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实验三—化工仪表及自动化实验报告
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实验报告《化工仪表及自动化》姓名：学号：专业班级：承德石油高等专科学校机械系2014年3实验三、二阶双容水箱液位PID控制实验专业：化工设备维修技术学时：2实验类型：（验证、综合、设计）
实验要求：（必修、选修）实验地点：工业中心C306一、实验目的通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。分析P、PI和PID调节时的过程图形曲线。定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。二、实验器材CS2000型过程控制实验装置配置：C3000过程控制器、实验连接线。三、实验原理图3-1二阶单回路PID控制方框图图3-1为双容水箱液位控制系统。这也是一个单回路控制系统，它与实验四不同的是有两个水箱相串联，控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度，具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响功能。显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于调节器的结构和参数的合理选择。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。对于阶跃输入（包括阶跃扰动），这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度成正比，若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数K和Ti调节得合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。四、实验内容和步骤此实验以中水箱的液位为控制对象。1、储水箱进水阀，主管路泵阀，副管路泵阀，关闭其他手阀，将储水箱灌满水。打开上水箱进水阀，将上水箱通中水箱出水阀、中水箱出水阀打开至适当开度。2、将中水箱的液位信号送至C3000过程控制器模拟量输入通道1，将模拟量输出通道12信号送电动调节阀，具体接线如下图所述：仪表回路的组态：点击menu——进入组态——控制回路——PID控制回路PID01的设置，给定方式设为：内给定；测量值PV设为：AI01，其余默认即可，量程0-100。3、打开控制台及实验对象电源开关，打开调节仪电源开关，打开主管路泵、电动调节阀、检测设备电源开关。4、进入组态画面，设定输入信号为1-5V电压信号，输出信号为4-20mA电流信号；再进入调节画面，将调节仪设为手动。首先设定一个初始阀门开度，如10%；切换至监控画面，观察液位变化，当液位趋于平衡时，再进行下一个步骤。5、比例（P）调节1）将积分时间I设为无穷大（32768），把微分时间D置为零，给定P值。待液位平衡后点击状态切换按钮，调整至自动状态，将控制器投入运行，设定液位的设定值。2）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）。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。3）减小P重复步骤2，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。4）增大P重复步骤2，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。P
6、比例积分（PI）调节1）在比例调节实验的基础上，加入积分作用，观察被控制量是否能回到设定值，以验证PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。设定给定值，把微分时间D置为零，调整P、I。待液位平衡后点击状态切换按钮，将控制器投入运行。2）固定比例P值（中等大小），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。P
积分时间常数I
7、在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录。注意事项：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。设定值不可过大，以免溢出。五、实验结果与分析画出双容水箱液位控制实验系统的结构图。比较一阶与二阶对象控制的异同。六、思考题为什么双容液位控制系统比单容液位控制系统难于稳定？调节器参数（P、I和D）的改变对整个控制过程有什么影响？4机械系实验报告
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文档介绍：
28 附录 A 学生用表附表 A.1 : 贵州大学本科生毕业论文(设计)开题报告表论文( 设计) 名称双容水箱液位控制系统非线性控制算法设计论文(设计) 来源论文(设计) 类型指导教师顾红艳学生姓名黄万礼学号
班级热动 111 一、研究或设计的目的和意义: 随着科学技术的发展, 现代工业生产工艺中的控制问题也日渐复杂。在人们的生活中以及某些化工和能源的生产过程中, 被调对象往往是非线性的, 并且具有很大的不稳定性和延迟性,因此研究理想的控制算法具有很大的实际意义。人们在生活和生产过程中往往要涉及到液位的控制问题,比如饮料加工过程、生活水的供给、溶液过滤过程等, 需要各种各样剩水的设备, 而这些设备可以简化为一个水箱模型, 因此需要控制进口流量来设计合适的控制器自动调节水箱, 使水箱液位维持正常水平,保证产品质量和生产效率。通常在生产过程当中的液位是随时间变化的,因为系统的复杂,拥有滞后性, 并且干扰成分较多, 波动性很大。在热生产和输送能量的过程, 有不同形式的阻力, 液位很难控制。生产实际中的被控对象通常是由多个容积和阻力构成的多容对象, 尤其是两个串联的单容对象构成的双容对象, 比如在饮料、化工等很多行业的生产中都有近似的数学模型, 理论上都可以用双容水箱的数学模型对液位进行合理的控制。综上所述, 液位是工业生产过程中一个重要的控制参数, 因此需要选用合理的方法对液位实行控制,以便达到理想的生产效果。二、研究或设计的国内外现状和发展趋势: 当前,液位控制技术已经相当完善,但是大多数先进的控制算法都还在研究阶,并没有运用到工业生产中来,主要控制方法有: 1、预测控制: 这是从工业控制过程中产生的一种用于被控对象调节的新式液位控制算法,其融合了工业生产现实情况的特点,总体控制效果很理想。 2、自适应控制: 它的很多调节过程是随着时间变化的, 因此控制系统的性能随着时间的增加会逐渐恶化,这时候就需要有自适应控制系统来适应时间变化消除误差的过程,这种控制是辨识与控制的结合。 29 3、智能控制:这种方法的优点是控制实时,容错性和参数自适应控制都比较理想。同时,它对工业生产中常常存在的非线性因素以及不确定因素也有很好控制。现在,液位控制正在朝着高级阶段发展,不管是从液位控制的历史还是近况来看,还是从液位控制发展趋势来看,液位控制都是朝着综合化及智能化的趋势发展,主要是以智能控制理论为基础,以计算机及网络为主要手段,对整个工厂的液位控制全面综合,从而实现工厂内的液位控制自动化。三、主要研究或设计内容,需要解决的关键问题和思路: 四、完成毕业论文(设计)所必须具备的工作条件及解决的办法: 30 五、工作的主要阶段、进度与时间安排: 六、阅读的主要参考文献及资料名称: 七、指导教师意见和建议: 指导教师(签字):年月日说明: 1、论文(设计)类型: A—理论研究; B—应用研究; C—设计等; 2、论文(设计)来源:指来源于科研项目、生产/社会实际、教师选题或其他(学生自拟)等; 3、各项栏目空格不够,可自行扩大。附表 A.2 : 31 本科毕业论文(设计) 论文(设计)题目: 学院:________ 专业: ________ 班级: ________ 学号: ________ 学生姓名: ________ 指导教师: ________ 年月日附表 A.3 :贵州大学本科毕业论文(设计) 第页 32 附表 A.4 贵州大学本科毕业论文(设计) 33 诚信责任书本人郑重声明:本人所呈交的毕业论文(设计) ,是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文( 设计)中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等,均已明确注明出处。特此声明。论文(设计)作者签名: 日期: 附录 B 指导教师用表附表 B.1: 贵州大学本科毕业论文( 设计) 课题申报审核表( 200 届) 学院(盖章): 34 指导教师姓名职称课题名称课题类型课题来源* 说明: 论文设计科研真题生产或社会实际导师选题其它适用专业学生班级预计完成课题周数毕业实习地点毕业论文( 设计) 地点 1 .课题基本内容及要求 2 .题目特点(表现在符合专业培养目标上、表现在结合省情方面、表现在采用先进技术方面、表现在培养学生解决工程技术问题的能力上) 35 3. 此题目往届是否做过?若已做过,写明做过几次,本届有何新的要求? 4. 题目的难易程度、工作量(论文字数或说明书字数、图纸数量) ,以及对学生的知识、技能有何要求等 5. 完成本题目的条件是否满足?若不满足,如何解决?(含上机时数) 6 .系( 教研室)审查意见系(教研室)主任( 签字):年月日 7 .学院毕业论文( 设计) 工作领导小组审核意见: 组长( 签字):年月日*注: 1、若题目来源于教师的科研项目,请在“说明”处填写科研项目名称;若来源于生产/社会实际,请写明题目来源单位;2、每人一份(各单位可根据情况确定一式几份)。3、各项栏目空格不够,可自行扩大。 36 附表 B.2 : 贵州大学本科毕业论文(设计)任务书学生信息学号学院班级姓名专业教师信息姓名职称学历任务书发出时间年月日论文(设计) 题目论文(设计) 起止时间年月日——年月日共需周数主要内容:主要要求:预期目标:计划进程:主要参考文献: 注:各项栏目空格不够,可自行扩大。附录 C 过程记录、检查用表 37 附表 C.1-1 : 贵州大学本科毕业论文( 设计) 周进展情况记录学生姓名学院指导教师学号专业班级论文(设计)题目第周进展情况记录: 指导教师检查意见: 指导教师签名: 年月日注:根据论文(设计)周数,可从附表 C.1-1 、附表 C.1-2 ...... 附表 C.1-n 进行填写。1
内容来自淘豆网转载请标明出处.液位控制系统分数阶PI~λ控制器设计及实验--《天津科技大学》2012年硕士论文
液位控制系统分数阶PI~λ控制器设计及实验
【摘要】：分数阶微积分是一个古老而又现代的课题。分数阶微积分理论在信息学科中的应用则是近些年来刚刚兴起的研究方向,尤其是在系统控制领域,分数阶微积分显然是一个既熟悉又陌生的数学工具。在控制科学方面,分数阶微积分方程可以用来很好地对分数阶控制系统进行数学描述,并在此基础上进行系统的动态和稳态性能分析。
本文以THJS-1型三容水箱实验平台为工程背景,介绍了分数阶微积分的理论基础、分数阶控制系统的结构、时滞系统的特点,并在此基础之上,利用一个可应用于分数阶系统的图解稳定性准则,研究了一阶、二阶时滞系统的PIλ控制器的参数稳定域和参数整定,给出了满足要求的控制器参数的完整区域,并与整数阶PI控制器的控制效果做比较,验证了分数阶控制器的优越性。本文做了以下工作：
(1)根据三容水箱实验设备及工作原理,建立了单容、双容水箱的近似整数阶数学模型,并验证了模型的正确性与有效性。
(2)针对建立的一阶和二阶时滞系统,应用图解稳定准则,研究其分数阶PIγ控制器和整数阶PI控制器的参数稳定域。在得出系统的稳定域之后,在稳定域内进行了稳定裕度设计。在稳定裕度内选择参数,并和传统的PI控制器参数下的控制效果比较,通过仿真表明,分数阶控制器能够获得更好的动态性能。
(3)将选定的控制器参数输入到实验设备中进行液位闭环控制实验,通过实验验证了分数阶控制器的控制性能优于整数阶控制器的控制性能。
本文的主要创新点是将一个图解稳定性准则应用于实际的一阶和二阶时滞被控系统,研究了分数阶PI控制器的参数稳定域的确定和系统性能设计问题,为分数阶时滞系统的分析与设计提供了一个简单而实用的方法。
【关键词】：
【学位授予单位】：天津科技大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2012【分类号】：TP273【目录】：
摘要4-5ABSTRACT5-81 绪论8-12 1.1 引言8 1.2 研究背景8-9 1.3 研究现状9-10 1.4 本文的研究内容和章节安排10-122 THJS-1型三容水箱的系统组成及单双容水箱数学建模12-30 2.1 THJS-1型实验系统组成12-16 2.2 MCGS简介16-19
2.2.1 MCGS的主要特点和基本功能16-17
2.2.2 MCGS的构成17-19 2.3 三容水箱工作原理19-20 2.4 实验装置特点20-21 2.5 水箱数学模型的建立21-30
2.5.1 被控过程的数学模型及其作用21-22
2.5.2 被控过程建模方法22
2.5.3 单容水箱数学建模22-26
2.5.4 双容水箱数学建模26-303 分数阶PI~λ控制器设计与仿真30-51 3.1 数学基础30-35
3.1.1 特殊函数30-32
3.1.2 分数阶微积分的定义32-34
3.1.3 分数阶微积分的性质34-35 3.2 分数阶控制系统概述35-40
3.2.1 分数阶控制器36-38
3.2.2 分数阶系统的稳定性38-40
3.2.3 分数阶微分的滤波器近似40 3.3 分数阶时滞系统40-44
3.3.1 时滞系统简介40-41
3.3.2 时滞的产生41
3.3.3 时滞对系统的影响41-43
3.3.4 时滞系统控制方法的研究现状43-44 3.4 图解稳定准则44-45 3.5 时滞系统PI~λ控制器的参数整定45-51
3.5.1 PI~λ控制器的参数稳定域45-49
3.5.2 PI~λ控制器的稳定裕度设计49-514 基于分数阶PI~λ控制器的单容和双容水箱液位控制51-67 4.1 计算机控制系统51-52 4.2 数字控制器设计52-62
4.2.1 采样周期的选取52-53
4.2.2 控制器模拟化设计步骤53-56
4.2.3 分数阶算子的离散化56-61
4.2.4 基本数字PID控制算法61-62 4.3 仿真与实验62-675 结论67-686 展望68-697 参考文献69-748 论文发表情况74-759 致谢75
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