自动化实训报告 - 图文

北京科技大学

自动化生产线实训

实验报告

班 级： 自1103 姓 名： 高云峰 学 号： 41151092 指导教师： 阎群 日 期： 2014 年 5 月 5 日

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目 录

目 录........................................................................................................................... i 1系统概述 .................................................................................................................... 1

1.1实验对象 ......................................................................................................... 1

1.1.1系统简介 .............................................................................................. 1 1.1.2系统基本技术指标 .............................................................................. 1 1.1.3对象系统介绍 ...................................................................................... 1 1.1.4系统主体结构介绍 .............................................................................. 2 1.2上位机软件 ..................................................................................................... 3 1.3下位机 ............................................................................................................. 4

1.3.1控制器为S7-200的配电 ..................................................................... 4 1.4实验任务与目的 ............................................................................................. 5 1.5分组情况 ......................................................................................................... 5 2单容水箱建模 ............................................................................................................ 6

2.1建模方法概述 ................................................................................................. 6

2.1.1 机理建模 ............................................................................................. 6 2.1.2 实验方法建模 ..................................................................................... 6 2.1.3 对象模型的影响因素分析 ................................................................. 7 2.2阶跃响应法建模 ............................................................................................. 7

2.2.1 理论基础 ............................................................................................. 7 2.2.2 实验步骤 ............................................................................................. 8 2.2.3模型建立 ............................................................................................ 10 2.2.4 结果分析 ........................................................................................... 11 3 Matlab仿真实验 ...................................................................................................... 12

3.1实验建模： ................................................................................................... 12

3.1.1作图法建模 ........................................................................................ 12 3.1.2计算法建模 ........................................................................................ 12 3.2基于matlab的PID整定 ............................................................................... 14 4单容水箱PID控制 ................................................................................................... 17

4.1液位控制 ....................................................................................................... 17

4.1.1实验原理 ............................................................................................ 17 4.1.2实验步骤 ............................................................................................ 18 4.1.3结果分析 ............................................................................................ 21 4.2流量控制（选做） ....................................................................................... 21

4.2.1实验原理 ............................................................................................ 21 4.2.2实验步骤 ............................................................................................ 22 4.2.3结果分析 ............................................................................................ 26

i

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4.3压力控制（选做） ....................................................................................... 26

4.3.1实验原理 ............................................................................................ 26 4.3.2实验步骤 ............................................................................................ 27 4.3.3结果分析 ............................................................................................ 31 5实训总结 .................................................................................................................. 32

5.1 目标，过程，结果等分析 .......................................................................... 32 5.2对实训的收获，要求和建议 ....................................................................... 32 6选作内容 .................................................................................................................. 34

6.1流量液位串级控制系统 ............................................................................... 34

6.1.1实验原理 ............................................................................................ 34 6.1.2实验步骤 ............................................................................................ 35 6.1.3结果分析 ............................................................................................ 43

ii

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1系统概述

1.1实验对象 1.1.1系统简介

A1000小型过程控制实验系统其实就是一个水箱控制系统，通过对手阀的调节可以形成单容、双容、三容水箱控制系统，并能进行相关的实验。本系统使用了西门子的S7-200PLC实现控制功能，同时使用组态王软件编写相应程序对该系统进行实时监控。因此本系统非常适合学习组态软件、控制系统调节以及控制器编程，也非常适合于进行算法研究。

图1 A1000小型过程控制实验系统

1.1.2系统基本技术指标

系统尺寸：510mm(长度)*400mm（宽度）*565mm（高度）。

桌子尺寸：660mm(长度)*560mm（宽度）*610mm（不含轮子高度）。轮子高度80mm左右。

重量：18公斤左右（无水时），38公斤左右（装满水）。 供电：24V，3A。 供水：纯净水20公斤。 1.1.3对象系统介绍

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本系统的控制系统和对象是一体的，连通手阀采用金属球阀（长80mm）

A1000小型过程控制实验系统工艺流程图JV12流量FT1JV13溢出管JV14JV15JV23溢出管V2JV24JV25液位LT2JV22V1液位LT1V3液位P-46流量FT2LT3压力P1压力JV26JV21P2P2JV16JV11P1溢出管JV31V4

图2 A1000小型多参数过程控制系统流程图

该系统提供了两路动力支流，既可以满足两个同学同时进行压力、流量和液位实验，还可以一路用于提供水流，一路用于提供干扰。JV13和JV23提供泄漏干扰。

1.1.4系统主体结构介绍

A1000小型过程控制实验系统结构由以下各部分组成： 1）储水箱主体，提供了整个系统的支撑。 2）三容水箱

左边水箱有一个入水口和四个出水口。右边上出水用于溢流，如果水过多则从中水箱溢流。右边中出水口用于和中水箱形成垂直多容系统。右边下出水口用于和中水箱形成水平两容和水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。

中间水箱有五个入水口，两个出入水口，两个出水口。前面的入水口是两个水路的入水。左右最上面的入水口用于左右两个水箱溢流。左边中出水用于和左边水箱形成垂直多容系统。左边下出水口用于和左水箱形成水平两容，以及水平三容。右边下出水口用于和右水箱形成水平两容，以及水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。中间有根管道，如果水

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过多则从此管道溢流。

右边水箱有一个入水口，四个出水口。左边上出水用于溢流，如果水过多则从中水箱溢流。左边下出水口用于和中水箱形成水平两容，以及水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。

3）测控点

压力测点2个，用于测量泵出口的压力（0～100Kpa；4～20mA）。 流量测点2个，用于测量注水流量（0～0.6m3/h）。

液位测点3个，用于测量各实验水柱的水位（0～5 Kpa；4～20mA）。 4）循环泵

潜水直流离心泵2台，提供水系统的循环动力。通过调速器控制水泵的出口流量，作为控制系统的执行器。

1.2上位机软件

计算机中的组态王软件

组态王软件有以下几方面的功能：

（1）强大的界面显示组态功能。运行于Windows环境下，充分利用Windows的图形功能完善界面美观的特点，可视化的m风格界面、丰富的工具栏，操作人员可以直接进人开发状态，节省时间。丰富的图形控仵和工况图库，既提供所需的组件，又是界面制作向导。提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲地绘制出各种工业界面，并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的界面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使界面生动、直观。

（2）良好的开放性。社会化的大生产，使得系统构成的全部软硬件不可能出自一家公司的产品，“异构”是当今控制系统的主要特点之一。开放性是指组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬件设备。开放性是衡量一个组态软件好坏的重要指标。

组态王软件向下能与低层的数据采集设备通信，向上能与管理层通信，实现上位机与下位机的双向通信。

(3) 丰富的功能模块。提供丰富的控潲功能库，满足用户的测控要求和现场

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要求。利用各种功能模块，完成实时监控 产生功能报表 显示历史曲线、实时曲线、提侠报警等功能，使系统具有良好的人机界面，易于操作，系统既叫适用于单机集中式控制、DCS分布式控制，也可以是带远程遇信能力的远程测控系统．

（4）强大的数据库。配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟量、离散量、字符型等，实现与外部设备的数据交换。

（5）可编程的命令语言。有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编鸾程序，蹭强图形界面

（6）周密的系统安全防范，对不同的操作者，赋予不同的操作权眼，保证整个系统的安全可靠运行。

（7）仿真功能．捉供强大的仿真功能使系统并行设计，从而缩短开发周期。

1.3下位机 西门子 S7-200 PLC

1.3.1控制器为S7-200的配电

S7-200接线如图11所示。如果有一个EM231，只连接LT1, LT2，LT3，PT1，而FT1、FT2连接脉冲输入，输出连接P101，P102。

图3 S7-200信号接线

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1.4实验任务与目的

完成单容水箱液位数学模型测定，利用MATLAB建立系统数学模型，利用MATLAB对控制器参数进行整定，液位PID单回路控制，流量PID单回路控制，压力PID单回路控制，串级系统PID控制实验并整理总结控制参数的整定方法。 1.5分组情况

组长：吴凯航

组员：高云峰，万千慧，黄祥坤

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2单容水箱建模

2.1建模方法概述 2.1.1 机理建模

又称为直接分析法或解析法，应用最广泛的一种建模方法。 一般是在若干简化假设条件下，以各学科专业知识为基础，通过分析系统变量之间的关系和规律，而获得解析型数学模型。

其实质是应用自然科学和社会科学中被证明是正确的理论、原理和定律或推论，对被研究系统的有关要素（变量）进行理论分析、演绎归纳，从而构造出该系统的数学模型。

建模步骤如下：

1)分析系统功能、原理，对系统作出与建模目标相关的描述； 2) 找出系统的输入变量和输出变量；

3) 按照系统（部件、元件）遵循的物化（或生态、经济）规律列写出各部分的微分方程或传递函数等；

4) 消除中间变量，得到初步数学模型； 5) 进行模型标准化；

6) 进行验模（必要时需要修改模型）。 2.1.2 实验方法建模

就是在输入和输出数据的基础上，从一组给定的模型类中，确定一个与所测系统等价的模型。

辨识的三要素：

输入输出数据：辨识的基础； 模型类：寻找模型的范围；

等价准则：辨识的优化目标。 一般步骤：

1) 明确建模目的和验前知识：目的不同，对模型的精度和形式要求不同；事先对系统的了解程度。

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2) 实验设计：变量的选择，输入信号的形式、大小，正常运行信号还是附加试验信号，数据采样速率，辨识允许的时间及确定量测仪器等。

3) 确定模型结构：选择一种适当的模型结构。

4) 参数估计：在模型结构已知的情况下，用实验方法确定对系统特性用影响的参数数值。

5) 模型校验：验证模型的有效性。 2.1.3 对象模型的影响因素分析

对象模型的影响因素有输入输出信号的偏差，传感器的偏差，执行器的偏差等。

2.2阶跃响应法建模 2.2.1 理论基础

传递函数求法非常简单，只要有遥控阀和被控变量记录仪表就可以进行。先使工况保持平稳一段时间，然后使阀门作阶跃式的变化（通常在10%以内），同时把被控变量的变化过程记录下来，得到广义对象的阶跃响应曲线。

图4 由阶跃响应曲线确定K0、?和T0的图解法

G(s)?若对象的传递函数为图4，各个参数的求法如下：

K0??seT0s?1，则可在响应曲线拐点处做切线，如

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1、

K0??y(?)?u

式中：?y(?)为给阶跃前后，系统最终稳定到的值的差值

?u为所给阶跃的大小

2、??时间轴原点至通过拐点切线与时间轴交点的时间间隔 3、T0=被控变量y完成全部变化量的63.2%所需时间-?

2.2.2 实验步骤

1）取两次阀位模型

2）每次阀位，取两次阶跃响应建模实验结果，重要步骤需要截图，并说明。同组同学需要做不同的阶跃实验。

图5 单容水箱液位特性阶跃响应曲线（1）

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图5.1 单容水箱液位特性阶跃响应曲线局部放大（1）

图6 单容水箱液位特性阶跃响应曲线（2）

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图6.1 单容水箱液位特性阶跃响应曲线局部放大（2）

2.2.3模型建立

G(s)?设对象的传递函数为由图5.1得：

?y(?)=22%，?u=5%，

G(S)?K0?K0??seT0s?1

?y(?)?u=4.4，τ=0，T0=55

故传递函数为：

4.455S?1

同理，由图6.1得：

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?y(?)=24%，?u=5%，

G(S)?K0??y(?)?u=4.8，τ=0，T0=60

故传递函数为：

2.2.4 结果分析

4.860S?1

1)分析结果的正确性，合理性

经经验分析，实验结果正确，并且比较合理，单容水箱数学模型为一阶惯性环节。

2)若干次实验结果的对比分析

不同阀门开度对应的传递函数不同，但传递函数的形式一致，均为一阶惯性环节，结果可信。

3）（选作）不同实验建模方法的结果对比分析

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3 Matlab仿真实验

3.1实验建模：

图7 系统阶跃响应曲线

3.1.1作图法建模

根据输出稳态值和阶跃输入的变化幅值可得

?y(?)=22%，?u=5%，

K0??y(?)?u=4.4，τ=0，T0=55

系统近似为一阶惯性纯延迟环节故传递函数为：

4.455S?1

3.1.2计算法建模

G(S)?根据输出稳态值和阶跃输入的变化幅值可得

?y(?)=22%，?u=5%，

K0??y(?)?u=4.4

令 y*(t1)?0.39(y(?)?y(0)) , y*(t2)?0.63(y(?)?y(0))

所以 T=2×(t2－t1)=2×(55－27)=56 , τ=2×t1－t2=2×27－55~=0 所以系统数学模型为：

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4.4G(S)?56S?1

图8 原系统阶跃响应曲线

图9 近似系统阶跃响应曲线

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图10 近似系统框图

1)比较原系统和近似系统的单位阶跃响应，并分析误差大小。 近似系统比例增益系数的值比原系统小，调节较慢。 2)分析误差产生原因。

原系统在实验过程中由于干扰等原因，在输入阶跃信号时阶跃幅度相对较小，使得响应曲线输出的稳态值较初始值不够大，计算得到的比例增益系数偏小。

3.2基于matlab的PID整定

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图11 近似系统PID控制框图

图12 近似系统PID控制参数设定

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图13 近似系统单位阶跃响应曲线

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4单容水箱PID控制

4.1液位控制 4.1.1实验原理

单容水箱液位PID控制流程图如图14所示，采用右边支路进行实验，左边支路也是一样的。

JV22SPLICA103H L调速器液位LT103V3JV21JV26P102V4

图14 单容水箱液位调速器PID单回路控制

PID参数的作用 （1）比例调节的特点：

1、调节作用快，系统一出现偏差，调节器立即将偏差放大K倍输出； 2、系统存在余差。K越小，过渡过程越平稳，但余差越大；K增大，余差将减小，但是不能完全消除余差，只能起到粗调作用，但是K过大，过渡过程易振荡，K太大时，就可能出现发散振荡。 （2）积分调节的特点：

积分调节作用的输出变化与输入偏差的积分成正比，积分作用能消除余差，但降低了系统的稳定性，T1由大变小时，积分作用由弱到强，消除余差的能力由弱到强，只有消除偏差，输出才停止变化。 （3）微分调节的特点：

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微分调节的输出是与被调量的变化率成正比，在引入微分作用后能全面提高控制质量，但是微分作用太强，会引起控制阀时而全开时而全关，因此不能把T2取的太大，当T2由小到大变化时，微分作用由弱到强，对容量滞后有明显的作用，但是对纯滞后没有效果。

传感器及变送器 图15 液位控制系统方框图

控制器 变频器 液位

4.1.2实验步骤

1、在现场系统上，打开手阀JV22（即进水阀），调节JV26（即出水阀）开度到45%，其余阀门关闭。

2、在控制系统上，将IO面板的水箱液位输出连接到AI0，IO面板的电动调速器U102控制端连到AO1。

3、打开设备电源。

4、启动计算机组态软件，进入实验项目界面。启动调节器，设置各项参数。启动右边水泵P102和调速器。

5、系统稳定后可将调节器的手动控制切换到自动控制。

6、设置比例参数。观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰实验。

7、待系统稳定后，对系统加扰动信号(在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现，也可以通过支路1增加干扰，或者临时改变一下出口闸板的高度)。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。

8、减小P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 9、增大P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

10、选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。于是在比例调节实验

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的基础上，加入积分作用，即在界面上设置I参数不是特别大的数。固定比例P值，改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp。

图16 液位控制P调节器

图16.1 液位控制P调节器响应曲线

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图17 液位控制PI调节

图17.1 液位控制PI调节响应曲线

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4.1.3结果分析

P调节（比例调节）可以加快系统响应速度，但存在余差，系数过大时会振荡。

PI调节（比例积分调节）响应速度快，能够消除余差。当积分作用过大时会发生振荡。

PID调节（比例积分微分调节）响应速度最快，但参数整定复杂。

经整定，该系统为PI调节器，K=1，Ti=10，Td=0.

以上参数经过经验整定法，按P到PI再到PID的顺序依次对三个参数进行整定，分别选择使得响应曲线的动态特性及稳态特性最优的参数作为最终参数。达到超调量较小，调节时间较短，余差最小的目的。

4.2流量控制（选做） 4.2.1实验原理

流量调速器控制流程图如图18所示。采用右边支路进行实验，左边支路也是一样的。

H LSPFICA102流量FT102JV22V3调速器JV26JV21P102V4

图18 流量调速器PID单回路控制

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水介质由泵P102从水箱V4中加压获得压头，经由流量计FT102、调速器U102进入水箱V3，通过手阀JV26回流至水箱V4而形成水循环；其中，给水流量由FT102测得。本例为定值自动调节系统，U102为操纵变量，FT102为被控变量，采用PID调节来完成。

PID参数的作用 （1）比例调节的特点：

1、调节作用快，系统一出现偏差，调节器立即将偏差放大K倍输出； 2、系统存在余差。K越小，过渡过程越平稳，但余差越大；K增大，余差将减小，但是不能完全消除余差，只能起到粗调作用，但是K过大，过渡过程易振荡，K太大时，就可能出现发散振荡。 （2）积分调节的特点：

积分调节作用的输出变化与输入偏差的积分成正比，积分作用能消除余差，但降低了系统的稳定性，T1由大变小时，积分作用由弱到强，消除余差的能力由弱到强，只有消除偏差，输出才停止变化。 （3）微分调节的特点：

微分调节的输出是与被调量的变化率成正比，在引入微分作用后能全面提高控制质量，但是微分作用太强，会引起控制阀时而全开时而全关，因此不能把T2取的太大，当T2由小到大变化时，微分作用由弱到强，对容量滞后有明显的作用，但是对纯滞后没有效果。

4.2.2实验步骤

1、编写控制器算法程序，下装调试；编写实验组态工程，连接控制器，进行联合调试。

2、在现场系统上，将手阀JV22，JV26完全打开，其余阀门关闭。水箱容器只是作为水介质流通回路的一个部分。

3、在控制机柜上，把IO面板的FT102流量计信号端子通过实验连接线连到AI0端，面板上的U102调速器控制端连接到控制器AO1端。

4、打开设备电源，包括调速器，流量计电源。接通水泵P102电源。 5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。 6、启动计算机，启动组态软件，进入实验项目界面。

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7、启动调节器，设置到手动状态，把输出值设定到比较大的状态，同时检测流量计的流量测量。经过1分钟后，流量计测量准确后开始实验。

8、把调节器切换到自动控制。

9、设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。

图19 流量控制P调节器

图19.1 流量控制P调节器响应曲线

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上图为三次改变增益系数的阶跃响应曲线。

图20 流量控制PI调节器

（积分时间常数等于0.5） （积分时间常数等于3）

图20.1 流量控制PI调节器响应曲线

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图21 流量控制PID调节器

图21.1 流量控制PID调节器响应曲线

上图为三次改变微分时间常数的阶跃响应曲线。

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4.2.3结果分析

P调节（比例调节）可以加快系统响应速度，但存在余差，系数过大时会振荡。

PI调节（比例积分调节）响应速度快，能够消除余差。当积分作用过大时会发生振荡。

PID调节（比例积分微分调节）响应速度最快，但参数整定复杂。

经整定，该系统为PI调节器，K=3，Ti=0.1，Td=0.01.

以上参数经过经验整定法，按P到PI再到PID的顺序依次对三个参数进行整定，分别选择使得响应曲线的动态特性及稳态特性最优的参数作为最终参数。达到超调量较小，调节时间较短，余差最小的目的。

4.3压力控制（选做） 4.3.1实验原理

压力调速器控制流程图如图22所示，采用右边支路进行实验，左边支路也是一样的。

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H LSPPICA102压力PT102JV22V3调速器JV26JV21P102V4

图22 压力调速器PID单回路控制

水介质由泵P102从水箱V4中加压获得压头，经由调速器U102进入水箱V3，通过手阀JV26回流至水箱V4而形成水循环；其中，给水压力由PT102测得。本例为定值自动调节系统，U102为操纵变量，PT101为被控变量，采用PID调节来完成。 4.3.2实验步骤

1、编写控制器算法程序，下装调试；编写实验组态工程，连接控制器，进行联合调试。

2、在现场系统上，将手阀JV22，JV26完全打开，其余阀门关闭。水箱容器只作为水介质流通回路的一个部分。调速器打开一半。

3、在控制机柜上，把IO面板的管道压力（PT102）信号端子通过实验连接线连到AI0端，面板上的调速器（U102）控制端连接到控制器AO1端。

4、打开设备电源，包括调速器电源。

5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。 6、启动计算机，启动组态软件，进入实验项目界面。 7、启动水泵P102电源。

8、启动调节器，把调节器切换到自动控制。注意：控制器必须是正作用的，因为要想压力增加，必须减少调速器开度，而不是增加调速器开度。

9、设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。

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图23 压力控制P调节器

图23.1 压力控制P调节器响应曲线

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图24 压力控制PI调节器

图24.1压力控制PI调节器响应曲线

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图25 压力控制PID调节器

图25.1 压力控制PID调节器响应曲线

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4.3.3结果分析

P调节（比例调节）可以加快系统响应速度，但存在余差，系数过大时会振荡。

PI调节（比例积分调节）响应速度快，能够消除余差。当积分作用过大时会发生振荡。

PID调节（比例积分微分调节）响应速度最快，但参数整定复杂。

经整定，该系统为PI调节器，K=1，Ti=0.5，Td=0.

以上参数经过经验整定法，按P到PI再到PID的顺序依次对三个参数进行整定，分别选择使得响应曲线的动态特性及稳态特性最优的参数作为最终参数。达到超调量较小，调节时间较短，余差最小的目的。

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5实训总结

5.1 目标，过程，结果等分析

目标：学会PID的实际整定方法，通过实践巩固理论知识

过程：通过对单容水箱液位，流量，压力，液位流量串级控制系统PID参数的整定掌握参数整定方法。

结果：

P调节（比例调节）可以加快系统响应速度，但存在余差，系数过大时会振荡。

PI调节（比例积分调节）响应速度快，能够消除余差。当积分作用过大时会发生振荡。

PID调节（比例积分微分调节）响应速度最快，但参数整定复杂。 在整定参数时，按P到PI再到PID的顺序依次对三个参数进行整定，分别选择使得响应曲线的动态特性及稳态特性最优的参数作为最终参数。达到超调量较小，调节时间较短，余差最小的目的。

5.2对实训的收获，要求和建议

通过生产实训，我学会了如何在实践中调节PID控制器的参数，以及各参数的作用。

PID参数的作用 （1）比例调节的特点：

1、调节作用快，系统一出现偏差，调节器立即将偏差放大K倍输出； 2、系统存在余差。K越小，过渡过程越平稳，但余差越大；K增大，余差将减小，但是不能完全消除余差，只能起到粗调作用，但是K过大，过渡过程易振荡，K太大时，就可能出现发散振荡。 （2）积分调节的特点：

积分调节作用的输出变化与输入偏差的积分成正比，积分作用能消除余

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差，但降低了系统的稳定性，T1由大变小时，积分作用由弱到强，消除余差的能力由弱到强，只有消除偏差，输出才停止变化。 （3）微分调节的特点：

微分调节的输出是与被调量的变化率成正比，在引入微分作用后能全面提高控制质量，但是微分作用太强，会引起控制阀时而全开时而全关，因此不能把T2取的太大，当T2由小到大变化时，微分作用由弱到强，对容量滞后有明显的作用，但是对纯滞后没有效果。

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6选作内容

6.1流量液位串级控制系统 6.1.1实验原理

流量副环：

流量调速器控制流程图如图26所示。采用右边支路进行实验，左边支路也是一样的。

H LSPFICA102流量FT102JV22V3调速器JV26JV21P102V4

图26 流量调速器PID单回路控制

水介质由泵P102从水箱V4中加压获得压头，经由流量计FT102、调速器U102进入水箱V3，通过手阀JV26回流至水箱V4而形成水循环；其中，给水流量由FT102测得。本例为定值自动调节系统，U102为操纵变量，FT102为被控变量，采用PID调节来完成。

液位主环：

单容水箱液位PID控制流程图如图27所示，采用右边支路进行实验，左边支路也是一样的。

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JV22SPLICA103H L调速器液位LT103V3JV21JV26P102V4

图27 单容水箱液位调速器PID单回路控制

将二者结合在一起，主环（液位）的输出量作为副环（流量）的输入量，形成串级系统。

6.1.2实验步骤

1、编写控制器算法程序，下装调试；编写实验组态工程，连接控制器，进行联合调试。

2、在现场系统上，将手阀JV22，JV26完全打开，其余阀门关闭。水箱容器只是作为水介质流通回路的一个部分。

3、在控制机柜上，把IO面板的FT102流量计信号端子通过实验连接线连到AI0端，面板上的U102调速器控制端连接到控制器AO1端，将IO面板的水箱液位输出连接到AI2。

4、打开设备电源，包括调速器，流量计电源。接通水泵P102电源。 5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。 6、启动计算机，启动组态软件，进入实验项目界面。

7、启动调节器，设置到手动状态，把输出值设定到比较大的状态，同时检测流量计的流量测量。经过1分钟后，流量计测量准确后开始实验。

8、把调节器切换到自动控制。

9、设置比例参数。观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰实验。

10、待系统稳定后，对系统加扰动信号(在纯比例的基础上加扰动，一般可

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通过改变设定值实现，也可以通过支路1增加干扰，或者临时改变一下出口闸板的高度)。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。

11、减小P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 12、增大P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

13、选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。于是在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置I参数不是特别大的数。固定比例P值，改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp。

图28 控制器副环P调节

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