液位pid控制器的设计性实验

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1、²宿迁学院综合性、设计性实验项目²西门子过程控制实验室设计项目单容自衡水箱液位PID控制实验----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------项目负责人：李守军所属单位：机电工程系教研室：机械电子时间：2010-11-1035单容自衡水箱液位PID控制实验一、实验目的1．掌握数字PID控制器整定方法2．掌握过程控制装置输入输出特性的测试方法3．了解WeinView触摸屏通信实现4．熟

2、悉西门子S7-300PLC的组态原理与通信实现5．熟悉工业网络的构建与工控组态软件WinCC的使用方法6．掌握传感器信息采集与处理方法7．了解西门子变频器MM420的使用方法二、实验设备本实验装置包括：（1）硬件实验平台1．西门子S7-300自动化控制与信息处理平台2．南京康尼过程控制实训装置3．Simens工业以太网交换机（005-0BA00-1AA3）4．西门子变频器MM420（2）软件1．触摸屏编程软件EasyBuider80002．西门子自动化组态软件WinCCV6.SP33．西门子工业PLC组态与编程软件Step7V5.4+SP5三、实验原理1.单容自衡水

3、箱的输入输出特性单容指只有一个储蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或设备等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。对图1所示的上工作水箱进行自衡水箱特性测试分析。设上水箱流入量为Q1，改变变频器的频率可以改变水泵电机转速，从而可以改变Q1。上水箱的流出量为Q2，改变出水阀的开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或排水的过程。若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。35图1康尼过程控制实训装置对象的被控制量为水箱的液位H，控制量（输入量）是流入水箱中的

4、流量Q1，手动阀1和3的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时：（1）动态时，则有（2）式中V为水箱的储水容积，为水储存量的变化率，它与H的关系为：即（3）式中A为水箱的底面积。将把式（3）代入式（2）得（4）由于手动阀1的液阻为：则（4）式可以改写成：35则传递函数为：（5）式中，时间常数，可见水箱底面积越大，则T越大；液阻越大，则T越大。。由（5）知，单容水箱为一阶惯性环节。对于阶跃输入信号，系统响应为：对上式进行拉氏反变换，得：（6）①当t→∞时，h(∞)=KR0，所以有②当t=T时，有如图2单容水箱阶跃响应指数曲线。只需找到0.

5、632h(∞)，即可求出时间常数T。图2单容水箱无滞后阶跃响应曲线若单容水箱存在滞后，则响应曲线如图3所示，为一S形的曲线。35图3单容水箱有滞后阶跃响应曲线(S形)在S形曲线的拐点D处（该处斜率最大）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：式中，K=h(∞)。2．扩充影响曲线法数字PID控制器位置型控制算法的一般形式为：可以采用与模拟调节器类似的方法，用扩充响应曲线[即Ziegler-Nichols方法]法整定。方法如下：①断开数字调节器，使系统工作在手动状态下。当系统在给

6、定值处达到平衡后，给一阶跃输入。②记录下被控参数在此阶跃作用下的变化过程曲线。如图3所示，应为S形曲线。③在曲线的最大斜率D处，求得滞后时间τ，被控对象时间常数T，以及它们的比值R=τ/T。④根据求得的τ，T，R，查表1，即可求出控制器的T，Kp，Ti和Td。表1PID参数整定计算表参数KpTiTdP1/R35PI0.9/R3τPID1.2/R2τ0.5τ3．计算机控制闭环控制的基本概念(1)数字PID控制器单闭环系统的组成典型的PLC模拟量单闭环系统如图4所示。虚线中的部分是由PLC实现的。在模拟量闭环控制系统中，被控量c(t)（例如压力，流量，温度，液位）是连续

7、变化的模拟量，大多数执行机构（例如晶闸管调速装置、电动调节阀和变频器）要求PLC输出模拟信号mv(t)，而PLC的CPU只能处理数字量。C(t)首先被测量元件（传感器）和变送器转换为标准的直流电流或直流电压信号pv(t)，例如4~20mA，1~5V，0~10V，PLC用A/D转换器将它们转换成数字量pv(n)。图4PLC模拟量闭环控制系统的方框图模拟量与数字量之间的转换和PID程序的执行都是周期性的操作，其间隔称为采样周期Ts。各数字量括号中的n表示该变量是第n次采样计算的数字量。图4中的sp(n)是给定值，pv(n)为A/D转换后的反馈量，误差ev(n)=sp