二阶水箱对象特性测试实验

实验二：二阶双容对象特性测试实验

一、实训目标

1、熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

2、根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的特性

二、知识目标

1、了解简单过程控制系统的构成。

2、掌握简单过程控制的原理、双容液位计算机控制和参数整定的方法。

三、任务相关知识

本实验采用计算机控制，将（下水箱）液位控制在设定高度。通过上水箱根据下水箱信号输出给计算机，计算机根据P、I、D参数进行PID运算，输出信号给电动调节阀，然后由电动调节阀控制水泵出水流量，控制上水箱液位，再控制下水箱液位，从而达到控制设定液位的目的。当下水箱液位平衡时，上水箱液位也达到平衡。这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，输出量是下水箱

的水位h2。当输入量有一个阶跃增加Q1时，输出量变化的反应曲线如图2-2? 所示的h2曲线。它不再是简单的指数曲线，而是就使调节对象的飞升特性在时? 间上更加落后一步。在图中S形曲线的拐点P上作切线，它在时间轴上截出一段

时间OA。这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此，称容量滞后，通常以τC代表之。

设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度h2为输出量，根据物料

动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：

式中K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分别为阀V2和V3的液阻，C1和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。式中的K、T1和T2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。具体的做法是在的阶跃响应曲线上取：

1）、h2（t）稳态值的渐近线h2(∞)；

2）、h2（t）|t=t1=0.4h2(∞)时曲线上的

点A和对应的时间t1；

3）、h2（t）|t=t2=0.8h2(∞)时曲线上的

、阶跃响应曲线

点B和对应的时间t2。

然后，利用下面的近似公式计算式

2-1中的参数K、T1和T2。其中：

对于式（2-1）所示的二阶过程，0.32〈t1/t2〈0.46。当t1/t2=0.32时，可近似为一阶环节；当t1/t2=0.46时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2（此时T1=T2=T=(t1+t2)/2*2.18）

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。

四、实验设备

1、过程控制实验装置（使用其中：电动调节阀、DDC控制单元、上水箱、下水箱及液位变送器等）。

实训设备

五、实验步骤

1、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开

DDC控制单元电源。

2、在信号板上打开电动调节阀输入信号、上水箱输出信号。

3、打开计算机上的组态王的“过程控制实验液位__液位”工程，进入运行环境，选择“实验三：双容液位控制系统参数整定实验”，给“阀门开度op”设置一个初始值。

4、在控制板上先打开电动调节阀，再打开水泵，一定要注意先后顺序，避免水泵空抽，保护实验设备。

5、选择计算机控制方式。

6、整定参数值的计算

设定适当的控制参数

Ts=1 （参考值）

SV=20，40，80 （参考值）

Kc=7 （参考值）

Ti=200 （参考值）

Td=0 （参考值）

7、开通以威乐泵、电动调节阀、孔板流量计以及上水箱出水阀，中水箱出

水阀所组成的水路系统;关闭通往其他对象的切换。

8、将中水箱的出水阀开至适当开度。

9、检查电源开关是否关闭。

10、观察计算机上的实时曲线和历史曲线。

11、待系统稳定后，给定加个阶跃信号，观察其液位变化曲线。

12、再等系统稳定后，给系统加个干扰信号，观察液位变化曲线。

13、曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理。

14、将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。

15、打开电源带漏电保护空气开关。

16、开启单相开关，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，仪表输出方式设为手动输出，初始值为0。

六、PID参数实验数据

P I D 设定值扰动量周期T 衰减比n 最大偏差e max 回复时间

余差e

T s

75 0 0 10 5 55 251 0.06

P I D 设定值扰动量周期T 衰减比n 最大偏差e max 回复时间

余差e

T s

75 0 23 15 5 42 5:6 1.2 271 0.3

七、实验注意事项

1、实验中，学生选择不同的P、I、D参数进行P调节、PI调

节、PID调节实验，寻找最佳控制调节方法及参数，总结不同的调节过程特性，

得出控制性能的结论。

2、本实验过程中，上水箱出水阀不得任意改变开度大小。

3、阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，

以防止因读数误差和其他随机干扰影响对象特性参数的精确度。一般阶跃信号取

正常输入信号的5%~15%。

4、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。

5、做本实验过程中，上水箱出水阀不得任意改变开度大小。

6、阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，

以防止影响对象特性参数的精确性。一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。

7、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。

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