控制工程实验指导书xx印刷版(修改).doc

控制工程实验指导书xx印刷版(修改) 机械工程控制基础实验指导书李艳杰郭虹王晓云王磊徐丽沈阳理工大学机械工程学院xx年9月-1-1实验名称液压闭环控制回路压力闭环控制回路和位置闭环控制回路实验目的1学会搭建Festo压力闭环及位置闭环回路；2了解压力传感器和位移传感器的性能和使用；3了解电液伺服阀的性能和使用；4了解PID控制器参数的不同整定方法；5了解PID控制器参数对控制系统性能的影响。 问题描述1箱面压制机中，木板由一个夹紧机构固定，夹紧力不能超过一定值以避免木板被破坏。 同样，压力也不能低于需要的最小压力，为此，设计压力控制回路以保证需要的压力值。 2游乐场太空舱是由几个液压缸支撑着改变舱的位置.，液压缸支撑系统必须能任意改变位置。 为此每个液压缸都配有一个位置闭环，构成位置闭环控制回路实验仪器液压泵站，液压伺服阀，压力传感器，位移传感器，不同长度的管子，液压缸，PID控制箱，电源，数据采集卡，计算机。 实验原理 一、压力闭环控制原理1.控制系统方框图参考输入PID控制器三位四通伺服阀（执行元件）蓄能器（被控元件）被控变量压力传感器（反馈元件）图1压力反馈控制系统的组成2电路图和液压回路（见图2）-2-2压力传感器p AA B电液伺服阀P T图2压力闭环液压回路图 二、位置闭环控制原理1.位置闭环方框图被控变量y给定信号w xPID控制器三位四通伺服阀（执行元件）液压缸（被控元件）位移传感器（反馈元件）图3位置反馈控制系统的组成2.液压回路图液压缸位移传感器AB电液伺服阀P T图4位置闭环液压控制回路组成 三、数字PID控制器PID(Proportional IntegralDerivative)控制就是对误差信号进行比例、积分与微分运算，最后将其送给被控对象，以完成整个控制过程。 随着计算机技术的发展，数字PID控制器取代了原有的模拟PID控制器，使得PID-3-3控制更加灵活。 数字PID一般采用位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此连续PID控制算法不能直接使用，需要离散化处理设t?kT(k为非负整数)k k?t?e(t)dt?T?e(jt)?T?e(j)?0j?0j?0?de(t)e(kT)?e(k?1)Te(k)?e(k?1)?T T?dt得离散PID表达式为u(k)?T?K p?e(k)?T I?k?e(j)?j?0k?T D?e?e(k)(k?1)?T?K pe(k)?K i?e(j)?K d?e(k)?e(k?1)?j?0P控制的特性a)输出信号和输入信号时间同步b)输出信号的幅值是输入信号幅值的Kp倍c)Kp为比例增益I控制的特性a)I控制和P控制相比，对参考输入的变化响应较慢，因此很少单独使用b)I控制能够消除系统误差c)K I为积分增益，积分时间常数T I?1K ID控制的特性a)D控制的相应速度比P控制的响应速度还快b)D控制不能补偿稳态误差c)K D为微分增益，T D微分时间常数T D?1K D 四、控制器的优缺点对比PID调节器的优缺点对比见下表，评价包括响应速度；稳态误差；振荡趋势比例控制器（P控制）从减少偏差的角度出发，应增加Kp，但Kp还影响系统的稳定性，Kp增加通常导致系统的稳定性下降，过大的kp往往使系统产生激烈的振荡和不稳定。 因此在设计时，必须合理的优化kp，在满足精度的要求下选择适当的kp值。 积分控制器（I控制）其显著特点是无差调节，当系统达到平衡后，阶跃信号稳态设定值和被调量无差，偏差e等于零-4-4微分控制器（D控制）比例控制器和积分控制器都是出现了偏差才进行调节，而微分控制器则针对被调量的变化速率来进行调节，而不需要等到被调量已经出现较大的偏差后才开始动作，即微分调节器可以对被调量的变化趋势进行调节，及时避免出现大的偏差。 PID控制原理简单，使用方便，适应性强。 在合理的优化Kp，KI，和KD参数后，可以使系统具有提高稳定性、快速响应、无参差等理想的性能。 控制器类型P控制器I控制器PI控制器PD控制器PID控制器优点相应速度快没有稳态误差响应快，没有稳态误差很快很快，没有稳态误差缺点存在稳态误差响应慢，有振荡趋势有振荡趋势有稳态误差 五、PID控制器参数整定的ZieglerNichols方法PID控制原理简单，使用方便，适应性强。 可以广泛应用于机电控制系统，同时也可用于化工、热工、冶金、炼油、造纸、建材等各种生产部门，同时PID调节器鲁棒性强，即其控制品质对环境条件和被控对象参数的变化不太敏感。 对于系统性能要求较高的情况，往往使用PID控制器。 在合理的优化Kp，K I和K D的参数后，可以使系统具有提高稳定性、快速响应、无残差等理想的性能。 在使用PI或者PD控制器就能满足性能要求的情况下，往往选PI或者PD控制器以简化设计。 PID控制器参数的整定方法较多，有Bode图法，任意极点配置法，高阶系统累试法，经验法和ZielgerNichols方法等。 下面给出ZielgerNichols方法的基本步骤1）逐步增大Kp，直到输出持续振荡，记下此时的Kp值，即为Kp的临界值kpcrit，及临界的时间常数T crit。 (见图5)2）根据选定的控制器类型，依据图5临界时间常数ZieglerNichols方法，确定控制器参数Kp，K I，,K D 六、实验系统的软硬件构成及实验流程图6.1实验系统的硬件组成1)硬件构成FESTO TP511液压实验台由泵源、滤油器、被测伺服阀、液压缸、位移传感器、压力传感器、压力表、流量计、数字测控箱等组成。 2)主要硬件简介泵源型号为S40-414-230-50/1-K的双外齿轮液压泵，它的额定电压为230V，额定功率-5-51.1KW，频率50HZ，最大输出压力工作压力P:4MPa(40bar)，10MPa(100bar)，N额定输出流量Q N?5l/min；邮箱容积为40L；规格700320550mm。 溢流阀直控式比例溢流阀，它是依靠外界的输入电流来控制阀芯的启闭动作。 它的工作压力P N:6MPa(60bar)；最大压力P max:12MPa(120bar)；其定压精度高，灵敏度高、工作平稳且无振动和噪声；阀关闭时密封好，泄漏小。 液压缸单杆式双作用液压缸，活塞直径为16mm，活塞杆直径为10mm，活塞两端有效面积不等，有效面积比为1.56:1，如图3.5所示。 如果以相同流量的压力油分别进入液压缸的左、右腔，活塞移动的速度与进油腔的有效面积成反比，即油液进入无杆腔时有效面积大，速度慢，进入有杆腔时有效面积小，速度快；而活塞上产生的推力则与进油腔的有效面积成正比。 两端的位移行程为200mm；工作压力PN:4MPa(40bar)；最大压力P max:12MPa(120bar)。 压力传感器FD80/86系列扩散硅压力/液位变送器，它抗过载和抗冲击能力强，温度漂移小，稳定性高，具有很好的测量精度。 主要技术参数如下工作电压1230V(DC)，输出信号420mA（模拟，二线制），测量范围07KPa60MPa，精度?0.5%，o o工作温度?20C?70C。 流量传感器LWGYB系列涡轮流量变送器，LWGYB系列涡轮流量传感器基于力矩平衡原理，属于速度式流量仪表。 该传感器具有结构简单、轻巧、精度高、复现性好、反应灵敏，安装维o o护使用方便等特点。 最大工作压力为6.3MPa，介质温度?20C?120C，介质的?625?10m s，环境温度?20o C?55o C，供电电源电压12V?10%，粘度小于电流?10mA。 七、实验步骤7.1位移闭环控制实验步骤 (1)依图4正确连接位置闭环控制回路图； (2)连接控制箱与电脑USB接线，合上控制箱电源开关；-6-6 (3)打开测控软件，首先点击“组态实时测控系统”按钮（若组态软件已经打开就不用再次点击了），在弹出的窗口中点击“位移闭环控制”按钮； (4)然后在主界面中，点击“PID位移控制系统”按钮，进入闭环控制界面后，点击“PID位移闭环控制”，开始做PID位移闭环控制实验； (5)在打开泵源前，再次检查油路是否连接好； (6)打开泵源； (7)首先，初始化数据（一般取默认值），选择“凑试法”或“优化算法”，然后调节采样频率（频率一般不调节），在输出电压中输入控制电压（一般取+2V+5V）（最小为0V，最大为+10V），然后输入KP、KI、KD参数（参考一般选择“凑试法”，频率一般不调节，输出电压4V，KP首先可以取810，做P实验；然后KP=8，KI取15，做PI实验；然后KP=8，KI=3，KD取110做PID实验）； (8)点击“开始”按钮，观察窗口中实时液压缸位移、设定的液压缸位移、控制器实时输出电压； (9)待实时液压缸位移曲线平稳后，点击“停止”按钮，然后点击“计算”按钮，记录实验参数，改变设定电压，重复步骤 7、8； (10)记录各输入PID参数以及对应的控制器参数到后面位移闭环控制系统表中。 (11)最后点击“保存图形”和“保存数据”按钮，保存图形和数据。 (12)依次关闭泵源压力及泵站电源 八、实验数据及结论对位置闭环控制系统，设定PID控制器参数，记录响应的控制性能给定电压U=V调节KP控制器P参数Kp调节KP、KI控制器PI参数Kp Ki(1/s)x m(mm)e stat(mm)控制器性能T r(s)(上)T s(s)(峰)T a(s)(平)稳定性7控制器性能x m(mm)e stat(mm)T r(s)(上)T s(s)(峰)T a(s)(平)稳定性-7-调节KP、KI、KD控制器PID参数Kp Ki(1/s)Kd(ms)x m(mm)e stat(mm)控制器性能T r(s)(上)T s(s)(峰)T a(s)(平)稳定性给定电压U=V调节KP控制器P参数Kp调节KP、KI控制器PI