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) Q2h(t); R2dv(t)dh(t)A; dtdt Q1(t)拉氏变换h(t)dh(t) AR2dtR2H(s)H(s) AsH(s)R2Q1(s)AR2s1 Q1(s)得到传递函数为 G(s)R2K AR2s1s1令Q1有阶跃变化量X0,拉氏变换式 Q1(s)x0s 则 H(s)kx0kxkx00
s(Ts1)ss1Tt取拉氏反变换:h(t)kx0(1eT)
当t H()H(0)Kx0KH()H(0)
x0tT H(T)Kx0(1e1)0.632Kx0
2)、PID参数整定
加入PID控制后的系统框图如下图
KpMp,Tr,Ts, 有经验可知 :TiMp,0
Totr,ts,Mp 经验试凑法;
① P(Ti,To0)
此时Kp0,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 (To0)
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,To0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:
Ky()y(0)28.613.5294
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。 Tt2t1246s;
ln[1y*(t1)]ln[1y*(t2)]t2ln[1y*(t1)]t1ln[1y*(t2)] 33.4s;
ln[1y*(t1)]ln[1y*(t2)] 取t3=8s、t4=143s、t5=238s进行验证:
t3;y*(t3)0.050;1914.5* t4;y(t4)0.375y2(t4)1e2780.33;
1223831.221.114.5**t5;y1(t5)0.55y2(t4)1e2780.53;12*114831.2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。
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