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Q1，输出为Q2，液位为h 调节输入输出，当系统平衡时：Q1(t1)Q2(t2)0； 当系统由于输入变化处于动态时：Q1(t)Q2(t) Q2h(t)； R2dv(t)dh(t)A； dtdt Q1(t)拉氏变换h(t)dh(t) AR2dtR2H(s)H(s) AsH(s)R2Q1(s)AR2s1 Q1(s)得到传递函数为 G(s)R2K AR2s1s1令Q1有阶跃变化量X0，拉氏变换式 Q1(s)x0s 则 H(s)kx0kxkx00

s(Ts1)ss1Tt取拉氏反变换：h(t)kx0(1eT)

当t H()H(0)Kx0KH()H(0)

x0tT H(T)Kx0(1e1)0.632Kx0

2）、PID参数整定

加入PID控制后的系统框图如下图

KpMp,Tr,Ts, 有经验可知 ：TiMp,0

Totr,ts,Mp 经验试凑法；

① P（Ti,To0）

此时Kp0，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；1

②PI (To0)

适当减小Kp，逐渐减小Ti，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；1

③PID

适当增大Kp，Ti，To0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：

Ky()y(0)28.613.5294

u0.05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，t2>t1>τ。 Tt2t1246s;

ln[1y*(t1)]ln[1y*(t2)]t2ln[1y*(t1)]t1ln[1y*(t2)] 33.4s;

ln[1y*(t1)]ln[1y*(t2)] 取t3=8s、t4=143s、t5=238s进行验证：

t3;y*(t3)0.050;1914.5* t4;y(t4)0.375y2(t4)1e2780.33;

1223831.221.114.5**t5;y1(t5)0.55y2(t4)1e2780.53;12*114831.2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=33.4s

2、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=6.1>4；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=8.1>4；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=30>4；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。