实验二、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 T( c). 3 1 0 2 1 e ss t(s) 

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。 四、 实验内容与步骤 1、比例（P）调节器控制 图 7-3、P、PI 和 PID 调节的阶跃响应曲线 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 大 中 小 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 大 比例度δ 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。