单容液位PID控制

单容水箱液位定值控制实验
（一）实验目的和要求
1、熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理，研究控制器参数对控制效果的影响；
2、使用P、PI和PID等控制规律进行单容水箱的液位定值控制；
3、分析控制过程中的过渡过程曲线并考察控制参数的影响；
4、运用临界比例度法进行控制器参数的工程整定，以得到理想控制曲线。

（二）工作原理
1、控制系统结构
扰动
上水箱
电动调节阀
DDC系统
给定值+
-
液位
压力变送器
图1 简单控制系统方框图
图1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，采用工业智能仪表控制。

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图2中的曲线①、②、③所示。

图 2 P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
影响控制系统控制质量的因素有很多，除了被控对象的性质之外，自动化装置能否根据
对象特性加以选择和调整，控制参数是否合适，也直接影响着控制质量的好坏。

因此，本实验旨在通过对化工四大参数的控制，研究和掌握自动化装置以及控制规律与控制参数等对控制系统控制质量的影响趋势，从而获得理想的控制质量。

三、实验仪器及设备
A3000过程控制系统是模拟实际工业控制过程的高级实验装置，整个系统可以分作现场系统和控制系统两部分。

现场系统又由被控对象系统和测量变送系统构成，前者包括一个储水槽、三个水箱、两个水泵、一个带有大功率加热管的锅炉、一个工业用板式换热器、一段调整滞后时间用的滞后管和硬件联锁保护等，后者包括5个温度传感器、1个液位传感器、1个压力传感器、2个涡轮流量计、1个电动控制阀、2个电磁阀、2个液位开关等传感器和执行器。

控制系统由2个百特智能控制器、3个Adam DDC控制模块，以及多个显示仪表构成，详细见下图。

由此可见，该控制系统集成了测量变送、显示仪表、控制器、执行器以及计算机控制系统等各个环节，实验功能较为齐全。

图3 工艺流程图
控制逻辑如图4所示，水流入量Q i通过改变控制阀FV101的开度加以控制（也可以通过控制连接到水泵上的变频器来控制），流出量Q o则由用户通过负载阀R来改变，被控变量为水位H。

在实验过程中，分别采用P、PI、PID等不同的控制策略，通过观察过渡过程的控制曲线来比较选择不同的P、I、D参数值时的控制效果。

图2操作页面
（四）实验内容
1、系统连接与启动
（1）工艺设置，分别控制上水箱和下水箱的液位。

（2）打开A3000电源，在A3000-FS上启动右边水泵和调节阀。

（3）启动A3000-CS计算机组态软件，进入实验系统选择相应的实验；启动控制器，设置各项参数，可将控制器的手动控制切换到自动控制。

2、比例控制
（1）设置P参数，I参数设置到最大，D=0，观察计算机显示屏上的控制曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始施加干扰，进入实验。

（2）待系统稳定后，对系统加扰动信号(在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现)，记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录图形及余差大小。

（3）减小P重复步骤1-2，观察过渡过程曲线，并记录图形及余差大小。

（4）增大P重复步骤1-2，观察过渡过程曲线，并记录图形及余差大小。

（5）选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。

改变设定值(如设定值由50％变为60％)，同样可以得到一条过渡过程曲线。

注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。

3、PI控制
（1）在比例控制实验的基础上，加入积分作用，即把“I”(积分参数)由最大处设定到中间某一个值，观察被控制量是否能回到设定值，以验证PI控制下，系统对阶跃扰动
无余差存在。

（2）固定比例P值(中等大小)，改变PI控制器的积分时间常数值T i，然后观察加阶跃
扰动后被调量的输出波形，并记录不同T i 值时的超调量σp 。

（3）固定于某一中间值，然后改变P 的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，
据此列表记录不同值T i 下的超调量σ
p 。

（4）选择合适的P 和T i 值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过
程曲线。

此曲线可通过改变设定值(如设定值由
50%变为60%)来获得。

4、PID 控制
（1）在PI 控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即设置D 参数，然后加上与前
面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与PI 控制下的曲线相比较，由此可看到微分D 对系统性能的影响。

（2）选择合适的P 、T i 和T d ，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线(阶跃输
入可由给定值从50%突变至60%来实现)。

（3）在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录。

5、控制参数的工程整定（临界比例度法）
(1) 在现实应用中，PID 控制器的参数常用实验的方法来确定。

其中，用临界比例度法
去整定PID 控制器的参数既方便又实用。

首先要在单纯的比例控制规律下，在推荐的范围内初步选定一个初始比例度；
(2) 待系统稳定后，逐步减小控制器的比例度δ(即1/P)，并且每当减小一次比例度δ，
待被调量回复到平衡状态后，再手动给系统施加一个5%~15%的阶跃扰动，观察被调量变化的动态过程。

若被调量为衰减的振荡曲线，则应继续减小比例度δ，直到输出响应曲线呈现等幅振荡为止。

如果响应曲线出现发散振荡，则表示比例度控制得过小，应适当增大，使之出现等幅振荡。

图4. 具有周期T K 的等幅振荡
(3) 当被调量作等幅振荡时，如图4所示，此时的比例度δ就是临界比例度，用δk 表
示之，相应的振荡周期就是临界周期T k 。

据此，按下表可确定PID 控制器的三个参数δ、T i 和T d 。

表4. 用临界比例度δk整定PID控制器的参数
(4)必须指出，表格中给出的参数值是对控制器参数的一个初略设计，因为它是根据
大量实验而得出的结论。

若要获得更满意的动态过程(例如在阶跃作用下，被调参
量作4：1地衰减振荡)，则要在表格给出参数的基础上，对δ、Ti(或T d)作适当的
调整。

6、实验结束
五、实验报告内容
1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

2、根据曲线，分析P，PI，PID控制大致具有哪些趋势特征。

3、给出各个控制条件下的超调量，余差，以及控制稳定所需要的时间。

4、根据这些数据，分析P、I、D各参数对控制系统的影响。

5、对本实验的改进意见。