过程控制实验二 一阶单容上水箱对象特性测试实验

成绩：

实验名称：实验二一阶单容上水箱对象特性测试实验

仿真实验：PID参数整定

实验小组：A大组第二小组

组员姓名：__ _____ ____

组员学号：_________

指导老师：_____ ___ __

实验日期：__ 2015/5/9 _____ ______ _

信息工程学院自动化系

一实验名称

1、一阶单容上水箱对象特性测试实验

2、仿真实验：PID参数整定

二实验目的

1．认识实验系统，了解本实验系统中的各个对象。

2．测试一个水箱的对象特性。

3．学会PID参数整定的基本原则。

4．使用稳定边界法和衰减曲线法去整定参数。

三实验原理

阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。

图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。

如图1-1所示，设水箱的进水量为Q

1，出水量为Q

2

，水箱的液面高度为h，

出水阀V

2

固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：

在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

式中，T为水箱的时间常数（注意：阀V

2

的开度大小会影响到水箱的时间常数），

T=R

2*C，K=R

2

为过程的放大倍数，R

2

为V

2

阀的液阻，C 为水箱的容量系数。令输

入流量Q

1（S）=R

O

/S，R

O

为常量，则输出液位的高度为：

当t=T时，则有：

h(T)=KR

0(1-e-1)=0.632KR

=0.632h(∞)

即 h(t)=KR

(1-e-t/T)

当t—>∞时，h（∞）=KR

，因而有

K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入

式（1-2）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1-2 所示。当由实验求得图1-2所示的

h1( t ) h1(∞ )

0.63h1(∞)

0 T

阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应时间，就是水箱的时间常数T ，该时间常数T 也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点 所对应的时间就是时间常数T ，其理论依据是：

上式表示h （t ）若以在原点时的速度h （∞）/T 恒速变化，即只要花T 秒时间就可达到稳态值h （∞）。

PID 控制：具有比例加积分加微分控制规律的控制成为比例积分微分控制。传递函数：Gc （s ）=Kp+（Kp/Ti ）（1/s ）+Kp τs , 其中，Kp 为比例系数， Ti 为积分时间常数，τ为微分时间常数，三者都是可调的参数。

稳定边界法和衰减曲线法都属于工程整定方法，其基本特点：不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定，方法简单，计算简便，易于掌握。

四 实验内容与步骤

1、设备的连接和检查：

（1）、将AE2000B 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。

（2）、打开以丹麦泵、电动调节阀、电磁流量计组成的动力支路至上水箱

的出水阀门，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。

（3）、打开上水箱的出水阀至适当开度。

（4）、检查电源开关是否关闭 2、系统连线图：

图1-2、 阶跃响应曲线

图1-3、实验接线图

1）、将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到OFF位置。

2)、按图1-3所示连线。

3、启动实验装置

1）、将实验装置电源插头接到单相220V的单相电源上。

2）、打开总电源漏电保护空气开关，电压表指示220V，电源指示灯亮。

3）、打开电源总开关，即可开启电源。

4、实验步骤

1）、开启电动调节阀电源、24V电源、智能调节仪电源。

2）、根据仪表使用说明书和液位传感器使用说明调整好仪表各项参数和液位传感器的零位、增益，仪表输出方式设为手动输出，初始值为0。

3）、启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验如图1-4所示：

1-4、实验软件界面

4）、双击设定输出按钮，进行设定输出值的大小，或者在仪表手动状态下，按住仪表的STOP键将仪表的输出值上升到所想设定的值，这个值根据阀门开度的大小来给定，一般初次设定值<35。开启单相泵电源开关，启动动力支路。将被控参数液位高度控制在30%处（一般为10cm）。

5)、观察系统的被调量：上水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录调节仪输出值，

6）、迅速增加仪表手动输出值，增加5%的输出量。

7）、直到进入新的平衡状态。

五实验要求

1.作出一阶环节的阶跃响应曲线。

2.如果仅有比例控制，对控制系统有什么影响？

答：比例控制的优点是控制及时，反应灵敏，偏差越大，控制力度越大，但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

3. PID控制较PI和PD控制的优势。

答：比例积分（PI）控制

比例积分控制器是目前应用最为广泛的一种控制器，多用于工业生产中液位、

压力、流量等控制系统。由于引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差。对于有较大惯性滞后的控制系统，要尽量避免使用。

比例微分（PD）控制

比例和微分作用结合，比单纯的比例作用更快。尤其是对容量滞后大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。

比例积分微分（PID）控制

最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。

当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果

六实验结果

1、作出一阶环节的阶跃响应曲线。

2、（1）稳定边界法

δpr=6.6% Tpr=2.9s

（1）附注：当令Ti=∞Td=0，比例带δ置较大，使系统投入运行，待系统稳定后，逐渐减少比例带，直至等副振荡，记下

δpr值等于6.6% ，和两波峰间的时间间隔Tpr等于2.9s，

对应的等幅振荡如下图1所示

图1

①MATLAB仿真图：

δ=13.3%(PID参数设计中的kp=7.5)

响应曲线：

②MATLAB仿真图：

δ= 14.7%(PID参数设计中的kp=6.8) Ti=2.0s 响应曲线：

③MATLAB仿真图：

δ=11.3% (PID参数设计中的kp=8.8) Ti= 1.45s Td=0.36s 响应曲线：

（2）衰减曲线法

δs=4.8%(PID参数设计中的kp=20.8) Ts=2.6s

①MATLAB仿真图：

δ=4.8%(PID参数设计中的kp=20.8)

响应曲线：

②MATLAB仿真图：

δ=5.76%(PID参数设计中的kp=17.4) Ti=1.3s 响应曲线：

③MATLAB仿真图：

δ= 4.54%(PID参数设计中的kp=22) Ti=0.78s Td=0.26s 响应曲线：

七实验总结

本次试验内容严格说是有两项，一是实验仪器的实地操作二是在实验室在Matlab平台上进行调节器参数的工程整定方法的仿真验证；但是由于实验仪器的问题，以及只有半个小时使用权限的组态王，在以下的稳态系统进行增加输出量的阶跃信号，通过观察实验仪表的数据反映一阶阶跃响应。由于等待的时间过长，组态王会自动退出，导致实验终止。虽然实验并没有成功，但是在操作过程中能真正了解到系统自身在本来稳态下即使受到外界冲击，只要该冲击是的可接受可调整范围内的，自身系统都会进行纠正。

实验的第二项是对调节器参数的工程整定中的稳定边界法、衰减曲线法、具有延时环节的参数的整定等方法在simulink中进行验证。在各类的整定方法中都由经验公式计算出P、I、D三个对应的参数值，然后在所建立的模型中进行赋值，通过示波器的波形观察系统是否达到稳定。

总的来说这次实验就是课本理论真真正正地运用到仿真中，也在仿真中检验了理论。但是在延时环节的参数的整定中的确很陌生，不知道怎么建模以及对于结果心里没结果。