CS4000 实验装置 实验二 双容水箱液位 PID 控制实验 一、实验目的 1、学习双容水箱液位 PID 控制系统的组成和原理 2、进一步熟悉 PID 的调节规律 3、进一步熟悉 PID 控制器参数的整定方法 二、实验设备 1、 四水箱实验系统 DDC 实验软件 2、 PC 机(Windows XP 操作系统) 三、实验原理 1、 控制系统的组成及原理 单回路调节系统,一般是指用一个控制器来控制一个被控对象,其中控制器只 接收一个测量信号,其输出也只控制一个执行机构.双容水箱液位 PID 控制系统也 是一种单回路调节系统,典型的双容水箱液位控制系统如下图所示: PID控制器 * 双容水箱 测量电路 设定值 + - 测量值 液位 干扰 执行机构 图14-1 双容水箱液位 PID 控制系统的方框图 在双容水箱液位 PID 控制系统中,以液位为被控量.其中,测量电路主要功能 是测量对象的液位并对其进行归一化等处理;PID 控制器是整个控制系统的核心,它 根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节, 从而控制双容水箱的液位达到期望的设 定值. 单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求, 只有在单回路调节系统不能满 足生产更高要求的情况下,才采用复杂的调节系统. 2、 PID 调节规律 PID 控制是比例、 积分、 微分控制的简称. 在生产过程自动控制的发展历程中, PID 控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式.目前,PID 控制仍然是得到最广泛应用 的基本控制方式.常用的PID控制规律有:P、PI、PD、PID,可根据被控对 象的特点和控制要求选择其中之一作为控制器. 3、 PID 控制器参数的实验整定方法 双容水箱液位 PID 控制器参数整定,是为了得到某种意义下的最佳过渡过程.我们 这里选用较通用的"最佳"标准,即在阶跃扰动作用下,先满足需要的衰减率,然后尽 量协调准确性和快速性要求. 在双容水箱液位的控制中,对于阶跃输入(包括阶跃扰动) ,若用比例(P)调节器 去控制,系统有余差,且与比例度成正比;若用比例积分(PI)调节器去控制,不仅可 实现无余差,而且只要调节器的参数 K 和Ti 调节得合理,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 的控制作用, 从而使系统既无余差存在,又使其动态性能得到进一步改善. 四、实验步骤 1、进入实验 (1)启动计算机,点击桌面上的"中控教仪过程控制实验软件"快捷键 , 进入实验系统. (2)选者 DDC 模块 (3)DDC 模块设置 点击工具栏中的 ,点击 ,系统自动开始搜索,得到如下串口 检测状态后关闭窗口. (4)选择实验 单击实验 4,进入双容水箱 PID 控制实验界面. 2、 选择控制回路 1)选择控制对象 在实验界面的"请选择控制回路"选择框中选择控制回路,从两个回路中 任选一个. 这里,我们选择"水箱 1 和3"作为控制回路,此时只有水箱 1 的PID 控 制器是有效的. 2)控制回路构成 根据选择的控制对象,调节相应的进水阀状态. 以"水箱 1 和3"对象为例,此时需打开水箱1和3的对应阀门,关闭其 它进水阀,从而构成双容 PID 控制回路. 具体的设置方式与实验一相同. 3、 选择 PID 控制器的工作点 1)PID 控制器设置成手动方式 假定我们选择了 "水箱 1 和3" 构成的控制回路, 则相应地设置水箱 1 的控制器. 单击实验界面中的"水箱 1 液位控制器"标签,打开控制器窗体,如下图所示: 单击控制器窗体中的"手动"按钮,将控制器设置成手动; 2)设定工作点 单击控制器界面中 MV 柱体旁的增/减键,设置 MV(U1)的值,如下图所示: 将阀门 U1 开度设置在某一确定值——即选定某一工作点; 4、 设置 PID 控制器参数 1)单击控制器界面中的"参数设置"按钮,弹出控制器参数设置窗体,如下图所 示: 选择 PI 控制,其初始值可通过三种方法来确定: a) 根据实验一的结果,采用经验法设置 PI 控制器的值; b) 先按实验一的方法进行一次动态特性测试,得到对象的 K、T、τ 值,根据响应曲线法整定公式计算出 PI 控制器的初始值; c) 先取 P 控制(将调节器的积分时间常数置于最大值,微分时间常数 置于 0,比例系数设置于较小值处,即此时的调节器为比例调节) , 待系统稳定后,再加入 I 作用. 将控制器参数值通过键盘输入到窗体对应的框中. (一般不用修改其它参 数) . 5、启动水箱 1 液位 PI 控制器 1)将控制器改成自动方式:单击控制器窗体的"自动"按钮; 2)改变设定值:单击控制器窗体 SV 柱体旁的增/减键,改变控制器的设定值 SV. 6、水箱 1 液位 PI 控制器的控制效果 通过"实时趋势"或"历史趋势"窗体可以查看趋势曲线; 根据趋势曲线,从超调量、过渡时间和衰减比等方面对控制效果进行评估,将计 算出的性能指标填入 8 中的数据记录表; 7、根据控制效果,调整 PI 控制器参数 当控制效果不佳时,重新将控制器设置成手动,根据以下几条修正 PID 参数: a、 如果系统出现振荡时,应适当减小比例作用和积分作用; b、 如果系统出现较大的超调时,应当减小积分作用;反之,应加大积分作用; c、 如果期望缩短过渡时间,可以适当加大比例作用; 跳转到第 4 步,继续实验. 要求进行至少三次 PI 参数的调整,并获得一组最佳的整定参数,其衰减率在 90%~98%之间,稳态误差为 0. 8、数据记录 记录控制器的参数值, 并利用趋势窗体查看控制效果, 并将结果记录在下表中: 时间 控制参数Kc I(s) D(s) 超调量(%) 过渡时间(s) 稳态误差 效果评估 9、加入 D 作用 当PI 控制器参数整定好后,若时间允许,可加入 D 作用,跳转到第 7 步,继续 实验.观察过程的变化,记录数据到 8 中的表格,总结 D 作用的影响. 五、注意事项 四水箱实验系统 DDC 实验软件使用时,确保文件"四容水箱系统数据库"不在使用 六、实验报告 1、 将实际的 PID 参数与经验法得出的参数进行比较,并验证经验法; 2、 根据趋势曲线, 计算出控制参数取不同值时的超调量、 过渡时间和衰减比等特性参 数; 3、 分析 P、I、D 三种调节作用对控制效果的影响; 4、 若实验过程中出现不顺利或失败情况,试分析其中的原因; 5、 通过本次实验总结在 PID 参数整定过程中应注意的问题. 七、思考题 1、 实验系统在运行前应做好哪些准备工作? 2、 试用控制原理的相关理论分析 PID 调节器的微分作用为什么不能太大? 3、 为什么微分作用的引入必须缓慢进行?这时的比例系数 K 是否要改变?为什么? 4、 调节器参数(K、Ti 和Td)的改变对整个控制过程有什么影响?
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更新时间：2014-09-05
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CS4000 实验装置 实验二 双容水箱液位 PID 控制实验 一、实验目的 1、学习双容水箱液位 PID 控制系统的组成和原理 2、进一步熟悉 PID 的调节规律 3、进一步熟悉 PID 控制器参数的整定方法 二、实验设备 1、 四水箱实验系统 DDC 实验软件 2、 PC 机(Windows XP 操作系统) 三、实验原理 1、 控制系统的组成及原理 单回路调节系统,一般是指用一个控制器来控制一个被控对象,其中控制器只 接收一个测量信号,其输出也只控制一个执行机构.双容水箱液位 PID 控制系统也 是一种单回路调节系统,典型的双容水箱液位控制系统如下图所示: PID控制器 * 双容水箱 测量电路 设定值 + - 测量值 液位 干扰 执行机构 图14-1 双容水箱液位 PID 控制系统的方框图 在双容水箱液位 PID 控制系统中,以液位为被控量.其中,测量电路主要功能 是测量对象的液位并对其进行归一化等处理;PID 控制器是整个控制系统的核心,它 根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节, 从而控制双容水箱的液位达到期望的设 定值. 单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求, 只有在单回路调节系统不能满 足生产更高要求的情况下,才采用复杂的调节系统. 2、 PID 调节规律 PID 控制是比例、 积分、 微分控制的简称. 在生产过程自动控制的发展历程中, PID 控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式.目前,PID 控制仍然是得到最广泛应用 的基本控制方式.常用的PID控制规律有:P、PI、PD、PID,可根据被控对 象的特点和控制要求选择其中之一作为控制器. 3、 PID 控制器参数的实验整定方法 双容水箱液位 PID 控制器参数整定,是为了得到某种意义下的最佳过渡过程.我们 这里选用较通用的"最佳"标准,即在阶跃扰动作用下,先满足需要的衰减率,然后尽 量协调准确性和快速性要求. 在双容水箱液位的控制中,对于阶跃输入(包括阶跃扰动) ,若用比例(P)调节器 去控制,系统有余差,且与比例度成正比;若用比例积分(PI)调节器去控制,不仅可 实现无余差,而且只要调节器的参数 K 和Ti 调节得合理,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 的控制作用, 从而使系统既无余差存在,又使其动态性能得到进一步改善. 四、实验步骤 1、进入实验 (1)启动计算机,点击桌面上的"中控教仪过程控制实验软件"快捷键 , 进入实验系统. (2)选者 DDC 模块 (3)DDC 模块设置 点击工具栏中的 ,点击 ,系统自动开始搜索,得到如下串口 检测状态后关闭窗口. (4)选择实验 单击实验 4,进入双容水箱 PID 控制实验界面. 2、 选择控制回路 1)选择控制对象 在实验界面的"请选择控制回路"选择框中选择控制回路,从两个回路中 任选一个. 这里,我们选择"水箱 1 和3"作为控制回路,此时只有水箱 1 的PID 控 制器是有效的. 2)控制回路构成 根据选择的控制对象,调节相应的进水阀状态. 以"水箱 1 和3"对象为例,此时需打开水箱1和3的对应阀门,关闭其 它进水阀,从而构成双容 PID 控制回路. 具体的设置方式与实验一相同. 3、 选择 PID 控制器的工作点 1)PID 控制器设置成手动方式 假定我们选择了 "水箱 1 和3" 构成的控制回路, 则相应地设置水箱 1 的控制器. 单击实验界面中的"水箱 1 液位控制器"标签,打开控制器窗体,如下图所示: 单击控制器窗体中的"手动"按钮,将控制器设置成手动; 2)设定工作点 单击控制器界面中 MV 柱体旁的增/减键,设置 MV(U1)的值,如下图所示: 将阀门 U1 开度设置在某一确定值——即选定某一工作点; 4、 设置 PID 控制器参数 1)单击控制器界面中的"参数设置"按钮,弹出控制器参数设置窗体,如下图所 示: 选择 PI 控制,其初始值可通过三种方法来确定: a) 根据实验一的结果,采用经验法设置 PI 控制器的值; b) 先按实验一的方法进行一次动态特性测试,得到对象的 K、T、τ 值,根据响应曲线法整定公式计算出 PI 控制器的初始值; c) 先取 P 控制(将调节器的积分时间常数置于最大值,微分时间常数 置于 0,比例系数设置于较小值处,即此时的调节器为比例调节) , 待系统稳定后,再加入 I 作用. 将控制器参数值通过键盘输入到窗体对应的框中. (一般不用修改其它参 数) . 5、启动水箱 1 液位 PI 控制器 1)将控制器改成自动方式:单击控制器窗体的"自动"按钮; 2)改变设定值:单击控制器窗体 SV 柱体旁的增/减键,改变控制器的设定值 SV. 6、水箱 1 液位 PI 控制器的控制效果 通过"实时趋势"或"历史趋势"窗体可以查看趋势曲线; 根据趋势曲线,从超调量、过渡时间和衰减比等方面对控制效果进行评估,将计 算出的性能指标填入 8 中的数据记录表; 7、根据控制效果,调整 PI 控制器参数 当控制效果不佳时,重新将控制器设置成手动,根据以下几条修正 PID 参数: a、 如果系统出现振荡时,应适当减小比例作用和积分作用; b、 如果系统出现较大的超调时,应当减小积分作用;反之,应加大积分作用; c、 如果期望缩短过渡时间,可以适当加大比例作用; 跳转到第 4 步,继续实验. 要求进行至少三次 PI 参数的调整,并获得一组最佳的整定参数,其衰减率在 90%~98%之间,稳态误差为 0. 8、数据记录 记录控制器的参数值, 并利用趋势窗体查看控制效果, 并将结果记录在下表中: 时间 控制参数Kc I(s) D(s) 超调量(%) 过渡时间(s) 稳态误差 效果评估 9、加入 D 作用 当PI 控制器参数整定好后,若时间允许,可加入 D 作用,跳转到第 7 步,继续 实验.观察过程的变化,记录数据到 8 中的表格,总结 D 作用的影响. 五、注意事项 四水箱实验系统 DDC 实验软件使用时,确保文件"四容水箱系统数据库"不在使用 六、实验报告 1、 将实际的 PID 参数与经验法得出的参数进行比较,并验证经验法; 2、 根据趋势曲线, 计算出控制参数取不同值时的超调量、 过渡时间和衰减比等特性参 数; 3、 分析 P、I、D 三种调节作用对控制效果的影响; 4、 若实验过程中出现不顺利或失败情况,试分析其中的原因; 5、 通过本次实验总结在 PID 参数整定过程中应注意的问题. 七、思考题 1、 实验系统在运行前应做好哪些准备工作? 2、 试用控制原理的相关理论分析 PID 调节器的微分作用为什么不能太大? 3、 为什么微分作用的引入必须缓慢进行?这时的比例系数 K 是否要改变?为什么? 4、 调节器参数(K、Ti 和Td)的改变对整个控制过程有什么影响?