上水箱液位定值控制系统.doc

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1、第三节上水箱液位定值控制系统一、实验目的1．了解单闭环液位控制系统的结构与组成。2．掌握单闭环液位控制系统调节器参数的整定。3．研究调节器相关参数的变化对系统动态性能的影响。二、实验设备1．THJ-2型高级过程控制系统装置2．计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根3．万用表1只三、实验原理本实验系统的被控对象为上水箱，其液位高度作为系统的被控制量。系统的给定信号为一定值，它要求被控制量上水箱的液位在稳态时等于给定值。由反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。图3-1为本实验系统的结构图，图3-2为控制系统的方框图。为了实现系

2、统在阶跃给定和阶跃扰动作用下无静差，系统的调节器应为PI或PID。图3-1上水箱液位定值控制结构图图3-2上水箱液位定值控制方框图四、实验内容与步骤1.先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F1-10、F1-11全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度（50%左右），其余阀门均关闭。2.接通控制柜总电源，打开漏电保护器及各空气开关，接通空压机电源，并将三相磁力泵、三相电加热管、控制站的各旋钮开关打到开的位置。控制柜无需接线。3.在上位机监控界面中点击“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过设定值或输出值旁边相应的滚动条或输出输入框来实现。4.启动磁力驱

3、动泵，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少输出量，使上水箱的液位平衡于设定值。5.按经验法或动态特性参数法整定PI调节器的参数，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。6.分别适量改变调节器的P参数，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。7.分别用PI、PD、PID三种控制规律重复步骤3～6，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。8.水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。（1）P调节：K=5K=7（2）PIK=7、I=20000K=5、I=2000（3）PDK=5、D=10000K=5、D=5000（4）PIDK=5、I=

4、20000、D=50009.计算（1）P调节K=5时:上升时间为：tr=t2-t1=2:50:22-2:50:04=18(s)稳态误差=60mm-h(∞)=60mm-53.35mm=6.65mmK=7时:上升时间为：tr=t2-t1=2:50:41-2:50:21=20(s)稳态误差=60mm-h(∞)=60mm-55.41mm=4.59mm（2）PI调节K=7，I=20000时:上升时间：tr=t1-t0=3:08:04-3：07：35=29(s)峰值时间：tp=t2-t0=3:08:09-3：07：35=34(s)调节时间：ts=t3-t0=3:08:36-3：07：35=61(s)

5、超调量=[hmax-h(∞)]/[h(∞)-h(0)]*100%=6.8%稳态误差=h(∞)-60mm=0.69mm（可以忽略不计）K=5，I=20000时:上升时间：tr=3:22:58-3：22：31=27(s)峰值时间：tp=3:23:06-3：22：31=35(s)调节时间：ts=3:23:30-3：22：31=59(s)超调量=[hmax-h(∞)]/[h(∞)-h(0)]*100%=10.9%稳态误差=h(∞)-60mm=0.11mm（可以忽略不计）（3）PD调节K=5,D=10000时:上升时间为t=t2-t1=4:25:57-4:25:36=21(s)稳态误差=60mm-

6、h(∞)=60mm-52.98mm=7.02mmK=5,D=5000时:上升时间为t=t2-t1=4:30:51-4:30:31=20(s)稳态误差=60mm-h(∞)=60mm-52.81mm=7.19mm（4）PIDK=5,I=20000,D=5000时：上升时间：tr=4：35：50-4：35：19=31(s)峰值时间：tp=4：35：57-4：35：19=38(s)调节时间：ts=4：36：02-4：35：19=43(s)超调量=[hmax-h(∞)]/[h(∞)-h(0)]*100%=11.1%稳态误差=60mm-h(∞)=0.23mm（可以忽略不计）10.分析（1）根据实验数

7、据和曲线,分析系统在阶跃扰动作用下的动、静态性能。分析：系统在阶跃扰动作用下，当比例系数较大时，系统的静态误差也较大，这是因为比例系数会加大幅值；在加入微分环节以后，系统的动态误差明显减小，但调节时间却延长，这是因为微分具有超前的作用，可以增加系统的稳定度。（2）比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。Ti：为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样即便误差很小