双容水箱动态特性测试

“过程控制系统设计”

实物实验报告

实验名称：双容水箱对象特性测试及PID 控制实验

姓名：

学号：

班级：

指导老师：

同组人：

实验时间：2013 年5 月30 日

一、实验目的

1、了解双容对象的动态特性及其数学模型

2、熟悉双容对象动态特性的实验测定法原理

3、掌握双容水箱特性的测定方法

4、学习双容水箱液位 PID 控制系统的组成和原理

5、熟悉 PID 的调节规律

6、掌握 PID 控制器参数的整定方法

二、实验设计（画出“系统方框图”和“设备连接图”） 控制系统1、双容对象特性实验测定法原理

本次实验需要求取对象的飞升曲线（即阶跃响应曲线）或方波响应曲线。飞升曲线是在 输入量作阶跃变化时测绘输出量随时间变化曲线得到的；方波响应曲线是在输入量作一个脉 冲方波变化时测绘输出量随时间变化曲线得到的。在获得特性曲线的基础上，进行分析获得 相应的对象特性。

双容对象飞升曲线实验测定方法的具体步骤如下： （1） 选择工作点

给定控制量，让双容水箱对象的液位稳定 （2） 测绘飞升曲线

让控制量做阶跃变化，并测绘双容水箱液位随时间变化的曲线 （3） 获得对象的动特性

假定在输入量变化量为Δu 时测绘的飞升曲线如图１所示：

图 １ 双容水箱液位 PID 控制系统的方框图

因此，可估算双容水箱的模型为

其中

len

len y u u y k *△△=

，αο

T =τ 于是用实验法测出了双容水箱的动特性。

2、控制系统的组成及原理

单回路调节系统，一般是指用一个控制器来控制一个被控对象，其中控制器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。双容水箱液位PID 控制系统也是一种单回路调节系统，典型的双容水箱液位控制系统如图２所示：

图２双容水箱液位PID 控制系统的方框图

在双容水箱液位PID 控制系统中，以液位为被控量。其中，测量电路主要功能是测量

对象的液位并对其进行归一化等处理；PID 控制器是整个控制系统的核心，它根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节，从而控制双容水箱的液位达到期望的设定值。

单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求，只有在单回路调节系统不能满足生产

更高要求的情况下，才采用复杂的调节系统。

（１）PID 调节规律

PID 控制是比例、积分、微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展历程中，PID 控

制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。目前，PID 控制仍然是得到最广泛应用的基本控制方式。常用的ＰＩＤ控制规律有：Ｐ、ＰＩ、ＰＤ、ＰＩＤ，可根据被控对象的特点和控制要求选择其中之一作为控制器。

（２） PID 控制器参数的实验整定方法

双容水箱液位PID 控制器参数整定，是为了得到某种意义下的最佳过渡过程。我们这

里选用较通用的“最佳”标准，即在阶跃扰动作用下，先满足需要的衰减率，然后尽量协调准确性和快速性要求。

在双容水箱液位的控制中，对于阶跃输入（包括阶跃扰动），若用比例（P）调节器去

控制，系统有余差，且与比例度成正比；若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数K 和Ti 调节得合理，也能使系统具有良好的动态性能。

三、实验步骤

1、进入实验

（1）启动计算机，点击桌面上的“中控教仪过程控制实验软件”快捷键

进入实验系统。

(2) 选者DDC 模块

（3）DDC 模块设置

点击工具栏中的模块设置，点击右箭头，系统自动开始搜索，得到串口检测状态后关闭窗口。（4）选择实验

单击实验4，进入双容水箱PID 控制实验界面。

2、选择控制回路

1）选择控制对象

在实验界面的“请选择控制回路”选择框中选择控制回路，从两个回路中

任选一个。

这里，我们选择“水箱1 和３”作为控制回路，此时只有水箱1 的PID 控

制器是有效的。

2）控制回路构成

根据选择的控制对象，调节相应的进水阀状态。

以“水箱1 和３”对象为例，此时需打开水箱１和３的对应阀门，关闭其

它进水阀，从而构成双容水箱PID 控制回路。

3、选择工作点

（1）将PID 控制器设置成手动方式

假定我们选择了“水箱1 和３”构成的控制回路，则相应地设置水箱1 的控制器。

单击实验界面中的“水箱1 液位控制器”标签，打开控制器窗体。

单击控制器窗体中的“手动”按钮，将控制器设置成手动；

（2）设定工作点

单击控制器界面中MV 柱体旁的增/减键，设置MV（U1）的值，将阀门U1 开度设置在某一确定值，使被测的上、下水箱的液位稳定在某个平

衡点——即选定某一工作点；

（３）记录平衡点参数

观察上、水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录调节阀输出值，以及下水

箱水位的高度h2 和测量显示值，并填入表1。

４、建立双容水箱的数学模型

（１）让控制量作阶跃变化。

这里，以控制量“U1”为例，让MV（U1）增加10%的输出量（注：可以根据实际的

效果选择跳变的幅度，通常取5%~15%），记录阶跃响应的过程参数，填入表2 中，直到水箱进入新的平衡状态。

实验软件提供了“实时趋势”和“历史趋势”两个功能窗体来记录实验数据。“实时

趋势”只能查看一个小时之内的数据，超过一个小时就要借助“历史趋势”。

（２）绘制双容水箱的阶跃响应曲线

根据表２的下水箱水位实际值(cm)，用坐标纸画出双容水箱的阶跃响应曲线。

（３）建立双容水箱的数学模型

分别用两点阀和切线法建立双容水箱的Ｋ、Ｔ、τ模型，并比较两者的误差。

５、设置控制器的初始整定参数

（１）计算控制器的参数值

根据响应曲线法整定公式计算出PI 控制器的初始值。

（２）设置控制器参数

单击控制器界面中的“参数设置”按钮，弹出控制器参数设置窗体.

通过键盘输入到窗体对应的框中（一般不用修改其它参数）。

６、启动水箱1 液位PI 控制器

（1）将控制器改成自动方式：单击控制器窗体的“自动”按钮；

（2）改变设定值：单击控制器窗体SV 柱体旁的增/减键，改变控制器的设定值SV。

７、控制效果评估

通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体可以查看趋势曲线；

根据趋势曲线，计算出过程的超调量、过渡时间和衰减比，并对控制效果进行评

估，将结果填入数据记录表３中

四．实验记录（包括实验数据和波形图）