双容水箱动态特性测试 - 图文

“过程控制系统设计”

实物实验报告

实验名称：双容水箱对象特性测试及 PID 控制实验

姓 名： 学 号： 班 级： 指导老师：

同组人：

实验时间：2013 年5 月30 日

一、实验目的

1、了解双容对象的动态特性及其数学模型 2、熟悉双容对象动态特性的实验测定法原理 3、掌握双容水箱特性的测定方法

4、学习双容水箱液位 PID 控制系统的组成和原理 5、熟悉 PID 的调节规律

6、掌握 PID 控制器参数的整定方法

二、实验设计（画出“系统方框图”和“设备连接图”） 控制系统1、双容对象特性实验测定法原理

本次实验需要求取对象的飞升曲线（即阶跃响应曲线）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。

双容对象飞升曲线实验测定方法的具体步骤如下： （1） 选择工作点

给定控制量，让双容水箱对象的液位稳定 （2） 测绘飞升曲线

让控制量做阶跃变化，并测绘双容水箱液位随时间变化的曲线 （3） 获得对象的动特性

假定在输入量变化量为Δu 时测绘的飞升曲线如图１所示：

图 １ 双容水箱液位 PID 控制系统的方框图

因此，可估算双容水箱的模型为

其中

k?△yulenτ????*， △uylen于是用实验法测出了双容水箱的动特性。

2、控制系统的组成及原理

单回路调节系统，一般是指用一个控制器来控制一个被控对象，其中控制器只接收一个 测量信号，其输出也只控制一个执行机构。双容水箱液位PID 控制系统也是一种单回路调 节系统，典型的双容水箱液位控制系统如图２所示：

图 ２ 双容水箱液位 PID 控制系统的方框图

在双容水箱液位 PID 控制系统中，以液位为被控量。其中，测量电路主要功能是测量 对象的液位并对其进行归一化等处理；PID 控制器是整个控制系统的核心，它根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节，从而控制双容水箱的液位达到期望的设定值。

单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求，只有在单回路调节系统不能满足生产 更高要求的情况下，才采用复杂的调节系统。 （１） PID 调节规律

PID 控制是比例、积分、微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展历程中，PID 控 制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。目前，PID 控制仍然是得到最广泛应用的基本控制方式。常用的ＰＩＤ控制规律有：Ｐ、ＰＩ、ＰＤ、ＰＩＤ，可根据被控对象的特点和控制要求选择其中之一作为控制器。 （２） PID 控制器参数的实验整定方法

双容水箱液位PID 控制器参数整定，是为了得到某种意义下的最佳过渡过程。我们这

里选用较通用的“最佳”标准，即在阶跃扰动作用下，先满足需要的衰减率，然后尽量协调 准确性和快速性要求。

在双容水箱液位的控制中，对于阶跃输入（包括阶跃扰动），若用比例（P）调节器去

控制，系统有余差，且与比例度成正比；若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无 余差，而且只要调节器的参数K 和Ti 调节得合理，也能使系统具有良好的动态性能。

三、实验步骤 1、进入实验

（1）启动计算机，点击桌面上的“中控教仪过程控制实验软件”快捷键 进入实验系统。 (2) 选者DDC 模块 （3）DDC 模块设置

点击工具栏中的模块设置，点击右箭头，系统自动开始搜索，得到串口检测状态后关闭窗口。 （4）选择实验

单击实验 4，进入双容水箱PID 控制实验界面。 2、选择控制回路 1）选择控制对象

在实验界面的“请选择控制回路”选择框中选择控制回路，从两个回路中 任选一个。

这里，我们选择“水箱1 和３”作为控制回路，此时只有水箱1 的PID 控 制器是有效的。 2）控制回路构成

根据选择的控制对象，调节相应的进水阀状态。

以“水箱1 和３”对象为例，此时需打开水箱１和３的对应阀门，关闭其 它进水阀，从而构成双容水箱PID 控制回路。 3、选择工作点

（1）将PID 控制器设置成手动方式

假定我们选择了“水箱1 和３”构成的控制回路，则相应地设置水箱1 的控制器。 单击实验界面中的“水箱 1 液位控制器”标签，打开控制器窗体。 单击控制器窗体中的“手动”按钮，将控制器设置成手动； （2）设定工作点

单击控制器界面中 MV 柱体旁的增/减键，设置MV（U1）的值，将阀门 U1 开度设置在某一确定值，使被测的上、下水箱的液位稳定在某个平 衡点——即选定某一工作点； （３）记录平衡点参数

观察上、水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录调节阀输出值，以及下水 箱水位的高度h2 和测量显示值，并填入表1。 ４、建立双容水箱的数学模型 （１）让控制量作阶跃变化。

这里，以控制量“U1”为例，让MV（U1）增加10%的输出量（注：可以根据实际的 效果选择跳变的幅度，通常取5%~15%），记录阶跃响应的过程参数，填入表2 中，直到水 箱进入新的平衡状态。

实验软件提供了“实时趋势”和“历史趋势”两个功能窗体来记录实验数据。“实时 趋势”只能查看一个小时之内的数据，超过一个小时就要借助“历史趋势”。 （２）绘制双容水箱的阶跃响应曲线

根据表２的下水箱水位实际值(cm)，用坐标纸画出双容水箱的阶跃响应曲线。 （３）建立双容水箱的数学模型

分别用两点阀和切线法建立双容水箱的Ｋ、Ｔ、τ模型，并比较两者的误差。 ５、设置控制器的初始整定参数 （１）计算控制器的参数值

根据响应曲线法整定公式计算出PI 控制器的初始值。 （２）设置控制器参数

单击控制器界面中的“参数设置”按钮，弹出控制器参数设置窗体. 通过键盘输入到窗体对应的框中（一般不用修改其它参数）。 ６、启动水箱1 液位PI 控制器

（1）将控制器改成自动方式：单击控制器窗体的“自动”按钮；

（2）改变设定值：单击控制器窗体SV 柱体旁的增/减键，改变控制器的设定值SV。 ７、控制效果评估

通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体可以查看趋势曲线；

根据趋势曲线，计算出过程的超调量、过渡时间和衰减比，并对控制效果进行评 估，将结果填入数据记录表３中

四．实验记录（包括实验数据和波形图）

表 1

调节阀输出值（0~100） 30% 表 2

T（秒） 下水箱水位显示值（cm） T（秒） 14：35：51 11.8 14：37：51 14：39：51 14：41：51 12.8 14.0 15.9 14：43：51 17.7 下水箱水位显示值（cm） （在监控画面上显示的值） 5.2 下水箱水位实际值（cm） （在水箱刻度线上的值） 11.6 14：45：51 14：47：51 20.5 14：57：51 24.3 14：49：51 21.3 14：59：51 24.7 14：51：51 22.5 15：01：51 24.9 14：53：51 23.3 15：03：51 25.2 下水箱水位19.1 显示值（cm） T（秒） 14：55：51 下水箱水位23.8 显示值（cm） 在毫米方格纸上根据矩形脉冲数据画出阶跃响应曲线如下图

经过调整后的曲线

四、结果分析

整定后最终结果

表３ 时间 控 制 参 数 Kc I（s） D（s） 17:20:24 0.4422 534.6 0 9.44% 1500 0.5 超调量（％） 过渡时间（s） 稳态误差 与预期不同的是过度时间较长，但最终与预期效果相似。可能是因为实验过程中错过记录时间不仔细观察实验趋势没有及时做出调整所致。

六．思考题

1、在做本实验时，为什么不能任意变化中水箱出水阀的开度大小？

因为出水阀属于被控对象的一部分，在实验过程中如果改变出水阀的开度大小会使实验结果与预期的不相符。

2、用两点法和用切线法对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点？

两点法计算复杂但精确，切线法操作简单但是由于每个人的画法不同会使误差较大。 ３、调节器参数（K、Ti 和Td）的改变对整个控制过程有什么影响？

如果系统出现振荡时，应适当减小比例作用和积分作用；如果系统出现较大的超调时，应当减小积分作用，反之，应加大积分作用；如果期望缩短过渡时间，可以适当加大比例作用；液位调节中，一般不用微分作用。

七、心得体会

实验所需的时间较长，一方面是需要等待结果出来，另一方面是预习不够到位对仪器不熟悉，所以导致很多过程都重新来过，这样等于浪费了很多时间也让效率降低。一开始因

为两个水箱水位工作不同步而尝试了多次，最后发现每台仪器不同而等待时间不同，实验过程中因为不熟悉错过记录时间，所幸有历史记录。所以在实验中，应该学会多应变，对于不熟悉的实验应该做好预习工作，实验过程中与同学老师多交流，这样才是一个完整有收获的学习过程。

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