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05双容水箱液位定值控制实验

5双容水箱液位定值控制实验

一、实验目的

1、掌握多容系统单回路控制的特点

2、深入了解PID控制特点。

3、深入研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。

二、实验设备

A3000现场系统，任何一个控制系统。

三、实验原理与介绍

1、系统结构

水从中水箱进入，中水箱闸板开度8毫米，进入下水箱，下水箱闸板

开度5-6毫米。要保证中水箱闸板开度大约下水箱闸板开度，这样控制效

果好些。水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板来

改变。被调量为下水位H。如图5-3-1所示。

实际上，可以通过控制连接到水泵上的变频器来控制压力，效果可能

更好。图5-3-1双容水箱液位定值控制实验

2、控制逻辑结构

双容水箱液位控制系统如图5-3-2所示。

图5-3-2双容水箱液位定值控制实验逻辑图

这也是一个单回路控制系统，它与上一个实验不同的是有两个水箱相

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。

4、参考结果

双容水箱液位控制实验

PI控制器控制曲线如图5-3-3所示：

图5-3-3PI控制器控制曲线

PID控制的曲线具有两个波，然后逐步趋于稳定。由于系统延迟很

大，这个稳定时间非常长。比较好的效果是P=24,I=200，D=2。如图5-

3-4所示：

图5-3-4PID控制曲线

从图可见，增加微分项之后，系统在有10%的扰动下，很快就进入稳

定状态。ADAM模块曲线图：SP=25,P=2,I=2022年00,D=0，如图5-

3-5。

图5-3-5ADAM模块控制曲线图

1、使用比例控制进行双容液位进行控制，要求能够得到稳定曲线，

以及震荡曲线。

2、使用比例积分控制进行流量控制，要求能够得到稳定曲线。设定

不同的积分参数，进行比较。

3、使用比例积分微分控制进行流量控制，要求能够得到稳定曲线。

设定不同的积分参数，进行比较。

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五、实验内容与步骤

1、使用组态软件进行组态。注意实时曲线时间要设定大些，例如15

分钟。因为多容积导致的延迟比较大。

2、在A3000-FS上，打开手阀JV205、JV201，调节中水箱、下水箱

闸板具有一定开度，其余阀门关闭。

3、连线：下水箱液位连接到内给定调节仪输入。内给定调节仪的输

出连接到调节阀的控制端。

4、打开A3000电源。在A3000-FS上，启动右边水泵，给中水箱注

水。

5、按所学理论操作调节器，进行PID设定。首先还是使用P比例调

节，单容实验的P值可以参考。然后再加I值。参见上一实验。

六、思考问题

分析，比较双容系统的最佳积分量I，以及上一实验中的最佳I参

数，再次分析I与被控系统的响应时间有什么关系。

难控制多了，请分析原因。

七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

2、根据曲线，分析P，PI，PID控制大致具有哪些趋势特征。

3、给出各个控制条件下的超调量σp，残差，以及控制稳定所需要的

时间。

4、根据这些数据，分析P、I、D参数对控制系统的影响。