自动化生产实训报告(水箱实验)

1、*大学自动化生产线实训实验报告班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 2014 年 5 月 10 日北京科技大学自动化学院 自动化生产实训实验报告目 录1系统概述11.1实验对象11.2上位机软件21.3下位机21.4实验任务与目的21.5分组情况32单容水箱建模42.1建模方法概述42.1.1机理建模42.1.2实验方法建模42.1.3 模型影响因素52.2阶跃响应法建模52.2.1理论基础52.2.2实验步骤92.2.3模型建立92.2.4 结果分析103 Matlab仿真实验123.1 MATLAB建立系统数学模型123.1.1作图法建模123.1.2计算法建模123.1.3

2、误差分析143.2 MATLAB对控制器参数进行整定153.2.1整定过程153.2.2结果分析204单容水箱PID控制214.1液位控制214.1.1实验原理214.1.2实验步骤224.1.3结果分析244.2流量控制（选做）314.2.1实验原理314.2.2实验步骤314.2.3结果分析324.3压力控制（选做）354.3.1实验原理354.3.2实验步骤364.3.3结果分析374.4流量液位串级控制（选做）404.4.1实验原理404.4.2水箱液位串级控制系统框图的设计404.4.2实验步骤414.4.3结果分析414.4.4结论474.5双容水箱液位PID控制（选做）484.5

3、.1实验原理484.5.2实验步骤484.5.3结果分析495实训总结515.1 目标，过程，结果等分析515.2对实训的收获，要求和建议51ii北京科技大学自动化学院 自动化生产线实训实验报告1系统概述1.1实验对象A1000小型过程控制实验系统，即水箱控制系统。通过对手阀的调节可以形成单容、双容、三容水箱控制系统。三个水箱每个都配备进水孔，出水孔，溢流孔，液位计。进水管配流量计和压力计。系统有两个水泵。A1000小型过程控制实验系统结构由以下各部分组成：1. 储水箱主体，提供了整个系统的支撑。2. 三容水箱左边水箱有一个入水口和四个出水口。右边上出水用于溢流，如果水过多则从中水箱溢流。右边

4、中出水口用于和中水箱形成垂直多容系统。右边下出水口用于和中水箱形成水平两容和水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。中间水箱有五个入水口，两个出入水口，两个出水口。前面的入水口是两个水路的入水。左右最上面的入水口用于左右两个水箱溢流。左边中出水用于和左边水箱形成垂直多容系统。左边下出水口用于和左水箱形成水平两容，以及水平三容。右边下出水口用于和右水箱形成水平两容，以及水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。中间有根管道，如果水过多则从此管道溢流。右边水箱有一个入水口，四个出水口。左边上出水用于溢流，如果水过多则从中水箱溢流。左边下

5、出水口用于和中水箱形成水平两容，以及水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。3. 测控点压力测点2个，用于测量泵出口的压力（0100Kpa；420mA）。流量测点2个，用于测量注水流量（00.6m3/h）。液位测点3个，用于测量各实验水柱的水位（05 Kpa；420mA）。4. 循环泵潜水直流离心泵2台，提供水系统的循环动力。通过调速器控制水泵的出口流量，作为控制系统的执行器。1.2上位机软件上位机组态软件为组态王。组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现

6、最优化管理。它基于Microsoft Windows XP/NT/2000/7 操作系统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。1.3下位机西门子S7-200PLC，是最低端系列，适用于小型、对控制要求高的场合，后续衍生产品还有1200系列，smart200系列。S7-200接线如图1所示。如果有一个EM231，只连接LT1, LT2，LT3，PT1

7、，而FT1、FT2连接脉冲输入，输出连接P101，P102。图1 S7-200信号接线图1.4实验任务与目的1. 熟悉本套系统，明确应该如何进行本次实验。2. 熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。3. 根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法确定其数学模型。4. 使用MATLAB软件在实验数据得到的模型中加入PID控制器进行仿真测试，并对PID参数调整。5. 利用组态王软件对实际单容水箱闭环液位系统进行PID整定。1.5分组情况组长：黄伟波（41151129）组员：张一豆（41151113） 姜银光（41151121） 潘昭宇（41153060）542单容水箱建模2.1建模

8、方法概述2.1.1机理建模机理分析是根据对现实对象特性的认识，分析其因果关系，找出反映内部机理的规律。立足于揭示事物内在规律。通过内在机理分析，按照质量、能量、动量守恒定律，通过理论推导建立过程数学模型的方法，称为机理分析建模法。机理分析建模的基本依据：质量守恒(物质不灭定律)、能量守恒(热力学第一定律，系统能量的增加等于加入系统的热量减去系统对外所做的功)、动量守恒(牛顿第二定律，系统的动量变化率与作用在该系统上的力相等)。使用基本定律的方法：根据系统的具体情况，规定一个划定体积，以这一个划定体积为对象，依据守恒定律，列些衡算方程。质量守恒：物料衡算；能量守恒：热量衡算；动量守恒：动量衡算。

9、机理建模具有非常明确的物理意义，所得的模型具有很大的适应性，便于对模型参数进行调整。但对于某些对象，人们还难以写出它们的数学表达式，或者表达式中的某些系数还难以确定时，不能使用。2.1.2实验方法建模机理法建模需要一定条件，但多数工业过程机理复杂或者环节较多，难以理论分析建立模型。并且某些对象在运行过程中其动态特性随着工况的改变而改变。实验方法建模不需要了解对象的工作机理，依据输入输出实验数据，通过过程辨识和参数估计的方法建立模型。对象特性的实验测取法，就是在所要研究的对象上，加上一个人为地输入作用(输入量)，然后，用仪表测取并记录表征对象特性的物理量(输出量)随时间变化的规律，得到一系列实验

10、数据(或曲线)。这些数据或曲线就可以用来表示对象的特性。常用的实验性能测试方法有阶跃响应曲线法。被控对象输入已知特定信号输出图2 实验建模框图2.1.3 模型影响因素1. 机理建模依据的守恒定律忽略了一些外界因素影响，比如摩擦力等等，默认为理想的情况。2. 建模过程中在推导数学公式中，可能会用到一些近似的处理。3. 实验方法建模时，所使用仪器的精度和随机的干扰因素都可能会是数据不准确或者波动较大，从而影响最终得到的对象模型。4. 实验方法得出数据后，根据数据进行系统辨识和参数估计时，会有一些主观因素的影响。比如切线法建模时，由于切点和拐点的选择主观随意性较大，造成参数准确性差。计算法建模时，实

11、验数据离散点选取的不同导致建立的对象模型不同。2.2阶跃响应法建模2.2.1理论基础经过详细的理论推导可知，单容水箱的动态数学模型是一阶惯性环节加纯延迟的系统，其传递函数为，式中，为对象放大系数，为对象时间常数，为对象纯滞后。由于纯延迟相对系统时间比较少，可以不考虑纯延迟，从而将其传递函数简化为。需要参数辨识： 、。方法有两种：作图法和计算法。1. 一阶惯性环节的系统图3 一阶惯性系统阶跃响应曲线式中：为给阶跃前后，系统最终稳定到的值的差值为所给阶跃的大小(1) 作图法：通过原点O作切线，交稳定线于A，A时间为OB。=OB。或者=被控变量变成全部变化量的63.2%所需的时间(2) 计算法一阶惯

12、性环节时域归一化响应：取分别为0.632、0.33的时间为、。把(0.632, )，(0.33, )代入 ，可以得到两个，记为，。若，相差不大，则说明用一阶环节近似程度较好，则可取 。若， 相差大，不能用此法计算。验证：得到后可用2T和T / 2处的幅值进行校验。标准一阶惯性环节特征点：，若代入得到曲线上的值与此相差太大，说明选择的模型不合适。2. 一阶惯性环节加纯延迟的系统曲线在t=0处斜率为0，随后斜率增大 ，到达拐点D后斜率减小，曲线为S形。可近似为一阶惯性环节加纯延迟系统。如图所示。图4 一阶惯性加纯延迟系统阶跃响应曲线式中：为给阶跃前后，系统最终稳定到的值的差值为所给阶跃的大小(1)

13、 作图法：通过拐点D作切线，交时间轴于B,交稳定线于A，A时间为OC。=BC，=OB。(2) 计算法将归一化：阶跃响应为取 ,得：化简得：若取y*(t1)=0.39，y*(t2)=0.63,由图求出相应的t1 和 t2，得：校验：取y*(t3)=0.55,y*(t4)=0.87,由图求出相应的t3和 t4，得：校验结果：如果校验结果相差较大，需要用更高阶模型结构。对于单容液位水箱控制系统，由于纯延迟相对系统时间比较少，可以不考虑纯延迟，从而将其传递函数简化为。为确定本次实验的单容水箱的动态数学模型，就需要确定该模型中的系统时间参数和增益K，这就涉及到过程辨识和参数估计的问题。用阶跃响应法对一阶

14、加滞后模型进行建模，方法如下：传递函数求法非常简单，只要有遥控阀和被控变量记录仪表就可以进行。先使工况保持平稳一段时间，然后使阀门作阶跃式的变化（通常在10%以内），同时把被控变量的变化过程记录下来，得到广义对象的阶跃响应曲线。图13 由阶跃响应曲线确定、和的图解法若对象的传递函数为，则可在响应曲线拐点处做切线，如图13，各个参数的求法如下：1、式中：为给阶跃前后，系统最终稳定到的值的差值为所给阶跃的大小2、3、2.2.2实验步骤1. 取两次阀位模型2. 每次阀位，取两次阶跃响应建模实验结果，重要步骤需要截图，并说明。同组同学需要做不同的阶跃实验。2.2.3模型建立单容水箱液位特性测试实验的结

15、构框图如下：实际液位百分比设定速度百分比水箱调速器水泵进水阀门图5 单容水箱液位特性测试框图由于水箱之外的环节的时间常数相对于水箱来说很小，因此系统按一阶惯性环节近似，。1. 当JV16的开度为60度左右时，将控制量设置为20%后，等待系统稳定下来，将控制量由原来的20%增大到25%，等待系统稳定，产生结果如下图：图6 阀门开度60度时控制量由20%增大到25%时系统响应曲线由该图6可知，当控制量由20%增大到25%时，系统液位由原来稳定在42%的高度变成了稳定在72%的高度。注：此处，该实时曲线的纵坐标以0-100的数来表示控制量，同时还表示液位。由于本系统最高液位为30cm，因此纵坐标10

16、0处对应30cm，即纵坐标的0-100对应实际液位的0-30cm。假设水箱模型输出的变量为液位百分比。由阶跃响应法可知：，则所以，该系统的传递函数为2. 当JV16的开度为70度左右时，将控制量设置为40%后，等待系统稳定下来， 将控制量由原来的40%增大到45%，等待系统稳定，产生结果如下图：图7 阀门开度70度时控制量由40%增大到45%时系统响应曲线由该图7可知，当控制量由40%增大到45%时，系统液位由原来稳定在62%的高度变成了稳定在75%的高度。注：此处，该实时曲线的纵坐标以0-100的数来表示控制量，同时还表示液位。由于本系统最高液位为30cm，因此纵坐标100处对应30cm，即

17、纵坐标的0-100对应实际液位的0-30cm。由阶跃响应法可知：，则所以，该系统的传递函数为2.2.4 结果分析1. 分析结果的正确性，合理性经过机理分析，可知水箱系统为一阶惯性系统。从实验数据可以看出实际在阀门处添加阶跃信号，水箱液位变化曲线和一阶惯性系统的单位阶跃响应曲线很相近。根据标准一阶惯性系统做进一步验证。在JV16的开度为60度左右，归一化的液位百分比变化量，和理论值相差不大。在JV16的开度为70度左右，归一化的液位百分比变化量为，和理论值也相差不大。经过分析可知实验方法建模时，所使用仪器的精度以及进行系统辨识和参数估计时的主观因素都会使对象的模型产生误差。比如读取曲线上某点坐标

18、时的误差等等。因此在误差允许的范围内，推出的系统传递函数是合理的。2. 若干次实验结果的对比分析经机理建模分析得，和正比于液阻。液阻为(为液位稳态值， 为水箱横截面积)，液位稳态值越高，液阻越大。由于JV16开度为70%时比开度为60%时的液位稳态值低，因此，开度为70%时液阻较小，和较小。3. 测定动态特性的时域方法优缺点优点：控制系统的时域分析法可以研究系统在典型输入信号作用的性能，对于一阶、二阶系统可以快速、直接地求出输出的时域表达式，绘出响应曲线，从而利用时域指标直接评价系统的性能。因此，时域法具有直观、准确的优点。缺点：工程实际中有大量的高阶系统，要通过时域法求解高阶系统在外输入信号

19、作用下的输出表达式是相当困难的，需要大量计算，只有在计算机的帮助下才能完成分析。此外，在改善系统性能时，采用时域法难于确定该如何调整系统的结构或参数。4. 其它的测定动态特性的方法频域测定动态特性：正弦输入的稳态输出也是同频率的正弦信号，所不同的是在不同频率下，其幅值响应和相位滞后都不相同，它们都是输入频率的函数。因此，可以用不同频率的正弦信号去激励测试系统，观察其输出响应的幅值变化和相位滞后，从而得到系统的动态特性。3 Matlab仿真实验注：Matlab仿真实验以JV16开度为70度左右的实验数据为例。3.1 MATLAB建立系统数学模型由图7历史趋势曲线可知，调速器于14:02:30施加

20、5%阶跃作用。以此时刻作为0时刻，此时刻的液位百分62%比作为零液位百分比。3.1.1作图法建模用Matlab绘出系统从阶跃施加到稳态的响应曲线，如图8。因此系统可以用一阶惯性加延迟近似。图8 单容水箱仿真响应曲线作图法建模如图8通过曲线拐点作切线交时间轴于一点，该点横标为纯延迟时间，切线交稳定线于一点，该点横标和纯延迟时间的差值为时间常数。放大倍数。所以，该系统的传递函数为。3.1.2计算法建模程序如下：TIME=xlsread('h:75.xls','D35:D85');DATA=xlsread('h:75.xls','C35:C85

21、');plot(TIME,DATA);xlabel('时间/秒');ylabel('液位百分比/%');title('单容水箱仿真响应曲线');C=18.6;n=1;while DATA(n)<(0.393*C) n=n+1;endif abs(DATA(n-1)-(0.393*C)<abs(DATA(n)-(0.393*C) n=n-1;endm=1;while DATA(m)<(0.632*C) m=m+1;endif abs(DATA(m-1)-(0.632*C)<abs(DATA(m)-(0.632*C)

22、m=m-1;endT1=2*(TIME(m)-TIME(n)Tdelay1=2*TIME(n)-TIME(m)x=1;while DATA(x)<(0.55*C) x=x+1;endif abs(DATA(x-1)-(0.55*C)<abs(DATA(x)-(0.55*C) x=x-1;endy=1;while DATA(y)<(0.87*C) y=y+1;endif abs(DATA(y-1)-(0.87*C)<abs(DATA(y)-(0.87*C) y=y-1;endT2=(TIME(y)-TIME(x)/1.2Tdelay2=(TIME(x)-0.4*TIME(

23、y)/0.6grid运行结果，当取为0.39和0.63时得，。当取为0.55和0.87时，得，。由于数据采集时为每5s采集一次，数据由于干扰的影响波动较大。所以结果相差不太大。取平均值得，。放大倍数。所以，该系统的传递函数为。3.1.3误差分析 近似系统的Simulink仿真框图如下，上方为作图法所得近似系统，下方为计算法所得近似系统。图9 近似系统Simulink仿真框图经MATlAB编程得原系统和近似系统的单位阶跃响应曲线，红色曲线为原系统响应曲线，蓝色曲线为近似系统响应曲线。图10 原系统与作图法近似系统响应曲线比较图11 原系统与计算法近似系统响应曲线比较通过比较原系统和近似系统的单位

24、阶跃响应，误差不大。较作图法而言，计算法得出的数学模型误差更小，更接近原系统。与S作图法相比，计算法优缺点：优点：S作图法作图结果受上升阶段部分数据影响较大，当此阶段干扰较大时，建模结果很不准确；并且拐点的选取受主观因素影响很大。相比于此，计算法建模选取数据点不是特别集中，多取几组数据可减少误差。缺点：相比于S作图法，需要计算，较为复杂。建模结果易受个别离散点的影响。误差产生原因：实验时，所使用仪器的精度和随机的干扰因素都可能会是数据不准确或者波动较大，从而影响最终得到的对象模型。得出实验数据后，根据数据进行系统辨识和参数估计时，会有一些主观因素的影响。比如作图法，由于拐点和切线选取主观随意性

25、较大，造成参数确定准确性差。计算法建模时，实验数据离散点选取的不同导致建立的对象模型不同。3.2 MATLAB对控制器参数进行整定注：由于计算法得出的数学模型误差更小，因此以计算法得出的水箱模型为例，来对控制器参数进行整定。3.2.1整定过程纯比例作用让系统处于闭环状态，纯比例作用下的单容水箱闭环框图如下。图12 比例作用下的单容水箱闭环框图从小到大改变比例项，直到系统输出出现临界振荡如下图。此时临界振荡周期，比例系数。图13 P作用下单位阶跃响应临界振荡曲线利用稳定边界法计算采用P、PI、PID调节规律时的控制器参数，得控制规律KpTiTdP3.23PI2.9111.90PID3.887.0

26、01.751. 采用P调节规律整定，系统的单位阶跃响应曲线如下图14 P作用下单位阶跃响应曲线2. 采用PI调节规律整定，系统的闭环框图和单位阶跃响应曲线如下图15 PI作用下的单容水箱闭环框图图16 PI作用下单位阶跃响应曲线通过调节，时整定效果如下图17 PI作用下调整后的单位阶跃响应曲线3. 采用PID调节规律整定，系统的闭环框图和单位阶跃响应曲线如下图18 PID作用下的单容水箱闭环框图图19 PID作用下单位阶跃响应曲线通过调节，时整定效果如下图20 PID作用下调整后的单位阶跃响应曲线4. 利用Simulink中的Signal Constraint模块对系统采用PID调节规律时的控

27、制器进行参数自整定，整定原理框图如下图21 单容水箱Simulink参数自整定框图需要调整的参数为、，要求整定后的曲线的性能指标如下：图22 单容水箱Simulink参数自整定性能指标图23 单容水箱Simulink参数自整定过程曲线图24 单容水箱Simulink参数自整定过程参数整定后、。绘制整定后系统的单位阶跃响应曲线，如图图25 单容水箱Simulink参数自整定结果曲线3.2.2结果分析根据系统的单位阶跃响应曲线，当用稳定边界法整定时系统阶跃响应的超调量约为63%，过渡时间约为7.5s。，经过自己手动调节可以达到超调量约为16%，过渡时间约为8.6s。当用Simulink对系统PID

28、控制器参数自整定时系统阶跃响应的超调量约为17%，过渡时间约为8.5s。稳定边界法：(1) 优点：整定方法简单，易于操作，不需要获得精确的对象模型。(2) 缺点：此方法在整定过程中必定出现等幅振荡，从而限制了此法的使用场合。对于某些时间常数较大的单容量对象，如液位对象或压力对象，在纯比例作用下是不会出现等幅振荡的，因此不能获得临界振荡的数据，从而也无法使用该方法。(若单容水箱系统用一阶惯性环节近似，则加入纯比例控制器后不可能出现等幅振荡，不能用此方法整定PID参数。)使用该方法时，控制系统必需工作在线性区，否则得到的持续振荡曲线可能是极限环，不能依据此时的数据来计算整定参数利用Simulink

29、对系统PID控制器参数自整定：(1) 优点：借助于Simulink软件，整定方法简单，易于操作。(2) 缺点：此方法需要得到较为精确的对象模型，当对象模型比较复杂难以确定时，不能用此方法。由于软件算法和性能需求，得到的整定结果可能不是主观上最理想的。影响稳定边界方法精度的因素：主观找到临界震荡而获取临界振荡周期和临界；系统本身的特性，有些系统无法出现临界震荡的情况。4单容水箱PID控制4.1液位控制4.1.1实验原理1. 常规PID控制系统原理框图： 模拟PID控制系统原理框图-被控对象微分比例积分PID控制规律：P(比例项)：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作

30、用，以减小偏差。比例作用，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。I(积分项)：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。加入积分调节会使系统稳定性下降，动态响应变慢。D(微分项)：反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间，改善系统的动态性能。但微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。PID经验整定法：先用单纯的比例（P）作用，即寻找合适的比例，将人为加入干扰后的过渡过程调整为的衰减

31、振荡过程。然后再加入积分（I）作用，一般先取积分时间为衰减振荡周期的一半左右。由于积分作用将使振荡加剧，在加入积分作用之前，要先减弱比例作用，通常把比例度增大。调整积分时间的大小，直到出现的衰减振荡。需要时，最后加入微分（D）作用，即从零开始，逐渐加大微分时间。由于微分作用能抑制振荡，在加入微分作用之前，可把比例度调整到比纯比例作用时更小些，还可把积分时间也缩短一些。通过微分时间的凑试，使过渡时间最短，超调量最小。2. 单容水箱液位控制系统的工艺流程图和方框图如下，调速器、水泵、阀门和液位变送器的时间常数相对于水箱来说很小，因此被控对象近似为一阶惯性环节。通过控制器的调节让实际液位百分比跟随设

32、定液位百分比变化，并保证良好的动态和静态性能。图20 单容水箱液位调速器PID单回路控制设定液位百分比水箱调速器水泵液位变送器控制器实际液位百分比4.1.2实验步骤1. 在现场系统上，打开手阀JV22（即进水阀），调节JV26（即出水阀）开度到45%，其余阀门关闭。2. 在控制系统上，将IO面板的水箱液位输出连接到AI0，IO面板的电动调速器U102控制端连到AO1。注意：具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。对于全连好线的系统，例如DCS，则必须按照已经接线的通道来编程。3. 打开设备电源。4. 启动计算机组态软件，进入实验项目界面。启动调节器，设置各项参数。启动右边水泵P1

33、02和调速器。5. 系统稳定后可将调节器的手动控制切换到自动控制。6. 设置比例参数。观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰实验。7. 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，也可以通过支路1增加干扰，或者临时改变一下出口闸板的高度)。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。8. 减小P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。9. 增大P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。10. 选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。于是在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置

34、I参数不是特别大的数。固定比例P值，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p。注意：（1）每当做完一次实验后，必须待系统稳定后再做另一次实验。（2）在对I参数进行设置之前，首先需要判断I参数的大小与积分作用大小的关系。方法是设置一个非常大的和一个非常小的I参数，分别观察实验结果。11. 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的动态波形，据此列表记录不同值Ti下的超调量p。12. 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。13. 在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分

35、作用，即把软件界面上设置D参数，然后加上与前面调节时幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线。14. 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。最终整定参数为：，此时整定曲线如下：注：整定过程中截图见结果分析。4.1.3结果分析1.改变比例系数和积分时间对系统的性能产生什么影响？答：增大比例系数，系统的响应加快，若只有比例作用，增大比例系数还将使稳态误差减小，但是不能消除，同时调节范围会变大。比例系数过大，系统会振荡。减小积分时间，积分作用增强，响应加快，同时能消除稳态误差，随着积分时间的减小，响应加快，积分时间过小，有可能使系统振荡发散 。2.积分系数与

36、被控系统的响应时间有什么关系？如果减少单容系统容积，那么对控制系统的积分系数是应该增大还是减小？ 答：本实验中，积分系数I表示积分时间，积分系数越小，系统的响应时间越短。减小系统容积，液位响应变快，相应地应该增大积分系数。1. 控制器为P控制器：，时 ，时 ，时 经过对比分析可知，增大比例系数,将加快系统响应速度，有利于减小余差，但并不能根本上消除。当比例系数很大时，由于液位系统具有较大的时间常数，液位没有出现明显震荡，但是水泵出现震荡。水箱系统时间常数大，近似为一阶惯性环节。当比例系数系数很大时，虽然控制器输出信号出现剧烈振荡，但由于一阶惯性环节的滤波作用，并没有使系统输出液位出现剧烈振荡。

37、2. 控制器为PI控制器：、不变，改变，时 ，时 ，时 ，时 经过对比分析可知，引入积分环节后，增大积分时间常数（积分作用变弱），有利于减小超调量，减少振荡次数，使系统更稳定，但同时会延长调节时间。减小积分时间常数，会减小调节时间，但是增大系统的振荡次数，降低系统的稳定性。、不变，改变，时 ，时 ，时 ，时 加入积分环节后，水箱系统变为二阶系统，调节比例系数可以使系统出现振荡超调。经过对比分析可知，适当增大比例系数,加快了系统响应速度，使偏差补偿及时，减少了输出超调量。3. 控制器为PID控制器：、不变，改变，时 ，时 ，时 ，时 经过对比分析可知，引入微分环节后，微分控制可改善系统的动态特性

38、，如减小超调量，缩短调节时间。微分时间常数偏大或偏小时，系统超调量仍然存在，调节时间仍然较长，只有合适的微分时间常数，才能获得比较满意的过渡过程。此外，微分作用也使得系统对扰动变得敏感。、不变，改变，时 ，时 经过对比分析可知，加入微分控制允许加大比例控制，系统响应加快，偏差补偿及时。控制器输出信号振荡加剧，但加上水箱一阶惯性环节的作用，结果减小了系统液位输出的超调量。4. 总结在用PID控制器进行系统参数整定时，要遵循：比例用于偏差的“粗调”，保证系统的“稳”；积分用于偏差的“细调”，保证系统的“准”；微分用于偏差的“细调”，保证系统的“快”。PID各个参数作用过强、过弱时影响各不相同，优劣

39、分析如下：比例控制对系统性能的影响：对动态特性的影响：比例控制加大，使系统的动作灵敏，速度加快。偏大，振荡次数加多，调节时间加长，当太大时，系统会趋于不稳定。若太小，又会使系统的动作缓慢。对稳态特性的影响：加大比例控制，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差，提高控制精度，但是加大只是减少稳态误差，却不能完全消除稳态误差。积分控制对系统性能的影响：对动态特性的影响：积分控制通常使系统的稳定性下降，太小系统将不稳定。偏小，振荡次数较多，太大，对系统性能的影响减少。当合适时，过渡特性比较理想。对稳态特性的影响：积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但是若太大时，积分作用太弱，以至于不

40、能减小稳态误差。微分控制对系统性能的影响：微分控制可以改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。当偏大时，超调量较大，调节时间较长。当偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有合适时，可以得到比较满意的过渡过程。4.2流量控制（选做）4.2.1实验原理PID控制器原理同液位控制中PID控制器原理。流量单回路控制系统的工艺流程图和方框图如下。通过控制器的调节让实际流量百分比跟随设定流量百分比变化，并保证良好的动态和静态性能。图23 流量调速器PID单回路控制实际流量百分比设定流量百分比调速器水泵电磁流量计控制器4.2.2实验步骤1. 编写控制器算法

41、程序，下装调试；编写实验组态工程，连接控制器，进行联合调试。2. 在现场系统上，将手阀JV22，JV26完全打开，其余阀门关闭。水箱容器只是作为水介质流通回路的一个部分。3. 在控制机柜上，把IO面板的FT102流量计信号端子通过实验连接线连到AI0端，面板上的U102调速器控制端连接到控制器AO1端。注意：具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。对于全连好线的系统，例如DCS，则必须按照已经接线的通道来编程。4. 打开设备电源，包括调速器，流量计电源。接通水泵P102电源。5. 连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。6. 启动计算机，启动组态软件，进入实验项目

42、界面。7. 启动调节器，设置到手动状态，把输出值设定到比较大的状态，同时检测流量计的流量测量。经过1分钟后，流量计测量准确后开始实验。8. 把调节器切换到自动控制。9. 设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。最终整定参数为：，此时整定曲线如下： 注：整定过程中截图见结果分析。4.2.3结果分析1. 控制器为P控制器： ，时 ，时 ，时 ，时 2. 控制器为PI控制器：，时 ，时 ，时 ，时 3. 控制器为PID控制器：，时 ，时 ，时 ，时 4. 抗扰动测试09:37:40之前为改变设定值的曲线，设定值从80%阶跃减小到40，再阶跃增大到60%，该调节器在系统大扰动的情况下也能迅

43、速调节，而且没有振荡；09:37:40之后为改变出水阀门的曲线，09:37:40到09:38:59，出水阀门轻微减小，稳态误差保持为0，水泵转速上升；在09:38:59时，突然大幅度减小出水阀门，水泵转速达到100%，但仍旧存在稳态误差，说明已经超过系统的调节范围。在09:38:40将阀门开大，系统能恢复调节。4.3压力控制（选做）4.3.1实验原理PID控制器原理同液位控制中PID控制器原理。压力单回路控制系统的工艺流程图和方框图如下。通过控制器的调节让实际压力百分比跟随设定压力百分比变化，并保证良好的动态和静态性能。图25 压力调速器PID单回路控制实际压力百分比设定压力百分比调速器水泵压

44、力变送器控制器4.3.2实验步骤1. 编写控制器算法程序，下装调试；编写实验组态工程，连接控制器，进行联合调试。2. 在现场系统上，将手阀JV22，JV26完全打开，其余阀门关闭。水箱容器只作为水介质流通回路的一个部分。调速器打开一半。3. 在控制机柜上，把IO面板的管道压力（PT102）信号端子通过实验连接线连到AI0端，面板上的调速器（U102）控制端连接到控制器AO1端。注意：具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。对于全连好线的系统，例如DCS，则必须按照已经接线的通道来编程。4. 打开设备电源，包括调速器电源。5. 连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统

45、。6. 启动计算机，启动组态软件，进入实验项目界面。7. 启动水泵P102电源。8. 启动调节器，把调节器切换到自动控制。注意：控制器必须是正作用的，因为要想压力增加，必须减少调速器开度，而不是增加调速器开度。9. 设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。最终整定参数为：，此时整定曲线如下：注：整定过程中截图见结果分析。4.3.3结果分析1. 控制器为P控制器：，时 ，时 ，时 ，时 2. 控制器为PI控制器：，时 ， ，时 ，时 3. 控制器为PID控制器：，时 ，时 4.4流量液位串级控制（选做）4.4.1实验原理串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作

46、为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量为水箱液位；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量为进水流量，是为了稳定主变量（液位）而引入的辅助变量。由于本实验要求液位能够尽量保持平稳在设定的范围内，对液位的要求比较高，在这种情况下,水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保持水箱液位最后能保持设定值，液位单闭环控制系统已经难以满足控制要求，难以达到实 现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。4.4.2水箱液位串级控制系统框图的设计水箱液位流量控制系统图如图下所示，在这里，执行机构是水泵，由PL

47、C经过PID算法后控制变频器以控制水管里的水流量，控制水箱的水位。该系统有两个控制回路：主控制回路为液位控制，副控制回路为流量控制，主副调节器串联工作，其中液位控制有独立的给定值Lsp，它的输出值作为副调节器的设定值，副调节器的输出值控制执行器（变频器），以改变主参数OUT。水箱液位流量串级控制系统框图说明：外环为液位环，内环为流量环。：液位控制器：流量控制器：压力变送器： 流量变送器控制阀：电动调速器，水泵：水箱液位4.4.2实验步骤串级控制系统PID参数整定方法可以采用逐步逼近法，即依次整定副环、主环，然后循环进行，逐步接近主、副环的最佳整定的一种方法。具体步骤如下：1. 首先整定副环。先

48、断开主环，按单回路整定方法，求得副控制器的第一次整定参数，记作Gc21。2. 再整定主环。把刚整定好的副环作为主环的一个环节，仍按单回路整定方法，求取主控制器的整定参数，记作Gc11。3. 再次整定副环。注意此时副回路、主回路均闭合。在主控制器的整定参数为Gc11的条件下，按单回路整定方法，重新求取副控制器的整定参数Gc2 2 。4. 重新整定主环。同样是在两个回路闭合、副控制器整定参数为Gc22的情况下，重新整定主控制器，得到Gc1 2 。至此完成一个循环的整定。5. 如果整定过程仍未达到品质要求，按上面、步继续进行，直到控制效果满意为止。4.4.3结果分析1. 主回路PID控制器输出50%

49、阶跃到70%，整定副回路。副控制器为P控制器： 从大到小，最终取。副控制器为PI控制器： ，经调整效果最好。副控制器为PID控制器：，当时系统振荡，故选 2. 副回路PID参数为，整定主回路。经多次调整，整定参数，由于系统存在较大惯性，电动调节器超调严重。1) 设定值大偏差变化：分别给予20%和10%的扰动2) 设定值小偏差变化：分别给予5%，10%，5%的扰动由此可以看出，系统在设定值变化时能够快速响应。以下检验在阀门开度变化时系统的响应。3) 设定值为50%，阀门开度由100%调到75%再调回100%。 观察液位（红色）曲线，可以发现液位保持不变，主回路输出（即副回路流量设定值）曲线（蓝色

50、）大致稳定，副回路输出（水泵转速，粉色）有较大变化，系统在可调节范围内，且响应迅速。减小出水阀门开度至50%，稳定后改变设定值至70%，再降到50%：将出水阀调小至50%，在稳态时电机输出减小，增加设定植至70%，系统能保持稳定；但是将设定植降至50%时，系统振荡，说明系统在出水阀为50%时，向低液位调整的能力弱，也即调节范围偏小，可以通过增大比例系数来增大调节范围。将出水阀门开口调至100%，系统恢复稳定。4) 输出分流：出水阀门开口100%，分流阀开口先调节到30%，再关闭。分流阀开口调节到30%时，观察液位（红色）曲线，可以发现液位保持不变，主回路输出（即副回路流量设定值）曲线（蓝色）增

51、加，副回路输出（水泵转速，粉色）增加，系统在可调节范围内，且响应迅速。再将分流阀开口调节到50%，响应曲线如下图：水泵输出达到100%，但是仍旧调节不了，说明已经超出调节范围。4.4.4结论通过实验，可以得出串级控制系统使系统的性能得到改善，具体如下：1）改善了对象的特性：在串级控制系统中，如把副回路视为一等效副对象，那么，它的时间常数和放大系数都比原副对象的小。对象时间常数减小，系统的响应速度将加快，这对及时克服干扰，提高控制质量是有利的；2）提高了系统的工作频率：在串级控制系统中，由于等效副对象时间常数比原副对象的小。因此，在采用串级控制时系统的工作频率就比采用单回路控制时为高（在相同衰减

52、比下）。这对及时克服干扰、消除偏差、提高控制质量是有利的；3）提高了系统的抗干扰能力：和单回路控制系统相比，串级控制系统中有两台控制器，这就提高了控制器的总放大系数，系统中控制器的放大系数越大，克服干扰就越有力，特别当干扰落在副回路内时，由于响应快、控制及时，大大提高了系统的抗干扰能力；4）具有一定的自适应能力：在串级控制系统中，主回路是一个定值系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随主控制器的输出而变化的。主控制器可以根据操作条件和负荷的变化，不断地调整副控制器的给定值，从而保证在负荷和操作条件变化时，控制系统仍然具有较好的品质，这就提高了系统对负荷和操作条件变化的适应能力。4.5双容水箱液位PID控制（选做）4.5.1实验原理串联双容水箱在船舶工业过程控制中应用非常广泛。在串联双容水箱水位的控制中,进水首先进人第一个水箱,然后通过第二个水箱流出,与一个水箱相比,由于增加了一个水箱,使得被控量的响应在时间上更落后一步,即存在容积延迟,从而导致该过程难以控制。利用组态王构建的双容水箱试验平台,由双容水箱、变频器、水位传感器、交流电机、水泵和配电