过程控制实验单容水箱属性测试及PID参数整定

过程控制实验——单容水箱属性测试及PID参数整定专业：自动化班级：指导老师：组员姓名：实验时间：第八周周日5-8节、周四9-12节一、实验目的1）、熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。2）、根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。3）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。4）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。5）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。二、实验设备AE2000A型过程控制实验装置、MCGS程序运行环境、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。三、实验原理1）、对象特性测试设单容水箱的输入为1Q，输出为2Q，液位为h调节输入输出，当系统平衡时：1122Q(t)(t)0Q；当系统由于输入变化处于动态时：12(t)(t)Q(t)(t)dvdhQAdtdt；22(t)hQR；12(t)(t)Q(t)hdhARdt21212H(s)(s)Q(s)(s)(s)1RHAsHRQARs拉氏变换得到传递函数为22(s)11RKGARss令1Q有阶跃变化量0X，拉氏变换式10(s)Qxs则0001(s)(Ts1)TkxkxkxHsss取拉氏反变换：0(t)(1e)tThkx当t00()H(0)()H(0)KxxHHKtT100(T)Kx(1e)0.632KxH2）、PID参数整定加入PID控制后的系统框图如下图有经验可知：,,,,0,,pprsiporspKMTTTMTttM经验试凑法；①P（,0ioTT）此时0pK，并给系统一个阶跃信号，观察波形直到第一次峰值和第二次峰值之比大于4；1②PI(0oT)适当减小pK，逐渐减小iT，给系统一个阶跃信号，观察波形直到第一次峰值和第二次峰值之比大于4；1③PID适当增大pK，iT，0oT逐渐增大，重复上述操作，得到合适的PID参数。四、实验内容和步骤1）、对象特性测试1．按要求连接试验设备，如下图1实验接线图2.打开对象特性测试软件，调节出水阀到一个合理的开度保持不变，设置参数调节入水阀开度，使系统保持平衡（h不变）。3．在平衡条件下，增大入水阀开度，观察响应，并记录数据2对象特性测试软件界面4．绘制阶跃响应曲线，计算系统传递函数。2）、PID参数整定1．调节入水阀，出水阀使h衡定2．按照经验试凑法，从P，PI，PID顺序依次设置参数，进行PID参数诊定如图：3液位PID参数整定实验软件界面3．根据得到的参数以及阶跃响应曲线，分析参数的合理性。五、实验结果与分析1、对象特性测试（1）、根据所得数据画出阶跃响应曲线如图（2）、根据两点法，求出一阶环节的相关参数。设液位高度为h,进水阀开度为u得：29405.05.136.28)0()(uyyK取曲线上两点（200,21.3）和（284,23.4）,该两点分别为t1和t2的对应点，t2t1τ。246)](1ln[)](1ln[2*1*12tytyttTs;4.33)](1ln[)](1ln[)](1ln[)](1ln[2*1*2*11*2tytytyttyts;取t3=8s、t4=143s、t5=238s进行验证：;53.01)(55.0125.141.21)(;;33.01)(375.0125.1419)(;;005.0)(;2782.312384*25*152782.311484*24*143*3etytytetytyttyt计算结果与实际测量值的差距不大可以接受，则最后结果为;K=294;T=246s;τ=33.4s2、液位PID参数整定（1）、P调节器控制时的阶跃响应曲线如下图所示。该曲线参数如下：水位初始高度h1=6.4cm；闸门开度OP=10%；设定水位h0=20cm；比例系数KP=10；第一个峰值高度h2=34.6cm；第二个峰值高度为h3=22.4cm；第一个偏移量与第二个偏移量之比n=6.14；满足要求；采用P调节器控制的余差e≈1.2；超调量σ%≈95.1%；对该试验曲线进行分析得知：增大KP时，可以减小系统稳态误差，加快系统响应速度，从而提高系统的控制精度，但随着KP的增大，系统的超调量也随之增大，从上图中第一次峰值的高度可以看出超调量增加，而且KP过大以后降低系统的相对稳定性，造成了第二个峰值及其以后的峰值呈现一个等幅振荡，无法达到平衡。（2）、PI调节器控制时的阶跃响应曲线如下图所示。该曲线参数如下：设定水位h0=20cm；比例系数KP=5；积分时间常数Ti=30；第一个峰值高度h1=29.2cm；第二个峰值高度为h3=21.1；第一个偏移量与第二个偏移量之比n=8.14；满足要求；采用PI调节器控制的余差e≈1.4；超调量σ%≈73.2%；对该曲线进行分析与前一个曲线比较得知，在原有的P调节上加入一个积分环节，可以改善系统的稳态性能，消除或减小系统稳态误差，在Ti见效的过程中系统超调量增加。调节过程中依然KP值过大导致曲线在第二次正当以后基本呈等幅振荡，理想情况下曲线的振荡应逐渐减小，最终趋于设定值。（3）、PID调节器控制的阶跃响应曲线如下图所示。该曲线参数如下：设定水位h0=20cm；比例系数KP=10；积分时间常数：Ti=30;微分时间参数Td=10；第一个峰值高度h2=32.0cm；第二个峰值高度为h3=20.4cm；第一个偏移量与第二个偏移量之比n=304；满足要求；采用P调节器控制的余差e≈0.7；超调量σ%≈75%；对该曲线分析并与前两个曲线比较，加入的微分环节有降低超调量减少调节时间和上升时间的作用，改善系统的动态性能，在PID调节的作用下，兼顾快速性与无静差的特点，曲线跟快速的趋于稳定，且达到较高的调节质量，由于实验误差，曲线上有些许的误差，其中也包含KP过大引起的无法趋于平衡的现象。六、试验心得在此次实验中，通过大家的共同努力，完成了实验内容，对于过程控制系统理论有了更深的理解，提高了大家对系统的PID参数整定方法的认识和应用能力，这对于以后的工作和学习都有着良好的帮助。