自动化生产线实训实验报告

北京科技大学

自动化生产线实训

实验报告

班级：

姓名：

学号： 41151048

指导教师：崔家瑞

日期： 2014 年 5 月 9 日

目录................................................................................................................... i

1系统概述 ............................................................................................................ 1

1.1实验对象 ................................................................................................. 1

1.2上位机软件 ............................................................................................. 2

1.2.1控制器为AS3720的配电 ............................................................ 2

1.2.2控制器为S7-200的配电 ............................................................. 3

1.3下位机 ..................................................................................................... 4

1.3.1涡轮流量计 .................................................................................. 4

1.3.2微型潜水泵和调速模块 .............................................................. 5

1.3.3带PWM功率驱动的接口板 ....................................................... 5

1.4实验任务与目的 ..................................................................................... 6

1.5分组情况 ................................................................................................. 7

2单容水箱建模 .................................................................................................... 8

2.1建模方法概述 ......................................................................................... 8

2.1.1 机理建模 ..................................................................................... 8

2.1.2 实验方法建模 ............................................................................. 9

2.1.3 对象模型的影响因素分析 ....................................................... 10

2.2阶跃响应法建模 ................................................................................... 10

2.2.1 理论基础 ................................................................................... 10

2.2.2 实验步骤 ................................................................................... 11

2.2.3模型建立 .................................................................................... 12

2.2.4 结果分析 ................................................................................... 16

3 Matlab仿真实验 .............................................................................................. 18

3.1利用MATLAB建立系统数学模型 ........................................................ 18

3.1.1实验内容 .................................................................................... 18

3.1.2实验步骤 .................................................................................... 18

3.2利用MATLAB对控制器参数进行整定 ................................................ 24

3.2.1实验内容 .................................................................................... 24

3.2.2 PID调节过程 .............................................................................. 24

3.2.3结果分析 .................................................................................... 29

4单容水箱PID控制 ........................................................................................... 30

4.1液位控制 ............................................................................................... 30

4.1.1实验原理 .................................................................................... 30

4.1.2实验步骤 .................................................................................... 32

4.1.3结果分析 .................................................................................... 33

5实训总结 .......................................................................................................... 42

5.1 目标，过程，结果等分析 .................................................................. 42

5.2对实训的收获，要求和建议 ............................................................... 43

1系统概述

1.1实验对象

本系统的控制系统和对象是一体的，连通手阀采用金属球阀（长80mm）

A1000小型过程控制实验系统工艺流程图

图1.1 A1000小型多参数过程控制系统流程图

该系统提供了两路动力支流，既可以满足两个同学同时进行压力、流量和液位实验，还可以一路用于提供水流，一路用于提供干扰。JV13和JV23提供泄漏干扰。

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

1系统概述

1.1实验对象

本系统的控制系统和对象是一体的，连通手阀采用金属球阀（长80mm）

A1000小型过程控制实验系统工艺流程图

图1.1 A1000小型多参数过程控制系统流程图

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

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（0～100Kpa；4～20mA）。流量测点2个，用于测量注水流量（0～0.6m3/h）。

液位测点3个，用于测量各实验水柱的水位（0～5 Kpa；4～20mA）。 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

在以前的版本，液位压力和温度的输出可能是4-20毫安。而流量是2-10V，这样可能导致S7-200的EM235模块无法同时测量，所以本版本之后，所有检测信号被连接成四线制方式的电压型信号2-10V。 1.2.1控制器为AS3720的配电

图1.2 设备布局

图1.3 AS3720信号接线

1.2.2控制器为S7-200的配电

如果有一个EM231，只连接LT1, LT2，LT3，PT1，而FT1、FT2连接脉冲输入，输出连接P101，P102。

图1.4 S7-200信号接线

1.3下位机 1.3.1涡轮流量计

图1.5 涡轮流量计

被测液体流经传感器时，传感器内叶轮借助于液体的动能而旋转。此时，叶轮叶片使检出装置中的磁路磁阻发生周期性的变化，因而在检出线圈两端就感应出频率与流量成正比的电脉冲信号，经放大器放大后远传输出。

在测量范围内，传感器的流量脉冲频率与体积流量成正比，这个比值为仪表系数，用K表示。

式中：f—流量信号频率（Hz）一般1600转/升 Q--体积流量（m3/h或L/h）K3600 N—脉冲数

V—体积总量（m3或L）（1）基本参数：

或K

（2）介质温度：-20--+120ºC （3）环境温度：-20--+50ºC

（4）供电电源：电压：24V±10%,电流：

（5）输出经过变送器，为两线制4-20毫安。接线原理同压力变送器。 1.3.2微型潜水泵和调速模块

图1.6微型潜水泵

名称：微型屏蔽式离心泵型号：PX1A/DC24V 扬程：5米流量：10L/M 额定电流：1A 输入信号：0-24VDC 尺寸：80*45*50（毫米）

特点：采用全塑料外形结构，直流无刷电机驱动，独特的屏蔽套设计，保证了泵的轴端永无渗漏。

调速模块采用PWM控制，输入电压0-DC24V。最大电流1A。

控制水泵时，调整系统零点和满足，控制电压到3V左右开始出水，9V左右达到最大值。由于制造的差异，可能参数有所不同。

在水盖过水泵的情况下，测试过连续运行24小时，温升在容许的范围内。 1.3.3带PWM功率驱动的接口板

PWM功率驱动模块与以前的PWM_FV模块不同，只能提供PWM功率扩大，不能产生PWM信号。用于S7-200，S7-1200等控制器的输出增强，控制水泵。

图1.7 PCB1020 带PWM功率驱动的接口板

注意是输出高电平有效，所以水泵的公共端是GND。

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参数。

4、熟悉利用MATLAB建立系统数学模型的方法。

5、学会利用MATLAB/Simulink对系统建模的方法。

6、熟悉并学会稳定边界法。

7、熟悉并学会PID参数的自整定法。

8、较为深刻理解液位PID单回路控制的原理，并掌握PID相关参数的设定方法。

9、熟悉流量PID单回路控制的结构和原理，同时熟悉PID参数的设定方法。

10、熟悉流量液位串级PID控制的结构和原理，同时熟悉串级控制系统PID参数的整定方法。

1.5分组情况

组长及组员

于莹莹樊帅刘建闫子晨陈睿

2单容水箱建模

2.1建模方法概述

2.1.1 机理建模

机理建模就是在了解研究对象的运动规律基础上，通过物理、化学的知识和数学手段建立起系统内部的输入－状态关系。

水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。所以，若阀V2开度适当，在不溢出的情况

下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。

图2-1 单容水箱结构图

由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。

如图2-1，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。若Q1作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h与Q1 之间的数学表达式。

根据动态物料平衡关系有

Q1Q2C

将式（2-1）表示为增量形式

Q1Q2Cdh （2-2） dtdh （2-1） dt

式中，Q1、Q2、h——分别为偏离某一平衡状态Q10、Q20、h0的增量； C——水箱底面积。

在静态时，Q1=Q2；dt=0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，阀V

2处

的静压也随之变化，Q2也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，

液位h与流量之间为非线性关系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为Q1与h成正比，而与阀V2的阻力R2成反比，即

Q2hh 或 R2 （2-3） R2Q2

式中，R2为阀V2的阻力，称为液阻。

将式（2-3）代入式（2-2）可得

R2CdhhR2Q1 （2-4） dt

在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

G0(s)R2H(s)K Q1(s)R2Cs1Ts1

2.1.2 实验方法建模

实验建模就是通过在研究对象上加上一系列的研究者事先确定的输入信号，激励研究对象并通过传感器检测其可观测的输出，应用数学手段建立起系统的输入－输出关系。这里面包括输入信号的设计选取，输出信号的精确检测，数学算法的研究等等内容。

令输入流量Q1(s)=R0/s，R0为常量，则输出液位的高度为：

H(s)KR0KR0KR0 （2-6） s(Ts1)ss1/T

1tT即 h(t)K0R(1 （2-7） )

当t时，h()KR0 因而有

K

当t=T时，则有

h(T)KR0(1e1)0.632KR00.632h() （2-9）

式（2-7）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2-2

h()输出稳态值（2-8） R0阶跃输入

所示。由式（2-9）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。

图2-2--一阶惯性环节的响应曲线

2.1.3 对象模型的影响因素分析

读图曲线数据值的不精确；

阀门控制精度的误差；

电机转速控制和进水阀流量控制的不误差；

实际系统中存在很多干扰因素,干扰造成模型准确度降低,模型实用性差；近似化简时导致的不精确性。

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G(s)

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G(s)K。 Tcs1Kes，式中，K为对象放大系数，Tc为对Tcs1

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Tc和增益K，这就涉及到过程辨识和参数估计的问题。

在由俞金寿、孙自强主编的过程控制系统一书中详细介绍了两种过程辨识与

参数估计的方法，即阶跃响应法和脉冲响应法。本实验采用阶跃响应法来确定模型中的相关参数。下面对阶跃响应法进行简单介绍：

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2-3-- 由阶跃响应曲线确定K0、和T0的图解法若对象的传递函数为G(s)

图2-3，各个参数的求法如下：

1、K0y() uK0se，则可在响应曲线拐点处做切线，如T0s1

式中：y()为给阶跃前后，系统最终稳定到的值的差值

u为所给阶跃的大小

2、时间轴原点至通过拐点切线与时间轴交点的时间间隔

3、T0=被控变量y完成全部变化量的63.2%所需时间-

2.2.2 实验步骤

1、JV12全开，JV16打开45度左右（由于开度不同，特性也有差异），其余阀门关闭。

2、将LT101连到AI0输入端，AO0输出端连到U101(手动输出)。

3、工艺对象上电，控制系统上电，调速器U101上电，启动P101。

4、启动组态软件，设定U101控制20%，等待系统稳定。液位和流量稳定在某个值。注意观察液面，不能太低，否则不算稳定。将得到的新稳定曲线截图。

5、设定U101控制25%，记录水位随时间的数据，到新的稳定点或接近稳定。如果阶越太大，可能导致溢出。

6、截图，将得到的新稳定曲线截出。

7、若想多次尝试，可以修改JV16开度，重复4-6步。

8、关闭系统，分析数据。

2.2.3模型建立

1、当JV16的开度为75度左右时，将控制量设置为20%后，等待系统稳定下来，其结果图如下：

图2-4 -- 出水阀开到75度，控制量为20%时系统响应结果

将控制量由原来的20%增大到30%，等待系统稳定，产生结果如下图：

图2-6 -- 控制量由20%增大到30%是系统响应结果

由该图可知，当控制量由20%增大到30%时，系统液位由原来稳定在59.8%的高度变成了稳定在72.0%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，即纵坐标的0-100对应实际液位的0-30cm。

由阶跃响应法可知： Koy72.0%-59.8%1.22 30%-20%

T0被控变量y完成全部变化的63.2%所需要的时间，则错误！未找到引用源。所以，该系统的传递函数为G(s)1.22 63s1

2、当JV16的开度为45度左右时，将控制量设置为20%后，等待系统稳定下来，其结果图如下：

图2-8 -- 出水阀开到45度，控制量为25%时系统响应结果

将控制量由原来的25%增大到50%，等待系统稳定，产生结果如下图：

图2-10 -- 控制量由25%增大到50%是系统响应结果

由该图可知，当控制量由25%增大到50%时，系统液位由原来稳定在22.9%的高度变成了稳定在30.9%的高度。

由阶跃响应法可知：

Koy30.9%22.9%0.32 50%25%

T0被控变量y完成全部变化的63.2%所需要的时间，则To=10s

所以，该系统的传递函数为Gs0.32 10s1

3、当JV16的开度为80度左右时，将控制量设置为20%后，等待系统稳定下来，其结果图如下：

图2-12 -- 出水阀开到80度，控制量为20%时系统响应结果

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2-14 -- 控制量由20%增大到25%是系统响应结果

由该图可知，当控制量由20%增大到25%时，系统液位由原来稳定在42.9%的高度变成了稳定在68.0%的高度。

由阶跃响应法可知：错误！未找到引用源。Koy68.0%42.9%5.02 25%20%

T0被控变量y完成全部变化的63.2%所需要的时间，则To=70s

所以，该系统的传递函数为Gs

2.2.4 结果分析

（1）分析结果的正确性，合理性

被控对象数学模型的要求：要求它准确可靠。在线运用的数学模型要求实时性。

在建立数学模型时，要抓住主要因素，忽略次要因素，需要做很多近似处理。如：线性化、分布参数系统和模型降阶处理等。由单容水箱机理建模可得模型传递函数为G0(s)R2H(s)K，Q1(s)R2Cs1Ts15.02 70s1

为一阶惯性，按实验法阶跃响应实验数据所得到的模型传递函数都为一阶惯性，符合实际情况，是正确性，合理性。

（2）若干次实验结果的对比分析

当阀门的开度不同时，所得到的模型传递函数的惯性环节的时间常数是不同的，当阶跃响应所给的越变初始状态不同时，所得到的稳态值是不同的。

（3）（选作）不同实验建模方法的结果对比分析

根据加入的激励信号和结果的分析方法不同，测试对象动态特性的实验方法也不同，主要以下几种：

测定动态特性的时域方法

对被控对象施加阶跃输入，测绘出对象输出量随时间变化的响应曲线，或施加

脉冲输入测绘出输出的脉冲响应曲线。

测定动态特性的频域方法

对被控对象施加不同频率的正弦波，测出输入量与输出量的幅值比和相位差，获得对象的频率特性，来确定被控对象的传递函数。

测定动态特性的统计相关法

对被控对象施加某种随机信号或直接利用对象输入端本身存在的随机噪音进行观察和记录，可以在生产过程正常运行状态下进行，在线辨识，精度也较高。

3 Matlab仿真实验

3.1利用MATLAB建立系统数学模型

3.1.1实验内容

利用“单容水箱液位数学模型的测定”实验数据进行MATLAB仿真，假定单容水箱液位对象近似为一阶惯性环节加纯延时。

（1）利用作图法确定单容水箱液位对象的增益错误！未找到引用源。、时间常数错误！未找到引用源。、和纯延迟时间错误！未找到引用源。。

（2）利用计算法确定单容水箱液位对象的增益错误！未找到引用源。、时间常数错误！未找到引用源。、和纯延迟时间错误！未找到引用源。。

3.1.2实验步骤

（1）用MATLAB画图

数据如下：

14:59:42

15:00:02

15:00:22

15:00:42

15:01:02

50.78 50.92 50.69 50.79 50.98 ---0 ---20 ---40 ---60 ---80

15:01:22

15:01:42

15:02:02

15:02:22

15:02:42

15:03:02

15:03:22

15:03:42

15:04:02

15:04:22

15:04:42

15:05:02

15:05:22

15:05:42 50.71 50.65 56.81 62.54 65.68 67.44 69.85 72.13 72.81 73.96 74.28 75.00 75.51 75.48 ---100 ---120 ---140 ---160 ---180 ---200 ---220 ---240 ---260 ---280 ---300 ---320 ---340 ---360

画出曲线如下图所示：

图3-1 实验数据响应曲线

（2）根据输出稳态值和阶跃输入的变化幅值可得增益错误！未找到引用源。。初始值：50.65，稳态值：75.48。因此K0y()75.4850.654.966。 u3025

（3）根据系统近似为一阶惯性环节加纯延迟的S形响应曲线参数求法和计算法，分别便携MATLAB程序，求系统的时间常数错误！未找到引用源。和延迟时间错误！未找到引用源。。得到近似系统的数学模型。

作图法

如下图所示：

图3-2 作图法数据读取

通过响应曲线拐点D作切线，交时间轴于B，交稳定线于A，A点对应点时间为C，则滞后时间错误！未找到引用源。=OB，时间常数T0=BC。则可大约读出滞后时间错误！未找到引用源。=112s，时间常数T0=205-112=93s。所以，该系统的近似数学模型为G(s)

计算法 4.97e112s。错误！未找到引用源。 93s1

图3-3 计算法数据读取

可读出t0.63180.3s,t0.39156.3s 由公式T02(t0.63t0.39)，2t0.39t0.63 可得T048，132.3s。

所以，由计算法得出该系统的近似数学模型为G(s)（4）绘出原系统和近似系统的单位阶跃响应曲线。

分别作出由作图法和计算法得出的近似系统和原系统阶跃响应曲线比较图，如下。

4.97

e132.3s。

48s1

图3-4 作图法和实验曲线的比较

程序：

图3-5 计算法和实验曲线的比较

程序：

通过比较原系统和近似系统的单位阶跃响应，误差不大。可以看出，由计算法得出的近似数学模型精度较高，和原系统响应曲线相差无几。

与S作图法相比，计算法优缺点：①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。②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：①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。②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利用MATLAB对控制器参数进行整定 3.2.1实验内容

根据前期实验测定的系统模型，

1、利用稳定边界法分别计算系统采用P、PI、PID调节规律时的控制器参数，并绘制整定后系统的单位阶跃响应曲线。

2、利用Simulink中的Signal Constraint模块（适用于MATLAB7.5）对系统采用PID调节规律时的控制器进行参数自整定，并绘制整定后系统的单位阶跃响应曲线。 3.2.2 PID调节过程

稳定边界法整定步骤：

在纯比例作用下得到临界振荡过程,然后确定临界比例度错误！未找到引用源。和临界周期

错误！未找到引用源。的数值,根据表所列的经验公式,计算出调节器各个参数的具体数值。

将控制器的积分时间放在最大值（错误！未找到引用源。），将微分时间放在最小值错误！未找到引用源。，比例度错误！未找到引用源。放在较大值，让系统投入运行。

逐渐减小比例度，并且每改变一次，都通过改变设定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察系统的输出，直到过渡过程出现等幅震荡为止。

按参数计算表，求出控制器的各整定参数。

将各控制器参数换成整定后的值，如果加入干扰后，过渡过程与衰减还有一定差距，可适当调整值，直到过渡过程满足要求。

表3-1—PID参数计算表

系统近似传递函数为错误！未找到引用源。

等幅振荡图如下所示，K=2：

图3-6 等幅振荡

，错误！未找到引用源。=60，因此可得：

k5错误！未找到引用源。采用P调节规律整定，系统的单位阶跃响应曲线如下

图3-7 P控制下的阶跃响应曲线

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3-8 PI控制下的阶跃响应曲线

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3-9 PID控制下的阶跃响应曲线

4.利用Simulink中的Signal Constraint模块对系统采用PID调节规律时的控制器进行参数自整定，整定原理框图如下

需要调整的参数为Kp、Ti、Td，设定初值。要求整定后的曲线的性能指标如下：

图3-10 单容水箱Simulink参数自整定性能指标

图3-11 单容水箱Simulink参数自整定过程曲线

图3-12 单容水箱Simulink参数自整定过程参数

整定后Kp3.12、Ti39.66s、Td1.12s。绘制整定后系统的单位阶跃响应曲线，如图

图3-13 单容水箱Simulink参数自整定结果曲线

3.2.3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：

优点：整定方法简单，易于操作，不需要获得精确的对象模型。

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对系统PID控制器参数自整定

优点：借助于Simulink软件，整定方法简单，易于操作。

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：主观找到临界振荡而获取临界振荡周期和临界Kp；系统本身的特性，有些系统无法出现临界振荡的情况。

4单容水箱PID控制

4.1液位控制 4.1.1实验原理

单容水箱液位PID控制流程图如图20所示，采用右边支路进行实验，左边支路也是一样的。

图4-1 单容水箱液位调速器PID单回路控制

测点清单如表4-1所示。

表4-1单容水箱液位调速器PID单回路控制测点清单

水介质由泵P102从水箱V4中加压获得压头，经由调速器U102进入水箱V3，通过手阀JV26回流至水箱V4而形成水循环；其中，水箱V3的液位由LT103测得，用调节手阀JV26的开启程度来模拟负载的大小。本实验为定值自动调节系统，U102为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调节来完成。

现需要实现对调速器进行PID控制，确定其参数值，得到满足条件的响应曲线。

图4-2 单容液位PID控制实验对应的组态王界面

图

4-3 单容液位PID控制实验对应的组态王界面介绍

注意：

（1）上图左侧的参数设定界面中，

S值代表液位高度的设定值，可以手动设置，当其为100%时代表的液位高度为30cm；

O值代表控制量，当所给控制量为100%时进水口进水量最大；

G、I、D值即为PID控制器中的比例、积分、微分值，通过对这三个值的调节，可以得到更好的响应曲线。

（2）当调节到手动档时，调速器的控制量需手动给出，否则将始终为开始调到手动档时那个值；若为自动挡，则调速器控制量将由系统程序自动调节。 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。

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P102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σp。

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。

13、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σp。

14、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。

15、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。

16、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。

调到手动档时那个值；若为自动挡，则调速器控制量将由系统程序自动调节。

4.1.3结果分析

图4.1.1 K=10 0 0

时间

LT101

42.08

08:47:41

08:48:41 08:49:41 08:50:41

19.20 38.58 38.88

图4.1.2 K=20 0 0

时间

LT101

39.06 24.45 39.55 40.76

08:53:41 08:54:41 08:55:41 08:56:41

图4.1.3 K=5 0 0

时间

LT101

39.55 40.76 41.39 49.31 75.21 15.44 27.43 24.54 41.38 26.88

08:55:41 08:56:41 08:57:41 08:58:41 08:59:41 09:00:41 09:01:41 09:02:41 09:03:41 09:04:41

图4.1.4 Ki 10 100 0

时间

LT101

26.88 22.60 38.93 39.17

09:04:41 09:05:41 09:06:41 09:07:41

图4.1.5 Ki=10 500 0

时间

LT101

27.72

09:09:41

09:10:41 09:11:41 09:12:41 09:13:41

26.77 26.78 38.39 38.43

图4.1.6 Ki 10 0.8 0 时间

LT101

43.68 4.29 28.92 40.10 39.70

09:23:41 09:24:41 09:25:41 09:26:41 09:27:41

图4.1.7 Ki 1 0.8 0

时间

LT101

36.56 20.00 45.81 40.22

09:32:41 09:33:41 09:34:41 09:35:41

图4.1.8 Kp 1 0.5 0.05

图4.1.9 Kp 1 0.5 0.02

图4.1.10 Kp 1 0.5 0.005

图4.1.11 Kp 0.5 0.033

比较不同PID参数对系统性能产生的影响。

1、比例环节

用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Kp越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。Kp取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。

2、积分环节

主要用来消除系统的稳态误差。Ti越小，克服余差的能力提高，最大偏差减小，调节周期缩短：但是过渡过程振荡加剧，稳定性降低，积分时间越短，振荡倾向就越强烈，甚至会成为不稳定的发散振荡。 Ti越小，系统的静态误差消除越快，但Ti过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。若Ti过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。

3、微分环节

能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报, 主要是对控制系统的振荡的抑制，改善调节过程中的动态特性，克服滞后。增大微分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。但Td过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。

整理P、PI、PID三种控制器下本实验系统的阶跃响应曲线，并比较、分析从P、PI、PID控制器对系统余差和动态性能的影响。

1.比例（P）控制

单独的比例控制也称“有差控制”，输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大。实际应用中，比例度的大小应视具体情况而定，比例度

太大，控制作用太弱，不利于系统克服扰动，余差太大，控制质量差，也没有什么控制作用；比例度太小，控制作用太强，容易导致系统的稳定性变差，引发振荡。单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场合

2.比例积分（PI）控制

最大优点就是控制及时、迅速。只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。但是，不能最终消除余差的缺点限制了它的单独使用。积分控制器的输出不仅与输入偏差的大小有关，而且还与偏差存在的时间有关。只要偏差存在，输出就会不断累积（输出值越来越大或越来越小），一直到偏差为零，累积才会停止。所以，积分控制可以消除余差。积分时间的大小表征了积分控制作用的强弱。积分时间越小，控制作用越强；反之，控制作用越弱。

3.PID控制

既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。

当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。

积分系数与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？

积分时间的大小表征了积分控制作用的强弱。积分时间越小，控制作用越强；反之，控制作用越弱。积分作用输出变化的快慢与输入偏差e的大小成正比，与积分时间错误！未找到引用源。成反比，如果减少单容系统容积，则输入偏差e增大，要保持积分作用输出变化的快慢不变，那么对控制系统的积分系数应该增大。

5实训总结

5.1 目标，过程，结果等分析

1、熟悉力本套系统及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，成功的用相关的方法确定其参数建立了较合理的数学模型。

3、学习了应用MATLAB仿真基本方法，通过仿真建立系统模型，对模型进行参数整定，学会利用MATLAB/Simulink对系统建模的方法。

4、基本了解并初步掌握了简单系统模型的PID参数整定方法，对PID调节

器中的P、I、D各个参数的功能、特性以及对仿真曲线的不同影响有了比较清楚的认识，通过实验仿真，这部分内容印象比较深刻。

5、熟悉并学会了稳定边界法，利用MATLAB整定出了较好的PID控制器参数。

6、熟悉并学会利用MATLAB/Simulink进行PID参数的自整定法，得到了较好的PID整定结果和阶跃响应曲线。

7、熟悉了串级控制系统PID控制的结构和原理，同时熟悉了串级控制系统PID参数的整定方法，并在实际系统上整定出了较好的PID参数

5.2对实训的收获，要求和建议

经过几个星期的努力，学会了很多，尤其是对组态王软件和水箱的结构和原理的认识了解及应用，在以后的学习工作中，能够应用组态王软件进行一些模拟、实际的组态设计。

对自动化这门课程要做什么有了更深刻的认识，复习了matlab的知识以及过程控制中所学的一些内容，认识到了组态王的一些应用情况，这次设计受益匪浅，学到了很多教学中学不到的东西，从中增强我的动手能力，并且增强了我们的团队合作精神,并让我们认识到把理论应用到实践中去是多么重要。