第三节上水箱液位定值控制系统
一、实验目的
1．了解单闭环液位控制系统的结构与组成。

2．掌握单闭环液位控制系统调节器参数的整定。

3．研究调节器相关参数的变化对系统动态性能的影响。

二、实验设备
1．THJ-2型高级过程控制系统装置
2．计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根
3．万用表1只
三、实验原理
本实验系统的被控对象为上水箱，其液位高度作为系统的被控制量。

系统的给定信号为一定值，它要求被控制量上水箱的液位在稳态时等于给定值。

由反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。

图3-1为本实验系统的结构图，图3-2为控制系统的方框图。

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下无静差，系统的调节器应为PI或PID。

图3-1上水箱液位定值控制结构图
图3-2 上水箱液位定值控制方框图
四、实验内容与步骤
1.先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F1-10、F1-11全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度（50%左右），其余阀门均关闭。

2.接通控制柜总电源，打开漏电保护器及各空气开关，接通空压机电源，并将三相磁力泵、三相电加热管、控制站的各旋钮开关打到开的位置。

控制柜无需接线。

3.在上位机监控界面中点击“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过设定值或输出值旁边相应的滚动条或输出输入框来实现。

4.启动磁力驱动泵，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少输出量，使上水箱的液位平衡于设定值。

5.按经验法或动态特性参数法整定PI调节器的参数，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。

6.分别适量改变调节器的P参数，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。

7.分别用PI、PD、PID三种控制规律重复步骤3～6，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。

8.水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。

（1）P调节：K=5
K=7
（2）PI
K=7、I=20000
K=5、I=2000
（3）PD
K=5、D=10000
K=5、D=5000
（4）PID
K=5、I=20000、D=5000
9.计算
（1）P调节
K=5时:
上升时间为：tr=t2-t1=2:50:22-2:50:04=18(s)
稳态误差=60mm- h(∞)=60mm-53.35mm=6.65mm
K=7时:
上升时间为：tr=t2-t1=2:50:41-2:50:21=20(s)
稳态误差=60mm- h(∞)=60mm-55.41mm=4.59mm （2）PI调节
K=7，I=20000 时:
上升时间：tr=t1-t0=3:08:04-3：07：35=29(s)
峰值时间：tp=t2-t0=3:08:09-3：07：35= 34(s)
调节时间：ts=t3-t0=3:08:36-3：07：35=61(s)
超调量=[hmax- h(∞)]/ [h(∞)-h(0)]*100%=6.8% 稳态误差= h(∞)-60mm=0.69mm（可以忽略不计）
K=5 ，I=20000时 :
上升时间：tr =3:22:58-3：22：31=27(s)
峰值时间：tp= 3:23:06-3：22：31= 35(s)
调节时间：ts= 3:23:30-3：22：31=59(s)
超调量=[hmax- h(∞)]/ [h(∞)-h(0)]*100%=10.9% 稳态误差= h(∞)-60mm=0.11mm（可以忽略不计）（3）PD调节
K=5,D=10000时:
上升时间为t=t2-t1=4:25:57-4:25:36=21(s)
稳态误差=60mm- h(∞)=60mm-52.98mm=7.02mm
K=5,D=5000时:
上升时间为t=t2-t1=4:30:51-4:30:31=20(s)
稳态误差=60mm- h(∞)=60mm-52.81mm=7.19mm
（4）PID
K=5 ,I=20000 ,D=5000时：
上升时间：tr =4：35：50-4：35：19=31(s)
峰值时间：tp= 4：35：57-4：35：19= 38(s)
调节时间：ts= 4：36：02-4：35：19=43(s)
超调量=[hmax- h(∞)]/ [h(∞)-h(0)]*100%=11.1%
稳态误差= 60mm- h(∞)=0.23mm（可以忽略不计）
10.分析
（1）根据实验数据和曲线,分析系统在阶跃扰动作用下的动、静态性能。

分析：系统在阶跃扰动作用下，当比例系数较大时，系统的静态误差也较大，这是因为比例系数会加大幅值；在加入微分环节以后，系统的动态误差明显减小，但调节时间却延长，这是因为微分具有超前的作用，可以增加系统的稳定度。

（2）比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。

Ti：为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而增大，他推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，知道为零，由于积分项的存在会使调节时间增大。

因此，PI控制器可使系统在进入稳太后无稳态误差。

Kp:放大误差的幅值，快速抵消干扰的影响，使系统上升时间降
低，如果仅有比例环节，系统会存在稳态误差。

Td：自动控制系统在克服误差的调解过程中可能会出现振荡甚至失稳，在控制器中仅引入“比例P”往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，他能预测误差的变化趋势。

这样具有比例加微分的控制器，就能够提前十抑制误差的的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重失调。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象，PD控制器能改善系统在调解过程的动态特性。

（3）分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。

P:是基本的控制作用，比例调节对控制作用和扰动作用的响应都很快但会带来余差。

PI: PI调节中P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但是I调节会降低系统的稳定性。

PD:由于微分的超前作用，能增加系统的稳定度，震荡周期变短，减小了误差，但是微风抗干扰能力差，且微分过大易导致调节阀动作向两端饱和。

PID:常规调节器中性能最好的一种调节器，具有各类调节器的优点，具有更高的控制质量。

五、思考题
1.改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？
答：改变比例度δ会是调节器的参数改变，这可能让系统的稳定性受一定的影响，增大比例度会使其超调量增大，使系统变得不稳定。

改变积分时间TI会使系统的精度提高，但也可能造成积分饱和。

2.如采用下水箱做实验，其响应曲线与中水箱或者上水箱的曲线
有什么异同？试分析差异原因。

答：采用下水箱做实验，其滞后时间会更短。

原因：因为水的回路变得更短，弃响应曲线会上升的更快。

3.常见调节器参数的整定方法有哪些？并对其做简要概述。

答:临界比例度法:先用单纯的比例作用试验求出临界比例度,然后整定调节器参数；
衰减曲线法:首先试验求出广义对象的衰减曲线,然后根据衰减曲线来整定调节器参数；
经验法:用经验法来整定调节器参数是通过试凑来实现的。