《過程控制系統(tǒng)》實驗報告

1、過程控制系統(tǒng)實驗報告學院：電氣學院專業(yè)：自動化班級：1505姓名及學號：任杰311508070822日期：2018.6.3實驗一、單容水箱特性測試實驗目的1. 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。2. 根據(jù)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(shù)T和傳遞函數(shù)。實驗設備1. THJ-FCS型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置。2. 計算機及相關軟件。3. 萬用電表一只。實驗原理<a>i.擊干擾Cb>圖1單容水箱特性測試結構圖由圖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Qi,手動閥Vi和V2的開度都為定值，Q2為

2、水箱中流出的流量。根據(jù)物料平衡關系，在平衡狀態(tài)時Qio-Q2o=。（式2-1），動態(tài)時，則有Qi-Q2=絲，dt（式2-2）式中V為水箱的貯水容積，°乂為水貯存量的變化率，它與h的關dt系為dV=Adh,即dV=A-（式2-3）,A為水箱的底面積。把式（2-3）代入dtdt式（2-2）得Qi-。2=A（式2-4）基丁Q,Rs為閥V2的液阻，（式2-4）dtRshAdhdhqHsK可改寫為Qi-=A,ARs+h=KQi或=（式2-5）式中T=ARsRsdtSdtiQisTsV它與水箱的底面積A和V2的Rs有關，（式2-5）為單容水箱的傳遞函數(shù)。若令Qi（S）專，Ro=常數(shù)，則式2-5可

3、表示為H（S）=獸嘈=K¥-也VSTS丁對上式取拉氏反變換得h（t）=KRo（i-e*T）（式2-6），當tT«時）=KR。，因而有K=h(*yR°=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入，當t=T時，h)=KR°(1e-)=0.632KR°=0.632h(*)，式2-6表示一階慣性響應曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)如下圖2-2所示T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(wěn)態(tài)值的63%所對應的時間，就是水箱的時間常數(shù)To該時間常數(shù)T也可以通過坐標原點對響應曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點所對應的時間就是時間常數(shù)T,由響應曲線求得K和T后，就能求得單容水箱

4、的傳遞函數(shù)如式(2-5)所示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，它與時間軸交丁B點，與響應穩(wěn)態(tài)值的漸近線交丁A點。圖中OB即為對象的滯后時BC為對象的時I、啪數(shù)T,所得的傳遞函數(shù)為Hs_Ke7Qis一Ts1四、實驗內(nèi)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F1-1、F1-2、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

5、，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(tài)好的上位監(jiān)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(tǒng)進入正常的測試狀態(tài)。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(jīng)過一定時間的調(diào)節(jié)

6、后，水箱的液位進入新的平衡狀態(tài)。6. 觀察上位機監(jiān)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(jīng)過一定時間的調(diào)節(jié)后，水箱的液位進入新的平衡狀態(tài)。曲線圖如下五、實驗結果與分析單容水箱特性測試結構框圖III1干攜I|遍.rt.U<*&>曲瑚可圍剖'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(shù)和傳遞函數(shù)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(shù)為器；=前根據(jù)圖2-4所示圖2-4其參數(shù)確定過程如下:由機理建模的方法可以列寫其微分方程式為Qo-Q1=Adt設閥門液阻

7、為R有Q化簡后得上里）=一?2一，所以K=R2,T=AR2。1. R2Q1s1AsR2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(tài)的過程。在做實驗的過程中，由丁前期指導老師已經(jīng)將實驗所用系統(tǒng)調(diào)至一個穩(wěn)態(tài)，我們需要做的工作是給一個擾動通過手動調(diào)節(jié)閥門開度使系統(tǒng)穩(wěn)定在一個新的平衡狀態(tài)?？傮w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(lián)系實際的重要性。我也意識到了在專業(yè)課學習中不僅要認真學會理論知識，更要理論聯(lián)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

8、改變出水口閥開度的大?。看鹨驗樵趯嶒炦^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(shù)據(jù)和圖形與實際相差較遠。2. 用響應曲線法確定對象的數(shù)學模型時，其精度與那些因素有關？答因為系統(tǒng)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(shù)K、時間常數(shù)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、

9、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(tǒng)的結構與組成。2、掌握單容液位定值控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定和投運方法。3、研究調(diào)節(jié)器相關參數(shù)的變化對系統(tǒng)靜、動態(tài)性能的影響。4、了解P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對液位控制的作用。5、掌握在FCS控制系統(tǒng)中現(xiàn)場檢測信號的傳送和控制信號的網(wǎng)絡傳輸路徑二、實驗設備1. THJ-FCS型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置。2. 計算機及相關軟件。3. 萬用電表一只。三、實驗原理F1-1福水箱L-S(a>(b)圖1上水箱單容液位定值控制系統(tǒng)（a）結構圖（b）方框圖本實驗系統(tǒng)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

10、水箱）的液位高度，實驗要求它的液位穩(wěn)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(diào)節(jié)器控制氣動調(diào)節(jié)閥的開度，以達到控水箱液位的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應為PI或PID控制。四、實驗內(nèi)容與步驟實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、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(tǒng)進入正常的測試狀態(tài)。4、在

11、上位機監(jiān)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(xiàn)。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、按本意第一節(jié)中的經(jīng)驗法或動態(tài)特性參數(shù)法整定PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并按整定后的PI參數(shù)進行調(diào)節(jié)器參數(shù)設置。7、待液位穩(wěn)定于給定值后，將調(diào)節(jié)器切換到“自動”控制狀態(tài)，待液位平衡后，通過以下幾種方式加十擾：（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(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開至適當開度；（3）將下

12、水箱進水閥F1-8開至適當開度；（改變負載）以上幾種十擾均要求擾動量為控制量的5%15%,十擾過大可能造成水箱中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定。加入十擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時間后，水箱液位穩(wěn)定至新的設定值（采用后面兩種十擾方法仍穩(wěn)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(shù)。8、分別適量改變調(diào)節(jié)器的P及I參數(shù)，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(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應曲線。9、分別用P、PD、PID三種控制規(guī)律重復步驟48,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(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應曲線。五、實驗結果與分析實驗方法確定調(diào)節(jié)器的相關參數(shù)，整定

13、過程如下通過經(jīng)驗法來確定PID參數(shù)，現(xiàn)設置比例系數(shù)K,通過觀察響應曲線的變化，來確定是否需要添加積分環(huán)節(jié)I;如果誤差超過要求范圍，則需要添加積分環(huán)節(jié)I來消除余差；繼續(xù)觀察響應曲線若其動態(tài)性能不能達到要求則添加微分環(huán)節(jié)D,用以滿足系統(tǒng)動靜態(tài)參數(shù)要求。實驗曲線圖及相關分析在系統(tǒng)穩(wěn)定之后給以階躍擾動，由丁PID控制器的調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)趨丁一個新的穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)曲線圖可以看出，該系統(tǒng)能夠仍存在誤差，但是誤差在可允許的范圍內(nèi)，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(shù)對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響P:增大比例系數(shù)K,會使系統(tǒng)的振蕩加劇，穩(wěn)定性變差，但可以減小系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差，加快系統(tǒng)的響應速度

14、。PI:加入積分環(huán)節(jié)的作用是消除余差，但積分環(huán)節(jié)會引起相角滯后，系統(tǒng)的動態(tài)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(tǒng)的穩(wěn)定性逐漸減弱。PID:加入微分環(huán)節(jié)作用是補償對象滯后，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到改善，提高了響應速度，兼顧了動靜態(tài)的控制要求。分析P、PI、PD、PID,四種不同的控制方式對系統(tǒng)的影響P:增大比例系數(shù)K,會使系統(tǒng)的振蕩加劇，穩(wěn)定性變差，但可以減小系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差，加快系統(tǒng)的響應速度。PI:加入積分環(huán)節(jié)的作用是消除余差，但積分環(huán)節(jié)會引起相角滯后，系統(tǒng)的動態(tài)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(tǒng)的穩(wěn)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(wěn)定，同時也減小了過渡過程的時間，改善了被控量動態(tài)響應的品質。PID:加入微分環(huán)節(jié)作用是補償對象滯后，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到改善，提高了響應速度，兼顧了動靜態(tài)的控制要求。六、思考題1