C3000实验指导书
实验五、一阶单容水箱液位PID控制实验
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、实验器材
CS2000型过程控制实验装置
配置：C3000过程控制器、实验连接线。
三、实验原理
给定值+-液位变送器PID调节器电调节阀水箱水箱液位 图6-1 一阶单回路PID控制方框图
图6-1为一阶单回路PID控制方框图，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PLC控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，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。
图6-2 P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
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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6-2中的曲线①、②、③所示。
四、实验内容和步骤
此实验以上水箱液位控制水箱的液位为检测对象。
1、 开储水箱进水阀V8，主管路泵阀V1，副管路泵阀V2，主管路阀V4，关闭其他手阀，将
储水箱灌满水。打开上水箱进水阀V11，出水阀V10打开至适当开度。
2、 将上水箱的液位信号送至C3000过程控制器模拟量输入通道1，将模拟量输出通道1信
号送电动调节阀，具体接线如下所述：
1）C3000仪表信号通道1接上水箱液位信号（信号面板通道1），C3000仪表信号通道12接调节阀控制（信号面板通道11）。
2）仪表回路的组态：点击menu——进入组态——控制回路——PID控制
回路PID01的设置，给定方式设为：内给定；测量值PV设为：AI01，其余默认即可，量程0-100。
3、 打开控制台及实验对象电源开关，打开调节仪电源开关，打开主管路泵、电动调节阀、
检测设备电源开关。
4、 进入组态画面，设定输入信号为1-5V电压信号，输出信号为4-20mA电流信号；再进
入调节画面，将调节仪设为手动。比例度P、积分时间I、微分时间D可分别设置。在许多控制系统中，只需要一种或两种回路控制类型。例如只需要比例回路或者比例积分回路。通过设置常量参数，可先选中想要的回路控制类型。如果不想要积分回路，可以把积分时间I设为无穷大（32768）。如果不想要微分回路，可以把微分时间D置为零。如果不想要比例回路，但需要积分或积分微分回路，可以把增益设为100%。首先设定一个初始阀门开度，如10%；切换至监控画面，观察液位变化，当液位趋于平衡时，再进行下一个步骤。 5、 比例（P）调节
1） 设定给定值，将积分时间I设为无穷大（32768），把微分时间D置为零，调整P。
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待液位平衡后点击状态切换按钮，将控制器投入运行。
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）。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。
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（如设定值由50％变
为60％），同样可以得到一条过渡过程曲线。
6、 比例积分（PI）调节
1） 在比例调节实验的基础上，加入积分作用，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。设定给定值，把微分时间D置为零，调整P、I。待液位平衡后点击状态切换按钮，将控制器投入运行。
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。 积分时间常数I 超调量σp 大 中 小 3） 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I下的超调量σp。
比例P 超调量σp 大 中 小 4） 选择合适的P和I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。
7、 比例积分微分（PID）调节
1） 在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，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，由此可看到微分对系统性能的影响。设定给定值，调整P、I、D。待液位平衡后点击状态切换按钮，将控制器投入运行。
2） 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
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1、 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。 2、 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。 3、 作出P调节器控制时，不同δ值下的阶跃响应曲线。 4、 作出PI调节器控制时，不同δ和I值时的阶跃响应曲线。 5、 画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。 6、 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。
六、注意事项
1、 每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。 2、 设定值不可过大，以免溢出。
七、思考题
1、 为什么要强调无扰动切换？
2、 试定性地分析三种调节器的参数δ、（δ、I）和（δ、I和D）。的变化对控制过程各产
生什么影响？
3、 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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实验六、二阶双容水箱液位PID控制实验
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、实验器材
CS2000型过程控制实验装置
配置：C3000过程控制器、实验连接线。
三、实验原理
给定值+-液位变送器PID调节器电调节阀上水箱下水箱水箱液位 图7-1 二阶单回路PID控制方框图
图7-1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功能。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K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、实验内容和步骤
此实验以上、中水箱的液位为控制对象。
1、 储水箱进水阀V8，主管路泵阀V1，副管路泵阀V2，主管路阀V4，关闭其他手阀，将储
水箱灌满水。打开上水箱进水阀V13，将上水箱通中水箱出水阀V31、中水箱出水阀V10打开至适当开度。
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