簡單控制系統投運與參數整定―水箱液位定值控制實驗

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。