实验五、单容水箱液位PID控制实验(DCS)

一、实验目的

1）、熟悉单容水箱液位反馈PID控制系统硬件配置和工作原理。 2）、熟悉用P、PI和PID控制规律时的过渡过程曲线。 3）、定性分析不同PID控制器参数对单容系统控制性能的影响。 二、实验设备

CS4000型过程控制实验装置，DCS系统、 PC机，监控软件。 三、实验原理

一阶单容水箱PID控制方框图

图为单回路上水箱液位控制系统。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上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，采用EPA系统控制。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下图中的曲线①、②、③所示。

P、PI和PID

调节的阶跃响应曲线 四、实验步骤

(1)关闭出水阀,将CS4000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。

(2)打开以丹麦泵、电动调节阀、电磁流量计组成的动力支路至中上水箱的出水阀门，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。同时打开中上水箱的出水阀至适当开度。 (3)手动打开实验装置、检测仪表、丹麦泵、电动调节阀的电源开关。

(4)启动EPA与Advantrol V3.16上位机组态软件，进入主画面，然后进入实验五画面，熟悉本实验组态软件的启动、退出、界面和基本操作）。

(5) 在上位机软件界面用鼠标点击调出PID窗体框，用鼠标按下自动按钮，在“设定值”栏中输入设定的上水箱液位，按“回车”键确认。选择控制规律P、PI或者PID,并设置相应的参数（比例度、积分时间和微分时间），待测量值在设定值附近基本稳定。注意，如果不想要积分，可以把积分时间Ti设为无穷大（999.99）。如果不想要微分，可以把微分时间Td置为零。

(6)开始记录数据，然后加干扰，这里采用突然改变给定值的方法来模拟干扰（如原来给定值为10cm,现在改为15cm或5cm，回车）。记录该时刻，同时不断记录水位，直到新的稳态建立。如果过渡过程的质量不理想，就应该考虑调节相应的PID参数，尽可能得到适当的衰减振荡曲线。

(7)改变控制规律，时间允许的情况下，对于P、PI、PID，分别得到2条合理的过渡过程曲线（对应不同参数）。每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。 五、 实验报告要求

1、作出P调节器控制时，不同P值下的阶跃响应曲线。

2、作出PI调节器控制时，不同P和Ti值时的阶跃响应曲线。 3、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。

4、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、 思考题

1、试定性地分析三种调节器的参数P、（P、Ti）和（P、Ti和Td）的变化对控制过程各产生什么影响？

2、如何实现减小或消除余差？纯比例控制能否消除余差？