控制工程基础实验指导PID

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1、控制控制工程基础认识实验自动控制系统结构特性及PID参数整定实验一、实验目的：1．了解FESTO过程控制系统的组成、结构和功能；2．掌握PID控制器的基本原理；3．掌握试凑法对系统PID参数进行整定。二、实验设备及介绍：我们日常生活中经常接触到管道流体系统，如居民区的供水排水系统、房间的通风系统、供暖系统等。在工业生产中也经常见到管道流体系统，如工业锅炉、石油加工、油气输运、水力发电等。在这些流体系统中往往需要对流体的液位、流量、压力、温度等进行控制以完成相应的任务或达到一定的安全标准。这就需要对流体状态进行

2、检测，并控制相应的设备如阀门、水泵、加热锅炉等来到达这一目的。流体控制系统的设计就成为人们解决这一问题的关键。本实验所用到的流体控制系统如图1所示。该系统由德国FESTO生产组装，由液位站、流量站、压力站、温度站和旁通站五个站点构成，其中前四个站可独立进行水的液位、流量、压力、温度四个物理量测试和控制实验。四个站中的水路通过旁通站相互连接，由旁通站调配各容器的储水量，并实现测控数据与计算机主机的通信。图1FESTO流体控制系统外观液位站（如图2所示）主要由水泵①、水泵驱动器②、液位传感器③、数字控制器④、电源

3、、上水箱⑤、下水箱⑥和管道⑦等组成。系统通过调节水泵电机驱动电压以达到控制上第1页共13页控制控制工程基础认识实验水箱水位的目的。流体系统往往用“管道－仪器”图来描述各个设备的功能和作用，在本文的“管道－仪器”图中，用LI表示液位传感器，FI表示流量传感器，PI表示压力传感器，TI表示温度传感器，LIC、FIC、PIC、TIC分别表示控制液位、流量、压力、温度的数字控制器，P表示水泵，M表示水泵驱动器。液位站的“管道－仪器”图如图3所示。图中表示上下两个水箱，表示手动阀门，表示水泵，实线表示水路管道，虚线表示

4、电缆。由图可见该系统由水路系统和电路系统两部分组成：在水路系统中，水泵从下水箱将水抽出并通过管道输运到上水箱，由于上水箱液面高出下水箱，一部分水经过管道从上水箱流回下水箱，构成一个水路循环。在电路系统中，液位传感器通过超声波定位测出上水箱水位的高低，并将此转换为4－20mA的电流信号传送给数字控制器LIC，由LIC通过调节水泵电机的电压从而控制水泵的输水能力。各设备简单介绍如下水箱：长×宽×深＝176×192×370mm3管道：内径12mm，铝塑复合管手动阀门：可手动调节，影响流经管道时水流所受到的阻力，从而

5、影响水的流量。图2液位站外观图3液位站“管道－仪器”图水泵：输入电压0-10V，输出为扬程（水头压力）。有关知识请参考水力学及水泵等书籍。在一定条件下测得水泵输入电压与输出流量之间的静特性如图4所示，动态特性如图5所示。第2页共13页控制控制工程基础认识实验Voltage/V252015105flow/l/min.time/sec.0.00.51.01.55.0flow/l/min.4.05.03.04.02.03.01.02.012241.0Voltage/V0.00.51.01.5time/sec.图4水

6、泵静态特性图5水泵动态特性液位传感器：利用超声波在气体介质中的回声测距原理检测液位。单探头形式，既发射又接收超声波。探头安装在液面上方的容器顶盖上。若容器高H，液位为h，超声波在空气中的传播速度为v，超声波从单探头发射到液面，然后又反射回探头，共需时间t，则有：h＝H－vt/2。本传感器以40Hz的频率进行采样测量，其输出电流与液位的关系如下图。图6液位传感器特性数字控制器：①先对输入电流信号进行滤波（截至频率20Hz，时间常数0.01s），②再将该电流信号转换为数字信号（线性，4mA对应0，20mA对应10

7、0），③PID控制计算，④对输出数据进行截至处理，控制在0-100之间，⑤将0-100的数字信号线性转换为0-10V的电压。流量站（如图7所示）主要由水泵①、水泵驱动器②、流量传感器③、比例阀④、数字控制器⑤、电源、水箱⑥和管道⑦等组成。系统通过调节水泵驱动电压或比例阀大小以达到控制水流大小的目的。流量站的“管道－仪器”图如图8所示，图中HSO表示手动选择开关，表示比例阀。从图中可知，在水路中，水泵从水箱中抽水并经过管道后流回到水箱中。在管道中，由第3页共13页控制控制工程基础认识实验流量传感器检测水的流量并

8、以频率信号的形式送给数字控制器，数字控制器通过控制水泵电机的驱动电压（或比例阀的电压）来调节管道中水流的大小。图7流量站外观图8流量站“管道－仪器”图流量站中各设备简要介绍如下：水泵、水箱、管道、手动阀门同液位站流量传感器：内有涡轮和光电红外装置。当流体沿管道轴线方向冲击涡轮叶片，驱动涡轮旋转，叶片周期性的通过光电红外检测区域，光电元件间断的接受光电红外信号，输出电脉冲。经前置放大器放大、整形后输出