实验二中央空调作为被控对象的实验建模与PID参数整定

1实验二中央空调作为被控对象的实验建模与PID参数整定一．实验目的1．掌握响应曲线法建立数学模型。2．计算单回路控制系统的最佳PID参数的整定方法。二．预习要点1．响应曲线法进行数学建模响应曲线法主要用于测取阶跃响应曲线和矩形脉冲响应曲线。其中，阶跃响应曲线法应用比较广泛，下面介绍阶跃响应曲线法的具体做法。将被控过程的输入量作一阶跃变化x0，同时记录其输出量随时间而变化的曲线，则称为阶跃响应曲线。阶跃响应曲线能直观、完全描述被控过程的动态特性。实验测试方法易于实现，只要使阀门开度作一阶跃变化即可。实验时必须注意：（1）合理选择阶跃扰动量，既不能太大，也不能太小，以防止被控过程的不真实性。通常取阶跃信号值为正常输入信号的5~15％。（2）实验应在相同的测试条件下重复做几次，需获得两次以上比较接近的响应曲线，减少干扰的影响。（3）实验应在阶跃信号作正、反方向变化时分别测出其响应曲线，以检验被控过程的非线性程度。（4）在实验前，即在输入阶跃信号前，被控过程必须处于稳定的工作状态。确定有时滞的一阶惯性环节的参数：在过程输入阶跃信号瞬时，其响应曲线斜率为零，之后逐渐增大，最后达到稳定曲线呈S形，如图所示。显然，过程模型为一阶加滞后或二阶以上。工程上可用下面的模型近似：sesTKSW1)(000其中00)0()(xyyK过程时间常数T0和之后时间的求法如下：过响应曲线的拐点P作切线，交时间轴于B点，交其稳态值的渐进线于A点，A点在时间上的投影为C点，则OB为过程滞后时间，BC为过程的时间常数T0。2当阶跃响应曲线上的拐点不易确定时，可直接取阶跃响应曲线的稳态值的28％和63%所对应的时间t1和t2，再按下式计算，即：02013TtTt2．系统建模原理被控过程因风门位置的不同而分为新风机组和空气机组控制，新风机组控制的是送风温度，空气机组控制的是回风温度。本次实验针对空气机组进行建模。其中，压缩机温度设定为40℃（制热），新风风门和排风风门开度各为10%，回风风门开度为90%，阀门开度设定为10%。3．PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间。工程整定方法有很多种，有临界比例度法；衰减曲线法；响应曲线法。本实验中主要应用基于临界比例度法的经验法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：①确定比例增益。确定比例增益时，首先去掉PID的积分项和微分项，使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60％一70%。即由0逐渐加大比例增益，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益。设定PID的比例增益为当前值的60％一70％。比例增益调试完成。②确定积分时间常数。比例增益确定后，设定一个较大的积分时间常数的初值，然后逐渐减小积分时间常数，直至系统出现振荡，之后再反过来，逐渐加大积分时间常数，直至系统振荡消失。记录此时的积分时间常数。设定PID的积分时间常数为当前值的150％一180％。积分时间常数调试完成。③确定微分时间常数。积分时间常数一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定比例增益和积分时间常数的方法相同，取不振荡时的30％。④系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。三．实验设备BA-AF3中央空调系统实验台、秒表、PC机。四．实验步骤1．实验建模．进入手动控制系统界面，设定冷热水调节阀为一定开关量（10%），即开冷冻水阀门。．进入制冷机组界面，启动冷冻水水泵。．启动压缩机。将压缩机设定为40℃（制热），等待压缩机第一次自动停机，给空调机组一个恒定的热水温度。（此时不要启动风机）．打开新风风门和排风风门为一定角度（10%），回风风门为一定角度（90%）。．采样时间确定：由于温度系统为滞后系统，故每间隔20秒或30秒记录一次回风温度，。．数据测量：启动风机。同时开始用秒表计时，记录初始回风温度，并按照采样时间进行回风温度的数据测量，直至回风温度达到稳定状态（此处，认为温度在90秒内不发生3变化即为达到稳定状态，或者测定时间达到40分钟即看作接近稳态）。．数据测量完毕，停压缩机。．停冷冻水水泵。．停风机。．关各个风门为缺省位置。即关风门。．关电动调节阀，即关冷冻水水阀。．根据前面介绍的方法计算出空气机组的数学模型。2．PID控制参数整定（1）在PC机上，运行“Matlab6.5”进入Matlab界面，点击“”进入Simulink仿真界面，并建立一个新的模型文件。（2）在图3-1中的“Simulink”模块库中选择“Continous”，从中选取合适的仿真模块，例如“TransportDelay”滞后模块、“TransferFcn”传递函数模块等，从“Sources”中选择“Step”阶跃信号源模块，从“Sinks”中选择“Scope”示波器模块。利用拖曳的方法，并连接好各个模块。双击这些模块可以进行参数的修改，从而得到的步骤1中获得的系统模型。图3-1Simulink模块库界面截图（3）点击工具条中的“”，观察并记录“Scope”中的系统响应曲线。（4）从“SimulinkExtras”工具箱中选择“AdditionalLinear”，从中拖曳出“PIDController”模块，为系统加入PID控制模块，并将系统的输出进行负反馈，从而使系统成为一个单闭环负反馈系统。（5）根据PID控制参数整定方法整定出该中央空调系统的三个PID参数，并进行记录。观察经过PID控制后的系统响应曲线，记录该曲线。五．实验总结1．总结为中央空调系统的空气处理机组建模的过程，完成数据分析，计算出数学模型。2．总结PID参数整定过程。3．实验时记录下被控对象的响应曲线。比较系统进行PID控制前和进行PID控制后的响应曲线，说明PID控制的优点。