过程控制实验二一阶单容上水箱对象特性测试实验解析

过程控制及仪表实验报告

成绩：

实验名称： 实验二 一阶单容上水箱对象特性测试实验

仿真实验：PID参数整定

实验小组： A大组第二小组 组员姓名： __ _____ ____ 组员学号： _________ 指导老师： _____ ___ __ 实验日期： __ 2015/5/9 _____ ______ _

信息工程学院自动化系

过程控制及仪表实验报告

一 实验名称

1、一阶单容上水箱对象特性测试实验 2、仿真实验：PID参数整定

二 实验目的

1． 2． 3． 4．

认识实验系统，了解本实验系统中的各个对象。 测试一个水箱的对象特性。 学会PID参数整定的基本原则。

使用稳定边界法和衰减曲线法去整定参数。

三 实验原理

阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。

图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。

如图1-1所示，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：

在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

式中，T为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R2*C，K=R2为过程的放大倍数，R2为V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。令输入流量Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位的高度为：

当t=T时，则有：

h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞) 即 h(t)=KR0(1-e-t/T)

当t—>∞时，h（∞）=KR0，因而有 K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入 式（1-2）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1-2

所示。当由实验求得图1-2所示的

阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应时间，就是水箱的时间常数T，该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点 所对应的时间就是时间常数T，其理论依据是：

h1( t ) h1(∞ ) 0.63h1(∞) 0 T 图1-2、 阶跃响应曲线

上式表示h（t）若以在原点时的速度h（∞）/T 恒速变化，即只要花T秒时间就可达到稳态值h（∞）。

PID控制：具有比例加积分加微分控制规律的控制成为比例积分微分控制。传递函数：Gc（s）=Kp+（Kp/Ti）（1/s）+Kpτs , 其中，Kp为比例系数， Ti为积分时间常数，τ为微分时间常数，三者都是可调的参数。

稳定边界法和衰减曲线法都属于工程整定方法，其基本特点：不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定，方法简单，计算简便，易于掌握。

四 实验内容与步骤

1、设备的连接和检查：

（1）、将AE2000B 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。

（2）、打开以丹麦泵、电动调节阀、电磁流量计组成的动力支路至上水箱

的出水阀门，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。

（3）、打开上水箱的出水阀至适当开度。

（4）、检查电源开关是否关闭 2、系统连线图：

图1-3、 实验接线图

1）、将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到OFF位置。 2)、按图1-3所示连线。 3、启动实验装置

1）、将实验装置电源插头接到单相220V的单相电源上。

2）、打开总电源漏电保护空气开关，电压表指示220V，电源指示灯亮。 3）、打开电源总开关，即可开启电源。 4、实验步骤

1）、开启电动调节阀电源、24V电源、智能调节仪电源。

2）、根据仪表使用说明书和液位传感器使用说明调整好仪表各项参数和液位传感器的零位、增益，仪表输出方式设为手动输出，初始值为0。

3）、启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验如图1-4所示：

1-4、实验软件界面

4）、双击设定输出按钮，进行设定输出值的大小，或者在仪表手动状态下，按住仪表的STOP键将仪表的输出值上升到所想设定的值，这个值根据阀门开度的大小来给定，一般初次设定值<35。开启单相泵电源开关，启动动力支路。将被控参数液位高度控制在30%处（一般为10cm）。

5)、观察系统的被调量：上水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录调节仪输出值，

6）、迅速增加仪表手动输出值，增加5%的输出量。

7）、直到进入新的平衡状态。

五 实验要求

1.作出一阶环节的阶跃响应曲线。

2. 如果仅有比例控制，对控制系统有什么影响？

答：比例控制的优点是控制及时，反应灵敏，偏差越大，控制力度越大，但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

3. PID控制较PI和PD控制的优势。

答：比例积分（PI）控制

比例积分控制器是目前应用最为广泛的一种控制器，多用于工业生产中液位、

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