实验3、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调节器时的阶跃响应。
3）、研究系统分别用P、PI调节器时的抗扰动作用。
4）、定性地分析P、PI调节器的参数变化对系统性能的影响。
二、实验设备
1）、THGK-1型过程控制实验装置：
GK-04 GK-06 GK-07-2
2）、万用表一只
3）、秒表一只
4）、计算机系统
三、实验原理
1、单容水箱液位控制系统
图6-1、单容水箱液位控制系统的方块图
图6-1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；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。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，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 图6-3、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
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6-3中的曲线①、②、③所示。
四、实验内容与步骤
（一）、比例（P）调节器控制
1）、按图6-1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。
（二）、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
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
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。
五、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。
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）、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。
七、思考题
1）、如何实现减小或消除余差？纯比例控制能否消除余差？
2）、试定性地分析调节器的参数δ、（δ、Ti）。的变化对控制过程各产生什么影响？
第二篇：实验二(单容水箱液位PID控制实验)实验报告电子版20xx
电子科技大学中山学院学生实验报告
系别： 机电工程学院 专业： 自动化 课程名称：过程控制与自动化仪表
