过程控制实验指导书 - 图文(9)

4.3 单容水箱液位定值控制

实验类型：综合型

一、实验目的

（1）掌握单容水箱液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法； （2）研究P、PI、PD和PID调节器对液位的控制作用。

实验学时：2学时

二、实验原理

本实验系统结构图和方框图如图4-16所示。被控量为中水箱的液位高度，要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。

图4-16 单容自衡水箱对象特性测试系统

1、PID控制规律 （1）比例(P)调节器

纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。其传递函数为：

GC(s)?KP?式中，KP为比例系数，δ为比例带。 （2）比例积分(PI)调节器

1? (4-15)

PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。其传递函数为：

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式中，TI为积分时间。 （3）比例微分(PD)调节器

GC(s)?KP(1+111)?(1+) TIs?TIs(4-16)

这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和，因此一般不用于流量和液位控制系统。PD调节器的传递函数为：

式中，TD为微分时间。

1GC(s)?KP(1+TDs)?(1+TDs)

?(4-17)

（4）比例积分微分(PID)调节器

PID是常规调节器中性能最好的一种调节器。由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。它的传递函数为：

GC(s)?KP(1+111+TDs)?(1++TDs) TIs?TIs(4-18)

图4-17表示了同一对象在相同阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。

图4-17 各种控制规律对应的响应过程

2、调节器参数的整定

一般有两种方法。一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数。另一种是工程实训法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程实训整定法有以下四种：

（1）经验法

若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。表4-1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微分作用，微分时间常数按TD=(1/3～1/4)TI计算。

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表4-1 经验法整定参数 系 统 温 度 流 量 压 力 液 位 （2）临界比例度法

这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=∞，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图4-18所示。

参 数 δ(%) 20～60 40～100 30～70 20～80 TI(min) 3～10 0.1～1 0.4～3 TD(min) 0.5～3

图4-18 具有周期TS的等幅振荡

根据临界比例度δk和振荡周期TS，按表4-2所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到4:1衰减为目标。

表4-2 临界比例度法整定调节器参数

调节器参数 调节器名称 P PI PID δ 2δk 2.2δk 1.6δk TI(S) TS/1.2 0.5TS TD(S) 0.125TS 临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统不会出现等幅振荡。在求取等幅振荡曲线时，应注意控制阀出现开、关的极端状态。

（3）衰减曲线法

在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图4-19所示的4:1衰减过程为止。

图4-19 各种控制规律对应的响应过程

这时的比例度称为4:1衰减比例度，用δS表示之。相邻两波峰间的距离称为4:1衰减周期TS。根据δS和TS，运用表4-3所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。

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表4-3 衰减曲线法计算公式 调节器参数 调节器名称 P PI PID （4）动态特性参数法

动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数（K、T、τ等），利用表4-4所示的经验公式，计算出对应于衰减率为4:1时调节器的相关参数。如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（4:1衰减）就有难度，此时应采用动态特性参数法进行整定。

表4-4 经验计算公式

调节器参数 调节器名称 P PI PID δ(%) Kτ/T 1.1Kτ/T 0.85Kτ/T TI 3.3τ 2τ TD 0.5τ δ(%) δS 1.2δS 0.8δS TI(min) 0.5TS 0.3TS TD(min) 0.1TS 三、预习要求

（1）在预习报告上写出单容水箱液位定值控制的工作原理； （2）了解P、PI、PD和PID四种调节器对液位的控制作用。

四、实验任务

选择下水箱作为被控对象，掌握单容水箱液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法，研究P、PI、PD和PID调节器对液位的控制作用。实验前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-3和F1-7全开，将下水箱出水阀门F1-8的开度开到50%左右，其余阀门均关闭。

五、实验步骤

1、智能调节仪控制

（1）将控制柜上的智能仪表用RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照下面的实训接线图4-20连接实训系统。

智能调节仪1常用参数设置如下，其他参数按照默认设置：

HIAL=9999，LoAL=-1999,dHAL=9999, dLAL =9999, dF=0, CtrL=1,Sn=33, dIP =1, dIL =0, dIH =50, oP1=4, oPL=0, oPH=100,CF=0,Addr=1,bAud=9600。

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图4-20智能仪表单容水箱液位定值控制接线图

（2）在控制柜上，合上三相四线空气开关、三相和单相空气开关给控制柜上电，旋开智能仪表电源，给智能仪表上电；旋开电动调节阀电源开关，给电动调节阀上电。

（3）打开上位机MCGS组态环境，打开“智能调节仪控制”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实训三、单容水箱液位定值控制”，进入实训三的监控界面。

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