1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 實(shí)驗(yàn)二：二階雙容對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)訓(xùn)目標(biāo) 1、熟悉雙容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線。2、根據(jù)由實(shí)際測(cè)得的雙容液位階躍響應(yīng)曲線，分析雙容系統(tǒng)的特性二、 知識(shí)目標(biāo)1、了解簡(jiǎn)單過(guò)程控制系統(tǒng)的構(gòu)成 。 2、掌握簡(jiǎn)單過(guò)程控制的原理、雙容液位計(jì)算機(jī)控制和參數(shù)整定的方法。三、 任務(wù)相關(guān)知識(shí)本實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)控制，將（下水箱）液位控制在設(shè)定高度。通過(guò)上水箱根據(jù)下水箱信號(hào)輸出給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)P、I、D參數(shù)進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出信號(hào)給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，然后由電動(dòng)調(diào)節(jié)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(dá)到控制設(shè)定液位的目的。當(dāng)下水箱液位平衡時(shí)，上水箱液位也達(dá)到平

2、衡。這是由兩個(gè)一階非周期慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)起來(lái)，輸出量是下水箱的水位h2。當(dāng)輸入量有一個(gè)階躍增加Q1時(shí)，輸出量變化的反應(yīng)曲線如圖2-2?所示的h2曲線。它不再是簡(jiǎn)單的指數(shù)曲線，而是就使調(diào)節(jié)對(duì)象的飛升特性在時(shí)?間上更加落后一步。在圖中S形曲線的拐點(diǎn)P上作切線，它在時(shí)間軸上截出一段時(shí)間OA。這段時(shí)間可以近似地衡量由于多了一個(gè)容量而使飛升過(guò)程向后推遲的程度，因此，稱容量滯后，通常以C代表之。設(shè)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(jù)物料動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，并考慮到液體傳輸過(guò)程中的時(shí)延，其傳遞函數(shù)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(shù)。式中的K、T1和T2須從由實(shí)驗(yàn)求得的階躍響應(yīng)曲線上求出。具體的做法是在的階躍響應(yīng)曲線上取：1）、h2（t）穩(wěn)態(tài)值的漸近線h2()；2）、h2（t）|t=t1=0.4h2()時(shí)曲線上的點(diǎn)A和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1；3）、h2（t）|t=t2=0.8h2()時(shí)曲線上的、階躍響應(yīng)曲線點(diǎn)B和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t2。然后，利用下面的近似公式計(jì)算式2-1中的參數(shù)K、T1和T2。其中：對(duì)于式（2-1）所示的二階過(guò)程，0.32t1/t20.46。當(dāng)t1/t2=0.32時(shí)，可近似為一階環(huán)節(jié)；當(dāng)t1/t2=0.46時(shí)，過(guò)程的傳遞函數(shù)G(S)=K/(TS+1)2（此時(shí)T1=T2=T=(t1+t2)/

4、2*2.18）PID參數(shù)整定方法 在選擇數(shù)字PID參數(shù)之前，首先應(yīng)該確定控制器結(jié)構(gòu)。對(duì)允許有靜差（或穩(wěn)態(tài)誤差）的系統(tǒng)，可以適當(dāng)選擇P或PD控制器，使穩(wěn)態(tài)誤差在允許的范圍內(nèi)。對(duì)必須消除穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)，應(yīng)選擇包含積分控制的PI或PID控制器。一般來(lái)說(shuō)，PI、PID和P控制器應(yīng)用較多。對(duì)于有滯后的對(duì)象,往往都加入微分控制。 選擇參數(shù) 控制器結(jié)構(gòu)確定后，即可開(kāi)始選擇參數(shù)。參數(shù)的選擇，要根據(jù)受控對(duì)象的具體特性和對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求進(jìn)行。工程上，一般要求整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，對(duì)給定量的變化能迅速響應(yīng)并平滑跟蹤，超調(diào)量小；在不同干擾作用下，能保證被控量在給定值；當(dāng)環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)能保持穩(wěn)定，等等

5、。這些要求，對(duì)控制系統(tǒng)自身性能來(lái)說(shuō)，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(dāng)?shù)卣壑蕴幚怼?PID控制器的參數(shù)整定，可以不依賴于受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。工程上，PID控制器的參數(shù)常常是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，通過(guò)試湊，或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定。 常用的方法，采樣周期選擇，實(shí)驗(yàn)湊試法 實(shí)驗(yàn)湊試法是通過(guò)閉環(huán)運(yùn)行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，反復(fù)湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應(yīng)，從而確定PID控制參數(shù)。 整定步驟 實(shí)驗(yàn)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(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的

6、響應(yīng)曲線。（2）整定積分環(huán)節(jié) 若在比例控制下穩(wěn)態(tài)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(shù)減小為原來(lái)的5080，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。（3）整定微分環(huán)節(jié) 若經(jīng)過(guò)步驟（2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過(guò)程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。 先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。 實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法擴(kuò)充臨界比例度法 實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法調(diào)整PID參數(shù)的方法中較常用的是擴(kuò)充臨界比

7、例度法,其最大的優(yōu)點(diǎn)是，參數(shù)的整定不依賴受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，直接在現(xiàn)場(chǎng)整定、簡(jiǎn)單易行。 擴(kuò)充比例度法適用于有自平衡特性的受控對(duì)象，是對(duì)連續(xù)-時(shí)間PID控制器參數(shù)整定的臨界比例度法的擴(kuò)充。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置（使用其中：電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、DDC控制單元、上水箱、下水箱及液位變送器等）。實(shí)訓(xùn)設(shè)備序號(hào)名稱規(guī)格單位數(shù)量備注 序號(hào) 名稱 規(guī)格 單位 數(shù)量 備用 1 萬(wàn)用表 臺(tái) 1 2 筆記本 套 1五、實(shí)驗(yàn)步驟 1、先打開(kāi)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的系統(tǒng)電源，然后打開(kāi)控制臺(tái)上的總電源，再打開(kāi)DDC控制單元電源。2、在信號(hào)板上打開(kāi)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥輸入信號(hào)、上水箱輸出信號(hào)。3、打開(kāi)計(jì)算機(jī)上的組態(tài)王的“過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)液位_液位”

8、工程，進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境，選擇“實(shí)驗(yàn)三：雙容液位控制系統(tǒng)參數(shù)整定實(shí)驗(yàn)”，給“閥門開(kāi)度op”設(shè)置一個(gè)初始值。4、在控制板上先打開(kāi)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，再打開(kāi)水泵，一定要注意先后順序，避免水泵空抽，保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。5、選擇計(jì)算機(jī)控制方式。6、整定參數(shù)值的計(jì)算設(shè)定適當(dāng)?shù)目刂茀?shù) 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(kāi)通以威樂(lè)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、孔板流量計(jì)以及上水箱出水閥，中水箱出水閥所組成的水路系統(tǒng);關(guān)閉通往其他對(duì)象的切換。8、將中水箱的出水閥開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度。9、檢查電源開(kāi)關(guān)是否關(guān)閉。10、觀察計(jì)算機(jī)上的實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線。11、待

9、系統(tǒng)穩(wěn)定后，給定加個(gè)階躍信號(hào)，觀察其液位變化曲線。12、再等系統(tǒng)穩(wěn)定后，給系統(tǒng)加個(gè)干擾信號(hào)，觀察液位變化曲線。13、曲線的分析處理，對(duì)實(shí)驗(yàn)的記錄曲線分別進(jìn)行分析和處理。14、將實(shí)驗(yàn)裝置電源插頭接到220V的單相交流電源。15、打開(kāi)電源帶漏電保護(hù)空氣開(kāi)關(guān)。16、開(kāi)啟單相開(kāi)關(guān)，根據(jù)儀表使用說(shuō)明書(shū)和液位傳感器使用說(shuō)明調(diào)整好儀表各項(xiàng)參數(shù)和液位傳感器的零位，儀表輸出方式設(shè)為手動(dòng)輸出，初始值為0。六、PID參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) PID設(shè)定值擾動(dòng)量周期T衰減比n最大偏差emax回復(fù)時(shí)間Ts余差e7500105552510.06PID設(shè)定值擾動(dòng)量周期T衰減比n最大偏差emax回復(fù)時(shí)間Ts余差e75023155425:61.22710.3七、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 1、 實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生選擇不同的P、I、D參數(shù)進(jìn)行P調(diào)節(jié)、PI調(diào)節(jié)、PID調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)，尋找最佳控制調(diào)節(jié)方法及參數(shù)，總結(jié)不同的調(diào)節(jié)過(guò)程特性，得出控制性能的結(jié)論。2、本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，上水箱出水閥不得任意改變開(kāi)度大小。3、階躍信號(hào)不能取得太大，以免影響正常運(yùn)行；但也不能過(guò)小，以防止因讀數(shù)誤差和其他隨機(jī)干擾影響對(duì)象特性參數(shù)的精確度。一般階躍信號(hào)取正常輸入信