1、實驗六、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

2、減小或消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

3、跟蹤手動的輸出值，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）

4、調節器控制 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

5、-反”開關拔到“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

6、，并把積分開關置于“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

7、%變為60%）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

8、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，作出不同值下的階躍響應曲線。4、PI調節時，分別作出Ti不變、不同值時的階躍響應曲線和不變、不同Ti值時的階躍響應曲線。5、畫出PID控制時的階躍響應曲線，并分析微分D的作用。6、比較P、PI和PID三種調節器對系統余差和動態性能的影響。實驗七、雙容水箱液位PID控制系統一、實驗目的1、熟悉單回路雙容液位控制系統的組成和工作原理。2、研究分別用P、PI和PID調節器時系統的動態性能。3、定性地分析P、PI和PID調節器的參數變化對系統性能

9、的影響。4、掌握臨界比例度法整定調節器的參數。5、掌握4：1衰減曲線法整定調節器的參數。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、實驗原理圖8-1、雙容水箱液位控制系統的方框圖圖8-1為雙容水箱液位控制系統。這是一個單回路控制系統，它與實驗六不同的是有兩個水箱相串聯，控制的目的既要使下水箱的液位高度等于給定值所期望的值，又要具有減少或消除來自系統內部或外部擾動的影響。顯然，這種反饋控制系統的性能主要取決于調節器GK-04的結構和參數的合理選擇。由于雙容水箱的數學模型是二階的，故它的穩定性不如

10、單容液位控制系統。對于階躍輸入（包括階躍擾動），這種系統用比例（P）調節器去控制，系統有余差，且與比例度近似成正比，若用比例積分（PI）調節器去控制，不僅可實現無余差，而且只要調節器的參數和Ti選擇得合理，也能使系統具有良好的動態性能。圖8-2、雙容水箱液位控制結構圖比例積分微分（PID）調節器是在PI調節器的基礎上再引入微分D的控制作用，從而使系統既無余差存在，又使其動態性能得到進一步改善。 四、實驗內容與步驟1、比例（P）調節器控制1）、按圖8-1所示，將系統接成單回路反饋控制系統（接線參照實驗一）。其中被控對象是下水箱，被控制量是下水箱的液位高度h2。 2）、啟動工藝流程并開啟相關的儀器

11、，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）

12、。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。表一、不同時的超調量p比例度大中小超調量p2、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”由最大處旋至中間某一位置，并把積分開關置于“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），

13、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。此曲線可通過增大設定值（如設定值由50%變為60%）來獲得。3、比例積分微分調節器（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

14、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）、用秒表和顯示儀表記錄一條較滿意的過渡過程實時曲線。4、用臨界比例度法整定調節器的參數在實際應用中，高階系統PID調節器的參數常用下述臨界比例度法來確定。用臨界比例度法去整定PID調節器的參數既方便又實用。它的具體做法是：1）、待系統穩定后，將調節器置于純比例P控制。逐步減小調節器的比例度，并且每當減小一次比例度，待被調量回復到平衡狀態后，再手

15、動給系統施加一個5%15%的階躍擾動，觀察被調量變化的動態過程。若被調量為衰減的振蕩曲線，則應繼續減小比例度，直到輸出響應曲線呈現等幅振蕩為止。如果響應曲線出現發散振蕩，則表示比例度調節得過小，應適當增大，使之出現如圖8-4所示的等幅振蕩。 圖8-3為它的實驗方塊圖。圖8-3、具有比例調節器的閉環系統2）、在圖8-3所示的系統中，當被調量作等幅振蕩時，此時的比例度就是臨界比例度，用k表示之，相應的振蕩周期就是臨界周期Tk。據此，按下表所列出的經驗數據確定PID調節器的三個參數、Ti和Td 。圖8-4、具有周期TK的等幅振蕩表四 、用臨界比例度k整定PID調節器的參數調節器參數調節器名稱kTi(

16、S)Td(S)P2kPI2.2kTk/1.2PID1.6k0.5Tk0.125Tk3）、必須指出，表格中給出的參數值是對調節器參數的一個初略設計，因為它是根據大量實驗而得出的結論。若要獲得更滿意的動態過程（例如：在階躍作用下，被調參量作4：1地衰減振蕩），則要在表格給出參數的基礎上，對、Ti（或Td）作適當調整。5、用衰減曲線法整定調節器的參數：與臨界比例度法類似，不同的是本方法先根據由實驗所得的阻尼振蕩衰減曲線（為4 :1），求得相應的比例度s和曲線的振蕩周期Ts，然后按表五給出的經驗公式，確定調節器的相關參數。獲得系統的輸出響應曲線按4:1衰減的具體步驟如下：1）、置調節器積分時間Ti到最

17、大值（Ti=），微分時間Td為零(Td=0)，比例度為較大值，讓系統投入閉環運行。 2）、待系統穩定后，作設定值階躍擾動，并觀察系統的響應。若系統響應衰減太快，則增大比例度；反之，系統響應衰減過慢，應減小比例度。如此反復直到系統出現如圖8-5所示4:1的衰減振蕩過程。 圖8-5、4：1衰減響應曲線記下此時的比例度s和振蕩周期 Ts的數值。 3）、利用s和Ts值，按表五給出的經驗公式，求調節器參數、Ti和Td數值。表五 4:1衰減曲線法整定計算公式調節器參數調節器名稱TiTdPsPI1.2s 0.5TsPID0.8s0.3Ts0.1Ts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方可

18、接通電源。2、水泵啟動前，出水閥門應關閉，待水泵啟動后，再逐漸開啟出水閥，直至某一適當開度。3、在老師的指導下，開啟單片機控制屏和計算機系統。六、實驗報告要求1、畫出雙容水箱液位控制實驗系統的結構圖。2、按圖8-2 要求接好實驗線路，經老師檢查無誤后投入運行。3、用臨界比例度法和衰減曲線法分別計算P、PI、PID調節的參數，并分別列出系統在這三種方式下的余差和超調量。4、作出P調節器控制時，不同值下的階躍響應曲線。5、作出PI調節器控制時，不同和Ti值時的階躍響應曲線。6、畫出PID控制時的階躍響應曲線，并分析微分D對系統性能的影響。7、綜合評價P、PI、和PID三種調節器對系統性能的影響。實

19、驗八、水箱壓力PID控制系統一、實驗目的1、了解壓力傳感器的結構原理及使用方法。2、研究單回路壓力PID控制系統。3、掌握手動/自動無擾動切換的方法。4、學會用反應曲線法對PID參數進行整定。二、實驗裝置1、THKGK-1型過程控制實驗裝置： GK-02、 GK-03 GK-04、 GK-07(2臺) 2、計算機及監控軟件三、實驗原理1、壓力傳感器變送原理簡介此壓力變送器的敏感核心采用了高性能的硅壓阻式壓力充油芯體，內部的專用集成電路將傳感 器毫伏信號轉換成標準遠距離的傳輸電流或電壓信號，可以直接與計算機接口卡、控制儀表、智能儀表或PLC等方便連接，該系列產品廣泛應用于工業過程控制、石油、化工、冶金等行業。2、單回路壓力控制系統方框圖圖10-1、單回路壓力控制系統圖10-2、單回路壓力控制系統結構圖單回路壓力控制系統如圖10-1所示。系統如要實現無擾動地由手動操作切換到自動運行，則要求調節器能自動地跟蹤手動輸出，且要在切換時使測量值與給定值無偏差存在。改變PID調節器參數 、Ti和Td都會影響系統的動態特性