实验六、单容水箱液位PID控制系统
一、实验目的
1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。 2、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的阶跃响应。 3、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的抗扰动作用.
4、定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响。
二、实验设备
1、THKGK—1型过程控制实验装置：
GK—02、 GK-03、 GK-04、 GK—07(2台) 2、万用表一只 3、计算机系统
三、实验原理
1、单容水箱液位控制系统
图7-1、单容水箱液位控制系统的方块图
图7-1为单容水箱液位控制系统。这是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响.单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求,故它在过程控制中得到广泛地应用.
当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的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，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作.因此，当一个单回路系统组成以后,如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题.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.
图7—2单容液位控制系统结构图
系统由原来的手动操作切换到自动操作时,必须为无扰动,这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定值无偏差存在。
一般言之,具有比例（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选择合理，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).在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图7-3中的曲线①、②、③所示.
.T( c)312ess10t(s)
图7—3、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
四、 验内容与步骤
1、比例(P）调节器控制
1）、按图7—1所示,将系统接成单回路反馈系统（接线参照实验一)。其中被控对象是上水箱，被控制量是该水箱的液位高度h1。
2）、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益.
3）、在老师的指导下，接通单片机控制屏,并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好准备.
4）、在开环状态下,利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调到等于给定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处)。
5）、观察计算机显示屏上的曲线,待被调参数基本达到给定值后,即可将调节器切换到纯比例自动工作状态(积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关\"的位置,比
例度设置于某一中间值,“正—反\"开关拔到“反”的位置,调节器的“手动”开关拨到“自动\"位置），让系统投入闭环运行.
6)、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，并记录余差大小。 7)、减小δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 8）、增大δ,重复步骤6，观察过渡过程曲线,并记录余差大小. 9)、选择合适的δ值就可以得到比较满意的过程控制曲线.
10）、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。 2、比例积分调节器(PI）控制
1）、在比例调节实验的基础上，加入积分作用（即把积分器“I”由最大处“关\" 旋至中间某一位置，并把积分开关置于“开”的位置），观察被控制量是否能回到设定值,以验证在PI控制下,系统对阶跃扰动无余差存在.
2)、固定比例度δ值(中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp。 表二、δ值不变、不同Ti时的超调量σp 积分时间常数Ti 超调量σp 3）、固定积分时间T i于某一中间值,然后改变δ的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形,并列表记录不同δ值下的超调量σp。 表三、Ti值不变、不同δ值下的σp 比例度δ 超调量σp 大 中 小 大 中 小 4)、选择合适的δ和Ti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。 3、比例积分微分调节(PID)控制
1）、在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把D打开。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,并与实验步骤（二）所得的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。
2)、选择合适的δ、Ti和Td，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)、用计算机记录实验时所有的过渡过程实时曲线,并进行分析。
五、注意事项
1、实验线路接好后,必须经指导老师检查认可后才能接通电源. 2、必须在老师的指导下,启动计算机系统和单片机控制屏。 3、若参数设置不当,可能导致系统失控，不能达到设定值。
六、实验报告要求
1、绘制单容水箱液位控制系统的方块图。
2、用接好线路的单回路系统进行投运练习，并叙述无扰动切换的方法。 3、P调节时，作出不同δ值下的阶跃响应曲线。
4、PI调节时，分别作出Ti不变、不同δ值时的阶跃响应曲线和δ不变、不同Ti值时的阶跃响应曲线。
5、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。 6、比较P、PI和PID三种调节器对系统余差和动态性能的影响.
实验七、双容水箱液位PID控制系统
一、实验目的
1、熟悉单回路双容液位控制系统的组成和工作原理. 2、研究分别用P、PI和PID调节器时系统的动态性能.
3、定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响. 4、掌握临界比例度法整定调节器的参数。 5、掌握4:1衰减曲线法整定调节器的参数。
二、实验设备
1、THKGK—1型过程控制实验装置：
GK—02、 GK-03、 GK-04、 GK-07(2台） 2、万用表一只 3、计算机系统
三、实验原理
图8—1、双容水箱液位控制系统的方框图
图8—1为双容水箱液位控制系统。这是一个单回路控制系统,它与实验六不同的是有两个水箱相串联，控制的目的既要使下水箱的液位高度等于给定值所期望的值,又要具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。显然，这种反馈控制系统的性能主要取决于调节器GK—04的结构和参数的合理选择.由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。对于阶跃输入（包括阶跃扰动)，这种系统用比例（P）调节器去控制,系统有余差，且与比例度近似成正比，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δ和Ti选择得合理，也能使系统具有良好的动态性能。
图8—2、双容水箱液位控制结构图
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、实验内容与步骤
1、比例（P)调节器控制
1）、按图8-1所示，将系统接成单回路反馈控制系统(接线参照实验一)。其中被控对象是下水箱，被控制量是下水箱的液位高度h2.
2）、启动工艺流程并开启相关的仪器,调整传感器输出的零点与增益。
3）、在老师的指导下，接通单片机控制屏,并启动计算机监控系统,为记录过渡过程曲线作好准备。
4）、在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被控制量调到等于给定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处)。
5）、观察计算机显示屏上的曲线,待被调参数基本达到给定值后,即可将调节器切换到纯比例自动工作状态（积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关”的位置，比例度设置于某一中间值，“正—反”开关拔到“反”的位置,调节器的“手动\"开关拨到“自动\"位置）,让系统投入闭环运行。
6）、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，并记录余差大小.
7）、减小δ,重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 8)、增大δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小. 9）、选择合适的δ值就可以得到比较满意的过程控制曲线.
10)、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。
表一、不同δ时的超调量σp 比例度δ 大 超调量σp 2、比例积分调节器（PI)控制
1)、在比例调节实验的基础上，加入积分作用（即把积分器“I\"由最大处旋至中间某一位置,并把积分开关置于“开”的位置)，观察被控制量是否能回到设定值，以验证在PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在.
中 小
2）、固定比例度δ值(中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp。
表二、δ值不变、不同Ti时的超调量σp 积分时间常数Ti 大 超调量σp 中 小 3）、固定积分时间T i于某一中间值，然后改变δ的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同δ值下的超调量σp。
表三、Ti值不变、不同δ值下的σp 比例度δ 大 超调量σp 中 小 4）、选择合适的δ和Ti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。此曲线可通过增大设定值（如设定值由50%变为60％)来获得. 3、比例积分微分调节器（PID）控制
1）、在PI调节器控制实验的基础上,再引入适量的微分作用,即把D打开。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，并与实验步骤(二）所得的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。
2)、选择合适的δ、Ti和Td，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)、用秒表和显示仪表记录一条较满意的过渡过程实时曲线。 4、用临界比例度法整定调节器的参数
在实际应用中,高阶系统PID调节器的参数常用下述临界比例度法来确定.用临界比例度法去整定PID调节器的参数既方便又实用。它的具体做法是：
1）、待系统稳定后，将调节器置于纯比例P控制。逐步减小调节器的比例度δ，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，则表示比例度调节得过小，应适当增大，使之出现如图8—4所示的等幅振荡。 图8—3为它的实验方块图。
图8-3、具有比例调节器的闭环系统
2)、在图8—3所示的系统中,当被调量作等幅振荡时，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Tk.据此，按下表所列出的经验数据确定PID调节器的三个参数δ、Ti和Td 。
h(t) Tk 0 t
图8—4、具有周期TK的等幅振荡
表四 、用临界比例度δk整定PID调节器的参数
调节器参数 调节器名称 P PI PID δk 2δk 2。2δk 1。6δk Ti（S） Tk/1。2 0。5Tk Td(S） 0.125Tk 3）、必须指出，表格中给出的参数值是对调节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Td）作适当调整。 5、用衰减曲线法整定调节器的参数：
与临界比例度法类似，不同的是本方法先根据由实验所得的阻尼振荡衰减曲线（为4 ：1），求得相应的比例度δs和曲线的振荡周期Ts，然后按表五给出的经验公式，确定调节器的相关参数.获得系统的输出响应曲线按4：1衰减的具体步骤如下：
1）、置调节器积分时间Ti到最大值（Ti=∞),微分时间Td为零（Td=0),比例度δ为较大值，让系统投入闭环运行。
2）、待系统稳定后,作设定值阶跃扰动,并观察系统的响应。若系统响应衰减太快，则增大比例度；反之，系统响应衰减过慢，应减小比例度.如此反复直到系统出现如图8—5所示4:1的衰减振荡过程.
Ts y 0 t(s)
图8—5、4：1衰减响应曲线
记下此时的比例度δs和振荡周期 Ts的数值。
3）、利用δs和Ts值，按表五给出的经验公式，求调节器参数δ、Ti和Td数值。 表五 4：1衰减曲线法整定计算公式 调节器参数 δ 调节器名称 P δs PI 1。2δs Ti 0。5Ts Td
PID 0。8δs 0。3Ts 0。1Ts
五、注意事项
1、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源.
2、水泵启动前，出水阀门应关闭，待水泵启动后，再逐渐开启出水阀，直至某一适当开度。
3、在老师的指导下，开启单片机控制屏和计算机系统。
六、实验报告要求
1、画出双容水箱液位控制实验系统的结构图。
2、按图8—2 要求接好实验线路,经老师检查无误后投入运行。
3、用临界比例度法和衰减曲线法分别计算P、PI、PID调节的参数,并分别列出系统在这三种方式下的余差和超调量。
4、作出P调节器控制时，不同δ值下的阶跃响应曲线。 5、作出PI调节器控制时，不同δ和Ti值时的阶跃响应曲线。
6、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D对系统性能的影响。 7、综合评价P、PI、和PID三种调节器对系统性能的影响。
实验八、水箱压力PID控制系统
一、实验目的
1、了解压力传感器的结构原理及使用方法。 2、研究单回路压力PID控制系统. 3、掌握手动/自动无扰动切换的方法。 4、学会用反应曲线法对PID参数进行整定。
二、实验装置
1、THKGK-1型过程控制实验装置:
GK—02、 GK—03 GK—04、 GK—07（2台） 2、计算机及监控软件
三、实验原理
1、压力传感器变送原理简介
此压力变送器的敏感核心采用了高性能的硅压阻式压力充油芯体，内部的专用集成电路将传感 器毫伏信号转换成标准远距离的传输电流或电压信号，可以直接与计算机接口卡、控制仪表、智能仪表或PLC等方便连接，该系列产品广泛应用于工业过程控制、石油、化工、冶金等行业.
2、单回路压力控制系统方框图
图10-1、单回路压力控制系统
图10-2、单回路压力控制系统结构图
单回路压力控制系统如图10—1所示.系统如要实现无扰动地由手动操作切换到自动运行，则要求调节器能自动地跟踪手动输出，且要在切换时使测量值与给定值无偏差存在。
改变PID调节器参数 δ、Ti和Td都会影响系统的动态特性.整定调节器参数通常有临界比例度法、衰减振荡法。由于本系统的被控对象是一阶惯性环节、且时间滞后很小，
所以很难产生振荡曲线,因此我们在这里采用反应曲线法来整定系统的参数。
四、实验内容与步骤
1、按图10-1所示，将系统接成单回路反馈系统（接线参照实验一）。其中被控对象是上水箱,被控制量是上水箱的液体压力。
2、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益（参考第一部分）。
3、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统,为记录过渡过程曲线作好准备。
4、在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调到等于给定值(一般把液位高度控制在水箱高度的50％点处)。
5、反复调节手动输出值，使给定值与反馈值基本上保持相等且稳定后,把手动开关拨到自动，实现无扰动切换。
6、用反应曲线法整定系统参数： 1）将调节器置于手动状态,并使调 节器输出一个阶跃信号，记录被控制量压 力的响应曲线如图10—3所示.由该图可确 定て、T和K,其中K按下式确定
K = y(∞)-y(0） / X0 (式中X0为给定值 ）
h (t) Y（∞) て T t 图 10—3、 阶跃响应曲线
根据所求的K、T和て，利用下表所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：1时调节器的相关参数.
反应曲线法整定计算公式 调节器参数 δ(%） 控制规律 P Kて/ T PI 1.1Kて/ T PID 0。85Kて/ T Ti 3.3て 2て Td 0.5て 五、注意事项
在老师的指导下接入单片机控制屏并启动计算机监控系统。
六、实验报告要求
1、写出常规的实验报告内容。 2、叙述无扰动切换的方法。
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