學院：專業電氣工程及其自動化
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單容水箱液位定值(隨動)控制實驗，定性分析p,pi、pd控制器特性。控制邏輯如圖1所示：
1、實驗方案
水流入量qi由調節閥u控制，流出量qo則由使用者通過負載閥r來改變。被調量為水位h。使用p,pi , pid控制，看控制效果，進行比較。
2、控制策略
使用pi、pd、pid調節
3、實驗步驟
1) 使用組態軟體進行組態。數值定義為0～100。實時曲線時間定義為5～10min。
2) 在a3000-fs上，開啟手閥jv206、jv201，調節下水箱閘板具有一定開度，其餘閥門關閉。
3) 連線：下水箱液位連線到內給定調節儀輸入。內給定調節儀的輸出連線到調節閥的控制端。
4) 開啟a3000電源，開啟電動調節閥開關。
5) 在a3000-fs上，啟動右邊水幫浦（p102），給下水箱v104注水。
6) lt103→控制器→fv101單迴路定值以及數學模型的實驗。
7) 按所學理論操作調節器，分別進行p、pi、pid設定。
簡單設定規則：首先把p設定到30，i關閉（調節儀i>3600關閉），d關閉（調節儀d=0關閉）等水位低於40%，然後開啟水幫浦，開始控制。設定值60%。
一般p越大，則殘差越大。可以減少p，直到出現振盪。則不出現振盪前的那個最小值就是p。
pi控制首先確認上次的p，我們可以不改變這個p值，也可以增加10%。然後把i設定為1800。關閉水幫浦，等水位低於40%，然後開啟水幫浦，開始控制。
設定值60%。觀察控制曲線的趨勢，如果出現恢復非常慢，則可以減少i，直到恢復比較快，而沒有出現振盪，超調也不是非常大。
最後逐步增加d，使得控制更快速，一般控制系統有pi控制就可以了。
4、實驗結果
單容水箱液位控制實驗
下閘板頂到鐵槽頂距離(開度): 卡尺直接量7mm,使用紙板對齊畫線測量6.5mm。
比例控制器控制曲線如圖所示。多個p值的控制曲線繪製在同乙個圖2上：
圖2 比例控制器控制曲線
從圖可見p=16時，有振盪趨勢，p=24比較好。殘差大約是8%。
pi控制器控制曲線如圖3所示。選擇p=24，然後把i從1800逐步減少。
圖3 pi控制器控制曲線
如圖所示，在這裡i的大小對控制速度影響已經不大。從i=5時出現振盪，並且難以穩定了。i的選擇很大，8-100都具有比較好的控制特性，這裡從臨界條件，選擇i=8到20之間。
pid控制器控制曲線如圖4所示：
圖4 pid控制器控制曲線
p=24,i=20,d=2或4都具有比較好的效果。從控制量來看，p=24,i=8,d=2比較好。
adam4000模組控制的結果如圖5所示。
圖5從圖可見，p=4，i=8000，d=2000控制效果是最好的。
由上圖得：p=30， i=4， d=0時液位比較穩定
單容雙容水箱液位定值(隨動)控制實驗全部測量點，演算法組態一樣，不同的是設定值和結果。
1、實驗方案
水流入量qi由調節閥u控制，流出量qo則由使用者通過負載閥r來改變。被調量為下水位h。使用pid控制，看控制效果。
2、控制策略
使用pid調節。
3、實驗步驟
1) 使用組態軟體進行組態。注意實時曲線時間要設定大些，例如15分鐘。因為多容積導致的延遲比較大。
2) 在a3000-fs上，開啟手閥jv205、jv201，調節中水箱、下水箱閘板具有一定開度，其餘閥門關閉。
3) 連線：下水箱液位連線到內給定調節儀輸入。內給定調節儀的輸出連線到調節閥的控制端。
4) 開啟a3000電源。
5) 在a3000-fs上，啟動右邊水幫浦（p102），給中水箱v103注水。
6) lt104→控制器→fv101單迴路定值以及數學模型的實驗。
7) 按所學理論操作調節器，進行pid設定。首先還是使用p比例調節，單容實驗的p值可以參考。然後再加i值。參見實驗10。
4、參考結果
雙容水箱液位控制實驗
下閘板頂到鐵槽頂距離(開度): 卡尺直接量7 mm,使用紙板對齊畫線測量6.5mm.。
中閘板頂到鐵槽頂距離(開度): 卡尺直接量11 mm,使用紙板對齊畫線測量10mm。從定性分析，中間水箱的出水口應該比下面的大些，否則可能很難控制。
pi控制器控制曲線如圖1所示：
圖1 pi控制器控制曲線
pid控制的曲線具有兩個波，然後逐步趨於穩定。由於系統延遲很大，這個穩定時
間非常長。比較好的效果是p=24, i=200，d=2。如圖2所示：
圖2 pid控制曲線
從圖可見，增加微分項之後，系統在有10%的擾動下，很快就進入穩定狀態。
adam模組曲線圖：sp=25, p=2, i=200000, d=0
由圖得當p=10， i=40, d=0 是系統穩定。
與雙容水箱液位定值(隨動)控制實驗全部測量點，演算法組態一樣，不同的是設定值和結果。
1、實驗方案
水流入量qi由調節閥u控制，流出量qo則由使用者通過負載閥r來改變。被調量為下水位h。使用pid控制，看控制效果。
2、控制策略
使用pid調節。
3、實驗步驟
1) 使用組態軟體進行組態。注意實時曲線時間要設定大些，例如15分鐘。因為多容積導致的延遲比較大。
2) 在a3000-fs上，開啟手動調節閥jv204、jv201，調節上、中、下水箱閘板具有一定開度，其餘閥門關閉。
3) 連線：下水箱液位連線到內給定調節儀輸入。內給定調節儀的輸出連線到調節閥的控制端。
4) 開啟a3000電源。開啟電動調節閥開關。
5) 在a3000-fs上，啟動右邊水幫浦（p102），給上水箱v102注水，同時中水箱v103、下水箱v104分別由上、中水箱注水。
6) lt103→控制器→fv101單迴路定值以及數學模型的實驗。
7) 按所學理論操作調節器，進行pid設定。首先還是使用p比例調節，單容實驗的p值可以參考。然後再加i值。參見實驗10。
4、參考結果
三容水箱液位控制實驗
下閘板頂到鐵槽頂距離(開度): 卡尺直接量7 mm,使用紙板對齊畫線測量6.5mm。
中閘板頂到鐵槽頂距離(開度): 卡尺直接量11 mm,使用紙板對齊畫線測量11mm。
上閘板頂到鐵槽頂距離(開度): 卡尺直接量11 mm,使用紙板對齊畫線測量12mm。
adam4000開始，p=2,i=1000秒，d=2秒，pid控制曲線如圖1所示。
從圖上可見，該系統的穩定時間非常長，大約1小時。
由圖得當p=20， i=60， d=0 是系統穩定。
串級試驗包括液位串級控制和換熱器串級控制實驗。這裡介紹液位串級。液位比溫度實驗好做得多。
串級控制系統框圖如圖2所示。
各個迴路獨立調整結束，使得主調節器輸出與副調節器給定值相差不是太遠。我們利用前面的實驗中的pid資料。而副控制器只進行p調節。
副迴路對v103液位進行控制，這個反應比較快，副迴路的控制目的是很快把流量控制回給定值。可以通過另乙個動力支路加入部分液位干擾。
主迴路對v104液位進行控制，由於控制經過了v103，時間延遲比較大。可以在v104中加入主迴路干擾，要平衡這個干擾，則需要經過流量調整，通過v103來平衡這個變化。
1、實驗方案
被調量為調節閥開度，控制目標是水箱v104液位。
首先實現副迴路的控制，主要目的獲得p引數，通過測量液位，控制調節閥，使得v104保持到給定值。如果已經進行了v103的單容定值實驗，則該步可以不做。
然後實現主迴路的控制，通過測量v104液位，然後控制調節閥，從而也使得v104液位盡量保持到給定值。
然後進行兩個控制迴路的連線，把主迴路的輸出連線到副迴路的給定值。從而形成串級控制。注意盡量無擾切換。
2、控制策略
使用兩個pid調節。副迴路調節器只比例控制。
3、實驗步驟：
1) 在a3000-fs上，開啟手動調節閥jv201、jv205，調節中水箱、下水箱閘板具有一定開度，其餘閥門關閉。
2) 按照列表進行連線。或者按如下操作：在a3000-cs上，將中水箱液位（lt102）連到內給定調節儀輸入端，輸出端連線到電動調節閥（fv101）輸入端。
3) 在a3000-fs上，啟動右邊水幫浦（p102），給中水箱v103注水。
4) 首先進行副迴路比例調節，獲得p值。
5) 切換至單主迴路控制狀態：斷開中水箱液位與內給定調節儀的連線，將下水箱液位連到內給定調節儀輸入端。調整主控制迴路（調節p、i值即可），對主控制器或調節器進行工作量設定。
6) 關閉閥門jv205，當中水箱液位降低2cm高度，開啟閥門，觀察控制曲線。
7) 切換到串級控制狀態（此時最好無擾動）：將中水箱液位連到外給定調節儀輸入端，內給定調節儀輸出端連線到外給定調節儀的外給定端子，外給定調節儀的輸出連線到調節閥。重複第6步。
改變給定值，記錄控制曲線。
4、參考結果
副迴路p引數設定：adam4000模組p=4
主迴路pid引數設定：p=3.5，i=100s。
單主迴路加擾動後控制曲線如圖3所示。
圖3 單主迴路加擾動後控制曲線
系統平衡所需要的時間10分鐘。
串級控制曲線如圖4所示。
圖4串級控制曲線
系統平衡所需要的時間不超過3分鐘。可見串級控制對於副迴路內的擾動，可以快速平衡。
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