二、 单容液位定值控制系统
一、实验目的
1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。
2．掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。 3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。 4．了解P 、PI 、PD 和PID 四种调节器分别对液位控制的作用。 二、实验设备
DDD-Z05-I 实验对象及DDD-Z05-IK 控制屏、DDD-Z05-III 电源控制柜一台、SA-12挂件一个、SA-13A 挂件一个、计算机一台、万用表一个、实验连接线若干。
三、实验原理
图3-6 上水箱单容液位定值控制系统
(a)结构图 (b)方框图
本实验系统结构图和方框图如图3-6所示。被控量为锅炉汽包（也可采用上水箱或）的液位高度，实验要求锅炉汽包的液位稳定在给定值。将压力传感器LT2检测到的锅炉汽包液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制锅炉汽包液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI 或PID 控制。
四、实验内容、步骤及结果
本实验选择作上水箱为被测对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F2-14全开，将出水阀门F1-9开至适当开度（40%-70%），其余阀门均关闭。
1. 将SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并
表3-1 仪表单容液位定值控制接线说明
●参考参数：
SV=8CM ;P=20;I=40;D=0Sn=33;CF=0；ADDR=1；diH=50;dil=0;
2．接通总电源空气开关和钥匙开关， 直流电压指示24V ，给压力变送器上
电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给智能仪表上电。
3．打开上位机MCGS 组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS 运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制”，进入实验三的监控界面。
4．设置智能仪表的各个参数(见参考参数), 在监控界面中点击启动仪表。 5．按下电源控制柜启动按钮，打开磁力泵电源旋钮开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使上水箱的液位趋于设定值。
6．按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PI 控制规律，并按整定后的PI 参数进行调节器参数设置。
（一）经验法
δ=50 T I =40s;
δ=20 T I =40s;
δ=1 T I =40s;
δ=5 T I =40s;
δ=10 T I =40s;
图 经验整定（不同pi ）
P 调节快速抵消干扰的影响，同时利用I 调节消除残差，故当比例度小些，最后稳态误差较小。
δ=10 T I =25s;17：39
δ=10 T I =50s;17：57
δ=10 T I =40s;18：01
δ=10 T I =80s;18：07
δ=10 T I =160s;18：12-18：18
分别见图 经验整定（第二组不同pi ）
图 经验整定（第二组不同pi ）
7．待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：
（1）突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面二种仅供参考）
（2）将电动调节阀的旁路阀F1-2（同电磁阀）开至适当开度, 同时打开直流电磁阀的钮子开关；
（3）将进水阀F1-6开至适当开度；（改变负载）
以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图3-7所示。
图3-7 单容水箱液位的阶跃响应曲线
8．分别适量改变调节仪的P 及I 参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。
9．分别用P 、PID 控制规律重复步骤4～8，用计算机记录不同控制规律下
系统的阶跃响应曲线。
PID ：
时间为：12：19，参数：δ=2.2，I=33，D=8.3
图 δ=2.2，I=33，D=8.3阶跃曲线
不同的PID 对应参数为： δ=2.2，I=50，D=8.3
δ=2.2，I=50，D=4
δ=22，I=50，D=4
δ=5，I=50，D=4
δ=5，I=33，D=4
其对应曲线如图不同PID 参数得阶跃曲线所示。
图 不同pid 参数得阶跃曲线
δ=2δk =2.8;
δ=28;
图 δ=2.8和δ=0.28的阶跃曲线
图 δ=28的阶跃曲线
五、实验结果分析
单容液位定值控制系统结构较简单，控制起来比较方便，能准确的控制水箱的液位。其中，参数整定采用的是经验法，通过不同参数的设置 ，再看响应曲线的变化，从而找到了最佳参数。
比例度越小，越快达到稳定。比例调节能快速抵消干扰的影响，同时利用积分调节消除残差，故当比例度小些，最后稳态误差较小。
由于调节器的调节作用是通过控制通道去影响被控参数的，如果控制通道的时间常数T 0太大，则调节器对被控参数变化的调节作用就不够及时，系统的过渡过程时间就会延长，最终导致控制质量下降；但当T 0太小，则调节过程又过于灵敏，容易引起振荡，同时，难以保证控制质量。因此，应使控制通道的时间常数T 0既不能太大，也不能太小，当T 0过大而又无法减小时，可以考虑在控制通道中增加微分环节。
二、 单容液位定值控制系统
一、实验目的
1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。
2．掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。 3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。 4．了解P 、PI 、PD 和PID 四种调节器分别对液位控制的作用。 二、实验设备
DDD-Z05-I 实验对象及DDD-Z05-IK 控制屏、DDD-Z05-III 电源控制柜一台、SA-12挂件一个、SA-13A 挂件一个、计算机一台、万用表一个、实验连接线若干。
三、实验原理
图3-6 上水箱单容液位定值控制系统
(a)结构图 (b)方框图
本实验系统结构图和方框图如图3-6所示。被控量为锅炉汽包（也可采用上水箱或）的液位高度，实验要求锅炉汽包的液位稳定在给定值。将压力传感器LT2检测到的锅炉汽包液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制锅炉汽包液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI 或PID 控制。
四、实验内容、步骤及结果
本实验选择作上水箱为被测对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F2-14全开，将出水阀门F1-9开至适当开度（40%-70%），其余阀门均关闭。
1. 将SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并
表3-1 仪表单容液位定值控制接线说明
●参考参数：
SV=8CM ;P=20;I=40;D=0Sn=33;CF=0；ADDR=1；diH=50;dil=0;
2．接通总电源空气开关和钥匙开关， 直流电压指示24V ，给压力变送器上
电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给智能仪表上电。
3．打开上位机MCGS 组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS 运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制”，进入实验三的监控界面。
4．设置智能仪表的各个参数(见参考参数), 在监控界面中点击启动仪表。 5．按下电源控制柜启动按钮，打开磁力泵电源旋钮开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使上水箱的液位趋于设定值。
6．按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PI 控制规律，并按整定后的PI 参数进行调节器参数设置。
（一）经验法
δ=50 T I =40s;
δ=20 T I =40s;
δ=1 T I =40s;
δ=5 T I =40s;
δ=10 T I =40s;
图 经验整定（不同pi ）
P 调节快速抵消干扰的影响，同时利用I 调节消除残差，故当比例度小些，最后稳态误差较小。
δ=10 T I =25s;17：39
δ=10 T I =50s;17：57
δ=10 T I =40s;18：01
δ=10 T I =80s;18：07
δ=10 T I =160s;18：12-18：18
分别见图 经验整定（第二组不同pi ）
图 经验整定（第二组不同pi ）
7．待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：
（1）突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面二种仅供参考）
（2）将电动调节阀的旁路阀F1-2（同电磁阀）开至适当开度, 同时打开直流电磁阀的钮子开关；
（3）将进水阀F1-6开至适当开度；（改变负载）
以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图3-7所示。
图3-7 单容水箱液位的阶跃响应曲线
8．分别适量改变调节仪的P 及I 参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。
9．分别用P 、PID 控制规律重复步骤4～8，用计算机记录不同控制规律下
系统的阶跃响应曲线。
PID ：
时间为：12：19，参数：δ=2.2，I=33，D=8.3
图 δ=2.2，I=33，D=8.3阶跃曲线
不同的PID 对应参数为： δ=2.2，I=50，D=8.3
δ=2.2，I=50，D=4
δ=22，I=50，D=4
δ=5，I=50，D=4
δ=5，I=33，D=4
其对应曲线如图不同PID 参数得阶跃曲线所示。
图 不同pid 参数得阶跃曲线
δ=2δk =2.8;
δ=28;
图 δ=2.8和δ=0.28的阶跃曲线
图 δ=28的阶跃曲线
五、实验结果分析
单容液位定值控制系统结构较简单，控制起来比较方便，能准确的控制水箱的液位。其中，参数整定采用的是经验法，通过不同参数的设置 ，再看响应曲线的变化，从而找到了最佳参数。
比例度越小，越快达到稳定。比例调节能快速抵消干扰的影响，同时利用积分调节消除残差，故当比例度小些，最后稳态误差较小。
由于调节器的调节作用是通过控制通道去影响被控参数的，如果控制通道的时间常数T 0太大，则调节器对被控参数变化的调节作用就不够及时，系统的过渡过程时间就会延长，最终导致控制质量下降；但当T 0太小，则调节过程又过于灵敏，容易引起振荡，同时，难以保证控制质量。因此，应使控制通道的时间常数T 0既不能太大，也不能太小，当T 0过大而又无法减小时，可以考虑在控制通道中增加微分环节。