实验指导书3.docx
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实验指导书3
即
1-3
当
时,
。
因而有
1-4
式(1-3)表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调
上升的指数函数,如图1-2所示。
由式(1-4)可知该曲
线上升到稳态值的63.2%所对应的时间,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,此切线与稳态值的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(∞)。
上式中的K值由下式求取:
K=h(∞)/R0=输入稳态值/阶跃输入图1-2阶跃响应曲线
四、实验内容与步骤
1)、对上水箱液位传感器进行零点与增益的调整,做法参见第9页4中的4)和5)。
2)、按照图1-1的结构框图,完成系统的接线,并把PID调节器的“手动/自动”开关置于“手动”位置,此时系统处于开环状态。
3)、将单片机控制屏GK-03的输入信号端“LT1、FT”分别接GK-02的传感器输出端“LT1、FT”;用上位机控制监控软件对液位进行监视并记录过程曲线。
4)、反复调节PID调节器的“手动调节”旋钮和阀2,将被控参数液位控制在4cm左右稳定,此后不可再调节阀门。
5)、观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。
若已平衡,记录此时调节器手动输出值VO以及显示仪表LT1的读数值的高度h1和显示仪表FT的读数值并填入下表。
记录单片机控制屏上的显示值。
变频器输出频率f
手动输出Vo
FT显示值
LT1显示值
HZ
v
ml
cm
6)、迅速增调“手动调节”电位器,使PID的输出突加20%-30%,利用上位机监控软件记下由此引起的阶跃响应的过程数据(数据存储位置:
实验装置控制程序安装路径\data.mdb.),并根据所得数据填写下表。
t(s)
FT读数
(ml)
LT1读数
(cm)
等到进入新的平衡状态后,再记录测量数据,并填入下表:
变频器输出频率f
PID输出Vo
FT显示值
LT1显示值
HZ
v
ml
cm
7)、重复上述实验步骤,根据所得数据作出响应曲线,直到得到两次比较接近的响应曲线作为分析的依据,以减少随机干扰因素的影响。
五、注意事项
1)、在老师的帮助下,启动计算机系统和单片机控制屏。
2)、做本实验过程中,阀V1和V2不得任意改变开度大小。
3)、在输入阶跃信号前,过程必须处于平衡状态。
阶跃信号不能取得太大,以免影响系统正常运行;但也不能过小,以防止对象特性的不真实性。
一般阶跃信号取正常输入信号的20%~30%。
4)、重复实验步骤时,在第二次平衡的前提下,把Vo降到第一次平衡的值,待再次稳定后,仍然突增到第二次平衡的Vo值,待稳定后记录数据,用两次平均值处理数据。
六、实验报告要求
1)、作出一阶环节的阶跃响应曲线。
2)、根据实验原理中所述的方法,求出一阶环节的相关参数RO,K,T。
实验二、单容水箱液位PID控制系统
一、实验目的
1)、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2)、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的阶跃响应。
3)、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的抗扰动作用。
4)、定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响。
二、实验设备
1)、THGK-1型过程控制实验装置:
GK-04GK-06GK-07-2
2)、万用表一只
3)、秒表一只
4)、计算机系统
三、实验原理
图2-1、单容水箱液位控制系统的方块图
图2-1为单容水箱液位控制系统。
这是一个单回路反馈控制系统,它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度;减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。
单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求,故它在过程控制中得到广泛地应用。
当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的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,则会导致控制质量变坏,甚至使系统不能正常工作。
因此,当一个单回路系统组成以后,如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。
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。
系统由原来的手动操作切换到自动操作时,必须为无扰动,这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值,并且在切换时应使测量值与给定值无偏差存在。
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选择合理,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)。
在单位阶跃作用下,P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2-3中的曲线①、②、③所示。
图2-3、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
四、实验内容与步骤
(一)、比例(P)调节器控制
1)、按图2-1所示,将系统接成单回路反馈系统。
其中被控对象是上水箱,被控制量是该水箱的液位高度h1。
2)、启动工艺流程并开启相关的仪器,调整传感器输出的零点与增益。
3)、在老师的指导下,接通单片机控制屏,并启动计算机监控系统,(积分时间常数设置于最大,积分、微分作用的开关都处于“关”的位置,比例度设置于某一中间值,“正-反”开关拔到“反”的位置,调节器的“手动”开关拨到“自动”位置)为记录过渡过程曲线作好准备。
4)、在闭环状态下(旋钮至自动档),反复调节PID调节器的“给定输出”旋钮RP1和阀2,观察计算机显示屏上的曲线,让系统投入闭环运行,使被控参数液位控制在4cm左右稳定,此后不可再调节阀门。
5)、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RP1实现)。
记录曲线在经过几次波动稳定下来后,观察过渡过程曲线,系统有稳态误差。
6)、增大δ,重复步骤5,观察过渡过程曲线。
7)、选择合适的δ值就可以得到比较满意的过程控制曲线。
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。
(注:
此稳定是指液位为4cm同时保证原给定输出的电压值)
(二)、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(即把积分器“I”由最大处“关”旋至中间某一位置,并把积分开关置于“开”的位置),观察被控制量是否能回到设定值,以验证在PI控制下,系统对阶跃扰动无余差存在。
2)、固定比例度δ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,并记录不同Ti值时的超调量σp。
表二、δ值不变、不同Ti时的超调量σp
积分时间常数Ti
大
小
超调量σp
3)、固定积分时间Ti于某一中间值,然后改变δ的大小,观察加扰动后被调量输出的动态波形,并列表记录不同δ值下的超调量σp。
表三、Ti值不变、不同δ值下的σp
比例度δ
大
小
超调量σp
(三)、比例积分微分调节(PID)控制
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D打开。
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,并与实验步骤
(二)所得的曲线相比较,由此可看到微分D对系统性能的影响。
五、实验报告要求
1)、P调节时,作出不同δ值下的阶跃响应曲线。
2)、PI调节时,分别作出Ti不变、不同δ值时的阶跃响应曲线和δ不变、不同Ti值时的阶跃响应曲线。
3)、作出PID控制时的阶跃响应曲线,并分析微分D的作用。
4)、比较P、PI和PID三种调节器对系统余差和动态性能的影响。
(注:
在计算机监控系统上用屏幕拷贝方式(同时按下“Alt”和“PrtSc”)记录阶跃响应曲线,粘贴于WORD文档打印并附在报告中)
六、注意事项
1)、实验线路接好后,必须经指导老师检查认可后方可接通电源。
2)、必须在老师的指导下,启动计算机系统和单片机控制屏。
3)、若参数设置不当,可能导致系统失控,不能达到设定值。
实验三、单容水箱压力的PID调节控制
一、实验目的
1)、了解压力传感器的结构原理及使用方法。
2)、研究单回路压力PID控制系统。
3)、掌握手动/自动无扰动切换的方法。
4)、学会用反应曲线法对PID参数进行整定。
二、实验装置
1)、TKGK-1型过程控制实验装置:
PID调节器GK-04、变频器GK-07-2
2)、计算机及监控软件
三、实验原理
1、压力传感器变送原理简介
1)、扩散硅压力传感器
扩散硅压力传感器是利用单晶硅的压阻效应,采用IC工艺扩散四个等值应变电阻,组成惠斯登电桥,不受压力作用时,电桥处于平衡状态;当受到压力(或压差)作用时,电桥的一对桥臂电阻变大,另一对变小,电桥失去平衡。
若对电桥加一恒定的电压,便可
检测到对应于所加压力的电压信号,从而达到测量液体、气体压力大小的目的。
随着传感器制造工艺水平的提高,具有内部温度补偿和校准的高精度,高灵敏度的硅压力传感器已广泛应用于气体压力测量和液位、压力控制系统。
本装置采用的MPX2010DP型传感器,则是在芯片上集成了一图3-1惠斯登电桥
个激光敏感调节电阻,用以偏置校准和温度补偿,它由单个X型压
敏电阻代替了以往由4个电阻组成的惠斯登电桥。
MPX2010DP的压力范围为:
0~10Kpa,灵敏度为:
±0.01KPa(1mmH2O)。
2)、压力传感器变送原理
空气管传感方式:
将一根管子(如橡皮或塑料)竖直立起,其一端放于液体容器中,另一端完全敞开,则管子里面的液面与容器中的是完全相同的。
若将管子的上端封住(如接到MPX2010DP的压力面),管子内就会留有一定体积的气体。
当容器内液位变化时,管内空气的压力将会成比例地变化。
2、单回路压力控制系统方框图
图3-2、单回路压力控制系统
单回路压力控制系统如图3-2所示。
系统如要实现无扰动地由手动操作切换到自动运行,则要求调节器能自动地跟踪手动输出,且要在切换时使测量值与给定值无偏差存在。
改变PID调节器参数δ、Ti和Td可以影响系统的闭环特性,从而改变控制系统的控制品质。
整定调节器参数通常有临界比例度法、衰减振荡法。
由于本系统的被控对象是一阶惯性环节、且时间滞后很小,所以很难产生振荡曲线,因此我们在这里采用反应曲线法来整定系统的参数。
四、实验内容与步骤
1、按图3-1所示,将系统接成单回路反馈系统。
其中被控对象是上水箱,被控制量是上水箱的液体压力。
2、启动工艺流程并开启相关的仪器,调整传感器输出的零点与增益。
3、在老师的指导下,接通单片机控制屏,并启动计算机监控系统,为记录过渡过程曲线作好准备。
4、在开环状态下,利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调到等于给定值(一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处)。
5、反复调节手动输出值,使给定值与反馈值基本上保持相等且稳定后,把手动开关拨到自动,实现无扰动切换。
6、用反应曲线法整定系统参数:
1)将调节器置于手动状态,并使调节器输出一个
阶跃信号,记录被控制量压力的响应曲线如图3-4所示。
由该图可确定て、T和K,其中K按下式确定
K=y(∞)-y(0)/X0(式中X0为给定值)
根据所求的K、T和て,利用下表所示的经验公式,就可
计算出对应于衰减率为4:
1时调节器的相关参数。
反应曲线法整定计算公式
图3-4阶跃响应曲线
调节器参数
控制规律
δ(%)
Ti
Td
P
Kて/T
PI
1.1Kて/T
3.3て
PID
0.85Kて/T
2て
0.5て
五、实验报告要求
1)、根据整定结果作出阶跃响应曲线。
(注:
在计算机监控系统上用屏幕拷贝方式(同时按下“Alt”和“PrtSc”)记录,粘贴于WORD文档打印并附在报告中)
2)、叙述无扰动切换的方法。
实验四、双容水箱对象特性的测试
一、实验目的
1)、了解双容水箱的自衡特性。
2)、掌握双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
3)、由实测双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。
二、实验设备
1)、TKGK-1型过程控制实验装置:
PID调节器:
GK-04
变频器:
GK-07-2
2)、万用表一只
3)、计算机一台
三、实验原理
阶跃响应测试法是系统在开环运行状况下,待工况稳定后,通过调节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和阶跃响应曲线,然后根据给定对象模型的结构形式,对实验数据进行合理的处理,确定模型中的相关参数。
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。
双容水箱液位控制结构图如图4-1所示:
图4-1、双容水箱液位控制结构图
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=R4,T1=R2C1,T2=R4C2,R2、R4分别为阀V2和V4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可由实验求得的阶跃响应曲线求出。
具体的做法是在图4-2所示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
点B和对应的时间t2。
然后,利用下面的近似公式计算式
4-1中的参数K、T1和T2。
其中:
对于式(4-1)所示的二阶过程,0.32 当t1/t2=0.32时,为一阶环节;当t1/t2=0.46时,过程的传递函数图4-2、阶跃响应曲线 G(S)=K/(TS+1)2(此时T1=T2=T=(t1+t2)/2*2.18) 过曲线的拐点做一条切线,它与横轴交于A点,OA即为滞后时间常数て。 四、实验内容与步骤 1)、对上、下水箱液位传感器进行零点与增益的调整。 2)、按照图4-1的结构框图,完成系统的接线,并把PID调节器的“手动/自动”开关置于“手动”位置,此时系统处于开环状态。 3)、将单片机控制屏GK-03的输入信号端“LT1、LT2、PT”分别接GK-02的传感器输出端“LT1、LT2、PT”;用上位机控制监控软件对液位进行监视并记录过程曲线。 4)、利用PID调节器的手动旋钮调节输出,将被控参数液位控制在4cm左右。 5)、观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。 若已平衡,记录此时调节器手动输出值VO以及显示仪表LT2的读数值的高度h2和显示仪表FT的读数值并填入下表。 变频器输出频率f 手动输出Vo FT显示值 LT2显示值 HZ v ml cm 6)、迅速增调“手动调节”电位器,使PID的输出突加20%-30%,利用上位机监控软件记下由此引起的阶跃响应的过程数据(数据存储位置: 实验装置控制程序安装路径\data.mdb.),并根据所得数据填写下表。 t(s) FT读数 (ml) LT2读数 (cm) 等到进入新的平衡状态后,再记录测量数据,并填入下表: 变频器输出频率f PID输出Vo FT显示值 LT2显示值 HZ v ml cm 7)、重复上述实验步骤,根据所得数据作出响应曲线,直到得到两次比较接近的响应曲线作为分析的依据,以减少随机干扰因素的影响。 五、注意事项 1)、做本实验过程中,阀V1和V2及V3和V4不得任意改变开度大小;且阀2开度必须大于阀4的开度,以保证实验效果。 2)、阶跃信号不能取得太大,以免影响系统正常运行;但也不能过小,以防止对象特性的不真实性。 3)、在输入阶跃信号前,过程必须处于平衡状态。 4)、在老师的帮助下,启动计算机系统和单片机控制屏。 六、实验报告要求 1)、作出二阶环节的阶跃响应曲线。 2)、根据实验原理中所述的方法,求出二阶环节的相关参数。 实验五、双容水箱液位PID控制系统 一、实验目的 1)、熟悉单回路双容液位控制系统的组成和工作原理。 2)、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的控制性能。 3)、定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响。 二、实验设备 1)、THGK-1型过程控制实验装置: GK-03、GK-04、GK-06、GK-07-2 2)、万用表一只 3)、计算机系统 三、实验原理 图5-1、双容水箱液位控制系统的方框图 图5-1为双容水箱液位控制系统。 这是一个单回路控制系统, 它与实验二不同的是有两个水箱相串联,控制的目的是既要使下水箱的液位高度等于给定值所期望的值,又要具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。 显然,这种反馈控制系统的性能主要取决于调节器GK-04的结构和参数的合理选择。 由于双容水箱的数学模型是二阶的,故它的稳定性不如单容液位控制系统。 对于阶跃输入(包括阶跃扰动),这种系统用比例(P)调节器去控制,系统有余差,且与比例度近似成正比,若用比例积分(PI)调节器去控制,不仅可实现无余差,而且只要调节器的参数δ和Ti选择的合理,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的控制作用,从而使系统既无余差存在,又使其动态性能得到进一步改善。 四、实验内容与步骤 (一)、比例(P)调节器控制 1)、按图5-1所示,将系统接成单回路反馈控制系统。 其中被控对象是下水箱,被控制量是下水箱的液位高度h2。 2)、启动工艺流程并开启相关的仪器,调整传感器输出的零点与增益。 3)、在老师的指导下,接通单片机控制屏,并启动计算机监控系统,为记录过渡过程曲线作好准备。 4)、在开环状态下,利用调节器的手动操作开关把被控制量调到等于给定值(一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处)。 5)、观察计算机显示屏上的曲线,待被调参数基本达到给定值后,即可将调节器切换到纯比例自动工作状态(积分时间常数设置于最大,积分、微分作用的开关都处于“关”的位置,比例度设置于某一中间值,“正-反”开关拔到“反”的位置,调节器的“手动”开关拨到“自动”位置),让系统投入闭环运行。 6)、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)。 记录曲线在经过几次波动稳定下来后,系统有稳态误差,并记录余差大小。 7)、减小δ,重复步骤6,观察过渡过程曲线,并记录余差大小。 8)、增大δ,重复步骤6,观察过渡过程曲线,并记录余差大小。 9)、选择合适的δ值就可以得到比较满意的过程控制曲线。 10)、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。 (二)、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(即把积分器“I”由最大处旋至中间某一位置,并把积分开关置于“开”的位置),观察被控制量是否能回到设定值,以验证在PI控制下,系统对阶跃扰动无余差存在。 2)、固定比例度δ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,并记录不同Ti值时的超调量σp。 表二、δ值不变、不同Ti时的超调量σp 积分时间常数Ti 大 中 小 超调量σp 3)、固定积分时间Ti于某一中间值,然后改变δ的大小,观察加扰动后被调量输出的动态波形,并列表记录不同δ值下的超调量σp。 表三、Ti值不变、不同δ值下的σp 比例度δ 大 中 小 超调量σp 4)、选择合适的δ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。 此曲线可通过改变设定值(如设定值由50%变为60%)来获得。 (三)、比例积分微分调节器(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D打开。 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,并与实验步骤 (二)所得的曲线相比较,由此可看到微分D对系统性能的影响。 2)、选择合适的δ、Ti和Td,使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线(阶跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现)。 3)、在计算机监控系统上用屏幕拷贝方式(同时按下“Alt”和“PrtSc”)记录一条较满意的过渡过程实时曲线。 五、注意事项 1)、实验线路接好后,必须经指导老师检查认可后方可接通电源。 2)、在老师的指导下,开启单片机控制屏和计算机系统。 六、实验报告要求 1)、作出P调节器控制时,不同δ值下的阶跃响应曲线。 2)、作出PI调节器控制时,不同δ和Ti值时的阶跃响应曲线。 3)、作出PID控制时的阶跃响应曲线,并分析微分D对系统性能的影响。 4)、综合评价P、PI、和PID三种调节器对系统性能的影响。 (注: 在计算机监控系统上用屏幕拷贝方式(同时按下“Alt”和“PrtSc”)记录阶跃响应曲线,粘贴于WORD文档打印并附在报告中) 实验六、单回路控制系统的质量研究 一、实验目的 了解控制通道和扰动通道对系统控制质量的不同影响。 二、实验设备 TKGK-1型过程控制实验装置: GK-04、GK-07-2 计算机系统。 三、实验原理
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