單容液位PID控制

1、單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?、熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理，研究控制器參數(shù)對(duì)控制效果的影響;2、使用P、PI和PID等控制規(guī)律進(jìn)行單容水箱的液位定值控制；3、分析控制過程中的過渡過程曲線并考察控制參數(shù)的影響；4、運(yùn)用臨界比例度法進(jìn)行控制器參數(shù)的工程整定，以得到理想控制曲線。（二）工作原理1、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1簡單控制系統(tǒng)方框圖圖1為單回路上水箱液位控制系統(tǒng)。單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象上用一個(gè)調(diào) 節(jié)器來保持一個(gè)參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個(gè)測量信號(hào)，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī) 構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制上水箱液位等于給定值 所要求

2、的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個(gè)閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用工業(yè)智能儀表控 制。當(dāng)調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，一個(gè)單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝就緒之 后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的 控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會(huì)使控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期效果。一個(gè) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好以后，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個(gè)有差系統(tǒng)，比例度3的大小不僅會(huì)影響到 余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（ PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作 用，不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)3,Ti調(diào)節(jié)合理，也能

3、使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分 D的作用，從而使系統(tǒng) 既無余差存在，又能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。但是，并不是所有單回路控制系統(tǒng)在加入微分作用后都能改善系統(tǒng)品質(zhì)，對(duì)于容量滯后不大，微分作用的效果并不明 顯，而對(duì)噪聲敏感的流量系統(tǒng)，加入微分作用后，反而使流量品質(zhì)變壞。對(duì)于我們的實(shí)驗(yàn)系 統(tǒng)，在單位階躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖 2中的曲線、所 示。4/ f 弋/J1也11LI圖2 P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線影響控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的因素有很多，除了被控對(duì)象的性質(zhì)之外，自動(dòng)化裝置能否根據(jù)對(duì)象特性加以選擇

4、和調(diào)整，控制參數(shù)是否合適，也直接影響著控制質(zhì)量的好壞。因此，本實(shí)驗(yàn)旨在通過對(duì)化工四大參數(shù)的控制，研究和掌握自動(dòng)化裝置以及控制規(guī)律與控制參數(shù)等對(duì)控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響趨勢，從而獲得理想的控制質(zhì)量。三、實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備A3000過程控制系統(tǒng)是模擬實(shí)際工業(yè)控制過程的高級(jí)實(shí)驗(yàn)裝置，整個(gè)系統(tǒng)可以分作現(xiàn)場系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分。 現(xiàn)場系統(tǒng)又由被控對(duì)象系統(tǒng)和測量變送系統(tǒng)構(gòu)成，前者包括一個(gè)儲(chǔ)水槽、三個(gè)水箱、兩個(gè)水泵、一個(gè)帶有大功率加熱管的鍋爐、一個(gè)工業(yè)用板式換熱器、一段 調(diào)整滯后時(shí)間用的滯后管和硬件聯(lián)鎖保護(hù)等，后者包括5個(gè)溫度傳感器、1個(gè)液位傳感器、1個(gè)壓力傳感器、2個(gè)渦輪流量計(jì)、1個(gè)電動(dòng)控制閥、2個(gè)電磁閥、2個(gè)

5、液位開關(guān)等傳感器和 執(zhí)行器。控制系統(tǒng)由2個(gè)百特智能控制器、3個(gè)Adam DDC控制模塊，以及多個(gè)顯示儀表構(gòu) 成，詳細(xì)見下圖。由此可見，該控制系統(tǒng)集成了測量變送、顯示儀表、控制器、執(zhí)行器以及 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)功能較為齊全。V301-101OV-U9IGV-Kev-i(j30V-tt7'GV-lllQV-121ov-io1V103歯u-)oiTC-19-4QV-1J43V-1UV1D4GV-LO£X-102ov-iiaDv-ID'L4_FT-J01P101v-ice/c?v_r Q弓I圖3工藝流程圖控制邏輯如圖4所示，水流入量 過控制連接到水泵上的變頻器來控

6、制） 量為水位H。在實(shí)驗(yàn)過程中，分別采用 的控制曲線來比較選擇不同的 P、I、Qi通過改變控制閥FV1O1的開度加以控制（也可以通，流出量Qo則由用戶通過負(fù)載閥 R來改變，被控變 P、PI、PID等不同的控制策略，通過觀察過渡過程D參數(shù)值時(shí)的控制效果。圖2操作頁面（四）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、系統(tǒng)連接與啟動(dòng)（1 ）工藝設(shè)置，分別控制上水箱和下水箱的液位。（2）打開A3000電源，在 A3000-FS上啟動(dòng)右邊水泵和調(diào)節(jié)閥。（3）啟動(dòng)A3000-CS計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)；啟動(dòng)控制器，設(shè) 置各項(xiàng)參數(shù)，可將控制器的手動(dòng)控制切換到自動(dòng)控制。2、比例控制（1） 設(shè)置P參數(shù)，I參數(shù)設(shè)置到最大，D

7、=0,觀察計(jì)算機(jī)顯示屏上的控制曲線，待被調(diào) 參數(shù)基本穩(wěn)定于給定值后，可以開始施加干擾，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)。（2） 待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對(duì)系統(tǒng)加擾動(dòng)信號(hào)（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動(dòng)，一般可通過改變設(shè) 定值實(shí)現(xiàn)），記錄曲線在經(jīng)過幾次波動(dòng)穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄圖形及 余差大小。（3）減小P重復(fù)步驟1-2,觀察過渡過程曲線，并記錄圖形及余差大小。（4）增大P重復(fù)步驟1-2,觀察過渡過程曲線，并記錄圖形及余差大小。（5） 選擇合適的P，可以得到較滿意的過渡過程曲線。改變設(shè)定值（如設(shè)定值由50%變 為60% ），同樣可以得到一條過渡過程曲線。注意：每當(dāng)做完一次試驗(yàn)后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次試驗(yàn)。3、PI控制（

8、1） 在比例控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加入積分作用，即把“I積分參數(shù)）由最大處設(shè)定到中間某一個(gè)值，觀察被控制量是否能回到設(shè)定值，以驗(yàn)證PI控制下，系統(tǒng)對(duì)階躍擾動(dòng)無余差存在。（2） 固定比例P值仲等大?。淖働I控制器的積分時(shí)間常數(shù)值 Ti，然后觀察加階躍表2不同Ti時(shí)的超調(diào)量op積分時(shí)間常數(shù)Ti大中小超調(diào)量 op(3) 固定于某一中間值，然后改變P的大小，觀察加擾動(dòng)后被調(diào)量輸出的動(dòng)態(tài)波形,據(jù)此列表記錄不同值 Ti下的超調(diào)量op。表3不同3值下的o比例P大中小超調(diào)量 o(4) 選擇合適的P和Ti值，使系統(tǒng)對(duì)階躍輸入擾動(dòng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過 程曲線。此曲線可通過改變設(shè)定值(如設(shè)定值由50%變?yōu)?/p>

9、60%)來獲得。4、PID控制(1) 在PI控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 再引入適量的微分作用，即設(shè)置D參數(shù)，然后加上與前面實(shí)驗(yàn)幅值完全相等的擾動(dòng)，記錄系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動(dòng)態(tài)曲線，并與PI控制下的曲線相比較，由此可看到微分D對(duì)系統(tǒng)性能的影響。(2) 選擇合適的P、Ti和Td,使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)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(shí)現(xiàn))o(3) 在歷史曲線中選擇一條較滿意的過渡過程曲線進(jìn)行記錄。5、控制參數(shù)的工程整定(臨界比例度法)(1) 在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，PID控制器的參數(shù)常用實(shí)驗(yàn)的方法來確定。其中，用臨界比例度法去整定PID控制器的參數(shù)既方便又實(shí)用。首先要在單純的比例控制規(guī)

10、律下，在推薦的范圍內(nèi)初步選定一個(gè)初始比例度；(2) 待系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步減小控制器的比例度3即1/P),并且每當(dāng)減小一次比例度3待被調(diào)量回復(fù)到平衡狀態(tài)后，再手動(dòng)給系統(tǒng)施加一個(gè)5%15%的階躍擾動(dòng)，觀察被調(diào)量變化的動(dòng)態(tài)過程。若被調(diào)量為衰減的振蕩曲線，則應(yīng)繼續(xù)減小比例度3直到輸出響應(yīng)曲線呈現(xiàn)等幅振蕩為止。如果響應(yīng)曲線出現(xiàn)發(fā)散振蕩，則表示比例度控制得過小，應(yīng)適當(dāng)增大，使之出現(xiàn)等幅振蕩。 當(dāng)被調(diào)量作等幅振蕩時(shí)，如圖4所示，此時(shí)的比例度3就是臨界比例度，用 3表示之，相應(yīng)的振蕩周期就是臨界周期Tk。據(jù)此，按下表可確定 PID控制器的三個(gè)參數(shù)3 Ti和Tdo表4.用臨界比例度3 1整定PID控制器的參數(shù)控制參數(shù) 控制規(guī)律SkTi(S)Td(S)P23PI2.2 STk/1.2PID1.6 k0.5Tk0.125Tk（4）必須指出，表格中給出的參數(shù)值是對(duì)控制器參數(shù)的一個(gè)初略設(shè)計(jì)，因?yàn)樗歉鶕?jù) 大量實(shí)驗(yàn)而得出的結(jié)論。若要獲得更滿意的動(dòng)態(tài)過程（例如在階躍作用下，被調(diào)參量作4: 1地衰減振蕩），則