積分微分（PID）調節器是在PI調節器的基礎上再引入微分D的作用，從而使系統既無余差存在，又能改善系統的動態性能（快速性、穩定性等）。在單位階躍作用下，P、PI、PID調節系統的階躍響應分別如圖7-3中的曲線、所示。 圖7-3、P、PI和PID調節的階躍響應曲線四、 驗內容與步驟 1、比例（P）調節器控

4、制 1）、按圖7-1所示，將系統接成單回路反饋系統（接線參照實驗一）。其中被控對象是上水箱，被控制量是該水箱的液位高度h1。 2）、啟動工藝流程并開啟相關的儀器，調整傳感器輸出的零點與增益。3）、在老師的指導下，接通單片機控制屏，并啟動計算機監控系統，為記錄過渡過程曲線作好準備。4）、在開環狀態下，利用調節器的手動操作開關把被控制量“手動”調到等于給定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%點處）。5）、觀察計算機顯示屏上的曲線，待被調參數基本達到給定值后，即可將調節器切換到純比例自動工作狀態（積分時間常數設置于最大，積分、微分作用的開關都處于“關”的位置，比例度設置于某一中間值，“正-反”開

5、關拔到“反”的位置，調節器的“手動”開關撥到“自動”位置），讓系統投入閉環運行。6）、待系統穩定后，對系統加擾動信號（在純比例的基礎上加擾動，一般可通過改變設定值實現）。記錄曲線在經過幾次波動穩定下來后，系統有穩態誤差，并記錄余差大小。7）、減小，重復步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。8）、增大，重復步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。9）、選擇合適的值就可以得到比較滿意的過程控制曲線。10）、注意：每當做完一次試驗后，必須待系統穩定后再做另一次試驗。2、比例積分調節器（PI）控制1）、在比例調節實驗的基礎上，加入積分作用（即把積分器“I”由最大處“關” 旋至中間某一位置，并把積

6、分開關置于“開”的位置），觀察被控制量是否能回到設定值，以驗證在PI控制下，系統對階躍擾動無余差存在。2）、固定比例度值（中等大小），改變PI調節器的積分時間常數值Ti，然后觀察加階躍擾動后被調量的輸出波形，并記錄不同Ti值時的超調量p。表二、值不變、不同Ti時的超調量p積分時間常數Ti大中小超調量p3）、固定積分時間T i于某一中間值，然后改變的大小，觀察加擾動后被調量輸出的動態波形，并列表記錄不同值下的超調量p。表三、Ti值不變、不同值下的p比例度大中小超調量p4）、選擇合適的和Ti值，使系統對階躍輸入擾動的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線。此曲線可通過改變設定值（如設定值由50%變為6

7、0%）來獲得。3、比例積分微分調節（PID）控制1）、在PI調節器控制實驗的基礎上，再引入適量的微分作用，即把D打開。然后加上與前面實驗幅值完全相等的擾動，記錄系統被控制量響應的動態曲線，并與實驗步驟（二）所得的曲線相比較，由此可看到微分D對系統性能的影響。2）、選擇合適的、Ti和Td，使系統的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線（階躍輸入可由給定值從50%突變至60%來實現）。3）、用計算機記錄實驗時所有的過渡過程實時曲線，并進行分析。五、注意事項1、實驗線路接好后，必須經指導老師檢查認可后才能接通電源。2、必須在老師的指導下，啟動計算機系統和單片機控制屏。3、若參數設置不當，可能導致系統失控，不能達到設定值。六、實驗報告要求1、繪制單容水箱液位控制系統的方塊圖。2、用接好線路的單回路系統進行投運練習，并敘述無擾動切換的方法。3、P調節時，作出不同值