当前位置：文档之家 › 最新过程控制实验——单容水箱属性测试及PID参数整定

最新过程控制实验——单容水箱属性测试及PID参数整定

  • 格式：doc
  • 大小：1.59 MB
  • 文档页数：9

精品文档

精品文档

过程控制实验

——单容水箱属性测试及PID参数整定

专业： 自动化

班级：

指导老师：

组员姓名：

实验时间：第八周 周日5-8节、周四9-12节 精品文档

精品文档 一、实验目的

1）、熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

2）、根据由实际测得的单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。

3）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。

4）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。

5）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。

二、实验设备

AE2000A型过程控制实验装置、MCGS程序运行环境、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。

三、实验原理

1）、对象特性测试

设单容水箱的输入为1Q，输出为2Q，液位为h

调节输入输出，当系统平衡时：1122Q(t)(t)0Q；

当系统由于输入变化处于动态时：12(t)(t)Q(t)(t)dvdhQAdtdt；

22(t)hQR；

12(t)(t)Q(t)hdhARdt

21212H(s)(s)Q(s)(s)(s)1RHAsHRQARs拉氏变换

得到传递函数为 22(s)11RKGARss

令1Q有阶跃变化量0X，拉氏变换式 10(s)Qxs

则 0001(s)(Ts1)TkxkxkxHsss

取拉氏反变换：0(t)(1e)tThkx 精品文档

精品文档 当t 00()H(0)()H(0)KxxHHK

tT 100(T)Kx(1e)0.632KxH

2）、PID参数整定

加入PID控制后的系统框图如下图

有经验可知 ：,,,,0,,pprsiporspKMTTTMTttM

经验试凑法；

① P（,0ioTT）

此时0pK，并给系统一个阶跃信号，观察波形直到第一次峰值和第二次峰值之比大于4；1

②PI (0oT)

适当减小pK，逐渐减小iT，给系统一个阶跃信号，观察波形直到第一次峰值和第二次峰值之比大于4；1

③PID 精品文档

精品文档 适当增大pK，iT，0oT逐渐增大，重复上述操作，得到合适的PID参数。

四、实验内容和步骤

1）、对象特性测试

1．按要求连接试验设备，如下图

1 实验接线图

2.打开对象特性测试软件，调节出水阀到一个合理的开度保持不变，设置参数调节入水阀开度，使系统保持平衡（h不变）。

3．在平衡条件下，增大入水阀开度，观察响应，并记录数据 精品文档

精品文档

2 对象特性测试软件界面

4．绘制阶跃响应曲线，计算系统传递函数。

2）、PID参数整定

1．调节入水阀，出水阀使h衡定

2．按照经验试凑法，从P，PI，PID顺序依次设置参数，进行PID参数诊定如图：

3 液位PID参数整定实验软件界面 精品文档

精品文档 3．根据得到的参数以及阶跃响应曲线，分析参数的合理性。

五、实验结果与分析

1、对象特性测试

（1）、根据所得数据画出阶跃响应曲线如图

（2）、根据两点法，求出一阶环节的相关参数。

设液位高度为h, 进水阀开度为u 得：

29405.05.136.28)0()(uyyK

取曲线上两点（200,21.3）和（284,23.4）,该两点分别为t1和t2的对应点，t2>t1>τ。

246)](1ln[)](1ln[2*1*12tytyttTs;

4.33)](1ln[)](1ln[)](1ln[)](1ln[2*1*2*11*2tytytyttyts;

取t3=8s、t4=143s、t5=238s进行验证：

;53.01)(55.0125.141.21)(;;33.01)(375.0125.1419)(;;005.0)(;2782.312384*25*152782.311484*24*143*3etytytetytyttyt 精品文档

精品文档 计算结果与实际测量值的差距不大可以接受，则最后结果为;

K=294;T=246s;τ=33.4s

2、液位PID参数整定

（1）、P调节器控制时的阶跃响应曲线如下图所示。

该曲线参数如下：

水位初始高度h1=6.4cm；闸门开度OP=10%；设定水位h0=20cm；

比例系数KP=10；

第一个峰值高度h2=34.6cm；第二个峰值高度为h3=22.4cm；

第一个偏移量与第二个偏移量之比n=6.1>4；满足要求；

采用P调节器控制的余差e≈1.2；超调量σ%≈95.1%；

对该试验曲线进行分析得知：增大KP时，可以减小系统稳态误差，加快 系

统响应速度，从而提高系统的控制精度，但随着KP的增大，系统的超调量也随之增大，从上图中第一次峰值的高度可以看出超调量增加，而且KP过大以后降低系统的相对稳定性，造成了第二个峰值及其以后的峰值呈现一个等幅振荡，无法达到平衡。

（2）、PI调节器控制时的阶跃响应曲线如下图所示。 精品文档

精品文档

该曲线参数如下：

设定水位h0=20cm；比例系数KP=5；积分时间常数Ti=30；

第一个峰值高度h1=29.2cm；第二个峰值高度为h3=21.1；

第一个偏移量与第二个偏移量之比n=8.1>4；满足要求；

采用PI调节器控制的余差e≈1.4；超调量σ%≈73.2%；

对该曲线进行分析与前一个曲线比较得知，在原有的P调节上加入一个积分环节，可以改善系统的稳态性能，消除或减小系统稳态误差，在Ti见效的过程中系统超调量增加。调节过程中依然KP值过大导致曲线在第二次正当以后基本呈等幅振荡，理想情况下曲线的振荡应逐渐减小，最终趋于设定值。

（3）、PID调节器控制的阶跃响应曲线如下图所示。 精品文档

精品文档 该曲线参数如下：

设定水位h0=20cm；比例系数KP=10；积分时间常数：Ti=30;

微分时间参数Td=10；

第一个峰值高度h2=32.0cm；第二个峰值高度为h3=20.4cm；

第一个偏移量与第二个偏移量之比n=30>4；满足要求；

采用P调节器控制的余差e≈0.7；超调量σ%≈75%；

对该曲线分析并与前两个曲线比较，加入的微分环节有降低超调量减少调节时间和上升时间的作用，改善系统的动态性能，在PID调节的作用下，兼顾快速性与无静差的特点，曲线跟快速的趋于稳定，且达到较高的调节质量，由于实验误差，曲线上有些许的误差，其中也包含KP过大引起的无法趋于平衡的现象。

六、试验心得

在此次实验中，通过大家的共同努力，完成了实验内容，对于过程控制系统理论有了更深的理解，提高了大家对系统的PID参数整定方法的认识和应用能力，这对于以后的工作和学习都有着良好的帮助。

合集下载

自动控制实验_单容、双容水箱

自动控制实验_单容、双容水箱

单容水箱

其具体原理可用下图表示：

一、 液位控制系统的工作原理

当连杆位于电位器中点位置时，浮子电压为零，电压差为零，所以电动机不动，控制阀门有一定的开度，使水箱中流入水量与流出水量相等，从而液面保持在希望高度上，此时我们称系统达到平衡状态。

当连杆位于电位器中点位置偏上时，根据杠杆原理，箱内液面下降，此时电压差增大，使电动机工作，而控制闸门的开度，使入水量大于出水量，箱内液面逐渐升高，从而渐渐达到平衡状态。

当连杆位于电位器中点位置偏下时，根据杠杆原理，箱内液面上升，此时电压差减小，使电动机工作，而控制闸门的开度，使入水量小于出水量，箱内液面逐渐降低，从而渐渐达到平衡状态。

二、 液位控制系统原理框图

连杆，浮子 给定液位 实际液位

水池 阀门门 电位器 放大器 电动机 减速器 1

三、 自动控制系统各部分的数学模型的建立以及其传递函数

在本控制系统中，我们设Q1为进水量（平衡状态下的增量），Q2为出水量，Ho为平衡时的水面高度，H为液面实际高度（平衡状态下的增量），C为水箱的横截面积。

1) 电位计

独立工作没什么意义，我们把给定液面体现在电位器上，这就需要电位器和连杆，浮子一起工作，他们是一个整体，实际液面也通过电位器，连杆，浮子与给定电位比较，因为电位器体现的是电压的大小，而我们通过杠杆原理还有浮子，将液面高度与电压的关系联系起来，且两者的关系为正比关系，H（s）为液面高度的拉式变化，U（s）为电压的拉式变化，

Go（s）=Ku)(HU(S)S。

2) 电动机的数学模型

设)(tu为输入的控制电压)(V，i电枢电流)(A,M为电机产生的主动力矩)(mN•,为电机轴的角速度)/(srad ，L为电机的电感)(H，R为电枢导数的电阻)(，)(te电枢转动中产生的反电势)(V，J为电机和负载的转动惯量)(2mKg

根据电路的克希霍夫定理（KVL）：

)()(tutRidtdiL

一阶单容上水箱对象特性的测试实验报告

一阶单容上水箱对象特性的测试实验报告

《控制工程实验》实验报告

实验题目： 一阶单容上水箱对象特性的测试

课程名称： 《控制工程实验》

姓 名：

学 号：

专 业：

年 级：

院 、 所：

日 期： 2019.04.05

实验一 一阶单容上水箱对象特性的测试

一、实验目的

1. 掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线；

2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K、T和传递函数；

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

1. 实验装置对象及控制柜 1套

2. 装有Step7、WinCC等软件的计算机 1台

3. CP5621专用网卡及MPI通讯线 各1个

三、实验原理

所谓单容指只有一个贮蓄容器。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。图1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1和F1-6全开，设上水箱流入量为Q1,改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，上水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。

实验一、单容水箱对象特性测试实验

实验一、单容水箱对象特性测试实验

实验指导书

实验一、单容水箱对象特性测试实验

一、实验目的

1、 了解单容对象的动态特性及其数学模型

2、 熟悉单容对象动态特性的实验测定法原理

3、 掌握单容水箱特性的测定方法

二、实验设备

1、 四水箱实验系统DDC实验软件

2、 PC机（Window XP操作系统）

三、单容对象特性实验测定法原理

许多工业对象内部的工艺过程复杂，通过机理分析等寻求对象的数学模型非常困

难，即使能得到对象的数学模型，仍需要通过实验方法来验证。因此，对于运行中的对

象，用实验法测定其动态特性，是了解对象的简易途径。

本次实验主要是求取对象的飞升曲线或方波响应曲线。飞升曲线是在输入量作阶

跃变化时测绘输出量随时间变化曲线得到的；方波响应曲线是在输入量作一个脉冲方波

变化时测绘输出量随时间变化曲线得到的。在获得特性曲线的基础上，进行分析获得相

应的对象特性。

飞升曲线实验测定方法的具体步骤如下：

A、选择工作点

给定控制量，让单容水箱对象的液位稳定

B、测绘飞升曲线

让控制量做阶跃变化，并测绘单容水箱液位随时间变化的曲线

C、获得对象的动特性

- 1 - 假定在输入量变化量为uΔ时测绘的飞升曲线如下图所示：

实验指导书

因此，可估算单容水箱的模型为

()1+=TsKsGp

其中

lenlenyuuyK*ΔΔ=

于是用实验法测出了单容水箱的动态特性。

四、实验步骤

1、 进入实验

运行四水箱DDC实验系统软件，进入首页界面，单击“实物模型”单选框，选择实

验模式为实物模型；

单击实验菜单，进入单容水箱特性测试实验界面。

2、 选择执行机构

在实验系统中有两个执行机构，分别由控制量“U1”和“U2”控制。这两个控制量的

范围为0～100，可以自行选择一个作为控制量。

这里假定我们选择“U1”作为控制量。

3、 选择单容对象

实验系统有四个水箱：水箱1、水箱2、水箱3和水箱4，它们对应的液位分别用H1、

H2、H3和H4表示，实验时可以自行选择一个水箱作为被测定对象。

实验一单容水箱对象特性的测试

实验一单容水箱对象特性的测试

— 1 — 实验一单容水箱对象特性的测试

一、实验室基本概况

测控实验室始建于2009年，是我校最新建设的实验室之一，承担着我校理工科本科生“工程光学实验”“过程控制实验”“自动控制原理实验”等教学任务。目前实验室面积约380平方米，仪器设备总值325余万元。

测控实验室下设6个分室，包括工程光学实验室，传感器检测实验室，过程控制实验室，自动控制/计算机控制实验室，虚拟仿真实验室，测控技术/无损检测实验室。

测控实验室主要设备有：多用途光学平台，计算机控制技术实验平台，微型电子计算机，等传感器综合实验装置，台式电脑，pm2.5检测仪，超声波测厚仪，光电脉搏计，电子计数秤，高级过程控制实验装置，高级过程控制对象系统实验装置，综合自动化控制系统实验平台，过程控制实验装置，打印机，计算机，NI虚拟仪器软件，多功能USB2.0数据采集卡，电脑，仿真软件，测控技术综合实验平台，表面粗糙度测量仪、涡流探伤仪、超声波探伤仪、经度仪。

测控实验室现开设项目包括：典型环节的电路模拟与软件仿真研究；二阶系统动态性能和稳定性分析；MATLAB仿真分析软件在自控原理中的应用；线性定常系统的稳态误差；线性定常系统串联校；A/D与D/A转换；数字滤波器；数字PID控制算法的研究；最少拍控制算法的研究；应变式传感器实验；压力传感器设计与应用；温度传感器实验；气敏、湿敏传感器实验/半导体传感器的应用与设计；光纤位移传感器实验；扩散硅压阻式压力传感器实验/霍尔式传感器实验；MATLAB基础知识；典型环节模拟；— 2 — 控制系统时域仿真和频域仿真；Fluent的安装与使用；仿真算例；实验装置的基本操作与仪表调试；单容水箱对象特性的测试；双容水箱对象特性的测试；单容水箱液位PID控制系统；智能仪表控制系统；串级控制系统连线；实验装置的基本操作与仪表调试；单容水箱对象特性的测试；双容水箱对象特性的测试；单容水箱液位PID控制系统；智能仪表控制系统；串级控制系统连线；应变式传感器实验；常用传感器产品的设计（应变式电子秤的设计与应用）；温度传感器实验；扩散硅压阻式压力传感器实验/气敏、湿敏传感器实验；光纤位移传感器实验；霍尔式传感器实验/电容传感器实验；LabVIEW入门、程序的模块化层次化。