计算机控制实验

计算机控制综合

实验报告

题目：双容水箱液位控制实验

专业班级：

学生姓名：

学生学号：

指导教师：

成绩：

二○一X 年XX月XX 日

双容水箱液位控制实验

一、实验目的

双容水箱液位控制的实验目的主要包括：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、被控对象装置说明

1整体说明

计算机控制综合实验是对水箱液位进行控制的实验，其通过水箱中的压力传感器将水位的高低转换为电量的大小，再连接到西门子可编程控制器输入端，用PLC 进行控制，控制是通过组态王软件完成的，利用的是PID 算法。

2双容水箱数学建模

水流入量Qi 由调节阀u 控制，流出量Qo 则由用户通过闸板开度来改变。被调量为下水箱水位H 。分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。

直接在调节阀上加定值电流，从而使得调节阀具有固定的开度。(可以通过智能调节仪手动给定，或者AO 模块直接输出电流。)

调整水箱出口到一定的开度。

突然加大调节阀上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型。逻辑结构如图1所示。

通过物料平衡推导出的公式：

0,122111

=-+=+rH H dt

dH

T R k H dt dH T u μ (1) 其中R1、R2为线性化水阻。

2

12

21212

2111,,R R R r R R R R F T R F T +=+== (2)

定值

Q i

LT 103

记录

Q o

H

图1双容水箱液位数学建模

FV101

那么：

μμ1222

12

221)(R rk H T dt dH T T dt H d T T =+++ (3) 双容水箱水位阶跃响应曲线，如图2所示：

图2 双容水箱液位飞升特性

平衡时液位测量高度215 mm ，实际高度215 mm -3.5 mm =211.5mm 。对比单容实验，双容系统上升时间长，明显慢多了。但是在上升末端，还是具有近似于指数上升的特点。按照理论有一个拐点。

三、计算机控制系统组成

A3000现场系统(A3000-FS 和A3000-FBS)包括三水箱，一个锅炉，一个强制换热器，两个水泵，两个流量计，一个电动调节阀。其他还包括加热管，大水箱。图见3。

A3000控制系统(A3000-CS)包括了传感器执行器I/O 连接板、三个可换的子控制系统板，第三方控制系统接口板。

图3 系统结构图

图4 控制系统结构

此次双容水箱液位控制实验，主要适用A3000控制系统(A3000-CS)的中水箱、下水箱、下水箱压力变送器、电动阀、PLC，及操作台的组态王软件。

图5双容水箱液位控制逻辑图

水从中水箱进入，中水箱闸板开度11毫米，进入下水箱，下水箱闸板开度8毫米，保证中水箱闸板开度大约下水箱闸板开。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。水位高度经压力变送器经总线送入操作台，由组态王软件实时监控，并可对PID参数进行修改。

监控软件组态王具有易用性、稳定性，并不断改善和新增功能，使得该产品在工业领域中获得了大量的应用。成为国内流行的HMI软件系统。通过该组态软件，可以绘制双容水箱的硬件组态图；设计用户界面，通过调节器进行PID参数的设定与修改；同时能实时监控硬件的状态，即下水箱的液位高度，进行人际交互。

四、实验过程

1．实验步骤

（1）控制系统连接

使用组态软件进行组态；在A3000-FS上，打开手阀JV205、JV201，调节中水箱、下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭；连线：下水箱液位连接到内给定调节仪输入。内给定调节仪的输出连接到调节阀的控制端；打开A3000电源，启动组态软件。

（2）比例调节器（P）控制

设置P参数，I=0，D=0。观察计算机显示屏上的曲线，调整P参数，直至得到满意的过渡曲线。

（3）比例积分调节器（PI）控制

固定P参数，调整I，使得响应曲线由震荡开始趋于设定值，观察该组PI参数下，双容水箱液位系统的响应性能。然后改变设定值，修改I，再次观察系统趋于设定值的响应性能，直至找到较为满意的PI值。

（4）比例积分微分调节器（PID）控制

固定PI，改变液位设定值，观察系统动态响应性能，待系统达到稳态后，再次改变设定值，并修改D，观察D参数的修改，对系统性能的影响，即对系统的上升时间、调节时间、超调量等影响。不断进行调整，直至得到具有满意的响应性能的曲线为止。

（5）中水箱加入扰动

在找到合适的PID参数后，固定参数不变，在中水箱加入干扰（阀门开度约10度），观察加入扰动后，曲线的响应情况，是否能在短时间内使系统重新回到稳定状态，即对该扰动具有较好的控制作

用。待稳态后，增加扰动阀门的开度（增大至约25度），观察加入较大扰动后，曲线是否能在短时间内使系统重新回到稳定状态，继续怎加阀门开度至40度，观察系统抗干扰能力。

2．实验数据与曲线

（1）比例调节器（P）控制

图6比例调节器（P=20）

图7比例调节器（P=30）

（2）比例积分调节器（PI）控制

图8比例积分调节器（PI, I=100）

（3）比例积分微分调节器（PID）控制

图10比例积分调节器（PID, D=10）

（4）中水箱加入扰动