双容水箱pid控制.doc

“过程控制系统设计”
实物实验报告

实验名称：双容水箱液位PID控制实验

姓名：王季诚
学号：20101496
班级：2010032班
指导老师：李芹
同组人：黄圣、沈依春

实验时间：2013年5月21日
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、实验设计（画出“系统方框图”和“设备连接图”）
设备连接图如下图（1）：
图（1）设备连接图

系统框图如下图（2）：
图（2）系统方框图
PI水箱3
液位控制器
水箱1
电动阀门
给定水箱水位
-
水位传感器

三、实验步骤
1、进入实验
运行DDC实验系统软件，选择DDC实验；
2、选择控制回路
a)选择控制对象:“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。
b)控制回路构成: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。
3、选择PID控制器的工作点
a)PID控制器设置成手动方式: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：
图（3）

单击控制器窗体中的“手动”按钮，将控制器设置成手动；
b)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：
图（4）

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控制器参数根据对象特性，设置P、I、D参数：如下图所示：
图（5）

5、启动水箱1液位PID控制器
a)将控制器改成自动方式：单击控制器窗体的“自动”按钮；
b)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、根据控制效果，调整PID控制器参数
四、实验记录（包括实验数据和波形图）
为得到PI控制的初始值，先按照实验一的方法进行动态测试，得出对象的K,T,，根据响应曲线法整定公式计算出PI控制器的初始值。
得到K=0.45，Ti=663..3s,
1、将参数设定为=0.45、=663.3s、=0时数据及波形图如下图（6）：
图（6）=0.45、=663.3s、=0时的波形图

得到的曲线数据如下表（1）：
表（1）第一组曲线数据
超调量0%过渡时间（）（s）1200稳态误差0.2
2、=0.8、=663.3s、=0时数据及波形图如下：
图（6）=0.5、=600s、=0时的波形图

得到的曲线数据如下表（2）：
表（2）第二组曲线数据
超调量22过渡时间（）（s）100.98稳态误差0.1
3、=0.8、=863s、=0时数据及波形图如下：
图（7）=0.8、=863s、=0时的波形图

得到的曲线数据如下表（3）
表（3）第三组曲线数据
超调量21.875过渡时间（）（s）1828稳态误差0

五、结果分析
将以上实验数据综合在下表（5）中：
表（5）实验结果综合表
组别第一组第二组第三组控制参数P0.450.80.8I(s)663.3663.3863D(s)000超调量（%）0%22%21.875%过渡时间（s）12001000.981828稳态误差0.20.10
效果评估过渡过程时间较长。超调量较大超调量一般，过渡过程时间长。

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。
适当加大积分时间会使超调量大大减小，调整时间变化不大，由于经验法得出的积分时间较小，积分作用较大，那么得到的曲线超调量会较大，甚至不稳定。这说明经验法虽然整定出控制器参数，但是仍需要在实际过程中进行微调。
2、比较单容和双容PID控制的效果。
由于单容和双容水箱均为有自平衡能力的系统，所以均需要加入积分控制，而积分作用能消除稳态误差，故单容和双容水箱的控制均无静差，但是在响应速度方面两者有很大差异：
单容水箱是一阶系统，其PID控制非常直接、简单，系统对扰动的响应迅速，过渡时间也短。
双容水箱可以看做是两个单容水箱的串联，所以其PID控制总体反应比单容水箱环节慢很多，如：对扰动的响应存在迟延、过渡过程时间长。
3、根据趋势曲线，计算在较佳控制参数下的超调量、过渡时间和衰减比等特性参数
从表中比较可得，第二组数据为实验过程中的最优数据，其超调量小、过渡过程时间短，但是其衰减率几乎为100%
4、分析P、I、D三种调节作用对控制效果的影响
P：比例控制是基础，适当加大比例作用可加快响应速度、减小余差，但是过大的比例作用会使系统的稳定性下降；
I：积分控制可消除稳态偏差，但是过大或过小的积分作用会使系统变慢、控制不及时，甚至不稳定。并且积分作用一般不单独使用，常常把比例与积分组合使用；
D：微分控制可改善动态特性，但是其对静态毫无作用，并且在频繁的外扰，如流量、液位和部分压力控制