控制专业实验二
—单容上水箱的特性测试
及PID参数整定
成绩________
单位（二级学院）：
学 生 姓 名： 专 业： 班 级： 学 号： 指 导 教 师： 负 责 项 目：
时间：2014年5月1日
一、实验目的
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。
3）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。 4）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。 5）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。 二、实验设备
AE2000A型过程控制实验装置、MCGS程序运行环境、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。
三、实验原理
1）、对象特性测试
对象数学模型的建立通常采用两种方法。一种是分析法，即根据过程的机理，物料或能量平衡关系求得它的数学模型；另一种是用实验的方法确定。本装置采用实验方法通过被控对象对阶跃信号的响应来确定它的参数及数学模型。由于此方法较简单，因而在过程控制中得到了广泛地应用。
图3-1 单容自衡水箱特性测试系统（a）结构图 （b）方框图
如图3-1.阀门F1-1、F1-3和F1-6全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动
调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-10的开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若设水箱的进水量为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。根据平衡时和动态时的进出水量关系，可得：
平衡时：
Q1(t)?Q2(t)?0
动态时：
dV(t)dh(t)?Q(t)?Q(t)??A?12?dtdt??h(t)?Q2(t)?R2??
由以上两式联立可得，
?Q1(t)?h(t)dh(t) ?A?R2dt对以上式进行拉氏变换可得，
?Q1(s)?R2H(s)H(s) ?A?S?H(s)??R2Q1(s)A?R2?S?1我们对所得出的进行近似，可得，
?G(s)?R2K ?A?R2?S?1T?S?1此时，若Q1有节约变化量X0，拉氏变换式?Q1(s)?X0S，则
H(s)?取拉氏反变换，可得
XKX0KX0K ?0??1T?S?1SSS?Th(t)?KX0(1?e?tT)
当t??时，
h(?)?h(0)?KX0?K?h(?)?h(0) X0
当t?T时，
h(T)?KX0(1?e?1)?0.632KX0
上式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3-2（a）所示，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。
图3-2 单容水箱的阶跃响应曲线
如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图3-2（b），在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：
Ke??sH(S)=
1?Ts
2）、PID参数整定
如图3-3所示，被控量为上水箱的液位高度，实验要求水箱的液位稳定在给定值上。压力传感器LT1检测到的上小水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的偏差值通过调节器PID运算输出来控制电动调节阀的开度，以达到控制水箱液位的目的。
图3-3 上小水箱单容液位定值控制系统
(a)结构图 (b)方框图
为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。
调节器参数的整定一般有两种方法：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程实验整定法有四种，即经验法、临界比例度法、衰减曲线法及动态特性参数法。
四、实验内容和步骤
本实验选择上水箱作为被测对象。
1.实验前的准备工作：
(1)将“AT-I智能调节仪” 挂件或“AT-III数据采集卡”挂到网孔板上，将挂 件的通讯线插头连接到计算机串口1。（注意串口连线时至少保证一方断电） (2)管路连接：将工频泵出水口和支路1进水口连接起来；将支路1出水口和上 小水箱进水口连接起来；将上小水箱出水口和储水箱进水口连接起来。 (3)将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-3、F1-4、F1-6全开，将上小
水箱出水阀门F1-10开至适当开度（30%～80%），其余阀门均关闭。 (4)按图4-1接好设备电路，检查电路。