簡單控制系統投運與參數整定——水箱液位定值控制實驗

3.1 實驗目的：
1．了解單容液位定值控制系統的結構與組成。
2．掌握單容液位定值控制系統調節器參數的整定方法。
3．了解P、PI、PD 和PID 四種調節器分別對液位控制的作用。
3.2 實驗設施：
化工自動化儀表實驗平臺、實驗導線、計算機、MCGS 組態軟件、RS485/232 轉換器。
3.3 實驗原理：
實驗系統流程圖如下圖所示。被控量為液位水箱的液位高度，實驗要求水箱的液位穩定在給定
值的2%～5%范圍內。本裝置中共有三路液位傳感器同時檢測液位水箱的液位高度，可任選一路作
為控制器的反饋信號，本實驗選用電容式壓力變送器作為測量液位的反饋信號，與給定量比較后取
得差值，調節器根據偏差來控制電動調節閥的開度，以達到控制水箱液位的目的。為了實現系統在
階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統的調節器應為PI 或PID 控制，一般在變化量較快的
液位、流量和壓力控制參數中，不采用微分控制，微分雖然可以改善動態調節效果，但其對變化較
快參數的抗干擾能力較差。

7． 在實驗界面中有“通訊成功”標志，表示計算機已和三塊儀表同時建立了通訊關系；若顯
示“通訊失敗”并閃爍，說明有儀表沒有與上位機通訊成功，檢查轉換器、通訊線以及計算機COM
端口設置是否正確；
8．通訊成功后，按經驗法或動態特性參數法等整定調節器參數，選擇PI 控制規律，并按整定
后的PI 參數進行調節器參數設置。
9．點擊實驗界面中“設定值”的數值顯示框，在彈出的對話框中填寫液位設定值，然后點擊“比
例度”“積分時間”“微分時間”，在彈出的對話框中填寫對應的比例度、積分時間和微分時間，在實
驗界面中點擊“自動”按鈕，智能調節儀Ⅰ被設置為“自動”狀態，儀表內部控制算法啟動，打開
離心泵的開關，對被控參數進行閉環控制。
10． 當液位穩定于給定值的2%～5%范圍內，且不在超出這個范圍后，通過以下幾種方式加干
擾：
① 突增（或突減）儀表設定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化（內部擾動）；
② 將閥F1-1 旁路閥F1-2 開至適當開度（外部擾動）；
③ 改變關聯管路的閥門以對系統加入外部擾動，但注意外部擾動加入量應合理，不宜破壞系統
的平衡，超出控制系統的調節能力范圍。
以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的5％～15％，干擾過大可能造成水箱中水溢出或系統不
穩定。通過內部擾動加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態，經過一段調節時間后，水箱液位
穩定至新的設定值（采用后面兩種干擾方法仍穩定在原設定值），記錄此時的智能儀表的設定值、輸
出值和儀表參數，液位的響應過程曲線將如圖所示。

11． 分別適量改變調節儀的P 及I 參數，重復步驟10，用計算機記錄不同參數時系統的階躍響
應曲線。
12． 分別用 P、PD、PID 三種控制規律重復上述步驟，用計算機記錄不同控制規律下系統的階
躍響應曲線。
6.2.5 實驗報告要求
1．畫出單容水箱液位定值控制實驗的系統方框圖。
2．用實驗方法確定調節器的相關參數，寫出整定過程。
3．比較不同PID 參數對系統控制品質產生的影響。
4．分析P、PI、PD、PID 四種控制規律對本實驗系統的作用。
5．選擇其中一種控制規律計算過渡過程的相關參數。