過程控制試驗(yàn)-單容水箱屬性測(cè)試及PID參數(shù)整定

過程控制實(shí)驗(yàn)單容水箱屬性測(cè)試及PID參數(shù)整定專業(yè)： 自動(dòng)化 班級(jí)： 指導(dǎo)老師： 組員姓名： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：第八周周日5-8節(jié)、周四9-12節(jié)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）、熟悉單容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線。2）、根據(jù)由實(shí)際測(cè)得的單容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法分別確定它們的參數(shù)。3）、通過實(shí)驗(yàn)熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理。4）、分析分別用P、PI和PID調(diào)節(jié)時(shí)的過程圖形曲線。5）、定性地研究P、PI和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備AE2000A型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置、MCGS程序運(yùn)行環(huán)境、計(jì)算機(jī)、RS232-485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根、實(shí)驗(yàn)連接線。三、實(shí)驗(yàn)原理1）、對(duì)象特性測(cè)試設(shè)單容水箱的輸入為。1，輸出為q，液位為h調(diào)節(jié)輸入輸出，當(dāng)系統(tǒng)平衡時(shí)：Qi（ti）-Q2（t2）=0；當(dāng)系統(tǒng)由于輸入變化處于動(dòng)態(tài)時(shí)：Q（t）-Q（t）=孚=A.粵）；12dtdtQ二等；

2R2二A.dh(t)

dt呻換Qf呻換Qf-萼二加?H(s)n2H(s)R — □ 2Qi(s) AR2s+1得到傳遞函數(shù)為G（s）=F冬二=工ARs+1ts+1令Q1有階躍變化量X0，拉氏變換式QJs）=xJskx kxkxH(s)= 0——=-0-- 0—s(Ts+1) s s+1T取拉氏反變換：h⑴二弟1-?）當(dāng)tfg HQ)-H(0)=KxnK=H⑷-H(0)0 x0t=T H(T)=%(1-e-1)=0.632Kx。2)、PID參數(shù)整定加入PID控制后的系統(tǒng)框圖如下圖-T匕電動(dòng)調(diào)節(jié)閥——智能調(diào)節(jié)前—>< 1「Qih勵(lì)矗器 IT吃出水閥KTnMT,TJ,T，△J有經(jīng)驗(yàn)可知：TJnMT,a=0TTntJ,tJ,MJ經(jīng)驗(yàn)試湊法；①P(T=g,T=0)此時(shí)Kp=0T，并給系統(tǒng)一個(gè)階躍信號(hào)，觀察波形直到第一次峰值和第二次峰值之比大于4；1②PI(T=0)適當(dāng)減小Kp,逐漸減小T,，給系統(tǒng)一個(gè)階躍信號(hào)，觀察波形直到第一次峰值和第二次峰值之比大于4；1③PID

適當(dāng)增大Kp,T,,To0逐漸增大，重復(fù)上述操作，得到合適的PID參數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1）、對(duì)象特性測(cè)試.按要求連接試驗(yàn)設(shè)備，如下圖3 0 0畫畫畫S效aAI劇岫?拈乜與rrrr4/O*h/0i卬IM工心LLLL「HTLoLoLoIo一『川信與3 0 0畫畫畫S效aAI劇岫?拈乜與rrrr4/O*h/0i卬IM工心LLLL「HTLoLoLoIo一『川信與鏗口一

仁”在交序指f

4WlXrC-氐cm3^o蛆口.0-^0流?送器Ik敬曜■量才尿:+30E|OO現(xiàn)VIC電系貸印1實(shí)驗(yàn)接線圖.打開對(duì)象特性測(cè)試軟件，調(diào)節(jié)出水閥到一個(gè)合理的開度保持不變，設(shè)置參數(shù)調(diào)節(jié)入水閥開度，使系統(tǒng)保持平衡（h不變）。.在平衡條件下，增大入水閥開度，觀察響應(yīng)，并記錄數(shù)據(jù)

2對(duì)象特性測(cè)試軟件界面.繪制階躍響應(yīng)曲線，計(jì)算系統(tǒng)傳遞函數(shù)。2）、PID參數(shù)整定.調(diào)節(jié)入水閥，出水閥使卜衡定.按照經(jīng)驗(yàn)試湊法，從P,PI，PID順序依次設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行PID參數(shù)診定如圖:3液位PID參數(shù)整定實(shí)驗(yàn)軟件界面

3.根據(jù)得到的參數(shù)以及階躍響應(yīng)曲線，分析參數(shù)的合理性。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1、對(duì)象特性測(cè)試（1）、根據(jù)所得數(shù)據(jù)畫出階躍響應(yīng)曲線如圖設(shè)液位高度為h,設(shè)液位高度為h,進(jìn)水閥開度為u得：28.6—13.5… =2940.05取曲線上兩點(diǎn)（200,21.3）和（284,23.4），該兩點(diǎn)分別為t1和t2的對(duì)應(yīng)T= ^2—— 二246s;TOC\o"1-5"\h\zln[1—y*(t)]—ln[1—y*(t)]1 2=33.4s;tln[1—y*(t)]—t皿1—y*(t)] 1 1 2=33.4s;ln[1—y*(t)]—ln[1—y*(t)]1 2取t3=8s、t4=143s、t5=238s進(jìn)行驗(yàn)證:t<T;y*(t)=0.05氏0;，、19—14.5 ， 148—31.2t>t;y*(t)=———-=0.375氏y*(t)=1—e-278=0.33;4 1 4 12 24211-145 238—312t>t;y*(t)= -=0.55hy*(t)=1—e-278=0.53;5 15 12 24計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值的差距不大可以接受，則最后結(jié)果為;K=294;T=246s;t=33.4s2、液位PID參數(shù)整定(1)、P調(diào)節(jié)器控制時(shí)的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示。該曲線參數(shù)如下：水位初始高度h1=6.4cm；閘門開度OP=10%；設(shè)定水位卜0=20W；比例系數(shù)在二10；第一個(gè)峰值高度卜2=34.6^；第二個(gè)峰值高度為h3=22.4cm；第一個(gè)偏移量與第二個(gè)偏移量之比限6.1>4；滿足要求；采用P調(diào)節(jié)器控制的余差守1.2；超調(diào)量。％=95.1%；對(duì)該試驗(yàn)曲線進(jìn)行分析得知：增大KP時(shí)，可以減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但隨著好的增大，系統(tǒng)的超調(diào)量也隨之增大，從上圖中第一次峰值的高度可以看出超調(diào)量增加，而且在過大以后降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，造成了第二個(gè)峰值及其以后的峰值呈現(xiàn)一個(gè)等幅振蕩，無法達(dá)到平衡。(2)、PI調(diào)節(jié)器控制時(shí)的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示。

該曲線參數(shù)如下：設(shè)定水位卜0=20加；比例系數(shù)底=5;積分時(shí)間常數(shù)7=30;第一個(gè)峰值高度卜1=29.2。0；第二個(gè)峰值高度為h3=21.1;第一個(gè)偏移量與第二個(gè)偏移量之比限8.1>4;滿足要求；采用PI調(diào)節(jié)器控制的余差小1.4;超調(diào)量。％=73.2%;對(duì)該曲線進(jìn)行分析與前一個(gè)曲線比較得知，在原有的P調(diào)節(jié)上加入一個(gè)積分環(huán)節(jié)，可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，消除或減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，在Ti見效的過程中系統(tǒng)超調(diào)量增加。調(diào)節(jié)過程中依然KP值過大導(dǎo)致曲線在第二次正當(dāng)以后基本呈等幅振蕩，理想情況下曲線的振蕩應(yīng)逐漸減小，最終趨于設(shè)定值。(3)、PID調(diào)節(jié)器控制的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示。該曲線參數(shù)如下：設(shè)定水位卜0=20加；比例系數(shù)底=10;積分時(shí)間常數(shù)：7=30;微分時(shí)間參數(shù)Td=10;第一個(gè)峰值高度卜2=32.0。0；第二個(gè)峰值高度為h3=20.4cm;第一個(gè)偏移量與第二個(gè)偏移量之比限30>4;滿足要求；采用P調(diào)節(jié)器控制的余差守0.7;超調(diào)量。％=75%;對(duì)該曲線分析并與前兩個(gè)曲線比較，加入的微分環(huán)節(jié)有降低超調(diào)量減少調(diào)節(jié)時(shí)間和上升時(shí)間的作用，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，在PID調(diào)節(jié)的作用下，兼顧快速性與無靜差的特點(diǎn)，曲線跟快速的趨于穩(wěn)定，且