最新过程控制实验——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、MCG 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Q 1，输出为Q 2，液位为h

调节输入输出，当系统平衡时：QMtJ-Q 2（t 2）=0 ；

当系统由于输入变化处于动态时：QXQ ⑴煜"晋；

H (s) R 2

Q 1(s) AR 2s 1

得到传递函数为 G （s ） J

AR 2S +1 ES + 1

令Q 1有阶跃变化量X 。，拉氏变换式 Q 1（s ）=x °;s

取拉氏反变换：h （t ） -kx^-e 亠）

Q 2 h(t).

R 2 ；

-Q 1(t)

皿Adht) R 2 dt 拉氏变换

=Q 1 （s ） H(s) =

kx 0 s(Ts 1) kx ° s ' 1T

s

当t_「H （：：） _H（0） =Kx0= K 胞

X o

1

t =T H （T）二Kx0（1 -e-） =0.632Kx0

2）、PID参数整定

加入PID控制后的系统框图如下图

LI

K p = M p ,T r「T s 丄 y

有经验可知：T^nM p L = 0

T。=人「t s「M p y

经验试凑法；

①P（T i「：,T。=0）

此时K p =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 （T。=0）

适当减小K p，逐渐减小T i，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

T %电动调节阀

一智能调节阀—><-------------- 1Qi

励变送器

③PID

适当增大K p , T i , T °=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 rrrr

fPMIhlAl-tinHIH .1 勺 .與 enliilt*

U-l-.s-d'Sk^

iH ! d N M JI''- • f ◎ h ________________________ 开

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

图表标题

t3 ：：：.; y 龟)=0.05 ：0;

148,12

* 19 _14 5 * -------

t4■ ; y1 (t4) 0.375 ： y2(t4) =1—e 278 =0.33;

12

238 ；1 2

(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:

y(°°) —y(0) 28.6—13.5

K 二△u

取曲线上两点

= 294

0.05

(200,21.3 )和(284,23.4),该两点分别为t1和t2的对应点，t2>t1> T。

t2 t1

T =

In[1—y (t』—In[1—y 毎)]

= 246 s；

干=t2ln[1-y*(tj] -11 In[1-y*(t2)] 334s

-ln[ 1-y*(tJ]-l n[1-y*(t2)] 「'

取t3=8s、t4=143s、t5=238s 进行验证：

吋间讥

* 21.1 _14.5 * ——278—

t5 ; y i (t5) 0.55 y2 (t4) = 1 - e 0.53;

12

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; T =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

水位初始高度h仁6.4cm；闸门开度OP=10%设定水位h0=20cm 比例系数

KP=1Q

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 F.2 ;超调量c %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