单容水箱液位PID控制Word格式.docx
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本系统所要保持的参数是液位的给定高度,即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。
根据控制框图,这是一个闭环反馈单回路液位控制,采用工业智能仪表控制。
当调节方案确定之后,接下来就是整定调节器的参数,一个单回路系统设计安装就绪之后,控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。
合适的控制参数,可以带来满意的控制效果。
反之,控制器参数选择得不合适,则会使控制质量变坏,达不到预期效果。
一个控制系统设计好以后,系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
一般言之,用比例(P)调节器的系统是一个有差系统,比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小,而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分(PI)调节器,由于积分的作用,不仅能实现系统无余差,而且只要参数δ,Ti调节合理,也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分(PID)调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用,从而使系统既无余差存在,又能改善系统的动态性能(快速性、稳定性等)。
但是,并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质,对于容量滞后不大,微分作用的效果并不明显,而对噪声敏感的流量系统,加入微分作用后,反而使流量品质变坏。
对于我们的实验系统,在单位阶跃作用下,P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2中的曲线①、②、③所示。
图2P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
三、实验仪器设备、材料
1.AE2000A型过程控制实验装置。
2.PC机。
四、实验步骤(或设计过程)
1.设备的连接和检查:
(1)将AE2000A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.系统连线如图3所示:
图3上水箱液位PID参数整定控制接线图
(1)三相电源、单相Ⅰ空气开关打在关的位置。
(2)智能调节仪的~220V的电源开关打在关的位置。
(3)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。
(4)将上水箱液位+(正极)接到任意一个智能调节仪的1端(即RSV的正极),将上水箱液位-(负极)接到智能调节仪的2端(即RSV的负极)。
(5)将智能调节仪的4~20mA输出端的7端(即正极)接至电动调节阀的4~20mA输入端的+端(即正极),将智能调节仪的4~20mA输出端的5端(即负极)接至电动调节阀的4~20mA输入端的-(即负极)。
3.启动实验装置
(1)将实验装置电源插头接到380V的三相交流电源。
(2)打开电源三相带漏电保护空气开关,电压表指示380V。
(3)打开总电源钥匙开关,按下电源控制屏上的启动按钮,即可开启电源
(4)开启单相Ⅰ,调整好仪表各项参数(仪表初始状态为手动且为0)和液位传感器的零位。
(5)启动智能仪表,设置好仪表参数。
4.比例调节控制
(1)启动计算机MCGS组态软件,进入实验系统选择相应的实验,如图4所示:
图4实验软件界面
(2)打开电动调节阀和单相电源泵开关,开始实验。
(3)设定给定值,调整P参数。
(4)待系统稳定后,对系统加扰动信号(在纯比例的基础上加扰动,一般可通过改变设定值实现,如设定值由50%变为60%)。
观察过渡过程曲线。
(5)减小P重复步骤4,观察过渡过程曲线。
(6)增大P重复步骤4,观察过渡过程曲线。
(7)选择合适的P,得到较满意的过渡过程曲线,记录此时的过渡过程曲线、余差和超调量。
(8)注意:
每当做完一次试验后,必须待系统稳定后再做另一次试验。
5.比例积分调节器(PI)控制
(1)在比例调节实验的基础上,加入积分作用,即在界面上设置I参数不为0,观察被控制量是否能回到设定值,以验证PI控制下,系统对阶跃扰动无余差存在。
(2)固定比例P值(中等大小),改变PI调节器的积分时间常数值Ti,然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形和超调量。
(3)固定I于某一中间值,然后改变P的大小,观察加扰动后被调量输出波形和超调量。
(4)选择合适的P和Ti值,使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线,记录此时的过渡过程曲线和超调量。
6.比例积分微分调节(PID)控制
(1)在PI调节器控制实验的基础上,再引入适量的微分作用,即把软件界面上设置D参数,然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动,记录系统被控制量响应的动态曲线,并与实验
(二)PI控制下的曲线相比较,由此可看到微分D对系统性能的影响。
(2)选择合适的P、Ti和Td,使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。
(3)在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录。
附:
用临界比例度法整定调节器参数的方法
在实现应用中,PID调节器的参数常用下述实验的方法来确定。
用临界比例度法去整定PID调节器的参数是既方便又实用的。
它的具体做法是:
(1)待系统稳定后,逐步减小调节器的比例度δ(即1/P),并且每当减小一次比例度δ,待被调量回复到平衡状态后,再手动给系统施加一个5%~15%的阶跃扰动,观察被调量变化的动态过程。
若被调量为衰减的振荡曲线,则应继续减小比例度δ,直到输出响应曲线呈现等幅振荡为止。
如果响应曲线出现发散振荡,则表示比例度调节得过小,应适当增大,使之出现等幅振荡。
图5为它的实验方块图。
图5具有比例调节器的闭环系统
(2)在图6系统中,当被调量作等幅荡时,此时的比例度δ就是临界比例度,用δk表示之,相应的振荡周期就是临界周期Tk。
据此,按下表可确定PID调节器的三个参数δ、Ti和Td。
图6具有周期TK的等幅振荡
表一、用临界比例度δk整定PID调节器的参数
调节器参数
调节器名称
δk
Ti(S)
Td(S)
P
2δk
PI
2.2δk
Tk/1.2
PID
1.6δk
0.5Tk
0.125Tk
(3)必须指出,表格中给出的参数值是对调节器参数的一个初略设计,因为它是根据大量实验而得出的结论。
若要就得更满意的动态过程(例如:
在阶跃作用下,被调参量作4:
1地衰减振荡),则要在表格给出参数的基础上,对δ、Ti(或Td)作适当调整。
五、实验过程原始记录(数据、图表、计算等)(或设计计算、图纸等)
六、实验结果及分析(或设计总结)
比例环节Kp:
用于加快系统的响应速度,提高系统的调节精度,Kp越大,系统响应速度越大,调节精度越高,但容易超调,甚至会导致系统不稳定;
Kp越小,会降低调节精度,使响应速度变慢,从而延长调节时间,系统不稳定,所以取得Kp的范围:
10——30
积分环节:
用于消除系统的稳态误差,Ti越小,系统的静态误差消除越快,但应取范围恰当,如:
微分环节:
主要在响应过程中抑制偏差像任何方向的变化,所以应取Td的范围:
2——5.
一阶单容上水箱对象特性测试
第15周日5-8节
1.熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
2.根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线,用相关的方法分别确定它们的参数。
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。
单容水箱如图1所示:
图1单容水箱系统结构图
如图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为单容对象的放大倍数,R1、R2分别为V1、V2阀的液阻,C为水箱的容量系数。
令输入流量Q1的阶跃变化量为R0,其拉氏变换式为Q1(S)=RO/S,RO为常量,则输出液位高度的拉氏变换式为:
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
一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数,如图2所示。
图2阶跃响应曲线
当由实验求得图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:
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(∞)。
(1)关闭阀23,将AE2000A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和关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。
(4)检查电源开关是否关闭
2.系统连线图:
3实验接线图
(1)电源控制柜里的三相电源空气开关、单相Ⅰ空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。
(2)智能调节仪的~220V电源开关打在关的位置。
(3)如图3所示:
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。
(4)将上水箱液位+(正极)接到任意一个智能调节仪的1端(即RSV的+极),上水箱液位-(负极)接到智能调节仪的2端(即RSV的负极)。
(5)将智能调节仪的4~20mA输出端的7端(即+极)接至电动调节阀的4~20mA输入端的+端(即正极),将智能调节仪的4~20mA输出端的5端(即-极)接至电动调节阀的4~20mA输入端的-端(即负极)。
(2)打开电源三相带漏电保护空气开关,电压表指示380V。
(3)打开总电源钥匙开关,按下电源控制柜上的启动按钮,即可开启电源。
4.实验步骤
(1)开启单相Ⅰ空气开关,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。
(2)启动计算机MCGS组态软件,进入实验系统相应的实验如图4所示:
(3)双击设定输出按钮,设定输出值的大小,这个值根据阀门开度的大小来给定,一般初次设定值<
25。
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%处左右。
(4)观察系统的被调量:
上水箱水位是
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- 水箱 PID 控制