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过程控制系统设计实验报告实验名称双容水箱动态特性测试试验姓名郑浩河________________________班级2009032___________________学号20091523__________________指导老师黄伟桂金星__________________________同组人王力辉李世杰_________________________实验时间2012年4月27日则传递函数为G⑸二卅i3下阶跃控制量从25%跳变到10%的负阶跃响应由图像可得H8=
5.25cm,HQ=
0.39X
5.25=
2.4075Hr2=
0.632X
5.25=
3.316对应曲线上的点可得乙=476s,h=734so则丁二25-G=2X734-476=516s,T=2…=2X476—734=218s Au=25%-10%=15%,由止匕可得K^=
0.35cm/%A//则传递函数为G⑸二035奴2⑶5165+
12、切线法1上阶跃控制量从20%跳变到25%的正阶跃响应上阶跃的响应曲线如下‘$678夕〃/24,戌〃7/g〃%2/八〃计24M27M今上的伏!9742什心场门II II3〃“卬Mb L]ZS2方波控制量从25%到10%,再从10%到25制3下阶跃控制量从25%跳变到10%的负阶跃响应图10由于在刚开始的时候我们小组的在手动调节水箱二的进水阀时的开度太小,大约在20%左右,与这个阀理想的开度75%相差很远,导致我们的阶跃调节引起的水位变化小且十分缓慢,这导致假如利用切线法得出的T为负值,意思是这个系统竟然有超前的作用,这很明显不符合实际情况,所以切线法在这里就不计算了
六、思考题
1、简述实验法测定双容水箱动特性的过程答
1.确定静态工作点,调整阀门给定控制量,让双容水箱的液位保持稳定.
2.给定阶跃信号,使控制量变化,观察记录水箱液位水时间变化的曲线.
3.通过计算获得水箱的动态特性传递函数
2、双容水箱对象特性与单容水箱对象特性有什么区别?答单容水箱的阶跃响应曲线是指数曲线,而双容水箱则是呈现S型,此外双容水箱存在较大的容积滞后
七、实验心得本次实验给我留下的很多深刻的印象,总结起来有以下几点
1.理论模型和实物模型之间是有很多的不同的,理论模型很多东西都是有一种纸上谈兵的感觉,实物模型中干扰和不确定的因素给理论的要多的多,这导致想从实物模型得出一个较为准确的数学模型的难度并不小需要实验人员在实验时要熟悉掌握实验的规律,正确操作,才有可能得出一个较为准确的数学模型
2.要想在实物模型上做好实验一定要对系统的特性规律要充分的熟悉,我们这次实验之所以失败(没有得出一个与现实系统较为相似的数学模型)就是因为水箱二的进水阀的开度实在太小了,导致可能出现“失控”(阀门处于全开全关)的情况,这样的系统的控制效果是十分不理想的
3.还有一点就是我感觉的到了团队合作对于实验的重要性,实验的过程有很多步骤是需要两个人甚至三个人来完成,假如团队里大家配合不好的话,不但可能拖慢实验的进度还可能导致失误,导致实验的最终失败所以团队里的成员要在实验中多加强互相之间的交流过程控制系统设计实验报告实验名称双容水箱液位PID控制实验姓名郑浩河_________________________班级2009032__________________学号20091523_________________指导老师黄伟桂金星__________________________同组人王力辉李世杰_________________________实验时间2012年4月27日
一、实验目的
1、学习双容水箱液位PID控制系统的组成和原理
2、进一步熟悉PID的调节规律
3、进一步熟悉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”)
1、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下图所示图1双容水箱液位PID控制系统的方框图图2系统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
2、PID调节规律PID控制是比例、积分、微分控制的简称在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 ID控制规律有P、PI、PD、P ID,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
3、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,即要求在阶跃扰动作用下,被调量的波动具有衰减率
0.75左右,在这个前提下,尽量满足准确性和快速性的要求常用的实验整定方法有a、动态特性曲线法b、稳定边界法c、衰减曲线法
三、实验步骤
1、进入实验运行四水箱实验系统DDC实验软件,进入首页界面,选择实验模式为“实物模型”单击实验菜单,进入双容水箱液位PID控制实验界面
2、选择控制回路a)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b)控制回路构成根据选择的控制对象,调节相应的进水阀状态以“水箱2和4”对象为例,此时需打开水箱2和4的对应阀门,关闭其它进水阀,从而构成双容PID控制回路具体的设置方式请参考《单容水箱特性测试实验》的实验步骤4O
3、选择PID控制器的工作点a、PID控制器设置成手动方式假定我们选择了“水箱1和3”构成的控制回路,则相应地设置水箱1的控制器单击实验界面中的“水箱1液位控制器”标签,打开控制器窗体,如下图3所示:图3界面设置单击控制器窗体中的“手动”按钮,将控制器设置成手动;b、设定工作点单击控制器界面中MV柱体旁的增/减键,设置MV U1的值,如下图4所示图4界面MV设置将阀门U1开度设置在某一确定值一一即选定某一工作点;
4、设置PID控制器参数根据对象特性,设置P、I、D参数假定估算PID参数如下P=1=D=将参数输入控制器中;单击控制器界面中的“参数设置”按钮,弹出控制器参数设置窗体,如图5所示图5参数设置
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
二、实验设计(画出“系统方框图”和“设备连接图”)系统方框图如图1所示图1系统方框图系统连接图如图2所示图2系统方框图通过键盘输入比例系数、积分时间和微分时间,一般不用修改其它参数
5、启动水箱1液位PID控制器a、将控制器改成自动方式单击控制器窗体的“自动”按钮;b、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SVo
6、水箱2液位PID控制器的控制效果通过“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,从超调量、过渡时间和衰减比等方面对控制效果进行评估;当达到或接近期望效果时,跳到第8步
7、根据控制效果,调整PID控制器参数当控制效果不佳时,重新将控制器设置成手动,根据以下几条参考调节规律或其它经典的调节规律修正PID参数a、如果系统出现振荡时,应适当减小比例作用和积分作用;b、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;c、如果期望缩短过渡时间,可以适当加大比例作用;d、液位调节中,一般不用微分作用;跳转到第4步,继续实验
8、数据记录记录控制的调节参数,并利用趋势窗体查看控制效果,并结果记录在下表中时间控P制I(S)参数D s超调星〈%)过滤时间(S)效果评估
9、结果分析a、分析PID控制器的参数将实际的PID参数与经验法得出的参数进行比较,并验证经验法b、分析PID控制器的控制曲线根据趋势曲线,计算在较佳控制参数下的超调量、过渡时间和衰减比等特性参数c、分析P、I、D三种调节作用对控制效果的影响
四、实验记录(包括实验数据和波形图)图6参数设置通过键盘输入比例系数、积分时间和微分时间,一般不用修改其它参数
5、启动水箱1液位PID控制器a、将控制器改成自动方式单击控制器窗体的“自动”按钮;b、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SVO
6、水箱1液位PID控制器的控制效果通过“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,从超调量、过渡时间和衰减比等方面对控制效果进行评估;当达到或接近期望效果时,跳到第8步
7、根据控制效果,调整PID控制器参数当控制效果不佳时,重新将控制器设置成手动,根据以下几条参考调节规律或其它经典的调节规律修正PID参数a、如果系统出现振荡时,应适当减小比例作用和积分作用;b、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;c、如果期望缩短过渡时间,可以适当加大比例作用;d、液位调节中,一般不用微分作用;跳转到第4步,继续实验
8、数据记录记录控制的调节参数,并利用趋势窗体查看控制效果,并结果记录在下表中时间控P制I(S)参D s数超调量(%)过渡时间(s)效果评估
9、结果分析a、分析PID控制器的参数将实际的PID参数与经验法得出的参数进行比较,并验证经验法b、分析PID控制器的控制曲线根据趋势曲线,计算在较佳控制参数下的超调量、过渡时间和衰减比等特性参数c、分析P、I、D三种调节作用对控制效果的影响
五、结果分析加入阶跃信号后用PID控制器进行控制的系统响应曲线如下图所示:图7从图中的得出由于水箱二的进水阀的开度过小,导致系统的反应过慢,还有假如阶跃值稍大调节阀就可能出现“失控”的状况,所以我们小组的PID控制器控制的效果和规律的实验就无法正常进行
六、思考题
1、实验系统在运行前应做好哪些准备工作?答
1.建立好系统的静态动作点
2.计算出系统当前的PID参数
3.经过微调后PID参数后便可以得到系统最优PID参数
七、心得体会我们小组双容水箱PID控制实验之所以失败是和上个实验(双容水箱动态特性)的不成功密不可分,在上个实验中我们水箱二的进水阀的开度太小导致在下面的PID控制器的调节中调节的缓慢,根本无法进行正常的调节在以后的学习和生活中我要吸取这次实验的经验与教训,在实验的每个环节都要弄清楚为什么要这样做,这样才能保证实验的正确性
三、实验步骤
1、进入实验运行四水箱DDC实验系统软件,进入首页界面,单击“实物模型”单选框,选择实验模式为实物模型;单击实验菜单,进入双容水箱特性测试实验界面
2、选择执行机构在实验系统中有两个执行机构,分别由控制量“U1”和“U2”控制这两个控制量的范围为0〜100,可以自行选择一个作为控制量这里假定我们选择“U1”作为控制量
3、选择双容对象实验系统有四个水箱水箱
1、水箱
2、水箱3和水箱4,它们对应的液位分别用Hl、H
2、H3和H4表示,其中水箱3和水箱
1、水箱4和水箱2可以分别串接成两组双容水箱,可以自行选择一组双容水箱作为被测定对象这里假定我们选择水箱1和水箱3串接的双容水箱,对应待测液位变量为H
14、组成控制回路我们期望构成的控制量为U1,被测量为H1的控制回路,为此根据连接图,我们需打开水箱1和3的进水阀,关闭其它进水阀也可选择其它的双容对象构成控制回路
5、选择工作点控制量“U1”或“U2”控制执行机构,通过构造的控制回路,使被测的单容水箱的液位稳定在某个点具体设置方式如下选择控制量“U1”或“U2”,图3调节阀参数设置如图3所示,单击实验界面中的调节阀图标,进入输出设置窗体,如下图4所示U1:|
37.06%U2:|
60.00%U3:|
50.00|%确认取消图4调节阀具体参数设置在窗体中,通过键盘输入期望的值如果选择“U2”作为控制量,也可以参考上述方法进行设置
6、控制量阶跃变化当单容水箱的液位稳定在工作点时,让控制量作阶跃变化这里,以控制量“U1”为例,让U1从40跳变到50,可以根据实际的效果选择跳变的幅度
7、实验记录实验软件提供了“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”利用趋势窗体测绘的曲线,记录数据如下表所示时间控制量%:被测量cm:
7、实验记录实验软件提供了“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”利用趋势窗体测绘的曲线,记录数据如下表所示时间控制量%:被测量cm:
8、结果分析分析测绘的飞升曲线,并根据记录的数据,测定双容水箱的近似特性,并将对象的特性参数记录在下表中比例系数K时间常数T s滞后时间Tao sI、实验记录(包括实验数据和波形图)实验数据记录本次试验中共测得三组数据:
(1)上阶跃(控制量从20%跳变到25%的正阶跃响应)时间从14:06:14到14:32:38具体数据当时忘了记录,上阶跃的截图如下图所示:图5
(2)方波(控制量从25%到10%,再从10%到25%)时间从14:36:16到14:46:13I L8O7I水号1箱
6.
95.X•4位间M74水时水号1箱64X1*62位水M312水箱6号1M
3.
55.5水位4号水箱水位M
2.
234.
275.
525.
555.
786.
222222222305.
186.
56.
66.
76.
82982556.号
5.
96.水位4号水箱水位1M
6.3f
6.
39596.i
36.311-
7.5323722号水箱
327.
7.水位1M
7.
27.
137.
47.4号水箱水位1M方波的截图如下图所示:3下阶跃控制量从25%跳变到10%的负阶跃响应时间从15:15:22到15:41:27具体数据当时忘了记录,上阶跃的截图如下图所示图7以上数据是实验过程中使水箱水位稳定在某一工作点时测的的正阶跃、负阶跃和方波时,以水箱4和水箱2构成双容水箱回路,以水箱一水位随时间变化的值
五、数据处理根据实验记录,可以画出对应的响应曲线,从而求出对象的特性参数由于在此处双容水箱的的模型是用K、T、丁模型来模拟,即惯性环节+纯迟延所以可以用切线法和两点法分别计算双容水箱的特性
1、两点法1上阶跃控制量从20%跳变到25%的正阶跃响应由图像可得H8=
1.3cm,HQ=
0.39X
1.3=
0.507HZ2=
0.632X
6.3=
0.8216对应曲线上的点可得4=408s,12二679s则T二2GF=2X679-408=542s,T二-%2=2X408-679=137s A以二25%-20%=5%,由此可得K=“°°=
0.26cm/%则传递函数为G2637s542s+12方波控制量从25%到10%,再从10%到25%由图像可得H8=
6.15cm,H—=
0.39X
6.15=
2.3985Hr2=
0.632X
6.15=
3.8868对应曲线上的点可得乙二426s,%2=660so则T=2GF=2X660-426=468s,T=2-r2-2X426-660=192s0A U=25%-10%=15%,由此可得K二O=
0.41cni/%。