实验2 液位单回路控制系统的设计、分析与调试

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、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线；

3、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。

二、实验设备

AE2000B型过程控制实验装置

三、实验原理

扰动 PID控制器 + ─ 液位变送器 电动调节阀 上小水箱 液位 给定

图1 实验原理图

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。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上小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。当调节方案确定后，就要整定调节器的参数，一个单回路系统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。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题，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，而且与系统的动态性能也密切相关。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）。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

四、实验内容和步骤

1. 设备的连接和检查

1） 将AE2000B 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）；

2） 打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀；

3） 打开上水箱的出水阀至适当开度； 4） 检查电源开关是否关闭。 2. 启动实验装置

1）将实验装置电源插头接到单相220V的单相电源上；

2）打开总电源漏电保护空气开关，电压表指示220V，电源指示灯亮； 3）打开电源开关，即可开启电源；

4）开启电动调节阀电源、24V电源，调整好仪表各项参数。

+ - IN0 IN1 OUT DC24V 1~5V 1~5V 4~20mA + - 24V输出 + - 水箱液位 + - 调节阀

图3 上水箱液位PID参数整定控制接线图

比例调节控制

1）设定给定值，调整P参数；

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，或选择开启动力支路加入扰动（开度要小，大概在20%左右））。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。（参考值：从10cm~15cm）

3）减小P重复步骤2，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 4）增大P重复步骤2，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

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，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。

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，即在控制器上设置I参数不为0，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。

3）固定Ti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Ti下的超调量σp。

4）选择合适的P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来获得。

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、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。 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。

五、实验报告要求

1、记录P、PI、PID控制时，不同调节参数所产生的余差；

2、作出P调节器控制时，不同δ值下的阶跃响应曲线； 3、作出PI调节器控制时，不同δ和Ti值时的阶跃响应曲线； 4、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。

六、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、为保护仪表及用电设备的使用寿命实验完毕，先关闭所有电源开关，再关电源总开关。

七、思考题

1、试定性地分析三种调节器的参数δ、（δ、Ti）和（δ、Ti和Td）的变化对控制过程各产生什么影响？

2、如何实现减小或消除余差、纯比例控制能否消除余差？