東北大學(xué)《過程裝備控制》實驗報告講訴

1、實驗一、一階單容上水箱對象特性測試實驗一. 實驗?zāi)康?1) 熟悉單容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線。(2) 根據(jù)由實際測得的單容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法分別確定它們的參數(shù)。二. 實驗設(shè)備AE2000型過程控制實驗裝置，PC機，DCS控制系統(tǒng)與監(jiān)控軟件。三. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖單容水箱如圖1-1所示：圖1-1、單容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖四、實驗原理階躍響應(yīng)測試法是系統(tǒng)在開環(huán)運行條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過調(diào)節(jié)器或其他操作器，手動改變對象的輸入信號(階躍信號)，同時記錄對象的輸出數(shù)據(jù)或階躍響應(yīng)曲線。然后根據(jù)已 給定對象模型的結(jié)構(gòu)形式，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定模型中各參數(shù)。圖解法是確定模型參數(shù)的一種實用

2、方法。不同的模型結(jié)構(gòu)，有不同的圖解方法。 單容水箱對象模型用一階加時滯環(huán)節(jié)來近似描述時，?？捎脙牲c法直接求取對象參數(shù)。如圖1-1所示，設(shè)水箱的進(jìn)水量為 Q1，出水量為 Q2，水箱的液面高度為 h，出水閥 V 固定于某一開度值。根據(jù)物料動態(tài)平衡的關(guān)系，求得：R.*C* +Zh-R在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得：滬H二_=KQ r,*c*s + 1 rs+式中，T為水箱的時間常數(shù)(注意：閥V的開度大小會影響到水箱的時間常數(shù))，T=R2*C,K=R2為單容對象的放大倍數(shù)，尺、R2分別為V1、V2閥的液阻，C為水箱的容量系數(shù)。令輸入流量Q1的階躍變化量為 Ro,其拉氏變換式為 Q1 (S) =R

3、o/S, Ro為常量，則輸出液位高度 的拉氏變換式為：當(dāng)t=T時，則有：-1h(T)=KR o(1-e )=0.632KR o=O.632h()即 h(t)=KR0(1-e-T)當(dāng)t g時，h (g) =KR0,因而有K=h (a) /R0=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入1-2所示。當(dāng)由實式(1-2)表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖 驗求得圖1-2所示的階躍響應(yīng)曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的 常數(shù)T也可以通過坐標(biāo)原點對響應(yīng)曲線作切線, 常數(shù)T,其理論依據(jù)是：63%所對應(yīng)時間,h1就是水箱的時間常數(shù) 切線與穩(wěn)態(tài)值交點odh(t)0J63h1a)上式表示h (t)若以在原點時的速度 態(tài)值

4、h (a)。五.實驗內(nèi)容步驟1)對象的連接和檢查：(a) /T恒速變化,即只要花T秒時間就可達(dá)到穩(wěn)T,該時間所對應(yīng)的時間就是時間(1)將AE2000實驗對象的儲水箱灌滿水(至最高高度)。打開以水泵、電動調(diào)節(jié)閥、孔板流量計組成的動力支圖路至t水箱的出水閥門關(guān)閉動力支路上通往其他對象的切換閥門。(3) 打開上水箱的出水閥至適當(dāng)開度。 實驗步驟(1) 打開控制柜中水泵、電動調(diào)節(jié)閥的電源開關(guān)。(2) 啟動DCS上位機組態(tài)軟件，進(jìn)入主畫面，然后進(jìn)入實驗一畫面。用鼠標(biāo)點擊調(diào)出 PID窗體框，然后在“ MV ”欄中設(shè)定電動調(diào)節(jié)閥一個適當(dāng)開度。(此實驗必須在手動狀態(tài)下進(jìn)行)(4) 、觀察系統(tǒng)的被調(diào)量：上水箱的

5、水位是否趨于平衡狀態(tài)。若已平衡，應(yīng)記錄系統(tǒng)輸出值，以及水箱水位的高度 h1和上位機的測量顯示值并填入下表。原始平衡狀態(tài)：系統(tǒng)輸出值水箱水位高度h1上位機顯示值0100cmcm40%4.54.0從40%到50%階躍數(shù)據(jù)：T (秒)102030405060水箱h1(cm)水位4.54.955.25.55.7上位機(cm)讀數(shù)4.85.15.45.45.86.1T (秒)708090100110120水箱h1(cm)水位5.75.555.15.76上位機(cm)讀數(shù)6.56.36.35.85.76.2T (秒)130140150160170180水箱水位5.95.55.55.85.85.7h1(cm

6、)上位機讀數(shù)(cm)6.76.76.36.26.46.4T (秒)190200210220230240水箱水位h1(cm)5.45.75.35.665.9上位機讀數(shù)(cm)6.36.26.36.16.36.8T (秒)250260270280290300水箱水位h1(cm)5.95.965.95.75.7上位機讀數(shù)6.86.76.76.76.36.7(cm)平衡狀態(tài)1:系統(tǒng)輸出值水箱水位高度h1上位機顯示值0100cmcm45%5.76.7從45%到50%階躍數(shù)據(jù)：T (秒)102030405060水箱h1(cm)水位6.15.85.96.25.86.3上位機(cm)讀數(shù)6.56.96.56.

7、66.86.6T (秒)708090100110120水箱h1(cm)水位6.46.46.56.56.46上位機(cm)讀數(shù)77.27.16.97.26.9T (秒)130140150160170180水箱h1(cm)水位6.16.46.56.56.46上位機(cm)讀數(shù)6.76.56.97.27.26.8T (秒)190200210220230240水箱h1(cm)水位5.96.56.676.86.4上位機讀數(shù)6.46.777.37.87.6(cm)T (秒)250260270280290300水箱水h1(cm)上位機讀位數(shù)6.776.96.46.66.577.27.77.67.17.3(c

8、m)平衡狀態(tài)2:系統(tǒng)輸出值水箱水位高度hl上位機顯示值0100cmcm50%6.57.3從50%到55%階躍數(shù)據(jù)：T (秒)102030405060水箱h1(cm)水位77.47.87.67.77.4上位機(cm)讀數(shù)6.87.48.68.48.28.4T (秒)708090100110120水箱h1(cm)水位7.47.37.67.987.8上位機(cm)讀數(shù)8.287.888.78.8T (秒)130140150160170180水箱h1(cm)水位7.97.87.97.87.98.3上位機(cm)讀數(shù)8.98.78.88.48.58.3T (秒)190200210220230240水箱h

9、1(cm)水位87.87.77.97.77.5上位機(cm)讀數(shù)9.48.88.48.48.48.3T (秒)250260270280290300水箱h1(cm)水位7.988.17.97.57.9上位機(cm)讀數(shù)8.38.78.98.88.78.6平衡狀態(tài)3:系統(tǒng)輸出值水箱水位高度hl上位機顯示值0100cmcm55%7.98.6從55%到60%階躍數(shù)據(jù)：T (秒)102030405060水箱h1(cm)水位8.38.48.28.48.68.6上位機(cm)讀數(shù)8.698.98.99.19.8T (秒)708090100110120水箱h1(cm)水位8.78.78.998.98.7上位機

10、(cm)讀數(shù)9.59.89.510.1109.7T (秒)130140150160170180水箱h1(cm)水位998.88.88.98.7上位機(cm)讀數(shù)9.69.7109.79.79.9T (秒)190200210220230240水箱h1(cm)水位8.68.998.898.9上位機(cm)讀數(shù)9.69.59.49.69.29.7T (秒)250260270280290300水箱h1(cm)水位8.68.68.78.79.19.2上位機讀數(shù)9.89.49.19.19.310(cm)平衡狀態(tài)4:系統(tǒng)輸出值水箱水位高度h1上位機顯示值0100cmcm60%9.210六、實驗報告要求(1)

11、 作出一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。 從40%到45%的階躍響應(yīng)曲線：60 00OO OQ5.8-0 O oO O-O O5.6OO XO0 054/C/05.2/O51已P4.34.6/4.4/4.24(UII.1050100150200250300從45%到50%的階躍響應(yīng)曲線:從50%到55%的階躍響應(yīng)曲線:從55%到60%的階躍響應(yīng)曲線:(2) 根據(jù)實驗原理中所述的方法，求出一階環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)。 答：從40%從45%到從50%從55%平均值到 45%50% 到 55% 到 60%K*R01.71920.96431.1361.0581.097T31.8042100.676229.303434.

12、690433.2473根據(jù)測量的數(shù)據(jù)可求得時間常數(shù)T=33.2473 , K*R0=1.097。七、注意事項(1) 本實驗過程中，出水閥不得任意改變開度大小。(2 )階躍信號不能取得太大，以免影響正常運行；但也不能過小，以防止因讀數(shù)誤差和其 他隨機干擾影響對象特性參數(shù)的精確度。一般階躍信號取正常輸入信號的5%15%。(3) 在輸入階躍信號前，過程必須處于平衡狀態(tài)。八、思考題(1) 在做本實驗時，為什么不能任意變化上水箱出水閥的開度大?。看穑阂驗門為水箱的時間常數(shù)，T=R2*C, K=R2為單容對象的放大倍數(shù)，R2為V2閥的液阻，C為水箱的容量系數(shù)。G(護 H 二 _!Lh當(dāng)改變水箱出水閥的開度

13、大小時， R2會改變，那么G(s)也會改變，那樣的話就不會測出 G(s) 中的參數(shù)了，因為每次都不一樣。(2) 用兩點法和用切線對同一對象進(jìn)行參數(shù)測試，它們各有什么特點？答：兩點法：從理論上來說兩點就可以確定參數(shù)，但是在實際測量中，測量點總是在基準(zhǔn)線附近不停地波動，這樣很可能會造成測量的不準(zhǔn)確，但是兩點法只需要測兩個點的數(shù)據(jù)，相對切線法來說簡單多了。切線法：和兩點法相比，切線法隨機性小一點，可以近似地測量和計算出對象的特性參數(shù)，但是切線法需要側(cè)大量的數(shù)據(jù)，用來近似地描繪出對象的特性曲線。實驗二、單容水箱液位 PID控制系統(tǒng)一、實驗?zāi)康?）、通過實驗熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理。2）

14、、分析分別用 P、PI和PID調(diào)節(jié)時的過程圖形曲線。3） 、定性地研究P、PI和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。二、實驗設(shè)備AE2000型過程控制實驗裝置，PC機，DCS控制系統(tǒng)，DCS監(jiān)控軟件。三、實驗原理給定+圖4-1、實驗原理圖圖4-1為單回路上水箱液位控制系統(tǒng)。單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個 調(diào)節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制上水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用DCS系統(tǒng)控制。當(dāng)調(diào)節(jié)方案確定之后， 接下來就是整定調(diào)節(jié)器

15、的參數(shù)，一個單回路系統(tǒng)設(shè)計安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會使控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期效果。一個控制系 統(tǒng)設(shè)計好以后，系統(tǒng)的投運和參數(shù)整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比例度3的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)3,Ti調(diào)節(jié)合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分 D的作用，從而使系 統(tǒng)既無余差存在，又能

16、改善系統(tǒng)的動態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。但是，并不是所有單回路控制系統(tǒng)在加入微分作用后都能改善系統(tǒng)品質(zhì)，對于容量滯后不大，微分作用的效果并不明顯，而對噪聲敏感的流量系統(tǒng)，加入微分作用后，反而使流量品質(zhì)變壞。對于我們的實驗 系統(tǒng)，在單位階躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖4-2中的曲線、所示。四、實驗內(nèi)容和步驟1）設(shè)備的連接和檢查：（1）將AE2000實驗對象的儲水箱灌滿水（至最高高度）。（2）打開以水泵、電動調(diào)節(jié)閥、孔板流量計組成的動力支路至上水箱的出水閥，關(guān)閉動力 支路上通往其他對象的切換閥門。（3）打開上水箱的出水閥至適當(dāng)開度。2）實驗步驟1）啟動動力支路電源。2）啟動D

17、CS上位機組態(tài)軟件，進(jìn)入主畫面，然后進(jìn)入實驗四畫面。3）在上位機軟件界面用鼠標(biāo)點擊調(diào)出PID窗體框，用鼠標(biāo)按下自動按鈕，在設(shè)定值”欄中輸入設(shè)定的上水箱液位。4）比例調(diào)節(jié)控制（1）設(shè)定給定值，調(diào)整 P參數(shù)。（2）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動，一般可通過改變設(shè) 定值實現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。（3）、減小P重復(fù)步驟4，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。（4）、增大P重復(fù)步驟4，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。(5) 、選擇合適的P,可以得到較滿意的過渡過程曲線。改變設(shè)定值(如設(shè)定值由50%變?yōu)?0%),同樣可以得到一條過渡

18、過程曲線。(6) 、注意：每當(dāng)做完一次試驗后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次試驗。5) 比例積分調(diào)節(jié)器(PI )控制(1 )、在比例調(diào)節(jié)實驗的基礎(chǔ)上，加入積分作用，即在界面上設(shè)置I參數(shù)不為0,觀察被控制量是否能回到設(shè)定值，以驗證PI控制下，系統(tǒng)對階躍擾動無余差存在。(2 )、固定比例P值，改變PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)值Ti，然后觀察加階躍擾動后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同Ti值時的超調(diào)量b p。表一、不同Ti時的超調(diào)量b p積分時間常數(shù)Ti大中小超調(diào)量b p0%10%50%(3 )、固定I于某一中間值，然后改變P的大小，觀察加擾動后被調(diào)量輸出的動態(tài)波形, 據(jù)此列表記錄不同值 P下的超調(diào)量b p。表

19、二、不同3值下的b p比例P大中小超調(diào)量b p50%33%20%(4 )、選擇合適的P和Ti值，使系統(tǒng)對階躍輸入擾動的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過程曲線。此曲線可通過改變設(shè)定值(如設(shè)定值由50%為60%來獲得。6) 比例積分微分調(diào)節(jié)(PID)控制(1) 、在PI調(diào)節(jié)器控制實驗的基礎(chǔ)上， 再引入適量的微分作用， 即把軟件界面上設(shè)置 D參數(shù)，然后加上與前面實驗幅值完全相等的擾動，記錄系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動態(tài)曲線， 并與實驗(二)PI控制下的曲線相比較，由此可看到微分 D對系統(tǒng)性能的影響。(2) 、選擇合適的P、Ti和Td,使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線(階躍 輸入可由給定值從 50%突變至6

20、0%來實現(xiàn))。(3) 、在歷史曲線中選擇一條較滿意的過渡過程曲線進(jìn)行記錄。五、實驗報告要求1) 、作出P調(diào)節(jié)器控制時，不同 P值下的階躍響應(yīng)曲線。當(dāng)P為30%時的階躍響應(yīng)曲線：當(dāng)P為40%的階躍響應(yīng)曲線當(dāng)P為50%的階躍響應(yīng)曲線2）、作出PI調(diào)節(jié)器控制時，不同P和Ti值時的階躍響應(yīng)曲線。當(dāng)P為20% I為0.05的階躍響應(yīng)曲線:當(dāng)P為30% I為0.05的階躍響應(yīng)曲線:當(dāng)P為40% I為0.05的階躍響應(yīng)曲線:3）、比較P、PI和PID三種調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)無差度和動態(tài)性能的影響。答：（1）從動態(tài)響應(yīng)來說 PID調(diào)節(jié)器由于有 D的作用響應(yīng)最快，調(diào)節(jié)時間最短，然后是PI調(diào)節(jié)器，P調(diào)節(jié)器由于無超調(diào)量雖然

21、響應(yīng)曲線波動不大但響應(yīng)最慢。（2）從無差度來說，PI與PID調(diào)節(jié)器由于有I的作用所以無靜差，而 P有靜差。六、思考題1）、試定性地分析三種調(diào)節(jié)器的參數(shù)P、（ P、Ti ）和（P、Ti和Td）的變化對控制過程各產(chǎn)生什么影響？答：P調(diào)節(jié)器：P與穩(wěn)態(tài)誤差有關(guān)，P越大穩(wěn)態(tài)誤差越小， 但是P不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，P越大響應(yīng)越快,甚至有可能使系統(tǒng)震蕩。PI調(diào)節(jié)器：I可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但是I會減慢系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，同樣的長一點，所以要適當(dāng)?shù)倪x擇參數(shù)I太小了，會使系統(tǒng)的震蕩增加，甚至使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定,P與PI調(diào)節(jié)器，當(dāng)參數(shù) P的值相同時，PI調(diào)節(jié)時間要更P與I的值。PID調(diào)節(jié)器:D會加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，減小調(diào)節(jié)時間

22、，但是對于容量之后不大的系統(tǒng)積分作用不明顯，而且當(dāng)D作用很強時，會使系統(tǒng)震蕩活不穩(wěn)定。由于有 I的作用所以穩(wěn)態(tài)誤差為 0。2）、如何實現(xiàn)減小或消除余差？純比例控制能否消除余差？答：適當(dāng)?shù)募尤敕e分作用可以消除誤差，增大比例系數(shù)也可以減小誤差。但是純比例控制不能消除誤差。實驗十、上水箱下水箱液位串級控制實驗一、實驗?zāi)康?1) 掌握串級控制系統(tǒng)的基本概念和組成。(2) 掌握串級控制系統(tǒng)的投運與參數(shù)整定方法。(3) 研究階躍擾動分別作用在副對象和主對象時對系統(tǒng)主被控量的影響。一、實驗設(shè)備AE2000型過程控制實驗裝置，PC機，DCS控制系統(tǒng)，DCS監(jiān)控軟件。三、實驗原理上水箱液位作為副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對象，

23、下水箱液位做為主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對象?？刂瓶驁D如圖10-1所示：就功擾功給定值 艾空7上凋書盟1_副回幣主回路液恆傳憶需nIff 也傳 JBME210-1、上水箱下水箱液位串級控制框圖1、串級控制系統(tǒng)的組成圖10-1為液位串級控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有2個調(diào)節(jié)器、2個閉合回路和兩個執(zhí)行對象。2個調(diào)節(jié)器分別設(shè)置在主、副回路中，設(shè)在主回路的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，設(shè)在副回路的 調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器。兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)連接，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副回路的給定量，主、副 調(diào)節(jié)器的輸出分別去控制二個執(zhí)行元件。主對象的輸出為系統(tǒng)的被控制量鍋爐夾套溫度，副對象的輸出是一個輔助控制變量。2、串級系統(tǒng)的抗干擾能力串級系統(tǒng)由于增加了副回路

24、，對于進(jìn)入副環(huán)內(nèi)的干擾具有很強的抑制作用，因此作用于副環(huán)的干擾對主被控量的影響就比較小。系統(tǒng)的主回路是定值控制，而副回環(huán)是一個隨動控制。在設(shè)計串級控制系統(tǒng)時，要求系統(tǒng)副對象的時間常數(shù)要遠(yuǎn)小于主對象。此外，為了指示 系統(tǒng)的控制精度，一般主調(diào)節(jié)器設(shè)計成PI或PID調(diào)節(jié)器，而副調(diào)節(jié)器一般設(shè)計為比例制，以提高副回路的快速響應(yīng)。在搭實驗線路時，要注意到兩個調(diào)節(jié)器的極性(目的是保證主、副回路都是負(fù)反饋控制)。3、串級控制系統(tǒng)與單回路的控制系統(tǒng)相比串級控制系統(tǒng)由于副回路的存在，改善了對象的特性，使等效對象的時間常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，控制及時。同時，由于串級系統(tǒng)

25、具有主副兩只控制器，總放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)的擾干擾能力增強。因此,它的控制質(zhì)量要比單回路控制系統(tǒng)高。4、串級控制系統(tǒng)的投運和整定有一步整定法，也有兩步整定法，即先整定副回路，后 整定主回路。四、實驗內(nèi)容和步驟1) 設(shè)備的連接和檢查：(1) 將AE2000實驗對象的儲水箱灌滿水(至最高高度)。(2) 打開以水泵、電動調(diào)節(jié)閥、孔板流量計組成的動力支路至上水箱的出水閥門，關(guān)閉動 力支路上通往其他對象的切換閥門。(3) 打開上水箱的出水閥，打開下水箱出水閥至適當(dāng)開度。2) 實驗步驟(1) 啟動動力支路。(2) 啟動DCS上位機組態(tài)軟件，進(jìn)入主畫面，然后進(jìn)入實驗十畫面。(3) 用鼠標(biāo)按下“點擊以下框體調(diào)出主控 PID參數(shù)”按鈕，在“AEC10_ex中的“設(shè)定值”欄中輸入設(shè)定的下水箱液位。按下“點擊以下框體調(diào)出副控PID參數(shù)”按鈕。在“副控窗口”中按下“串級”按鈕。在“ AEC10_in”中的設(shè)定P、I、D參數(shù)。分別在主控 參數(shù)和副控參數(shù)窗口中反復(fù)調(diào)整P，I，D三個參數(shù)，控制下水箱水位，同時兼顧快速性，穩(wěn)定性，準(zhǔn)確性。五、實驗報告要