1、精選優質文檔-傾情為你奉上 實驗二：二階雙容對象特性測試實驗一、 實訓目標 1、熟悉雙容水箱的數學模型及其階躍響應曲線。2、根據由實際測得的雙容液位階躍響應曲線，分析雙容系統的特性二、 知識目標1、了解簡單過程控制系統的構成 。 2、掌握簡單過程控制的原理、雙容液位計算機控制和參數整定的方法。三、 任務相關知識本實驗采用計算機控制，將（下水箱）液位控制在設定高度。通過上水箱根據下水箱信號輸出給計算機，計算機根據P、I、D參數進行PID運算，輸出信號給電動調節閥，然后由電動調節閥控制水泵出水流量，控制上水箱液位，再控制下水箱液位，從而達到控制設定液位的目的。當下水箱液位平衡時，上水箱液位也達到平

2、衡。這是由兩個一階非周期慣性環節串聯起來，輸出量是下水箱的水位h2。當輸入量有一個階躍增加Q1時，輸出量變化的反應曲線如圖2-2?所示的h2曲線。它不再是簡單的指數曲線，而是就使調節對象的飛升特性在時?間上更加落后一步。在圖中S形曲線的拐點P上作切線，它在時間軸上截出一段時間OA。這段時間可以近似地衡量由于多了一個容量而使飛升過程向后推遲的程度，因此，稱容量滯后，通常以C代表之。設流量Q1為雙容水箱的輸入量，下水箱的液位高度h2為輸出量，根據物料動態平衡關系，并考慮到液體傳輸過程中的時延，其傳遞函數為：式中K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分別為閥V2和V3的液阻，C1和C2

3、分別為上水箱和下水箱的容量系數。式中的K、T1和T2須從由實驗求得的階躍響應曲線上求出。具體的做法是在的階躍響應曲線上取：1）、h2（t）穩態值的漸近線h2()；2）、h2（t）|t=t1=0.4h2()時曲線上的點A和對應的時間t1；3）、h2（t）|t=t2=0.8h2()時曲線上的、階躍響應曲線點B和對應的時間t2。然后，利用下面的近似公式計算式2-1中的參數K、T1和T2。其中：對于式（2-1）所示的二階過程，0.32t1/t20.46。當t1/t2=0.32時，可近似為一階環節；當t1/t2=0.46時，過程的傳遞函數G(S)=K/(TS+1)2（此時T1=T2=T=(t1+t2)/

4、2*2.18）PID參數整定方法 在選擇數字PID參數之前，首先應該確定控制器結構。對允許有靜差（或穩態誤差）的系統，可以適當選擇P或PD控制器，使穩態誤差在允許的范圍內。對必須消除穩態誤差的系統，應選擇包含積分控制的PI或PID控制器。一般來說，PI、PID和P控制器應用較多。對于有滯后的對象,往往都加入微分控制。 選擇參數 控制器結構確定后，即可開始選擇參數。參數的選擇，要根據受控對象的具體特性和對控制系統的性能要求進行。工程上，一般要求整個閉環系統是穩定的，對給定量的變化能迅速響應并平滑跟蹤，超調量小；在不同干擾作用下，能保證被控量在給定值；當環境參數發生變化時，整個系統能保持穩定，等等

5、。這些要求，對控制系統自身性能來說，有些是矛盾的。我們必須滿足主要的方面的要求，兼顧其他方面，適當地折衷處理。 PID控制器的參數整定，可以不依賴于受控對象的數學模型。工程上，PID控制器的參數常常是通過實驗來確定，通過試湊，或者通過實驗經驗公式來確定。 常用的方法，采樣周期選擇，實驗湊試法 實驗湊試法是通過閉環運行或模擬，觀察系統的響應曲線，然后根據各參數對系統的影響，反復湊試參數，直至出現滿意的響應，從而確定PID控制參數。 整定步驟 實驗湊試法的整定步驟為"先比例，再積分，最后微分"。（1）整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調小的

6、響應曲線。（2）整定積分環節 若在比例控制下穩態誤差不能滿足要求，需加入積分控制。 先將步驟（1）中選擇的比例系數減小為原來的5080，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數，反復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數。（3）整定微分環節 若經過步驟（2），PI控制只能消除穩態誤差，而動態過程不能令人滿意，則應加入微分控制，構成PID控制。 先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比例系數和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數。 實驗經驗法擴充臨界比例度法 實驗經驗法調整PID參數的方法中較常用的是擴充臨界比

7、例度法,其最大的優點是，參數的整定不依賴受控對象的數學模型，直接在現場整定、簡單易行。 擴充比例度法適用于有自平衡特性的受控對象，是對連續-時間PID控制器參數整定的臨界比例度法的擴充。四、實驗設備1、過程控制實驗裝置（使用其中：電動調節閥、DDC控制單元、上水箱、下水箱及液位變送器等）。實訓設備序號名稱規格單位數量備注 序號 名稱 規格 單位 數量 備用 1 萬用表 臺 1 2 筆記本 套 1五、實驗步驟 1、先打開實驗對象的系統電源，然后打開控制臺上的總電源，再打開DDC控制單元電源。2、在信號板上打開電動調節閥輸入信號、上水箱輸出信號。3、打開計算機上的組態王的“過程控制實驗液位_液位”

8、工程，進入運行環境，選擇“實驗三：雙容液位控制系統參數整定實驗”，給“閥門開度op”設置一個初始值。4、在控制板上先打開電動調節閥，再打開水泵，一定要注意先后順序，避免水泵空抽，保護實驗設備。5、選擇計算機控制方式。6、整定參數值的計算設定適當的控制參數 Ts=1 （參考值） SV=20，40，80 （參考值） Kc=7 （參考值）Ti=200 （參考值） Td=0 （參考值）7、開通以威樂泵、電動調節閥、孔板流量計以及上水箱出水閥，中水箱出水閥所組成的水路系統;關閉通往其他對象的切換。8、將中水箱的出水閥開至適當開度。9、檢查電源開關是否關閉。10、觀察計算機上的實時曲線和歷史曲線。11、待

9、系統穩定后，給定加個階躍信號，觀察其液位變化曲線。12、再等系統穩定后，給系統加個干擾信號，觀察液位變化曲線。13、曲線的分析處理，對實驗的記錄曲線分別進行分析和處理。14、將實驗裝置電源插頭接到220V的單相交流電源。15、打開電源帶漏電保護空氣開關。16、開啟單相開關，根據儀表使用說明書和液位傳感器使用說明調整好儀表各項參數和液位傳感器的零位，儀表輸出方式設為手動輸出，初始值為0。六、PID參數實驗數據 PID設定值擾動量周期T衰減比n最大偏差emax回復時間Ts余差e7500105552510.06PID設定值擾動量周期T衰減比n最大偏差emax回復時間Ts余差e75023155425:61.22710.3七、實驗注意事項 1、 實驗中，學生選擇不同的P、I、D參數進行P調節、PI調節、PID調節實驗，尋找最佳控制調節方法及參數，總結不同的調節過程特性，得出控制性能的結論。2、本實驗過程中，上水箱出水閥不得任意改變開度大小。3、階躍信號不能取得太大，以免影響正常運行；但也不能過小，以防止因讀數誤差和其他隨機干擾影響對象特性參數的精確度。一般階躍信號取正常輸入信