一阶单容上水箱的特性测试及PID参数整定实验报告重.docx

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一阶单容上水箱的特性测试及PID参数整定实验报告重

控制专业实验二

—单容上水箱的特性测试

及PID参数整定

成绩________

单位（二级学院）：

学生姓名：

专业：

班级：

学号：

指导教师：

负责项目：

时间：

2014年5月1日

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

对象数学模型的建立通常采用两种方法。

一种是分析法，即根据过程的机理，物料或能量平衡关系求得它的数学模型；另一种是用实验的方法确定。

本装置采用实验方法通过被控对象对阶跃信号的响应来确定它的参数及数学模型。

由于此方法较简单，因而在过程控制中得到了广泛地应用。

图3-1  单容自衡水箱特性测试系统（a）结构图  （b）方框图 

如图3-1.阀门F1-1、F1-3和F1-6全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-10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。

若设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。

根据平衡时和动态时的进出水量关系，可得：

平衡时：

动态时：

由以上两式联立可得，

对以上式进行拉氏变换可得，

我们对所得出的进行近似，可得，

此时，若

有节约变化量

，拉氏变换式

，则

取拉氏反变换，可得

当

时，

当

时，

上式表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图3-2（a）所示，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。

也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。

图3-2单容水箱的阶跃响应曲线

如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图3-2（b），在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。

图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：

H（S）=

2）、PID参数整定

如图3-3所示，被控量为上水箱的液位高度，实验要求水箱的液位稳定在给定值上。

压力传感器LT1检测到的上小水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的偏差值通过调节器PID运算输出来控制电动调节阀的开度，以达到控制水箱液位的目的。

图3-3上小水箱单容液位定值控制系统

（a）结构图（b）方框图

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。

调节器参数的整定一般有两种方法：

一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。

工程实验整定法有四种，即经验法、临界比例度法、衰减曲线法及动态特性参数法。

四、实验内容和步骤

本实验选择上水箱作为被测对象。

1.实验前的准备工作：

（1）将“AT-I智能调节仪”挂件或“AT-III数据采集卡”挂到网孔板上，将挂

件的通讯线插头连接到计算机串口1。

（注意串口连线时至少保证一方断电）

（2）管路连接：

将工频泵出水口和支路1进水口连接起来；将支路1出水口和上

小水箱进水口连接起来；将上小水箱出水口和储水箱进水口连接起来。

（3）将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-3、F1-4、F1-6全开，将上小

水箱出水阀门F1-10开至适当开度（30%～80%），其余阀门均关闭。

（4）按图4-1接好设备电路，检查电路。

图4-1实验接线图

2.实验内容:

Ø对象特性测试

1）管路、阀门、接线检查无误后接通总电源开关，打开单相I开关、24V电源开关、电动调节阀开关。

2）打开上位机MCGS组态软件，进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验一、一阶单容上水箱特性测试实验”，进入“实验一”的监控界面。

如图4-2.

图4-2对象特性测试软件界面

3）调节电动调节阀的开度的初值（在15&-25%之间为好，防止后期溢出），静静等待液上水箱的液位达到稳态，记录－此时的仪表输出值和液位值。

4）修改电动调节阀的开度，即给予阶跃干扰，（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录此时的调节器输出值和液位测量值，液位的响应过程曲线将如图4-3所示。

图4-3单容水箱液位阶跃响应曲线

5）根据前面记录的液位值和调节器输出值，计算K值，再根据图4-3中的实验曲线求得T值，写出单容水箱的传递函数。

Ø调节器PID参数整定

1）选择调节器PID参数整定方法

建议选择“衰减曲线法”，即4：

1衰减曲线法。

2）管路、阀门、接线检查无误后接通总电源开关，打开单相I开关、24V电源开关、电动调节阀开关。

3）打开上位机MCGS组态软件，进入MCGS运行环境，先在主菜单中点击“实验一、一阶单容上水箱特性测试实验”，进入“实验一”的监控界面。

如上图4-2.待液位达到稳态后，在主菜单中点击“实验四、上水箱液位参数整定控制试验”，进入“实验四”的监控页面，如下图4-4.

4-4液位PID参数整定实验软件界面

4）在监控页面中首先调整比例度的值（从大向小调整），每次调整，都需要调节电动调节阀的开度，即给予阶跃干扰（注意，小心溢出）。

若比例度值合适，则衰减比大致在4：

1与10:

1之间。

5）若比例度值调整合适，则保持比例度值不变，调整积分时间，方法同上。

6）若积分时间也调整合适，则调整微分时间（从大向小调整）。

每次调整，都需要调节电动调节阀的开度，即给予阶跃干扰（注意，小心溢出）。

经过PID调节后，对于给予的阶跃干扰，液位高度都能很快速、平稳的重新达到稳态。

五、实验结果与分析

1）、对象特性测试

（1）作出一阶环节的阶跃响应曲线。

（2）根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。

由原理处公式推导，我们利用两点法公式

可以得到

7.272

则H（S）=

2）、液位PID参数整定

（1）用经验试凑法整定调节器的参数，写出三种调节器的余差和超调量。

根据公式：

连续PID：

离散PID：

对公式分析可得：

（2）作出P调节器控制时的阶跃响应曲线并分析。

分析：

经过不断细致的调整，始终不能获得满意的阶跃响应曲线。

当比例度大于10时，超调量不能超过预设调节值，稳态值更低，知是比例度仍略高。

而当比例度在3至10之间调整时，超调量可以超过预设值，但不能获得衰减比在4:

1左右的响应曲线。

继续调小时，发现响应曲线呈等谐振荡直至放大趋势。

故调整比例度在3时，调节积分时间。

（3）作出PI调节器控制时的阶跃响应曲线并分析。

分析：

加上积分时间的调节后，超调量能够满足要求，但仍不能获得衰减比在4:

1左右的响应曲线。

在比例度为3，积分时间为2时又发生临界等谐振荡的情况。

现有的比例积分调节后续震荡，故考虑加入微分调节，抑制超调。

（4）画出PID控制时的阶跃响应曲线并分析。

分析：

在比例积分调节不能获得很好的调节效果后，果断加入微分调节，成功解决比例积分调节的振动问题。

比例度为3，积分时间为2，微分时间为1.获得良好的阶跃响应曲线。