双容水箱特性的测试(课堂参照)

双容水箱液位定值控制系统实验双容水箱液位定值控制系统一、实验目的1( 通过实验，进一步了解双容对象的特性。

2( 掌握调节器参数的整定与投运方法。

3( 研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。

二、实验设备1( THJ-2型高级过程控制系统装置。

2( 计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根3( 万用表一只三、实验原理本实验系统以中水箱与下水箱为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被图6-1 双容液位定值控制系统结构图控制量。

基于系统的给定量是一定值，要求被控制量在稳态时等于给定量所要求的值，所以调节器的控制规律为PI或PID。

本系统的执行元件既可采用电动调节阀，也可用变频调速磁力泵。

如果采用电动调节阀作执行元件，则变频调速磁图6-2 双容液位定值控制系统方框图力泵支路中的手控阀F2-4或F2-5打开时可分别作为中水箱或下水箱的扰动。

图6-1为实验系统的结构图，图6-2为控制系统的方框图。

四、实验内容与步骤1( 图6-1所示，完成实验系统的接线。

2( 接通总电源和相关仪表的电源。

3( 打开阀F1-1、 F1-2、F1-7、F1-10和F1-11，且使F1-10的开度大于F1-11的开度。

4( 用实验四(上册)中所述的临界比例度法或4:1衰减振荡法整定调节器的相关参数。

5( 设置系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，控制电动调节阀给中水箱打水，待中水箱液位基本稳定不变且下水箱的液位等于给定值时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。

6( 启动计算机，运行MCGS组态软件软件，并进行下列实验:1)当系统稳定运行后，突加阶跃(给定量增加5%,15%)，观察并记录系统的输出响应曲线。

2)待系统进入稳态后，启运变频器调速的磁力泵支路，分别适量改变阀F2-4或阀F2-5的开度(加扰动)，观察并记录被控制量液位的变化过程。

7.通过反复多次调节PI的参数，使系统具有较满意的动态性能指标。

8.序言工业液体的液位控制系统是工业生产中比较典型的控制应用之一，双容水箱液位的控制作为过程控制的典型代表，是众多过程控制专家研究的热点之一，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用，其中控制装置的可靠性与控制方案的准确性一直是影响整个系统性能的关键。

为了从应用角度理解并提高用理论解决实际问题的能力，我在现有液位系统的基础上对控制器及控制算法的改进进行实验性的开发和研究，由于其自身存在滞后、非线性特性及控制系统比较复杂的特点，系统状态、系统参数和控制算法都直接影响控制精度，在传统的油库发油、炼化等行业中，应用单片机对液位的控制，存在计量不精确、失控和安全性差等问题。

为了克服这些缺点，本设计采用西门子公司S7-300系列PLC和WINCC工业组态软件来实现对双容水箱液位的控制。

S7-300系列是一类可编程控制器，可以满足多种多样的自动化控制需要，在工业控制中得到广泛应用。

随着科学技术的飞速发展,PLC 已进入日常生产的各个方面,PLC 的应用在各行各业已成为必不可少的内容。

PLC 是继电器技术和“3C 技术”(计算机、控制、通信)的综合体,是一种控制机器动作顺序的“程控型”控制装置。

他能适应工厂环境要求,工作可靠体积小,功能强,而且“用途可随时改变”.长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。

目前,在电气控制领域,国内外普遍采用PLC。

特别是最近几年的冶金行业中,PLC以其在工业恶劣环境下仍能高可靠性工作,及抗干扰能力强的特点而获得更为广泛的使用。

PLC将电气、仪表、控制这三电集于一体,可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统,以适应各种工业控制的需要。

随着微电子技术的快速发展,PLC的制造成本不断下降,而其功能却大大增强。

在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备,应用几乎覆盖了所有工业企业,日益跃居现代工业自动化三大支(PLC,ROBOT,CAD/CAM)的主导地位。

一、实验目的1. 了解双容水箱液位控制系统的基本原理和组成。

2. 掌握双容水箱液位控制系统的建模、仿真和实验方法。

3. 学习PID控制算法在双容水箱液位控制系统中的应用。

4. 分析不同控制策略对系统性能的影响，优化控制参数。

二、实验设备1. 双容水箱系统：包括两个水箱、阀门、传感器、执行器等。

2. 控制器：采用PID控制器进行液位控制。

3. 电脑：用于数据采集、仿真和参数调整。

4. MATLAB软件：用于系统建模、仿真和数据分析。

三、实验原理双容水箱液位控制系统主要由水箱、传感器、执行器和控制器组成。

系统的工作原理如下：1. 传感器检测水箱液位，并将液位信号传输给控制器。

2. 控制器根据预设的液位设定值和当前液位值，计算出控制信号。

3. 执行器根据控制信号调整阀门开度，控制进水流量和出水流量。

4. 通过调节进水流量和出水流量，使水箱液位保持在设定值附近。

四、实验步骤1. 系统建模：根据实验设备，建立双容水箱液位控制系统的数学模型。

模型包括水箱的液位方程、进水流量方程和出水流量方程。

2. 系统仿真：在MATLAB中，根据建立的数学模型进行系统仿真。

仿真过程中，调整PID控制器的参数，观察不同参数对系统性能的影响。

3. 实验验证：将PID控制器连接到实际双容水箱系统，进行实验验证。

通过改变液位设定值，观察系统响应和稳定性。

4. 参数优化：根据实验结果，调整PID控制器的参数，使系统性能达到最优。

五、实验结果与分析1. 系统仿真结果：在MATLAB中，通过仿真实验，观察到不同PID控制器参数对系统性能的影响。

结果表明，参数的合理选择对系统性能有显著影响。

2. 实验验证结果：将PID控制器连接到实际双容水箱系统，进行实验验证。

实验结果显示，系统响应速度快，稳定性好，能够有效控制水箱液位。

3. 参数优化结果：根据实验结果，对PID控制器的参数进行优化。

优化后的参数能够使系统在较短时间内达到稳定状态，并保持较高的响应速度。

实验项目名称：（所属课程：）学院：专业班级：姓名：学号：实验日期：实验地点：合作者：指导教师：本实验项目成绩：教师签字：日期：一、实验目的1．通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。

2．掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定与投运方法。

3．研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。

4．研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。

5．掌握双容液位定值控制系统采用不同控制方案的实现过程。

二、实验条件THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台。

三、实验原理图2-4 单容液位定值控制系统原理框图四、实验内容与要求本实验选择中水箱液位作为被控参数，上水箱流入量为控制参数。

实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7和F1-11全开，将中水箱出水阀F1-10开至适当开度（50%左右，上水箱出水阀开到70%左右），其余阀门均关闭。

按以下步骤进行实验。

1.根据系统组成方框图接线，如图2-5所示。

2.接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相1、单相对性空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。

3.打开上位机“组态王”组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入组态王运行环境，在主菜单中点击“实验四、双容液位定值控制系统”，进入实验四的监控界面。

4.在上位机监控界面中点击“启动仪表”，将智能仪表设置为“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。

值得注意的是手自动切换的时间为：当中水箱液位基本稳定不变（一般约为3～5cm）且下水箱的液位趋于给定值时切换为最佳。

5.合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使中水箱的液位平衡于设定值。

6.按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。

图2-5 智能仪表控制单容液位定值控制实验接线图7.待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动控制状态。

实验1 二阶双容中水箱对象特性测试实验一、实验目的1、熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线；2、根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的飞升特性。

二、实验设备AE2000B 型过程控制实验装置、实验连接线图1 双容水箱系统结构图三、原理说明如图1所示：这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，被调量是第二水槽的水位h 2。

当输入量有一个阶跃增加∆Q 1时，被调量变化的反应曲线如图2所示的∆h 2曲线。

它不再是简单的指数曲线，而是呈S 形的一条曲线。

由于多了一个容器，就使调节对象的飞升特性在时间上更加落后一步。

在图中S 形曲线的拐点P 上作切线，它在时间轴上截出一段时间OA 。

这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此称容量滞后，通常以τC 代表之。

设流量Q 1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度h 2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：2112()()* ()(*1)(*1)sH S K G S Q S T S T S e τ-==++图2 变化曲线式中K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分别为阀V2和V3的液阻，C1和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。

由式中的K、T1和T2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。

具体的做法是在图3所示的阶跃响应曲线上取：1）h2（t）稳态值的渐近线h2(∞)；2）h2（t）|t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的点A和对应的时间t1；3）h2（t）|t=t2=0.8 h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t2。

然后，利用下面的近似公式计算式2-1中的参数K、T1和T2。

其中：2()KOhR∞==输入稳态值阶跃输入量图3 阶跃响应曲线4）1212t tT T2.16++≈对于式（2-1）所示的二阶过程，0.32〈t1/t2〈0.46。

当t1/t2=0.32时，为一阶环节；当t1/t2=0.46h0.40.82hh1h222时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2（此时T 1=T 2=T=(t 1+t 2)/2* 2.18 ）5）1212122T T (1.740.55) (T T )t t ≈-+四、实验步骤1、设备的连接和检查：1） 打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀；2） 将下水箱的出水阀开至适当开度； 3） 检查电源开关是否关闭。

第二节 双容水箱特性的测试一、实验目的1．掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；2．根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K 、T 1、T 2及传递函数；3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。

二、实验设备（同前）三、原理说明图2-9 双容水箱对象特性测试系统(a)结构图 (b)方框图由图2-9所示，被测对象由两个不同容积的水箱相串联组成，故称其为双容对象。

自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。

根据本章第一节单容水箱特性测试的原理，可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：G(s)=G 1(s)G 2(s)=)1s T )(1s T (K 1s T k 1s T k 212211++=+⨯+ (2-9) 式中K ＝k 1k 2，为双容水箱的放大系数，T 1、T 2分别为两个水箱的时间常数。

本实验中被测量为下水箱的液位，当中水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2-10所示。

由图2-10可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图2-10 (a)）；而下水箱液位的响应曲线则呈S 形曲线（图2-10 (b)），即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1-10和F1-11的开度大小密切相关。

图2-10 双容水箱液位的阶跃响应曲线（a ）中水箱液位 （b ）下水箱液位双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。

在图2-11所示的阶跃响应曲线上求取：(1) h 2（t ）|t=t1=0.4 h 2(∞)时曲线上的点B 和对应的时间t 1；(2) h 2（t ）|t=t2=0.8 h 2(∞)时曲线上的点C 和对应的时间t 2。

图2-11 双容水箱液位的阶跃响应曲线然后，利用下面的近似公式计算式阶跃输入量输入稳态值=∞=O h x )(K 2 (2-10) 2.16t t T T 2121+≈+ (2-11) )55.074.1()T (T T T 2122121-≈+t t (2-12) 0.32〈t 1/t 2〈0.46由上述两式中解出T 1和T 2，于是得到如式（2-9）所示的传递函数。

机械电子工程原理实验报告双容型水箱液位及PID控制综合实验组员:XXXXXX年X月实验一压力传感器特性测试及标定测量实验一、实验目的1、了解本实验装置的结构及组成。

2、掌握压力传感器的实验原理及方法，对压力传感器进行标定。

二、实验设备1、德普施双容水箱一台。

2、PC 机及 DRLINK4.5 软件。

三、实验原理图 1-1 传感器装置图本实验传感器如图1-1所示，使用二个扩散硅压阻式压力传感器，分别用来测量上水箱水柱压力，下水箱水柱压力。

扩散硅压阻式压力传感器实质是硅杯压阻传感器。

它以N型单晶硅膜片作敏感元件，通过扩散杂质使其形成4个P型电阻，形成电桥。

在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，使电桥有相应输出。

经过后级电路的放大处理之后输出0~5V之间的电信号。

扩散硅压力传感器的输出随输入呈线性关系，输出特性曲线一般是一条直线，一般使用传感器前需要对此传感器进行标定，通常的做法是取两个测量点（x1，y1）和（x2， y2）然后计算特性直线的斜率K和截距B 即可。

由于扩散硅压力传感器承受的水压力及水的液位高度成正比，因此扩散硅压力传感器通常也用来测量液位高度。

四、实验内容及结果图1-2 上水槽压力传感器特性测试及标定测量实验图1-3 下水槽压力传感器特性测试及标定测量实验5）压力传感器的标定系数值表。

表1-1 压力传感器标定系数值传感器K值B值液位1传感器0.06440-7.98567液位2传感器0.065166-12.63056）依据压力传感器标定系数值绘制的压力传感器特性曲线如图1-3，图1-4所示：图1-3 上水槽压力传感器特性曲线图1-4 下水槽压力传感器特性曲线五、思考题1.在做本实验的时候，为何2次标定的液位高度不能够太接近？答：由于液位高度及电压值为线性关系，故2次标定的液位高度要保持一定距离，这样可以有效降低系统误差。

在控制过程中由于水泵抽水压力冲击传感器等影响会对液位传感器产生一定程度的干扰。

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串联，控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度；具有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5-3-3 PI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5-3-4 PID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。

目录之杨若古兰创作摘要2一．PID控制道理、优胜性，对零碎功能的改善2二．被控对象的分析与建模3三．PID参数整定方法概述43.1 PID控制器中比例、积分和微分项对零碎功能影响分析43.1.1 比例感化43.1.2 积分感化53.1.3 微分感化63.2 PID参数的整定方法63.3 临界比例度法83.4 PID参数的确定10四．控制结构104.1 利用根轨迹校订零碎104.2 利用伯德图校订零碎124.3 调整零碎控制量的模糊PID控制方法13144.3.2 PID控制部分16五．控制器的设计16错误!未定义书签。

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参考文献17摘要：针对双容水箱大滞后零碎，采取PID方法去控制.首先对PID控制中各参数的感化进行分析，采取根轨迹校订、伯德图校订的方法，对零碎进行校订.最初采取调整零碎控制量的模糊PID控制的方法，对该二阶零碎进行控制.同时，在MATLAB下，利用Fuzzy工具箱和Simulink仿真工具，对零碎的波动性、反应速度等各目标进行分析.关键字：双容水箱，大滞后零碎，模糊控制，PID，二阶零碎，MATLAB ，SimulinkAbstract：For Two-capacity water tankbig lag system，using PID to control this system. First, to analyze the effectofeach parameter of PID. And the root-locus technique and bode diagram is adopted to design the correcting Unit.Then, fuzzy PID control method was used to adjust this second-order system.And a simulation model of this system is built with MATLAB Fuzzy and SIMULINK,with it analyzing the system stability ,reaction velocity and other indexs.Keywords:two-capacity water tank,big lag system,fuzzy control,PID,second-order system一．PID控制道理、优胜性，对零碎功能的改善当今的主动控制技术绝大多数部分是基于反馈.反馈理论包含三个基本要素：测量、比较和履行.测量关心的是变量，并与期望值比拟较，以此偏差来纠正和调节控制零碎的呼应.反馈理论及其在主动控制的利用的关键是：作出精确的测量与比较后，如何将偏差用于零碎的纠正和调节.在过去的几十年里，PID控制，即比例-积分-微分控制在工业控制中得到了广泛的利用.虽然各种进步前辈控制方法不竭出现，但PID控制器因为结构简单，在实际利用中较易于整定，且具有不需精确的零碎模型等上风，因此在工业过程控制中仍有着非常广泛的利用.而且很多高级的控制技术也都是以PID控制为基础的.上面是典型的PID控制零碎结构图：图1-1其中PID 控制器由比例单元（P ）、积分单元（I ）和微分单元（D ）构成.（1）比例（P ）调节感化是按比例反应零碎的偏差，零碎一旦出现了偏差，比例调节立即发生调节感化用以减少偏差.比例感化大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使零碎的波动性降低，甚至形成零碎的不波动.（2）积分（I ）调节感化是使零碎清除稳态误差，提高无差度.因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值.积分感化的强弱取决与积分时间常数Ti ，Ti 越小，积分感化就越强.反之Ti 大则积分感化弱，加入积分调节可使零碎波动性降低，动态呼应变慢.积分感化常与另两种调节规律结合，构成PI 调节器或PID 调节器.（3）微分（D ）调节感化微分感化反映零碎偏差旌旗灯号的变更率，具有预感性，能预感偏差变更的趋势，是以能发生超前的控建造用，在偏差还没有构成之前，已被微分调节感化清除.是以，可以改善零碎的动态功能.在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间.微分感化对噪声干扰有放大感化，是以过强的加微分调节，对零碎抗干扰晦气.此外，微分反应的是变更率，而当输入没有变更时，微分感化输出为零.微分感化不克不及单独使用，须要与另外两种调节规律相结合，构成PD 或PID 控制器.二．被控对象的分析与建模该零碎控制的是有纯延迟环节的二阶双容水箱，示意图如下：图2-1其平分12A A 别为水箱的底面积，123q q q 为水流量，12R R 为阀门1、2的阻力，称为液阻或流阻，经线性化处理，有：2R h q ∆=∆.则根据物料平衡对水箱1有：拉式变换得：对水箱2：拉式变换得：则对象的传递函数为：其中211R A T =为水箱1的时间常数，322R A T =水箱2的时间常数，K 为双容对象的放大系数.若零碎还具有纯延迟，则传递函数的表达式为：其中0τ延迟时间常数.在参考各种材料和数据的基础上，可设定该双容水箱的传递函数为：三．PID 参数整定方法概述3.1 PID 控制器中比例、积分和微分项对零碎功能影响分析在MATLAB 中建立对象的传递函数模型5022()100201s G S e s s -=++，在命令行中输入： sys=tf(2,[100 20 1],'inputdelay',5);sysx=pade(sys,1);比例感化分析在分歧比例系数下，零碎的阶跃呼应图，输入命令： P=[0.1 0.5 1 5 10];figure,hold onfor i=1:length(P)G=feedback(P(i)*sys,1);step(G)end得到图形如下：图3-1图平分别绘出了K为0.1，0.5，1，5，10时的阶跃呼应图，可知当K增大时零碎的稳态误差不竭减小，呼应时间加快，并出现振荡.积分感化分析在分歧积分常数下，零碎的阶跃呼应图，输入命令：Ti=[3:0.5:5];t=0:2:100;figure,hold onKp=1;for i=1:length(Ti)Gc=tf(Kp*[1,1/Ti(i)],[1,0]);G=feedback(Gc*sys,1);step(G,t)end得图形如下：图3-2由图可知，积分感化虽可清除误差，但加入积分调节可使零碎波动性降低，途中甚至可出现不波动的情况，同时动态呼应变慢，调节时间变大.微分感化分析在分歧微分时间常数下，零碎的阶跃呼应图，输入命令：Td=[1:4:20];t=0:1:100;figure,hold onfor i=1:length(Td)Gc=tf([5*Td(i),5,1],[5,0]);G=feedback(sys*Gc,1);step(G,t)end得图形如下：图3-3图中绘出了Td为1逐步增大至20时的零碎阶跃呼应变更趋势，可知微分时间常数添加时，零碎上升时间添加了，但是调节时间减少，更次要的是因为带有猜测感化，惯性零碎的超调量大大减小了.3.2 PID参数的整定方法采取PID控制器时，最关键的成绩就是确定PID控制器中比例度PB、积分时间Ti和微分时间Td.普通可以通过理论计算来确定这些参数，但常常有误差，不克不及达到理想的控制后果.是以，目前，利用最多的有工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例度法和反应曲线法，各种方法的大体过程如下：（1）经验法又叫现场凑试法,即先确定一个调节器的参数值PB和Ti，通过改变给定值对控制零碎施加一个扰动，现场观察判断控制曲线外形.若曲线不敷理想，可改变PB或Ti，再画控制过程曲线，经反复凑试直到控制零碎符合动态过程品质请求为止，这时候的PB和Ti就是最好值.如果调节器是PID三感化式，那么要在整定好的PB和Ti的基础上加进微分感化.因为微分感化有抵制偏差变更的能力，所以确定一个Td值后，可把整定好的PB和Ti值减小一点再进行现场凑试，直到PB、Ti和Td取得最好值为止.明显用经验法整定的参数是精确的.但花时间较多.为缩短整定时间，应留意以下几点：①根据控制对象特性确定好初始的参数值PB、Ti和Td.可参照在实际运转中的同类控制零碎的参数值，或参照表3-4-1所给的参数值，使确定的初始参数尽量接近整定的理想值.如许可大大减少现场凑试的次数.②在凑试过程中，若发现被控量变更缓慢，不克不及尽快达到波动值，这是因为PB过大或Ti过长惹起的，但两者是有区此外：PB过大，曲线漂浮较大，变更不规则，Ti过长，曲线带有振荡分量，接近给定值很缓慢.如许可根据曲线外形来改变PB或Ti.③PB过小，Ti过短，Td太长都会导致振荡衰减得慢，甚至不衰减，其区别是PB过小，振荡周期较短；Ti过短，振荡周期较长；Td太长，振荡周期最短.④如果在整定过程中出现等幅振荡，而且通过改变调节器参数而不克不及清除这一景象时，可能是阀门定位器调校禁绝，调节阀传动部分有间隙（或调节阀尺寸过大）或控制对象受到等幅动摇的干扰等，都会使被控量出现等幅振荡.这时候就不克不及只留意调节器参数的整定，而是要检查与调校其它仪表和环节.（2）衰减曲线法该方法是以4：1衰减作为整定请求的，先切除调节器的积分和微分感化，用凑试法整定纯比例控建造用的比例度PB（比同时凑试二个或三个参数要简单得多），使之符合4：1衰减比例的请求，记下此时的比例度PBs和振荡周期Ts.如果加进积分和微分感化，可按呼应的表格给出经验公式进行计算.若按这类方式整定的参数作适当的调整.对有些控制对象，控制过程进行较快，难以从记录曲线上找出衰减比.这时候，只需被控量动摇2次就能达到波动形态，可近似认为是4：1的衰减过程，其动摇一次时间为Ts.（3）临界比例度法用临界比例度法整定调节器参数时，先要切除积分和微分感化，让控制零碎以较大的比例度，在纯比例控建造用下运转，然后逐步减小PB，每减小一次都要认真观察过程曲线，直到达到等幅振荡时，记下此时的比例度PBk(称为临界比例度)和动摇周期Tk，然后按对应的表给出的经验公式求出调节器的参数值.按该表算出参数值后，要把比例度放在比计算值稍大一点的值上，把Ti和Td放在计算值上，进行现场观察，如果比例度可以减小，再将PB放在计算值上.这类方法简单，利用比较广泛.但对PBk很小的控制零碎不适用. （4）反应曲线法前三种整定调节器参数的方法，都是在事后不晓得控制对象特性的情况下进行的.如果晓得控制对象的特性参数，即时间常数T、时间迟延ξ和放大系数K，则可按经验公式计算出调节器的参数.利用这类方法整定的结果可达到衰减率φ=0.75的请求.3.3 临界比例度法在本设计中，我们组采取了临界比例度法来进行PID参数的整定，上面是用临界比例度法整定PID参数的过程在simulink中设计简单的PID控制零碎结构图如下：图3-4采取临界比例度法整定PID参数，先切除积分和微分感化，让控制零碎以较大的比例度，在纯比例控建造用下运转，然后逐步减小PB，直到达到等幅振荡时，记下此时的比例系数约为2.45 (称为临界比例度)和动摇周期Tk约为32s，如下图：图3-5然后按对应的表给出的经验公式求出调节器的参数值.仅加入比例环节时，设P为1.225，零碎阶跃呼应图如下：图3-6由图知零碎超调量较小，调节时间为120s摆布，但是存在较大的稳态误差为0.3摆布，由前面分析欲减小稳态误差需加入积分环节，设P为1.1，Ti为0.0375，此时零碎阶跃呼应图如下：图3-7由图知加入积分环节后零碎的稳态误差大大减小，也验证了其清除误差的感化，但是调节时间加长到约为140s，同时超调量加大近38%，使用PID控制器：图3-8零碎稳态误差基本为零，调节时间略有减小，但是超调量接近50%，远远达不到零碎动态功能的请求.减小比例系数后发现零碎超调量逐步降低，但是呼应速度逐步减慢，调节时间添加，因而增大微分时间常数以加快呼应速度，根据经验法慢慢伐整各参数，得基本满足零碎动态功能的图形如下：图3-9此时零碎各项目标基本令人满意，只是调节时间稍长，为80s摆布.采取临界比例度法得到的PID参数为：Kd=43.4 PID参数的确定该控制器采取的是临界比例系数法对PID参数进行初步整定，然后根据控制的后果，对PID 参数进行调整.最初确定的PID 参数为：四．控制结构在此次设计中，我们首先对零碎的传递函数5022()100201s G S e s s -=++进行根轨迹校订和波的图校订，然后采取调整零碎控制量的模糊控制PID 控制方法，对零碎的控制器进行分析.4.1 利用根轨迹校订零碎校订前开环零碎根轨迹如下：图4-1设定零碎校订目标请求为：稳态误差≤0.05，超调量p σ≤15%，s t 20s ≤∆（=0.02），则校订过程如下： MATLAB 中输入如下命令：>> KK=20;bp=0.15;ts=20;delta=0.02;>> ng0=[2];dg0=[100,20,1];g0=tf(KK*ng0,dg0); ；建立传递函数模型s=bpts2s(bp,ts,delta)s =-0.2034 + 0.3368i ；期望的闭环主导极点>> [ngc,dgc]=rg_lead(KK*ng0,dg0,s); ；根轨迹法求带惯性的PD控制器gc=tf(ngc,dgc)Transfer function:----------------s + 0.5583 ；校订环节传递函数>> g0c=tf(g0*gc);b1=feedback(sys,1);b2=feedback(g0c,1); ；单位负反馈step(b1,'r--',b2,'b');grid on ；校订前后零碎的阶跃呼应图4-2验算时域功能目标：[pos,tr,ts,tp]=stepchar(b2,delta)从验算结果来看，稳态误差及调节时间达到设计请求，但超调量太大远远不克不及满足请求，须要调整闭环主导极点的地位.检查此时预设的主导极点的阻尼比和无阻尼天然频率：>> [kosi,wn]=s2kw(s)再提高阻尼等到天然频率的值分别为0.99，0.99得闭环极点：>>s=kw2s(0.99,0.99)再运转PD 控制器设计得： Transfer function: ---------------阶跃呼应图如下：图4-3验算各功能目标：>> [pos,tr,ts,tp]=stepchar(b2,delta) 完整满足设计功能目标请求. 4.2 利用伯德图校订零碎校订目标请求： 40v K ≥，60γ︒=，c 5rad/s ω=，幅值裕度≥15dB .KK=20;Pm=60;wc=5; ng0=KK*[2];dg0=[100,20,1]; g0=tf(ng0,dg0); w=logspace(-1,3);[ngc,dgc]=fg_lead_pm_wc(ng0,dg0,Pm,wc,w); gc=tf(ngc,dgc);g0c=tf(g0*gc);b1=feedback(sys,1);b2=feedback(g0c,1); step(b1,'r--',b2,'b');grid onfigure,bode(sys,'r--',g0c,'b',w),grid on 校订前后伯德图如下：图4-4得校订前后阶跃呼应如下：图4-5调节时间明显减小，呼应速度加快.验算各功能目标如下：[gm,pm,wcg,wcp]=margin(g0c)得截止频率为1.33，离设计相差较大，相角裕度为73度也偏大，后果不是太理想，还需加入二级控制安装.4.3 调整零碎控制量的模糊PID控制方法该控制方法采取的是模糊控制和PID控制相结合，这类控制器的特点是在大偏差范围内利用模糊推理的仿佛调整零碎的控制量U，而在偏差范围内转换成PID控制，二者的当switch的输入误差值的绝对值≥0.5时，采取模糊控制；当switch的输入误差值绝对值＜0.5时，采取PID控制.模糊控制部分（1）模糊集及论域定义对误差E、误差变更EC及控制量U的模糊集及论域定义如下：E、EC和U的模糊集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}E和EC论域均为{-3，-2，-1，0，1，2，3}U的论域为{-4.5，-3，-1.5，0，1.5，3，4.5}E的隶属函数图形如下图EC的隶属函数图形如下图图4-8U的隶属函数图形如下图图4-9（2）模糊控制规则模糊控制规则如下表表4-1NB NM NS O PS PM PBNB NMNSOPSPMPBPSNSNMNBNBNBNBPSPSNSNMNMNBNBPSPSONSNSNMNMPSPSOOONSNSPMPMPSPSONSNSPBPMPMPMPSPSNSPBPBPMPMPMPSNS（3）模糊变量的赋值表模糊变量E的赋值分别如表4-2E-3-2-10123N B NM NSOPS PM PB1.0.51.00.500.51.00.50.51.00.5000.51.00.5模糊变量EC的赋值分别如模糊变量U 的赋值分别如表4-4得到的模糊控制器的输出曲面如图图4-104.3.2 PID 控制部分PID 部分是当输入的|e|＜0.5时，主如果控制零碎的波动性.PID 参数的次要通过临界比例度法进行整定，然后根据实际的控制后果，进行调节.最初确定的PID 参数如下：Kp=0.465五．控制器的设计模糊控制器的输入为误差和误差变更率：误差e=r-y ，误差变更率ec=de/dt ，其中r 和y 分别为液位的给定值和测量值.把误差和误差变更率的精确值进行模糊化酿成模糊量E 和EC ，从而得到误差E 和误差变更率EC 的模糊说话集合，然后由E 和EC 模糊说话的的子集和模糊控制规则R （模糊关系矩阵）根据合成推理规则进行模糊决策，如许就可以得到模糊控制向量U，最初再把模糊量解模糊转换为精确量u，再经D/A转换为模拟量去控制履行机构动作.图5-1该控制器的特点是在大偏差范围内利用模糊推理的方法调整零碎的控制量U，能够获得较好的动态功能，反应时间加快.而在小范围偏差范围内转换成PID控制，获得较好的静态功能.从仿真曲线和功能目标可以看出，与惯例的PID 控制比拟，模糊PID控制器能使零碎呼应的超调减小，反应时间加快.特别是在零碎具有延迟的模型结构和参数不确定的情况下，模糊PID控制具有更佳的控制后果.本设计采取了Matlab的Simulink工具箱和Fuzzy工具箱进行了零碎仿真，其中零碎的传递函数为其中Simulink的仿真计算图如下图6-1当只要PID调节，没有加入模糊控制时的仿真曲线如下：图6-2添加了模糊控制后的仿真曲线：图6-3添加了随机动态扰动后的仿真曲线：图6-4从上面的图像对比可知，模糊控制能够使得反应时间加快，明显改善了零碎的动态特性.而在添加了随机扰动后，能够看到零碎任然能够坚持较好的稳态特性，说明PID控制器在具备较强的抗扰动能力.参考文献[1] 王海英，袁丽英，吴勃. 控制零碎的MATLAB仿真与设计. 北京：高等教育出版社，2009.[2] 胡寿松. 主动控制道理.第4版. 北京：科学出版社.2001.[3] 黄忠霖. 控制零碎MATLAB计算及仿真[M].2版. 北京：国防工业出版社，2004.[4] 黄永安. 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实验一 双容水箱对象特性的测定实验一、实验目的及要求1. 了解双容水箱的自衡特性。

2. 掌握双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

3. 实测双容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。

二、实验原理当对象的动态特性可以用二阶微分方程式来描述时，一般称为二阶对象。

本实验的双容水箱即为二阶对象，其表征对象特性的微分方程式的建立和单容水箱类似。

本实验的进行同单容水箱实验，采用阶跃反应曲线测试法。

阶跃反应曲线法是被控对象在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节器手动操作改变对象的输入信号（阶跃信号）。

同时，记录对象的输出数据和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理地处理，确定模型中的相关参数。

该方法比较简单可行，如本实验输入量是流量，只要将阀门的开度作突然的改变，便可认为施加了阶跃干扰。

双容水箱液位控制结构图如图1所示：图1 双容水箱液位控制结构图设上水箱的进水量为Q 1，水箱的液面高度为H 1，下水箱的进水量为Q 2，出水量为Q 4，水箱的液面高度为H 2。

水槽的动态过程如下：流入水槽的流量Q 1为输入量，水槽液位的高度H 1为输出量，输入流量Q 1一定时，在稳定状况下，液位H 1和H 2维持不变。

在t 0时间突然增大进水阀V1开度，并保持不变，加入阶跃干扰，液位H 1和H 2开始上升，经过一定时间后，液位稳定在某一新的高度H 1′和H 2′。

根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：2212()()()(1)(1)s H S KG S e Q S T S T S τ-==+++ （1）式中 K=R 4，T 1=R 2C 1，T 2=R 4C 2，R 2、R 4分别为阀V2和V4的液阻，C 1 和C 2分别为上水箱和下水箱的容量系数，式中的K 、T 1和T 2可由实验求得的阶跃响应曲线求出，具体的做法是在图2所示的阶跃响应曲线上取得：（1）h 2(t)稳态值的渐近线h 2(∞)；（2）h 2(t)|t=t 1=0.4 h 2(∞)时曲线上的点A 和对应的时间t 1； （3）h 2(t)|t=t 2=0.8 h 2(∞)时曲线上的点B 和对应的时间t 2。