过程控制实验单容水箱属性测试及PID参数整定.docVIP

过程控制实验 ——单容水箱属性测试及PID参数整定 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，输出为，液位为 调节输入输出，当系统平衡时：； 当系统由于输入变化处于动态时：； ； 得到传递函数为 令有阶跃变化量，拉氏变换式 则 取拉氏反变换： 当 2）、PID参数整定 加入PID控制后的系统框图如下图 有经验可知 ： 经验试凑法； ① P（） 此时，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 () 适当减小，逐渐减小，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，，逐渐增大，重复上述操作，得到合适的PID参数。 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。 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： 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，t2t1τ。 s; s; 取t3=8s、t4=143s、t5=238s进行验证： 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 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=6.14；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=8.14；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