一阶上水箱对象特性测试实验

实验一：一阶上水箱对象特性测试实验

一、 实训目标

1. 测量单容水箱特性曲线

2. 构成单回路，加入阶跃扰动，调节PID参数得到4:1曲线。 3. 在实验中用运用时间常数、放大倍数、滞后时间、对单容水箱进行控制。

4. 对时间常数、放大倍数、滞后时间、进行计算得到参数。 5. 在实验中调节器的比例度，积分时间，微分时间.参数的变化对实验的影响。

二、 知识目标

1、 了解单容液位控制相关知识。 2、 PID参数整定相关知识 3、 调节器参数整定相关知识。

三、 任务相关知识

1、 调节器参数整定基础知识

调节器参数的整定是过程控制系统设计的核心内容之一。它的任务是：根据被控过程的特性确定PID调节器的比例度δ，积分时间TI及微分时间TD的大小。在简单的过程控制系统中，调节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要指标，保证系统具有一定的稳定裕量。

调节器的参数整定方法，主要有临界比例度法、衰减曲线法。 （1）临界比例度法

这是一种闭环整定方法。由于该方法直接在闭环系统中进行，不需测

试过程的动态特性，因为方法简单，使用方便，获得了广泛的应用。具体步骤如下：

● 先将调节器的积分时间TI置于最大（TI=∞）微分时间TD置零（TD=0），

比例度δ置为较大的数值，使系统投入闭环运行。

● 待系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃扰动，并减小δ，直到系统出现如图1.1所示的等幅振荡，即临界振荡过程。记录此时的δk（临界比例带）和等幅振荡周期TK。

● 根据记录的δk和TK，按表给出的经验公式计算出调整器的δ、TI及TD的参数。

需要指出的是，采用这种方法整定调节器的参数时会受到一定的限制，如有些过程控制系统不允许进行反复振荡实验，像锅炉给水系统和燃烧控制系统等，就不可能应用此法。再如某些时间常数较大的单容过程，采用比例调节时根本不可能出现等幅振荡，也就不能应用此法。

这是目前使用较多的一种方法。它是先通过试验得到临界比例度PB和临界周期Tk，然后根据经验公式求出控制器各参数值。具体做法如下：

1)被控系统稳定后，把控制器的积分时问放到 最大，微分时间放到零(相当于切除了积分和微分作 用，只使用比例作用)。

2)通过外界干扰或使控制器设定值作一阶跃变 化，观察由此而引起的测量值振荡。

3)从大到小逐步把控制器的比例度减小，看测 量值振荡的变化是发散的还是衰减的，如是衰减的 则应把比例度继续减小；如是发散的则应把比例度

放大。

（2）衰减比例度法

衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值的，有4：1和10：1两种衰减曲线法，具体做法如下(以4：1为例)：

1)在闭合的控制系统中，将控制器变为纯比例 作用，比例度放在较大的数值上。

2)系统达到稳定后，通过外界干扰或使控制器 设定值作一阶跃变化，观察记录曲线的衰减比。

3)从大到小改变比例度，直至出现4：1衰减比为止，记下此时的比例度

Ps(叫4：1衰减比例度)并从曲线上得出衰减周期Ts(在4：1曲线中为峰——峰时间，如图2)。对有些控制对象，控制过程进行较快，难以从记录曲线上找出衰减比。这时，只要被控量波动2次就能达到稳定状态，可近似认为是4：1的衰减过程，其波动1次时间为Ts。得到了衰减比例度Ps和衰减周期Ts后，就可根据表2中的经验公式求出控制器的P、Ti、Td参数值了。

衰减曲线对多数过程都适用，该方法的缺点是较难确定4：1的衰减程度，从而较难得到准确的δ、Ti及Td的值。

（3经验凑试法

经验凑试法是长期的生产实践中总结出来的一种整定方法。它是根据经验公式先将控制器参数放在一个数值上，直接在闭合的控制系统中，通过改变给定值施加干扰，观察过渡过程曲线，运用P、Ti、Td对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度P、积分时间Ti和微分时间Td逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。

1 闭合的控制系统中，根据经验并参考表4的数据，选出一个合适的P、n值作为起始值，将系统投人自动。

2)通过改变设定值对控制系统施加一个干扰，现场观察判断控制曲线形状。若曲线不够理想，可改变P或Ti，再观察控制过程曲线，经反复凑试直到控制系统符合动态过程品质要求为止，这时的P和Ti就是最佳值。 3)如果调节器是PID三作用方式，那么要在整 定好的P和丁i的基础上加进微分作用。由于微分作用有抵制偏差变化的能力，所以确定一个Td值 后，可把整定好的P和n值减小一点再进行现场凑试，直到P、n和Td取得最佳值为止。经验凑试法的特点是方法简单，适用于各种控制系统，因此应用非常广泛。特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统，采用此法最为合适。但是此法主要是靠经验，在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往费时较多。为了缩短整定时间，可以运用优选法，使每次参数改变的大小和方向都有一定的目的性。值得注意的是，对于同一个系统，不同的人采用经验凑试法整定，可能得出不同的参数，这是由于对每一条曲线的看法，有时会因人而异，没有一个很明确的判断标准，而且不同的参数匹配有时会使所得过渡过程衰减情况一样。

2、 PID参数整定相关知识

PID参数整定方法

在选择数字PID参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。 选择参数

控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。这

些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。

PID控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上，PID控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来确定。

常用的方法，采样周期选择， 实验凑试法

实验凑试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID控制参数。 整定步骤

实验凑试法的整定步骤为\先比例，再积分，最后微分\。

（1）整定比例控制

将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。

（2）整定积分环节

若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。

先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。

（3）整定微分环节

若经过步骤（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。

先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。

实验经验法

扩充临界比例度法

实验经验法调整PID参数的方法中较常用的是扩充临界比例度法,其最大的优点是，参数的整定不依赖受控对象的数学模型，直接在现场整定、简单易行。

扩充比例度法适用于有自平衡特性的受控对象，是对连续-时间PID控制器参数整定的临界比例度法的扩充。

P I 96

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P I 80

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三 、实验内容及步鄹

PID参数整定实验步骤在被测参数稳定的情况下加入干扰，来观察液位变化，

通过修改比例度、积分时间、微分时间、对被测变量的变化 (1)将控制器的积分时间Ti放到最大，微分时间Td置于最小，据经验设置比例系数Kp值。将系统投入闭环运行，稳定后作阶跃扰动试验，观察控制过程，若过渡过程有所希望的衰减率(Ψ=0.75～0.9)则可，否则改变比例系数Kp值，重复上述试验。

(2)将控制器的积分时间Ti由最大调整到某一值，由于积分作用的引入使系统的稳定性下降，这时应将比例系数Kp值适当减小，一般为纯比例作用的1／1.2倍。作阶跃扰动试验，观察控制过程，修改积分时间重复试验，直到满意为止。(3)-保持积分时间不变，改变比例系数，看控制过程有无改善，若有改善 续修改比例系数，如无改善则反方向修改比例系数直到满意为止。保持比系数不变修改积分时间，同样反复凑试直到满意为止。如此反复凑试，直有一组合适的比例系数和积分时间。 (4)对于采用PID的控制器，在进行完上述调整试验后，将微分时间Td由小到大地调整，观察每次试验过程，直到满意为止。

四、PID参数实验数据

D 设定值 扰动量 周期T 衰减比n 最大偏差emax 回复时间

Ts

余差e 23

20

5

55

4.1

1.2

251

0.06

D

设定值

扰动量 周期T

衰减比n 最大偏差emax

回复时间Ts

余差e 23 15 5 49 5.6 0.64 196 0.22

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