《過程控制系統》實驗報告

過程控制系統》實驗報告學院：電氣學院專業：自動化班級：姓名及學號：日期：實驗一、單容水箱特性測試實驗目的掌握單容水箱階躍響應測試方法，并記錄相應液位的響應曲線。根據實驗得到的液位階躍響應曲線，用相關的方法確定被測對象的特征參數T和傳遞函數。二、 實驗設備THJ-FCS型高級過程控制系統實驗裝置。計算機及相關軟件。萬用電表一只。三、 實驗原理由圖2-1可知，對象的被控制量為水箱的液位h,控制量（輸入量）是流入水

箱中的流量Q1,手動閥V1和V2的開度都為定值，Q2為水箱中流出的流量。根據物系為dV二Adh，即dV=Adh（式2-3）,A為水箱的底面積。把式（2-3）代入料平衡關系，在平衡狀態時Q-料平衡關系，在平衡狀態時Q-Q二01020（式2-2）式中V為水箱的貯水容積，（式2-1），動態時，則有Qi-Q廣字，

dV為水貯存量的變化率，它與h的關dtdtdt式（2-2）得Q1-唇礙（式2-4）基于Q廣-R，RS為閥V2的液阻，（式2-4）S可改寫為Q可改寫為Q丄=Adh，ARdh+h=KQ或1RdtSdtS| 侖（式2-5）式中T二AR1它與水箱的底面積A它與水箱的底面積A和V的R有關,2S式2-5）為單容水箱的傳遞函數。若令Q(S)=o,R=常數，則式2-5可表示為H(S)= x—o=K—o— &-1s0 S+1ssS+丄T T對上式取拉氏反變換得hC)=KRG-e-1/t)(式2-6)，當tTa時h(s)=KR,因0而有K=h（a）/R=輸出穩態值/階躍輸入，當t=T時，0h（T）=KR（1—e-1）=0.632KR=0.632h（a），式2-6表示一階慣性響應曲線是一單00調上升的指數函數如下圖2-2所示當由實驗求得圖2-2所示的階躍響應曲線后，該曲線上升到穩態值的63%所對應的時間，就是水箱的時間常數。該時間常數T也可以通過坐標原點對響應曲線作切線，切線與穩態值交點所對應的時間就是時間常數T，由響應曲線求得K和T后，就能求得單容水箱的傳遞函數如式（2-5）所示。lh(t)h㈣..A…―0T——T—一U如果對象的階躍響應曲線為圖2-3，則在此曲線的拐點D處作一切線，它與時間軸交于B點，與響應穩態值的漸近線交于A點。圖中OB即為對象的滯后時間

t,BC為對象的時間常數T,所得的傳遞函數為坐二◎。Q&丿Ts+11四、 實驗內容與步驟本實驗選擇上水箱作為被測對象（也可選擇中水箱或下水箱）。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門Fl-1、Fl-2、F1-6全開，將上水出水閥門F1-9開至適當開度,其余閥門均關閉。1、接通控制柜和控制臺的相關電源，并啟動磁力驅動泵，接通空壓機電源。控制柜無需接線。2、 打開作上位控制的PC機，點擊“開始”菜單，選擇彈出菜單中的'SIMATIC”選項，再點擊彈出菜單中的“WINCC”，再選擇彈出菜單中的“WINCCCONTROLCENTER5.0”，進入WINCC資源管理器，打開組態好的上位監控程序，點擊管理器工具欄上的“激活（運行）”按鈕，進入實驗主界面。3、 鼠標左鍵點擊實驗項目“一階單容水箱對象特性測試實驗”，系統進入正常的測試狀態。4．在上位機實驗界面窗口給定閥門開度值（既可拉動輸出值旁邊的滾動條，也可直接在輸出值顯示框中輸入閥門開度值），使水箱的液位處于某一平衡位置。5．在上位機實驗界面窗口改變給定的閥門開度值，使其輸出有一個正（或負）階躍增量的變化（此增量不宜過大，以免水箱中水溢出），使水箱液位上升或下降，經過一定時間的調節后，水箱的液位進入新的平衡狀態。6．觀察上位機監控界面上水箱液位的歷史曲線和階躍響應曲線。在上位機實驗界面改變閥門開度值，使其輸出有一正（或負）階躍增量的變化，使水箱液位上升或下降，經過一定時間的調節后，水箱的液位進入新的平衡狀態。曲線圖如下電動調節閥控制借弓上水箱液位FUHEO的SP值下水箱液位中水箱液位100.00100.00-2.1945.0085.4988.2467.4767.6&-UL?—02電動調節閥控制借弓上水箱液位FUHEO的SP值下水箱液位中水箱液位100.00100.00-2.1945.0085.4988.2467.4767.6&-UL?—02- 03 04 05A01LT1PID02.SPLT3LT2五、實驗結果與分析1.單容水箱特性測試結構框圖oo(ocooo(soo.aaso.?w))olooo—oooo100.130.}S:1SO.46.00單容水箱特性測試結構框圖分析計算單容水箱液位對象時的參數和傳遞函數由實驗原理及結構框圖可知，單容水箱液位對象的傳遞函數為坐二一匚QIs丿Ts+11其參數確定過程如下：根據圖2-4所示由機理建模的方法可以列寫其微分方程式dH根據圖2-4所示由機理建模的方法可以列寫其微分方程式dH為叫一鋁=人頁圖2-4圖2-4設閥門液阻為R有Qo有Qo…一H(s) R化簡后得一= 2——Q&丿1+AsR12,所以K=R,T=AR。22實驗心得體會在此實驗過程中，主要學習到的知識是單容過程的工作原理和在給擾動后恢復平衡狀態的過程。在做實驗的過程中，由于前期指導老師已經將實驗所用系統調至一個穩態，我們需要做的工作是給一個擾動通過手動調節閥門開度使系統穩定在一個新的平衡狀態。總體感覺實驗比較簡單，但是所包含的理論知識卻不少。在實驗過程中更加體會到了理論聯系實際的重要性。我也意識到了在專業課學習中不僅要認真學會理論知識，更要理論聯系實驗，認真把握好每次做實驗的機會，認真實驗，更加深入的理解理論知識。五、 思考題1．在實驗進行過程中，為什么不能任意改變出水口閥開度的大小？答因為在實驗過程中,任意改變出水口閥開度會影響出水流量的大小。在入水量不變的情況下,這樣會使實驗記錄的數據和圖形與實際相差較遠。2．用響應曲線法確定對象的數學模型時，其精度與那些因素有關？答因為系統用到了儀表,因此與儀表的精度有關,同時與出水閥開度的大小有關。并和放大系數K、時間常數T以及純滯后時間有關。另外，也會受實驗室電壓的波動與測試軟件的影響。3、如果采用中水箱做實驗，其響應曲線與上水箱的曲線有什么異同？并分析差異原因。答:若采用中水箱做實驗，它的響應曲線要比上水箱變化的慢。原因:因為中水箱的回路比上水箱的回路要長，上升相同的液位高度中水箱要更長的時間實驗二、上水箱液位PID整定實驗實驗目的1、了解單容液位定值控制系統的結構與組成。2、掌握單容液位定值控制系統調節器參數的整定和投運方法。3、研究調節器相關參數的變化對系統靜、動態性能的影響。4、 了解P、PI、PD和PID四種調節器分別對液位控制的作用。5、 掌握在FCS控制系統中現場檢測信號的傳送和控制信號的網絡傳輸路徑。二、 實驗設備THJ-FCS型高級過程控制系統實驗裝置。計算機及相關軟件。萬用電表一只。三、 實驗原理>CPU<a) <b)圖1上水箱單容液位定值控制系統(a)結構圖(b)方框圖本實驗系統結構圖和方框圖如圖3-6所示。被控量為上水箱(也可采用中水箱或下水箱)的液位高度，實驗要求它的液位穩定在給定值。將壓力傳感器LT1檢測到的上水箱液位信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調節器控制氣動調節閥的開度，以達到控水箱液位的目的。為了實現系統在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統的調節器應為PI或PID控制。

四、 實驗內容與步驟實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門Fl-1、Fl-2、F1-6全開，將上水箱出水閥門F1-9開至適當開度，其余閥門均關閉。1、接通控制柜和控制臺電源電源，并啟動磁力驅動泵和空壓機。2、 打開作上位控制的PC機，，進入的實驗主界面。3、 鼠標左鍵點擊實驗項目“上水箱液位PID整定實驗”，系統進入正常的測試狀態。4、 在上位機監控界面中點擊“手動”，并將設定值和輸出值設置為一個合適的值，此操作可通過設定值或輸出值旁邊相應的滾動條或輸出輸入框來實現。5、 啟動磁力驅動泵，磁力驅動泵上電打水，適當增加/減少輸出量，使上水箱的液位平衡于設定值。6、 按本章第一節中的經驗法或動態特性參數法整定PI調節器的參數，并按整定后的PI參數進行調節器參數設置。7、 待液位穩定于給定值后，將調節器切換到“自動”控制狀態，待液位平衡后通過以下幾種方式加干擾：（1）突增（或突減）設定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化；（此法推薦，后面兩種僅供參考）（2）將氣動調節閥的旁路閥F1-3或Fl-4（同電磁閥）開至適當開度；（3）將下水箱進水閥F1-8開至適當開度；（改變負載）以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的5%?15%，干擾過大可能造成水箱中水溢出或系統不穩定。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態，經過一段調節時間后，水箱液位穩定至新的設定值（采用后面兩種干擾方法仍穩定在原設定值），觀察計算機記錄此時的設定值、輸出值和參數。8、 分別適量改變調節器的P及I參數，重復步驟7,通過實驗界面下邊的按鈕切換觀察計算機記錄不同控制規律下系統的階躍響應曲線。9、 分別用P、PD、PID三種控制規律重復步驟4?8,通過實驗界面下邊的按鈕切換觀察計算機記錄不同控制規律下系統的階躍響應曲線。五、 實驗結果與分析單容水箱液位定值控制實驗的結構框圖啊節鼻一A弋動啊節鼻一A弋動H—A實驗方法確定調節器的相關參數龜定過程如下通過經驗法來確定PID參數，現設置比例系數K,通過觀察響應曲線的變化，來確定是否需要添加積分環節I;如果誤差超過要求范圍，則需要添加積分環節I來消除余差；繼續觀察響應曲線若其動態性能不能達到要求則添加微分環節D，用以滿足系統動靜態參數要求。3.實驗曲線圖及相關分析在系統穩定之后給以階躍擾動，由于PID控制器的調節作用，系統趨于一個新的穩定狀態，根據曲線圖可以看出，該系統能夠仍存在誤差，但是誤差在可允許的范圍內，所以實驗曲線圖還是可以作為研究PID控制器作用的分析圖。不同PID參數對系統產生的影響P：增大比例系數K,會使系統的振蕩加劇，穩定性變差，但可以減小系統的穩定誤差，加快系統的響應速度。PI：加入積分環節的作用是消除余差，但積分環節會引起相角滯后，系統的動態性能惡化，隨著積分作用的增強，控制器的控制作用增強，系統的穩定性逐漸減弱。PID：加入微分環節作用是補償對象滯后，使系統的穩定性得到改善，提高了響應速度，兼顧了動靜態的控制要求。分析P、PI、PD、PID，四種不同的控制方式對系統的影響P：增大比例系數K,會使系統的振蕩加劇，穩定性變差，但可以減小系統的穩定誤差，加快系統的響應速度。PI：加入積分環節的作用是消除余差，但積分環節會引起相角滯后，系統的動態性能惡化，隨著積分作用的增強，控制器的控制作用增強，系統的穩定性逐漸減弱。PD：微分作用通過提供超前作用使得被控過程趨于穩定，同時也減小了過渡過程的時間，改善了被控量動態響應的品質。PID：加入微分環節作用是