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P重复步骤5，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 8）增大P重复步骤5，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
9）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（如设定 值由50％变为60％），同样可以得到一条过渡过程曲线。
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“I”（积分器）由最大处（“关”） 旋至中间某一位置，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ζp。 表一 不同Ti时的超调量ζp 积分时间常数大 Ti 超调量ζp 3）Ti、Td固定于某一中间值，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ζp。 表二 不同δ值下的ζp 比例P 超调量ζp 大 中 小 中 小 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（如设定值由50%变为60%）来获得。 （三）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，即把在仪表上设置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，并与实验（二）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（阶跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现）。
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。 （四）用临界比例度法整定调节器的参数
在实现应用中，PID调节器的参数常用下述实验的方法来确定。用临界比例
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度法去整定PID调节器的参数是既方便又实用的。它的具体做法是：
1）待系统稳定后，逐步减小调节器的比例度δ（即1/P），并且每当减小一次比例度δ，待被调量回复到平衡状态后，再手动给系统施加一个5%~15%的阶跃扰动，观察被调量变化的动态过程。若被调量为衰减的振荡曲线，则应继续减小比例度δ，直到输出响应曲线呈现等幅振荡为止。如果响应曲线出现发散振荡，则表示比例度调节得过小，应适当增大，使之出现等幅振荡。图4-3为它的实验方块图。
r (t)??¨?+e-??? ?±÷???÷????????±C(t)???
ì????图4-3 具有比例调节器的闭环系统
2）在图4-3所示的系统中，当被调量作等幅荡时，此时的比例度δ就是临界比例度，用δk表示之，相应的振荡周期就是临界周期Tk。据此，按下表可确定PID调节器的三个参数δ、Ti和Td。
C(t)
0Tkt
图4-4 具有周期TK的等幅振荡
表三 用临界比例度δk整定PID调节器的参数 调节器参数 调节器名称 P PI PID 2δk 2.2δk 1.6δk Tk/1.2 0.5Tk 0.125Tk δk Ti(S) Td(S) 3）、必须指出，表格中给出的参数值是对调节器参数的一个初略设计，因为它是
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根据大量实验而得出的结论。若要就得更满意的动态过程（例如：在阶跃作用下，被调参量作4：1地衰减振荡），则要在表格给出参数的基础上，对δ、Ti（或Td）作适当调整。 实验报告要求
1）画出单容水箱液位控制系统的方框图。
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）用临界比例度法整定调节器的参数，写出三种调节器的余差和超调量。 4）作出P调节器控制时，不同δ值下的阶跃响应曲线。 5）作出PI调节器控制时，不同δ和Ti值时的阶跃响应曲线。 6）画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。 7）比较P、PI和PID三种调节器对系统无差度和动态性能的影响。 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。 思考题
1）实验系统在运行前应做好哪能些准备工作？ 2）为什么要强调无扰动切换？
3）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？
4）如何实现减小或消除余差？纯比例控制能否消除余差？
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实验五 双容下小水箱液位控制实验
一、实验目的
1）熟悉单回路双容液位控制系统的组成和工作原理。 2）研究系统分别用P、PI和PID调节器时的控制性能。 3）定性地分析P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。 二、实验设备
1）AE2000型过程控制实验装置、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根。 2）万用表一只 3)系统结构框图
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三、实验原理 给定
图5-1 双容水箱液位控制系统的方框图
图5-1为双容水箱液位控制系统。这也是一个单回路控制系统，它与实验四不同的是有两个水箱相串联，控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度；具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于调节器Gc（S）的结构和参数的合理选择。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。
对于阶跃输入（包括阶跃扰动），这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度成正比，若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数δ和Ti调节得合理，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的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。 四、实验内容
（一）比例（P）调节器控制
1）按图5-1所示的结构接成单回路的实验系统。其中被控对象是下水箱，被控制量是下水箱的液位高度。
2）把调节器置于“手动”状态，其智能仪表的积分时间常数置于0，微分时间常数置于0，比例设置于最大值处，即此时的调节器为比例调节（P）。 3）开启相关仪器和计算机软件，进入相应的实验，如图所示：
+ ─ 智能调节仪 电动阀 扰动 扰动 液位 上小水箱 下小水箱 液位变送器 40