過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)二一階單容上水箱對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1、過(guò)程控制及儀表實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)： 實(shí)驗(yàn)名稱： 實(shí)驗(yàn)二 一階單容上水箱對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn) 仿真實(shí)驗(yàn)：PID參數(shù)整定 實(shí)驗(yàn)小組： A大組第二小組 組員姓名： _ _ _組員學(xué)號(hào)： _ 指導(dǎo)老師： _ _ _實(shí)驗(yàn)日期： _ 2015/5/9 _ _ _ 信息工程學(xué)院自動(dòng)化系過(guò)程控制及儀表實(shí)驗(yàn)報(bào)告一 實(shí)驗(yàn)名稱 1、一階單容上水箱對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)2、仿真實(shí)驗(yàn)：PID參數(shù)整定二 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，了解本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的各個(gè)對(duì)象。2 測(cè)試一個(gè)水箱的對(duì)象特性。3 學(xué)會(huì)PID參數(shù)整定的基本原則。4 使用穩(wěn)定邊界法和衰減曲線法去整定參數(shù)。三 實(shí)驗(yàn)原理階躍響應(yīng)測(cè)試法是系統(tǒng)在開(kāi)環(huán)運(yùn)行條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過(guò)調(diào)節(jié)器或其

2、他操作器，手動(dòng)改變對(duì)象的輸入信號(hào)（階躍信號(hào)）。同時(shí)，記錄對(duì)象的輸出數(shù)據(jù)或階躍響應(yīng)曲線，然后根據(jù)已給定對(duì)象模型的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定模型中各參數(shù)。圖解法是確定模型參數(shù)的一種實(shí)用方法，不同的模型結(jié)構(gòu)，有不同的圖解方法。單容水箱對(duì)象模型用一階加時(shí)滯環(huán)節(jié)來(lái)近似描述時(shí)，?？捎脙牲c(diǎn)法直接求取對(duì)象參數(shù)。 如圖1-1所示，設(shè)水箱的進(jìn)水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開(kāi)度值。根據(jù)物料動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)系，求得：在零初始條件下，對(duì)上式求拉氏變換，得： 式中，T為水箱的時(shí)間常數(shù)（注意：閥V2的開(kāi)度大小會(huì)影響到水箱的時(shí)間常數(shù)），T=R2*C，K=R2為過(guò)程的放大倍數(shù)，R2為V2

3、閥的液阻，C 為水箱的容量系數(shù)。令輸入流量Q1（S）=RO/S，RO為常量，則輸出液位的高度為：當(dāng)t=T時(shí)，則有：h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h()即 h(t)=KR0(1-e-t/T)當(dāng)t時(shí)，h（）=KR0，因而有K=h（）/R0=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入式（1-2）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖1-2所示。當(dāng)由實(shí)驗(yàn)求得圖1-2所示的 圖1-2、 階躍響應(yīng)曲線階躍響應(yīng)曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對(duì)應(yīng)時(shí)間，就是水箱的時(shí)間常數(shù)T，該時(shí)間常數(shù)T也可以通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn) 所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)T，其理論依據(jù)是：

4、上式表示h（t）若以在原點(diǎn)時(shí)的速度h（）/T 恒速變化，即只要花T秒時(shí)間就可達(dá)到穩(wěn)態(tài)值h（）。PID控制：具有比例加積分加微分控制規(guī)律的控制成為比例積分微分控制。傳遞函數(shù)：Gc（s）=Kp+（Kp/Ti）（1/s）+Kps , 其中，Kp為比例系數(shù)， Ti為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)，三者都是可調(diào)的參數(shù)。穩(wěn)定邊界法和衰減曲線法都屬于工程整定方法，其基本特點(diǎn)：不需要事先知道過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，直接在過(guò)程控制系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定，方法簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)便，易于掌握。四 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、 設(shè)備的連接和檢查：（1）、將AE2000B 實(shí)驗(yàn)對(duì)象的儲(chǔ)水箱灌滿水（至最高高度）。（2）、打開(kāi)以丹麥泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁

5、流量計(jì)組成的動(dòng)力支路至上水箱的出水閥門，關(guān)閉動(dòng)力支路上通往其他對(duì)象的切換閥門。（3）、打開(kāi)上水箱的出水閥至適當(dāng)開(kāi)度。（4）、檢查電源開(kāi)關(guān)是否關(guān)閉2、 系統(tǒng)連線圖：圖1-3、 實(shí)驗(yàn)接線圖1）、將I/O信號(hào)接口板上的上水箱液位的鈕子開(kāi)關(guān)打到OFF位置。2)、按圖1-3所示連線。3、啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置1）、將實(shí)驗(yàn)裝置電源插頭接到單相220V的單相電源上。2）、打開(kāi)總電源漏電保護(hù)空氣開(kāi)關(guān)，電壓表指示220V，電源指示燈亮。3）、打開(kāi)電源總開(kāi)關(guān)，即可開(kāi)啟電源。4、實(shí)驗(yàn)步驟1）、開(kāi)啟電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電源、24V電源、智能調(diào)節(jié)儀電源。2）、根據(jù)儀表使用說(shuō)明書(shū)和液位傳感器使用說(shuō)明調(diào)整好儀表各項(xiàng)參數(shù)和液位傳感器的零位、增益

6、，儀表輸出方式設(shè)為手動(dòng)輸出，初始值為0。3）、啟動(dòng)計(jì)算機(jī)MCGS組態(tài)軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)如圖1-4所示：1-4、實(shí)驗(yàn)軟件界面4）、雙擊設(shè)定輸出按鈕，進(jìn)行設(shè)定輸出值的大小，或者在儀表手動(dòng)狀態(tài)下，按住儀表的STOP鍵將儀表的輸出值上升到所想設(shè)定的值，這個(gè)值根據(jù)閥門開(kāi)度的大小來(lái)給定，一般初次設(shè)定值35。開(kāi)啟單相泵電源開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)動(dòng)力支路。將被控參數(shù)液位高度控制在30%處（一般為10cm）。5)、觀察系統(tǒng)的被調(diào)量：上水箱的水位是否趨于平衡狀態(tài)。若已平衡，應(yīng)記錄調(diào)節(jié)儀輸出值，6）、迅速增加儀表手動(dòng)輸出值，增加5%的輸出量。7）、直到進(jìn)入新的平衡狀態(tài)。五 實(shí)驗(yàn)要求1.作出一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。 2

7、. 如果僅有比例控制，對(duì)控制系統(tǒng)有什么影響？答：比例控制的優(yōu)點(diǎn)是控制及時(shí)，反應(yīng)靈敏，偏差越大，控制力度越大，但當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 3. PID控制較PI和PD控制的優(yōu)勢(shì)。答：比例積分（PI）控制比例積分控制器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種控制器，多用于工業(yè)生產(chǎn)中液位、壓力、流量等控制系統(tǒng)。由于引入積分作用能消除余差，彌補(bǔ)了純比例控制的缺陷，獲得較好的控制質(zhì)量。但是積分作用的引入，會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。對(duì)于有較大慣性滯后的控制系統(tǒng)，要盡量避免使用。比例微分（PD）控制比例和微分作用結(jié)合，比單純的比例作用更快。尤其是對(duì)容量滯后大的對(duì)象，可以減小動(dòng)偏差的幅度，節(jié)省控制時(shí)間，顯著改善控制質(zhì)

8、量。比例積分微分（PID）控制最為理想的控制當(dāng)屬比例-積分-微分控制規(guī)律。它集三者之長(zhǎng)：既有比例作用的及時(shí)迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。當(dāng)偏差階躍出現(xiàn)時(shí)，微分立即大幅度動(dòng)作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時(shí)起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定；而積分作用慢慢把余差克服掉。只要三個(gè)作用的控制參數(shù)選擇得當(dāng)，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，得到較為理想的控制效果六 實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、作出一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。 2、（1）穩(wěn)定邊界法 pr=6.6% Tpr=2.9s/(%)Ti/minTd/minP13.3%-PI1

9、4.7%2.0s-PID11.3%1.45s0.36s（1） 附注：當(dāng)令Ti= Td=0，比例帶置較大，使系統(tǒng)投入運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐漸減少比例帶，直至等副振蕩，記下pr值等于6.6% ，和兩波峰間的時(shí)間間隔Tpr等于2.9s，對(duì)應(yīng)的等幅振蕩如下圖1所示 圖1MATLAB仿真圖：=13.3%(PID參數(shù)設(shè)計(jì)中的kp=7.5)響應(yīng)曲線：MATLAB仿真圖：= 14.7%(PID參數(shù)設(shè)計(jì)中的kp=6.8) Ti=2.0s響應(yīng)曲線：MATLAB仿真圖：=11.3% (PID參數(shù)設(shè)計(jì)中的kp=8.8) Ti= 1.45s Td=0.36s響應(yīng)曲線：（ 2） 衰減曲線法s=4.8%(PID參數(shù)設(shè)計(jì)中的

10、kp=20.8) Ts=2.6s衰減比/(%)Ti/minTd/min4:1P4.8%-PI5.76%1.3s-PID4.54%0.78s0.26sMATLAB仿真圖：=4.8%(PID參數(shù)設(shè)計(jì)中的kp=20.8)響應(yīng)曲線：MATLAB仿真圖：=5.76%(PID參數(shù)設(shè)計(jì)中的kp=17.4) Ti=1.3s響應(yīng)曲線：MATLAB仿真圖：= 4.54%(PID參數(shù)設(shè)計(jì)中的kp=22) Ti=0.78s Td=0.26s響應(yīng)曲線：七 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 本次試驗(yàn)內(nèi)容嚴(yán)格說(shuō)是有兩項(xiàng)，一是實(shí)驗(yàn)儀器的實(shí)地操作二是在實(shí)驗(yàn)室在Matlab平臺(tái)上進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法的仿真驗(yàn)證；但是由于實(shí)驗(yàn)儀器的問(wèn)題，以及只有半個(gè)小時(shí)使用權(quán)限的組態(tài)王，在以下的穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行增加輸出量的階躍信號(hào)，通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)儀表的數(shù)據(jù)反映一階階躍響應(yīng)。由于等待的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，組態(tài)王會(huì)自動(dòng)退出，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)終止。雖然實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有成功，但是在操作過(guò)程中能真正了解到系統(tǒng)自身在本來(lái)穩(wěn)態(tài)下即使受到外界沖擊，只要該沖擊是的可接受可調(diào)整范圍內(nèi)的，自身系統(tǒng)都會(huì)進(jìn)行糾正。 實(shí)驗(yàn)的第二項(xiàng)是對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定中的穩(wěn)定邊界法、衰減曲線法、具有延時(shí)環(huán)節(jié)