双容水箱动态特性测试-图文.docx

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1、双容水箱动态特性测试-图文“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：2022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PlD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

2、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u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k yulen某， uylen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

3、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

4、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P I D控制规律有：P、P I、PD、 P I D,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

5、）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。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

6、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PlD控制回路。3、选择工作点（1）将PID控制器设置成手动方式单击控制器界面中MV柱体旁的增/减键，设置MV （Ul）的值，将阀门Ul 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一一即选 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I0 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“Ul为例，让MV （Ul）增加10%的输

7、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、T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Pl控制器的初始值。（2 ）设置控制器参 数单击控

8、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Pl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）表1调节阀输出值（0100） 30%表2T （秒）下水箱水位显示值（cm） T （秒）14： 35： 5111.814： 37：

9、5114： 39： 5114： 41： 5112.814.015.914： 43： 5117.7 下水箱水位显示值（Cm）（在监 控画面上显示的值）5.2卜水箱水位实际值（Cm）（在水箱刻度线上的值）11.614： 45： 5114： 47： 5120.514： 57： 5124.314： 49： 5121.314： 59： 5124.714： 51： 5122.515： 01： 5124.914： 53： 5123.315： 03： 5125.2 下水箱水位 19.1 显示值（cm） T （秒）14： 55： 51下水箱水位23.8显示值（cm）在毫米方格纸上根据矩形脉 冲数据画出阶跃响应曲

10、线如下图经过调整后的曲线四、结果分析整定后最终结果表 3 时间控制参数 Kcl （） D （） 17:20:240.4422534.609.44%15000.5 超调量 （%）过渡时间（）稳态误差与预期不同的是过度时间较长，但最终与预期效果 相似。可能是因为实验过程中错过记录时间不仔细观察实验趋势没有及时做出调 整所致。六.思考题1、在做本实验时，为什么不能任意变化中水箱出水阀的开度大小？因为出水阀属于被控对象的一部分，在实验过程中如果改变出水阀的开度 大小会使实验结果与预期的不相符。2、用两点法和用切线法对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点？两点法计算复杂但精确，切线法操作简单但是由于每

11、个人的画法不同会使 误差较大。3、调节器参数（K、Ti和Td）的改变对整个控制过程有什么影响？如果系统出现振荡时，应适当减小比例作用和积分作用；如果系统出现较 大的超调时，应当减小积分作用，反之，应加大积分作用；如果期望缩短过渡时 间，可以适当加大比例作用；液位调节中，一般不用微分作用。七、心得体会实验所需的时间较长，一方面是需要等待结果出来，另一方面是预习不够 到位对仪器不熟悉，所以导致很多过程都重新来过，这样等于浪费了很多时间也 让效率降低。一开始因为两个水箱水位工作不同步而尝试了多次，最后发现每台仪器不同而等待 时间不同，实验过程中因为不熟悉错过记录时间，所幸有历史记录。所以在实验 中，应该学会多应变，对于不熟悉的实验应该做好预习工作，实验过程中与同学 老师多交流，这样才是一个完整有收获的学习过程。