上水箱液位PID整定试验试验报告

《控制工程实验》实验报告实验题目： 上水箱液位PID整定实验 课程名称： 《控制工程实验》 姓名： 学号： 专业：年级：院、所： 日期：2019.04.12实验一上水箱液位PID整定实验一、实验目的.了解单容液位定值控制的结构与组成。.掌握单容液位定值控制调节器参数的整定和投运方法。.研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。.了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。.掌握控制系统的实现过程。二、实验设备.实验装置对象及控制柜 1套.装有Step7、WinCC等软件的计算机 1台. CP5621专用网卡及MPI通讯线 各1个三、实验原理本实验系统结构图和方框图如图1所示。被控量为上水箱（也可采用中水箱或下水箱）的液位高度，实验要求上水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到的上水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制上水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。图1上水箱单容液位定值控制（a）结构图（b）方框图四、实验内容与步骤本实验选择上水箱作为被控对象。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F1-10、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-9开至适当开度（50%左右），其余阀门均关闭。.用MPI通讯电缆线将S7-300PLC连接到计算机CP5621专用网卡，并按照控制柜接线图连接实验系统。.接通总电源空气开关，合上单相，打开钥匙开关，给系统上电，将相应旋钮开关打至开，给S7-300PLC及电动调节阀上电。.打开Step7软件，并打开“S7-300PLC”程序进行下载，然后将S7-300PLC置于运行状态，然后运行WinCC组态环境，打开“S7-300PLC控制系统”工程，然后进入WinCC运行环境，在主菜单中点击“实验三、上水箱液位PID整定实验”，进入实验三的监控界面。.在上位机监控界面中输出值设置为一个合适的值。.合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少PLC的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。.按经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。.待液位稳定于给定值后，切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：（1）突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面三种仅供参考）（2）将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；（3）将下水箱进水阀F1-8开至适当开度；（改变负载）（4）接上变频器电源，并将变频器输出接至磁力泵，然后打开阀门F2-1、F2-3,用变频器支路以较小频率给上水箱打水，（变频器参数设置未为外部信号控制，参数设置参考P8页）。以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5%〜15%,干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时PLC的设定值、输出值和仪表参数，液

位的响应过程曲线将如图2所示。图2单容水箱液位的阶跃响应曲线.分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤7,用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。.分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤4〜8,用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。五、实验结果根据实验步骤1-9得出实验数据如下表1所示:表1单容水箱液位的阶跃响应数据图2液位定值控制实验的结构框图.用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。(1)确定比例系数Kp先确定比例系数Kp时，首先去掉PID的积分项和微分项，可以令Ti=0、Td=0,使之成为纯比例调节。输入设定为系统允许输出最大值的60%〜70%,比例系数Kp由0开始逐渐增大，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例系数Kp逐渐减小，直至系统振荡消失。记录此时的比例系数Kp,设定PID的比例系数Kp为当前值的70%〜80%。(2)确定积分时间常数Ti比例系数Kp确定之后，设定一个较大的积分时间常数Ti,然后逐渐减小Ti,直至系统出现振荡，然后再反过来，逐渐增大Ti,直至系统振荡消失。记录此时的Ti,设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%〜180%。(3)确定微分时间常数Td微分时间常数Td一般不用设定，为0即可，此时PID调节转换为PI调节。如果需要设定，则与确定Kp的方法相同，取不振荡时其值的30%。(4)系统空载、带载联调对PID参数进行微调，直到满足性能要求。.根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。在阶跃扰动下，当比例系数较大时，系统的静态误差也较大，这是因为比例系数会加大幅值；在加入微分环节后，系统的动态误差明显减小，但调节时间却延长，这是因为微分具有超前的作用，可以增加系统的稳定度。.比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。Ti：为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而增大，他推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，知道为零，由于积分项的存在会使调节时间增大。因此，PI控制器可使系统在进入稳太后无稳态误差。Kp：放大误差的幅值。快速抵消T扰的影响，使系统上升时间降低，如果仅有比例环节，系统会存在稳态误差。Td：自动控制系统在克服误差的调解过程中可能会出现振荡甚至失稳，在控制器中仅引入“比例P”往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，他能预测误差的变化趋势。这样具有比例加微分的控制器，就能够提前十抑制误差的的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重失调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，PD控制器能改善系统在调解过程的动态特性。.分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。P：是基本的控制作用，比例调节对控制作用和扰动作用的响应都很快但会带来余差。PI：PI调节中P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但是I调节会降低系统的稳定性。PD：由于微分的超前作用，能增加系统的稳定度，震荡周期变短，减小了误差，但是微风抗干扰能力差，且微分过大易导致调节阀动作向两端饱和。PID：常规调节器中性能最好的-一种调节器，具有各类调节器的优点，具有更高的控制质量。六、思考题.如果采用下水箱做实验，其响应曲线与下水箱的曲线有什么异同？并分析差异原因。答：若采用下水箱做实验，它的滞后时间要比上水箱更短。因为下水箱的回路比上水箱