南昌大學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)

南昌大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名：金兆遠(yuǎn)學(xué)號(hào)：6100312301專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化122實(shí)驗(yàn)類型：□驗(yàn)證□綜合□設(shè)計(jì)□創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)日期：實(shí)驗(yàn)成績(jī)：實(shí)驗(yàn)一單容自衡水箱液位特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握單容水箱的階躍響應(yīng)測(cè)試方法，并記錄相應(yīng)液位的響應(yīng)曲線；2．根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的液位階躍響應(yīng)曲線，用相應(yīng)的方法確定被測(cè)對(duì)象的特征參數(shù)K、T和傳遞函數(shù)；3．掌握同一控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1．實(shí)驗(yàn)對(duì)象及控制屏、SA-11掛件一個(gè)、SA-13掛件一個(gè)、SA-14掛件一個(gè)、計(jì)算機(jī)一臺(tái)（DCS需兩臺(tái)計(jì)算機(jī)）、萬(wàn)用表一個(gè)；2．SA-12掛件一個(gè)、RS485/232轉(zhuǎn)換器一個(gè)、通訊線一根；3．SA-21掛件一個(gè)、SA-22掛件一個(gè)、SA-23掛件一個(gè)；4．SA-31掛件一個(gè)、SA-32掛件一個(gè)、SA-33掛件一個(gè)、主控單元一個(gè)、數(shù)據(jù)交換器兩個(gè)，網(wǎng)線四根；5．SA-41掛件一個(gè)、CP5611專用網(wǎng)卡及網(wǎng)線；6．SA-42掛件一個(gè)、PC/PPI通訊電纜一根。三、實(shí)驗(yàn)原理所謂單容指只有一個(gè)貯蓄容器。自衡是指對(duì)象在擾動(dòng)作用下，其平衡位置被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠其自身重新恢復(fù)平衡的過(guò)程。圖2-1所示為單容自衡水箱特性測(cè)試結(jié)構(gòu)圖及方框圖。閥門F1-1、F1-2和F1-8全開(kāi)，設(shè)下水箱流入量為Q1，改變電動(dòng)調(diào)節(jié)閥V1的開(kāi)度可以改變Q1的大小，下水箱的流出量為Q2，改變出水閥F1-11的開(kāi)度可以改變Q2。液位h的變化反映了Q1與Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的過(guò)程。若將Q1作為被控過(guò)程的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型就是h與Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有Q1-Q2=A(2-1)將式(2-1)表示為增量形式ΔQ1-ΔQ2=A(2-2)式中：ΔQ1，ΔQ2，Δh——分別為偏離某一平衡狀態(tài)的增量；A——水箱截面積。在平衡時(shí)，Q1=Q2，＝0；當(dāng)Q1發(fā)生變化時(shí)，液位h隨之變化，水箱出圖2-1單容自衡水箱特性測(cè)試系統(tǒng)口處的靜壓也隨之變化，Q2也發(fā)生變化（a）結(jié)構(gòu)圖（b）方框圖。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線性關(guān)系。但為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，經(jīng)線性化處理后，可近似認(rèn)為Q2與h成正比關(guān)系，而與閥F1-11的阻力R成反比，即ΔQ2=或R=(2-3)式中：R——閥F1-11的阻力，稱為液阻。將式(2-2)、式(2-3)經(jīng)拉氏變換并消去中間變量Q2，即可得到單容水箱的數(shù)學(xué)模型為W0（s）＝＝=(2-4)式中T為水箱的時(shí)間常數(shù)，T＝RC；K為放大系數(shù)，K＝R；C為水箱的容量系數(shù)。若令Q1（s）作階躍擾動(dòng)，即Q1（s）=，x0=常數(shù)，則式(2-4)可改寫(xiě)為H（s）=×=K-對(duì)上式取拉氏反變換得h(t)=Kx0(1-e-t/T)(2-5)當(dāng)t—>∞時(shí)，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有K=＝(2-6)當(dāng)t=T時(shí)，則有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h(∞)(2-7)式（2-5）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2-2（a）所示，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，就是水箱的時(shí)間常數(shù)T。也可由坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線OA，切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn)A所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是該時(shí)間常數(shù)T，由響應(yīng)曲線求得K和T后，就能求得單容水箱的傳遞函數(shù)。圖2-2單容水箱的階躍響應(yīng)曲線如果對(duì)象具有滯后特性時(shí)，其階躍響應(yīng)曲線則為圖2-2（b），在此曲線的拐點(diǎn)D處作一切線，它與時(shí)間軸交于B點(diǎn)，與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于A點(diǎn)。圖中OB即為對(duì)象的滯后時(shí)間τ，BC為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)T，所得的傳遞函數(shù)為：H(S)=(2-8)四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇下水箱作為被測(cè)對(duì)象（也可選擇上水箱或中水箱）。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-8全開(kāi)，將下水箱出水閥門F1-11開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度，其余閥門均關(guān)閉。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟按五種方案分別敘述，這五種方案的實(shí)驗(yàn)與用戶所購(gòu)的硬件設(shè)備有關(guān)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選做或全做。（一）、智能儀表控制1．將“SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制”掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過(guò)RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將“LT3下水箱液位”鈕子開(kāi)關(guān)撥到“ON”的位置。圖2-3儀表控制單容水箱特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)接線圖2．接通總電源空氣開(kāi)關(guān)和鑰匙開(kāi)關(guān)，打開(kāi)24V開(kāi)關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，合上單相Ⅰ、單相Ⅲ空氣開(kāi)關(guān)，給智能儀表及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上電。3．打開(kāi)上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開(kāi)“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)一、單容自衡水箱對(duì)象特性測(cè)試”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)一的監(jiān)控界面。4．在上位機(jī)監(jiān)控界面中將智能儀表設(shè)置為“手動(dòng)”控制，并將輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值，此操作需通過(guò)調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)。5．合上三相電源空氣開(kāi)關(guān)，磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使下水箱的液位處于某一平衡位置，記錄此時(shí)的儀表輸出值和液位值。6．待下水箱液位平衡后，突增（或突減）智能儀表輸出量的大小，使其輸出有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過(guò)大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便離開(kāi)原平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，水箱液位進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，記錄下此時(shí)的儀表輸出值和液位值，液位的響應(yīng)過(guò)程曲線將如圖2-4所示。圖2-4單容下水箱液位階躍響應(yīng)曲線7．根據(jù)前面記錄的液位值和儀表輸出值，按公式（2-6）計(jì)算K值，再根據(jù)圖2-2中的實(shí)驗(yàn)曲線求得T值，寫(xiě)出對(duì)象的傳遞函數(shù)。（二）、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制1．將“SA-22遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊”、“SA-23遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模擬量輸入模塊”掛件掛到屏上，并將掛件上的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過(guò)RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將“LT3下水箱液位”鈕子開(kāi)關(guān)撥到“ON”的位置。2．接通總電源空氣開(kāi)關(guān)和鑰匙開(kāi)關(guān)，打開(kāi)24V開(kāi)關(guān)電源，給智能采集模塊及壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，合上單相Ⅰ空氣開(kāi)關(guān)，給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上電。3．打開(kāi)上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開(kāi)“遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)一、單容自衡水箱對(duì)象特性測(cè)試”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)一的監(jiān)控界面。4．以下步驟請(qǐng)參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～7。圖2-5遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制單容水箱特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)接線圖（三）、S7-300PLC控制1．將“SA-41S7-300PLC控制”掛件掛到屏上，并用MPI通訊電纜線將S7-300PLC連接到計(jì)算機(jī)CP5611專用網(wǎng)卡，并按照下面的控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將“LT3下水箱液位”鈕子開(kāi)關(guān)撥到“ON”的位置。2．接通總電源空氣開(kāi)關(guān)和鑰匙開(kāi)關(guān)，打開(kāi)24V開(kāi)關(guān)電源，給S7-300PLC及壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，合上單相Ⅰ空氣開(kāi)關(guān)，給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上電。3．打開(kāi)Step7軟件，打開(kāi)“S7-300”程序進(jìn)行下載，然后將S7-300PLC置于運(yùn)行狀態(tài)，然后運(yùn)行WinCC組態(tài)軟件，打開(kāi)“S7-300PLC控制系統(tǒng)”工程，然后激活WinCC運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)一、單容自衡水箱對(duì)象特性測(cè)試”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)一的監(jiān)控界面。4．以下步驟請(qǐng)參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～7。圖2-8S7-300PLC控制單容水箱特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)接線圖五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．畫(huà)出單容水箱液位特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖。（a）是結(jié)構(gòu)圖；（b）是方框圖2．根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)及曲線，分析并計(jì)算出單容水箱液位對(duì)象的參數(shù)及傳遞函數(shù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的某個(gè)時(shí)間段的圖形：截取該過(guò)程中的一段，表示單容水箱自衡達(dá)到穩(wěn)定液位的過(guò)程：根據(jù)上圖可知：入水流量到液位的過(guò)程在平衡點(diǎn)處近似為一階慣性環(huán)節(jié)：W0（s）＝＝=式中T為水箱時(shí)間常數(shù)，T＝RC；K為放大系數(shù)，K＝R；C為水箱的容量系數(shù)h(t)=Kx0(1-e-t/T)當(dāng)t—>∞時(shí)，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有K=＝當(dāng)t=T時(shí)，則有：h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h(∞)由圖可知，原來(lái)的穩(wěn)定值為12cm，因此該系統(tǒng)的階躍輸入為12.0cm當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)h(∞)=100cm，因此K=100/12=8.3當(dāng)液面達(dá)到63.2cm時(shí)，由圖上可知，所需的時(shí)間約為28s，則T=28因此，該環(huán)節(jié)模型為W（s）=六、思考題1．做本實(shí)驗(yàn)時(shí)，為什么不能任意改變出水閥F1-11開(kāi)度的大小？答：出水閥F1-11的開(kāi)度是改變出水量Q2的，改變水箱泄水的過(guò)程。在此實(shí)驗(yàn)中是先將出水閥F1-11開(kāi)至適當(dāng)?shù)拈_(kāi)度。之后在單容水箱在穩(wěn)定的過(guò)程中，此閥門是不能任意改變的，因?yàn)橐桓淖兙蜁?huì)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)干擾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，不能正確反映實(shí)驗(yàn)特性。只有當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，要研究輸出量對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定特性影響時(shí)才改變出水閥F1-11。2．用響應(yīng)曲線法確定對(duì)象的數(shù)學(xué)模型時(shí)，其精度與那些因素有關(guān)？答：應(yīng)曲線可能與實(shí)驗(yàn)工作電壓的波動(dòng)，執(zhí)行器的不穩(wěn)定性，和系統(tǒng)的控制參數(shù)比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間及測(cè)量值的波動(dòng)都可能帶來(lái)一定的誤差，造成精度下降，同時(shí)還跟壓力傳感器的精度，閥門開(kāi)度，測(cè)試軟件都有關(guān)系。3．如果采用中水箱做實(shí)驗(yàn)，其響應(yīng)曲線與下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(shí)驗(yàn)，它的響應(yīng)曲線要比下水箱變化到的快。原因：因?yàn)橹兴涞慕孛娣e比下水箱的截面積要小，上升相同的液位高度，下水箱要更長(zhǎng)的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)總結(jié)對(duì)于實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，我們更加了解裝置設(shè)備，以及熟悉了MCGS運(yùn)行環(huán)境。體會(huì)到了到試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定的重要性。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的知道了實(shí)驗(yàn)精度與傳感器的靈敏度，執(zhí)行器的不穩(wěn)定性，系統(tǒng)的控制參數(shù)比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間及測(cè)量值的波動(dòng)都可能有關(guān)，因此我們要通過(guò)分析綜合因素來(lái)分析實(shí)驗(yàn)曲線的形成過(guò)程。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓自己對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也有了進(jìn)一步的了解，收獲頗多。南昌大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名：金兆遠(yuǎn)學(xué)號(hào)：6100312301專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化122實(shí)驗(yàn)類型：□驗(yàn)證□綜合□設(shè)計(jì)□創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)日期：實(shí)驗(yàn)成績(jī)：實(shí)驗(yàn)二單容液位定值控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解單容液位定值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(yùn)方法。3．研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)靜、動(dòng)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(duì)液位控制的作用。5．掌握同一控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備（同前）三、實(shí)驗(yàn)原理圖3-6中水箱單容液位定值控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖3-6所示。被控量為中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，實(shí)驗(yàn)要求中水箱的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器LT2檢測(cè)到的中水箱液位信號(hào)作為反饋信號(hào)，在與給定量比較后的差值通過(guò)調(diào)節(jié)器控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，以達(dá)到控制中水箱液位的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無(wú)靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇中水箱作為被控對(duì)象。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全開(kāi)，將中水箱出水閥門F1-10開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度，其余閥門均關(guān)閉。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟按五種方案分別敘述，這五種方案的實(shí)驗(yàn)與用戶所購(gòu)的硬件設(shè)備有關(guān)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選做或全做。（一）、智能儀表控制1．將“SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制”掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過(guò)RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開(kāi)關(guān)撥到“ON”的位置。圖3-7智能儀表控制單容液位定值控制實(shí)驗(yàn)接線圖2．接通總電源空氣開(kāi)關(guān)和鑰匙開(kāi)關(guān)，打開(kāi)24V開(kāi)關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，合上單相Ⅰ、單相Ⅲ空氣開(kāi)關(guān)，給智能儀表及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上電。3．打開(kāi)上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開(kāi)“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)三、單容液位定值控制系統(tǒng)”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)三的監(jiān)控界面。4．在上位機(jī)監(jiān)控界面中點(diǎn)擊“啟動(dòng)儀表”。將智能儀表設(shè)置為“手動(dòng)”，并將設(shè)定值和輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值，此操作可通過(guò)調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)。5．合上三相電源空氣開(kāi)關(guān)，磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使中水箱的液位平衡于設(shè)定值。6．按本章第一節(jié)中的經(jīng)驗(yàn)法或動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，選擇PI控制規(guī)律，并按整定后的PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。7．待液位穩(wěn)定于給定值后，將調(diào)節(jié)器切換到“自動(dòng)”控制狀態(tài)，待液位平衡后，通過(guò)以下幾種方式加干擾：（1）突增（或突減）儀表設(shè)定值的大小，使其有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化；（此法推薦，后面三種僅供參考）（2）將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度；（3）將下水箱進(jìn)水閥F1-8開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度；（改變負(fù)載）（4）接上變頻器電源，并將變頻器輸出接至磁力泵，然后打開(kāi)閥門F2-1、F2-4，用變頻器支路以較小頻率給中水箱打水。以上幾種干擾均要求擾動(dòng)量為控制量的5％～15％，干擾過(guò)大可能造成水箱中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定。加入干擾后，水箱的液位便離開(kāi)原平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段調(diào)節(jié)時(shí)間后，水箱液位穩(wěn)定至新的設(shè)定值（采用后面三種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值），記錄此時(shí)的智能儀表的設(shè)定值、輸出值和儀表參數(shù)，液位的響應(yīng)過(guò)程曲線將如圖3-8所示。 圖3-8單容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線8．分別適量改變調(diào)節(jié)儀的P及I參數(shù)，重復(fù)步驟7，用計(jì)算機(jī)記錄不同參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。9．分別用P、PD、PID三種控制規(guī)律重復(fù)步驟4～8，用計(jì)算機(jī)記錄不同控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。（二）、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制1．將“SA-22遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊”、“SA-23遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模擬量輸入模塊”掛件掛到屏上，并將掛件上的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過(guò)RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開(kāi)關(guān)撥到“ON”的位置。圖3-9遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制單容液位定值控制實(shí)驗(yàn)接線圖2．接通總電源空氣開(kāi)關(guān)和鑰匙開(kāi)關(guān)，打開(kāi)24V開(kāi)關(guān)電源，給智能采集模塊及壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，合上單相Ⅰ空氣開(kāi)關(guān)，給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上電。3．打開(kāi)上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開(kāi)“遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)三、單容液位定值控制”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)三的監(jiān)控界面。4．以下步驟請(qǐng)參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～9。（三）、S7-300PLC控制1．將掛件SA-41S7-300PLC控制掛件掛到屏上，并用MPI通訊電纜線將S7-300PLC連接到計(jì)算機(jī)CP5611專用網(wǎng)卡，并按照下面的控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開(kāi)關(guān)撥到“ON”的位置。圖3-12S7-300PLC控制單容液位定值控制實(shí)驗(yàn)接線圖2．接通總電源空氣開(kāi)關(guān)和鑰匙開(kāi)關(guān)，打開(kāi)24V開(kāi)關(guān)電源，給S7-300PLC及壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，合上單相Ⅰ空氣開(kāi)關(guān)，給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上電。3．打開(kāi)Step7軟件，打開(kāi)“S7-300”程序進(jìn)行下載，然后將S7-300PLC置于運(yùn)行狀態(tài)，然后運(yùn)行WinCC組態(tài)軟件，打開(kāi)“S7-300PLC控制系統(tǒng)”工程，然后激活WinCC運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)三、單容液位定值控制”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)三的監(jiān)控界面。4．以下步驟請(qǐng)參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～9。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．畫(huà)出單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖。2．用實(shí)驗(yàn)方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，寫(xiě)出整定過(guò)程。實(shí)驗(yàn)過(guò)程的曲線：最初的PID參數(shù)為：環(huán)節(jié)KpTiTd數(shù)值300400.0由圖分析：經(jīng)過(guò)了大概40s后系統(tǒng)趨于設(shè)定值100而且達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)穩(wěn)定時(shí)自動(dòng)閥門開(kāi)度在95%左右。在135至160區(qū)間，改變閥門1-8的開(kāi)度，此時(shí)將系統(tǒng)PID參數(shù)設(shè)定為：環(huán)節(jié)KpTiTd數(shù)值150400.0由圖可以看到，由于改變了閥門的開(kāi)度，實(shí)際的液位下降到大概90mm時(shí)，呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，在時(shí)間到達(dá)180左右，系統(tǒng)又一次趨于穩(wěn)定，此時(shí)自動(dòng)閥門的開(kāi)度約為71%。在時(shí)間260左右再一次改變閥門1-8的開(kāi)度，并再一次設(shè)定PID參數(shù)：環(huán)節(jié)KpTiTd數(shù)值1502000.0由圖分析：增大了積分時(shí)間，由響應(yīng)曲線可以看出，系統(tǒng)在時(shí)間280左右趨于穩(wěn)定。在時(shí)間段330時(shí)，再設(shè)定PID參數(shù)：環(huán)節(jié)KpTiTd數(shù)值1502001.0由圖分析：增加了微分以后，從響應(yīng)曲線可知，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，但趨于穩(wěn)定以后。動(dòng)態(tài)誤差減小了。使得系統(tǒng)更加趨于設(shè)定值。3．根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下的靜、動(dòng)態(tài)性能。分析：系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下，當(dāng)比例系數(shù)較大時(shí)，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差也較大，這是因?yàn)楸壤禂?shù)會(huì)加大幅值；在加入微分環(huán)節(jié)以后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差明顯減小，但調(diào)節(jié)時(shí)間卻延長(zhǎng)，這是因?yàn)槲⒎志哂谐暗淖饔?，可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度。4．比較不同PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。Ti：為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零，但由于積分項(xiàng)的存在會(huì)使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間增大。因此，PI控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。Kp：起放大誤差的幅值，快速抵消干擾的影響，使系統(tǒng)上升時(shí)間降低，如果僅有比例環(huán)節(jié)，系統(tǒng)會(huì)存在穩(wěn)態(tài)誤差。Td：自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)，在控制器中僅引入“比例P”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)。這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，PD控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。5．分析P、PI、PD、PID四種控制規(guī)律對(duì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的作用。P：是基本的控制作用，比例調(diào)節(jié)對(duì)控制作用和擾動(dòng)作用的響應(yīng)都很快但會(huì)帶來(lái)余差。PI：PI調(diào)節(jié)中P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時(shí)利用I調(diào)節(jié)消除殘差，但是I調(diào)節(jié)會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PD：由于微分的超前作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，振蕩周期變短，減小了誤差，但是微分抗干擾能力差，且微分過(guò)大，易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動(dòng)作向兩端飽和。PID：常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一種調(diào)節(jié)器，具有各類調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)，具有更高的控制質(zhì)量。六、思考題1．如果采用下水箱做實(shí)驗(yàn)，其響應(yīng)曲線與中水箱的曲線有什么異同？并分析差異原因。答：采用下水箱實(shí)驗(yàn)，其滯后時(shí)間會(huì)更短原因：因?yàn)樗幕芈纷兊酶?，其響?yīng)曲線會(huì)上升的更快2．改變比例度δ和積分時(shí)間TI對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生什么影響？答：①改變比例度使讓調(diào)節(jié)器的的參數(shù)改變，這可能讓系統(tǒng)穩(wěn)定性受一定程度的影響，增大比例度會(huì)使得其超調(diào)量增大，使得系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。②改變積分時(shí)間會(huì)使得系統(tǒng)的精度提高，但是可能造成積分飽和。實(shí)驗(yàn)總結(jié)PID控制是我們?cè)谧詣?dòng)控制理論中學(xué)到的知識(shí)，是為了調(diào)整系統(tǒng)使其穩(wěn)定性達(dá)到人們的控制要求。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們可以更加直觀清晰的感受到系統(tǒng)微妙的變化。實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作展示在此時(shí)此刻表現(xiàn)的淋漓盡致。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們算是第一次嘗試真正去控制一個(gè)系統(tǒng)，并且把他調(diào)到最優(yōu)狀態(tài)。

南昌大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名：金兆遠(yuǎn)學(xué)號(hào)：6100312301專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化122實(shí)驗(yàn)類型：□驗(yàn)證□綜合□設(shè)計(jì)□創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)日期：實(shí)驗(yàn)成績(jī)：實(shí)驗(yàn)三水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)組成原理。2．掌握水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定與投運(yùn)方法。3．了解階躍擾動(dòng)分別作用于副對(duì)象和主對(duì)象時(shí)對(duì)系統(tǒng)主控制量的影響。4．掌握液位串級(jí)控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備（同前）三、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)為水箱液位的串級(jí)控制系統(tǒng)，它是由主控、副控兩個(gè)回路組成。主控回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為下水箱，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量。副控回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為中水箱，又稱副對(duì)象，中水箱的液位為系統(tǒng)的副控制量。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，因而副控回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器的的輸出直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而達(dá)到控制下水箱液位的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無(wú)靜差控制，系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。由于副控回路的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化規(guī)律，對(duì)副參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能和余差無(wú)特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P調(diào)節(jié)器。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖5-2所示。圖5-2水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇中水箱和下水箱串聯(lián)作為被控對(duì)象（也可選擇上水箱和中水箱）。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-7全開(kāi)，將中水箱出水閥門F1-10、下水箱出水閥門F1-11開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度（要求閥F1-10稍大于閥F1-11），其余閥門均關(guān)閉。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟按五種方案分別敘述，這五種方案的實(shí)驗(yàn)與用戶所購(gòu)的硬件設(shè)備有關(guān)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選做或全做。（一）、智能儀表控制1．將兩個(gè)SA-12掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過(guò)RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開(kāi)關(guān)撥到“OFF”的位置，將“LT3下水箱液位”鈕子開(kāi)關(guān)撥到“ON”的位置。圖5-3智能儀表控制水箱液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)接線圖2．接通總電源空氣開(kāi)關(guān)和鑰匙開(kāi)關(guān)，打開(kāi)24V開(kāi)關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，合上單相Ⅰ、單相Ⅲ空氣開(kāi)關(guān)，給智能儀表1及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上電。3．打開(kāi)上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開(kāi)“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)十、水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)十的監(jiān)控界面。4．在上位機(jī)監(jiān)控界面中點(diǎn)擊“啟動(dòng)儀表1”、“啟動(dòng)儀表2”。將主控儀表設(shè)置為“手動(dòng)”，并將輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值，此操作可通過(guò)調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)。5．合上三相電源空氣開(kāi)關(guān)，磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適當(dāng)增加/減少主調(diào)節(jié)器的輸出量，使下水箱的液位平衡于設(shè)定值，且中水箱液位也穩(wěn)定于某一值（此值一般為3～5cm，以免超調(diào)過(guò)大，水箱斷流或溢流）。6．按本章第一節(jié)中任一種整定方法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，并按整定得到的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器設(shè)定。7．待液位穩(wěn)定于給定值時(shí)，將調(diào)節(jié)器切換到“自動(dòng)”狀態(tài)，待液位平衡后，通過(guò)以下幾種方式加干擾：（1）突增（或突減）儀表設(shè)定值的大小，使其有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化；（2）打開(kāi)閥門F2-1、F2-4（或F2-5），用變頻器支路以較小頻率給中水箱(或下水箱)打水。（干擾作用在主對(duì)象或副對(duì)象）（3）將閥F1-5、F1-13開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度（改變負(fù)載）；（4）將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度；以上幾種干擾均要求擾動(dòng)量為控制量的5％～15％，干擾過(guò)大可能造成水箱中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定。加入干擾后，水箱的液位便離開(kāi)原平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段調(diào)節(jié)時(shí)間后，水箱液位穩(wěn)定至新的設(shè)定值（后面三種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值），記錄此時(shí)的智能儀表的設(shè)定值、輸出值和儀表參數(shù)，下水箱液位的響應(yīng)過(guò)程曲線將如圖5-4所示。 圖5-4下水箱液位階躍響應(yīng)曲線8．適量改變主、副控調(diào)節(jié)儀的PID參數(shù)，重復(fù)步驟7，用計(jì)算機(jī)記錄不同參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。（二）、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制1．將掛件SA-22遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊、SA-23遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模擬量輸入模塊掛到屏上，并將掛件上的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過(guò)RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”、“LT3下水箱液位”鈕子開(kāi)關(guān)均撥到“ON”的位置。圖5-5遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制水箱液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)接線圖2．接通總電源空氣開(kāi)關(guān)和鑰匙開(kāi)關(guān)，打開(kāi)24V開(kāi)關(guān)電源，給智能采集模塊及壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，合上單相Ⅰ空氣開(kāi)關(guān)，給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上電。3．打開(kāi)上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開(kāi)“遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)十、水箱液位串級(jí)控制”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)十的監(jiān)控界面。4．以下步驟請(qǐng)參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～8。（三）、S7-300PLC控制1．將掛件SA-41S7-300PLC控制掛件掛到屏上，并用MPI通訊電纜線將S7-300PLC連接到計(jì)算機(jī)CP5611專用網(wǎng)卡，并按照下面的控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”、“LT3下水箱液位”鈕子開(kāi)關(guān)均撥到“ON”的位置。2．接通總電源空氣開(kāi)關(guān)和鑰匙開(kāi)關(guān)，打開(kāi)24V開(kāi)關(guān)電源，給S7-300PLC及壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，合上單相Ⅰ空氣開(kāi)關(guān)，給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上電。3．打開(kāi)Step7軟件，打開(kāi)“S7-300”程序進(jìn)行下載，然后運(yùn)行WinCC組態(tài)軟件，打開(kāi)“S7-300PLC控制系統(tǒng)”工程，然后激活WinCC運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)十、水箱液位串級(jí)控制”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)十的監(jiān)控界面。4．以下步驟請(qǐng)參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～8。圖5-8S7-300PLC控制水箱液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)接線圖五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．畫(huà)出水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。2．用實(shí)驗(yàn)方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，并寫(xiě)出整定過(guò)程。設(shè)定主副調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)：主調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定：參數(shù)KpTiTd數(shù)值300.020.00.0副調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定：參數(shù)KpTiTd數(shù)值150.00.00.0分析：實(shí)驗(yàn)中上水箱作為主調(diào)節(jié)器，中水箱作為副調(diào)節(jié)器，由串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)知道：上水箱的輸出作為中水箱的輸入，由系統(tǒng)響應(yīng)曲線可知，在系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)按經(jīng)驗(yàn)選取為150，積分時(shí)間和微分時(shí)間都為0，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上；然后按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，改變給定值，根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)和副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)的匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使得主參數(shù)品質(zhì)最佳；如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度和增大積分時(shí)間即可改善系統(tǒng)性能。實(shí)驗(yàn)中主調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)設(shè)定為300，積分時(shí)間20，由圖可知設(shè)定了積分時(shí)間，減少了振蕩，是系統(tǒng)更穩(wěn)定。3．根據(jù)擾動(dòng)分別作用于主、副對(duì)象時(shí)系統(tǒng)輸出的響應(yīng)曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下的靜、動(dòng)態(tài)性能。由曲線可知：系統(tǒng)在受到階躍擾動(dòng)的情況下，若增大系統(tǒng)的比例放大系數(shù)，則會(huì)縮短振蕩周期，能夠快速消除干擾，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，但是此時(shí)系統(tǒng)的靜態(tài)誤差將會(huì)變大。若增大積分時(shí)間常數(shù)，也可以起到快速消除干擾的作用，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，此時(shí)若增加微分環(huán)節(jié)，則會(huì)使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差減小，但是增加微分后的系統(tǒng)抗干擾的能力會(huì)下降。4．分析主、副調(diào)節(jié)器采用不同PID參數(shù)時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。主調(diào)節(jié)器：P的大小與對(duì)上水箱的控制作用和對(duì)主環(huán)擾動(dòng)作用的響應(yīng)有著直接的作用，P越大，當(dāng)上水箱即主環(huán)受到擾動(dòng)時(shí)能快速消除對(duì)它的擾動(dòng)；I是主調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)，積分時(shí)間常數(shù)越大，對(duì)于主環(huán)的抗干擾能力就越強(qiáng)，調(diào)節(jié)時(shí)間也就越短，D是主環(huán)的微分時(shí)間常數(shù)，增大它可以減小主環(huán)的靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差，但是會(huì)降低主環(huán)的抗干擾能力。副調(diào)節(jié)器：P越大對(duì)副環(huán)即中水箱的控制作用和抗干擾能力就越強(qiáng)，是系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越短，I是副調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)，I越大，對(duì)副環(huán)的抗干擾能力就越強(qiáng)，調(diào)節(jié)時(shí)間也越短，副調(diào)節(jié)器可不用D控制作用。六、思考題1．試述串級(jí)控制系統(tǒng)為什么對(duì)主擾動(dòng)（二次擾動(dòng)）具有很強(qiáng)的抗擾能力？如果副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)與主對(duì)象的時(shí)間常數(shù)大小接近時(shí)，二次擾動(dòng)對(duì)主控制量的影響是否仍很小，為什么？答：答：當(dāng)擾動(dòng)進(jìn)入副回路后，首先，副被控變量檢測(cè)到擾動(dòng)的影響，并通過(guò)副回路的定值控制作用，及時(shí)調(diào)節(jié)操縱變量，使副被控變量回副到設(shè)定值，也使擾動(dòng)對(duì)主被控變量的影響減少。即副回路對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行粗調(diào)，主回路對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行細(xì)調(diào)，因此串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副環(huán)擾動(dòng)（二次擾動(dòng)）具有很強(qiáng)的抗擾能力。如果副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)與主對(duì)象的時(shí)間常數(shù)大小接近時(shí)將很有可能發(fā)生共振現(xiàn)象，使得副環(huán)的工作頻率處于諧振頻率，其相角接近180度，從而使副環(huán)增益為負(fù)，形成正反饋，出現(xiàn)共振現(xiàn)象，二次擾動(dòng)對(duì)主控制量的影響將會(huì)很大。2．當(dāng)一次擾動(dòng)作用于主對(duì)象時(shí)，試問(wèn)由于副回路的存在，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能比單回路系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有何改進(jìn)？答：當(dāng)一次擾動(dòng)作用于主對(duì)象時(shí)，由于副回路的存在，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能比單回路系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)在于：副被控變量檢測(cè)到擾動(dòng)的影響，并通過(guò)副回路的定制控制作用，及時(shí)調(diào)節(jié)操縱變量，使副被控變量恢復(fù)到副設(shè)定值，也使擾動(dòng)對(duì)主被控變量的影響減少。即副環(huán)回路對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行粗調(diào)，主環(huán)回路對(duì)對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行細(xì)調(diào)。因而使系統(tǒng)能更快的趨于穩(wěn)定，調(diào)整時(shí)間縮短，并且比較準(zhǔn)確的恢復(fù)到最開(kāi)始的設(shè)定值。3．串級(jí)控制系統(tǒng)投運(yùn)前需要作好那些準(zhǔn)備工作？主、副調(diào)節(jié)器的正反作用方向如副控制器為何確定？答：串級(jí)控制系統(tǒng)投運(yùn)前需要作好那些準(zhǔn)備工作：串級(jí)控制系統(tǒng)投運(yùn)前需要將主、副控制器的參數(shù)整定好，設(shè)置好主回路的設(shè)定值，同時(shí)要設(shè)置好實(shí)驗(yàn)裝置各個(gè)開(kāi)關(guān)的初始狀態(tài)。主、副調(diào)節(jié)器的正反作用方向的確定方式：①根據(jù)安全運(yùn)行準(zhǔn)則，選擇控制閥的氣開(kāi)和氣關(guān)類型②根據(jù)工藝條件確定副被控對(duì)象的特性。操縱變量增加時(shí)，副被控變量增加，kp2為正，反之為負(fù)③根據(jù)負(fù)反饋準(zhǔn)則，確定副控制器正反作用。④根據(jù)工藝條件確定主被控對(duì)象的特性。操縱變量增加時(shí)，主被控變量增加，kp2為正，反之為負(fù)⑤根據(jù)負(fù)反饋準(zhǔn)則，確定主控制器正反作用。⑥根據(jù)負(fù)反饋準(zhǔn)則，確定在主控方式時(shí)主控制器正反作用是否要更換。當(dāng)副控制器是反作用控制時(shí)，主控制器從串級(jí)方式切換到主控方式時(shí)，不需要更換主控制器的作用方式。當(dāng)副控制器是正作用控制時(shí)，主控制器從串級(jí)方式切換到主控方式時(shí)，為保證主控制系統(tǒng)為負(fù)反饋，應(yīng)更換為原來(lái)的的作用方式。4．為什么本實(shí)驗(yàn)中的副調(diào)節(jié)器為比例（P）調(diào)節(jié)器？答：因?yàn)楦被芈芳仁请S動(dòng)控制系統(tǒng)又是定值控制系統(tǒng)，對(duì)于消除余差沒(méi)有要求可不采用I，所以通常選用大比例度的P控制作用。5．改變副調(diào)節(jié)器的比例度，對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和抗擾動(dòng)性能有何影響，試從理論上給予說(shuō)明。v答：一定范圍內(nèi)，副控制器P參數(shù)增大，副回路輸出最大動(dòng)態(tài)偏差增大，振蕩周期和回復(fù)周期更短，振蕩更劇烈，使得副控制器的輸出更有利于及時(shí)跟蹤主控制器的輸出，及時(shí)調(diào)節(jié)執(zhí)行器的輸出，使得串級(jí)控制系統(tǒng)更有利于及時(shí)克服進(jìn)入副環(huán)擾動(dòng)的影響，提高控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，提高抗干擾能力，但P參數(shù)過(guò)大會(huì)使得副控制器的輸出余差增大，導(dǎo)致副控制器反映主控制器輸出的精確性。6．評(píng)述串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量高的原因？答：原因：能迅速客服進(jìn)入副回路擾動(dòng)；改善致空氣Gc2的廣義對(duì)象特性，提高工作效率；自適應(yīng)能力加強(qiáng)；能夠更精確控制操縱變量的流量；可實(shí)現(xiàn)更靈活的操作方式。七、實(shí)驗(yàn)總結(jié)在此次實(shí)驗(yàn)中，對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)的工作原理更加的熟悉了，了解了PID各環(huán)節(jié)的作用，及對(duì)系統(tǒng)的性能的影響。對(duì)系統(tǒng)的整體調(diào)試中，在對(duì)其進(jìn)行細(xì)調(diào)時(shí)，首先調(diào)節(jié)積分環(huán)節(jié)和比例環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的衰減率達(dá)到要求，同時(shí)也系統(tǒng)超調(diào)量減小了，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PID系統(tǒng)有很好的穩(wěn)定特性，同時(shí)響應(yīng)時(shí)間比較短，系統(tǒng)干擾能力強(qiáng)，所以在主調(diào)節(jié)器中常用PID控制。南昌大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名：金兆遠(yuǎn)學(xué)號(hào)：6100312301專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化122班實(shí)驗(yàn)類型：□驗(yàn)證□綜合□設(shè)計(jì)□創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)日期：實(shí)驗(yàn)成績(jī)：實(shí)驗(yàn)四、單(雙)閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)組成。2．掌握比(雙)值系數(shù)的計(jì)算方法。3．掌握比(雙)值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定與投運(yùn)方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1．實(shí)驗(yàn)對(duì)象及控制屏、SA-11掛件一個(gè)、SA-13掛件一個(gè)、SA-14掛件一個(gè)、計(jì)算機(jī)一臺(tái)（DCS需兩臺(tái)計(jì)算機(jī)）、萬(wàn)用表一個(gè)；2．SA-12掛件一個(gè)、RS485/232轉(zhuǎn)換器一個(gè)、通訊線一根；3．SA-21掛件一個(gè)、SA-22掛件一個(gè)、SA-23掛件一個(gè)；4．SA-31掛件一個(gè)、SA-32掛件一個(gè)、SA-33掛件一個(gè)、主控單元一個(gè)、數(shù)據(jù)交換器兩個(gè)，網(wǎng)線四根；5．SA-41掛件一個(gè)、CP5611專用網(wǎng)卡及網(wǎng)線；6．SA-42掛件一個(gè)、PC/PPI通訊電纜一根。三、實(shí)驗(yàn)原理在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,往往需要幾種物料以一定的比例混合參加化學(xué)反應(yīng)。如果比例失調(diào)，則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的降低、原料的浪費(fèi)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生事故。這種用來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)之間保持一定比值關(guān)系的過(guò)程控制系統(tǒng)，均稱為比值控制系統(tǒng)。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)。其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)中有兩條支路，一路是來(lái)自于電動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路的流量Q1，它是一個(gè)主流量；另一路是來(lái)自于變頻器—磁力泵支路的流量Q2，它是系統(tǒng)的副流量。要求副流量Q2能跟隨主流量Q1的變化而變化，而且兩者之間保持一個(gè)定值的比例關(guān)系，即Q2/Q1=K。圖1單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖由圖中可以看出副流量是一個(gè)閉環(huán)控制回路，當(dāng)主流量不變，而副流量受到擾動(dòng)時(shí)，則可通過(guò)副流量的閉合回路進(jìn)行定值控制；當(dāng)主流量受到擾動(dòng)時(shí)，副流量按一定比例跟隨主流量變化，顯然，單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)的總流量是不固定的。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)。其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該系統(tǒng)中有兩條支路，一路是來(lái)自于電動(dòng)閥支路的流量Q1，它是一個(gè)主流量；另一路是來(lái)自于變頻器—磁力泵支路的流量Q2，它是系統(tǒng)的副流量。要求副流量Q2能跟隨主流量Q1的變化而變化，而且兩者間保持一個(gè)定值的比例關(guān)系，即Q2/Q1=K。圖2雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖由圖中可以看出雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)是由一個(gè)定值控制的主流量回路和一個(gè)跟隨主流量變化的副流量控制回路組成，主流量回路能克服主流量擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其定值控制。副流量控制回路能抑制作用于副回路中的擾動(dòng)，當(dāng)擾動(dòng)消除后，主副流量都回復(fù)到原設(shè)定值上，其比值不變。顯然，雙閉環(huán)流量控制系統(tǒng)的總流量是固定不變的。四、比值系數(shù)的計(jì)算設(shè)流量變送器的輸出電流與輸入流量間成線性關(guān)系，即當(dāng)流量Q由0～Qmax變化時(shí)，相應(yīng)變送器的輸出電流為4～20mA。由此可知，任一瞬時(shí)主流量Q1和副流量Q2所對(duì)應(yīng)變送器的輸出電流分別為I1＝(6-1)I2＝(6-2)式中Q1max和Q2max分別為Q1和Q2最大流量值，即渦輪流量計(jì)測(cè)量上限，由于兩只渦輪流量計(jì)完全相同，所以有Q1max＝Q2max。設(shè)工藝要求Q2/Q1＝K，則式（6-1）、（6-2）可改寫(xiě)為Q1＝Q1max(6-3)Q2＝Q2max(6-4)于是求得＝×＝(6-5)折算成儀表的比值系數(shù)K′為K′＝K×＝K(6-6)五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇電動(dòng)閥支路和變頻器支路組成流量比值控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-8、F1-11、F2-1、F2-5全開(kāi)，其余閥門均關(guān)閉。具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟按四種方案分別敘述，這四種方案的實(shí)驗(yàn)與用戶所購(gòu)的硬件設(shè)備有關(guān)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選做或全做。（一）、智能儀表控制1．將兩個(gè)SA-12掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過(guò)RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將“FT1電動(dòng)閥支路流量”鈕子開(kāi)關(guān)撥到“ON”的位置，將“FT2變頻器支路流量”鈕子開(kāi)關(guān)撥到“OFF”的位置。圖6-2智能儀表控制單閉環(huán)流量比值控制實(shí)驗(yàn)接線圖2．本實(shí)驗(yàn)采用兩只智能儀表，其中控制主流量的調(diào)節(jié)儀1運(yùn)行在“手動(dòng)”狀態(tài)，即主流量控制回路開(kāi)環(huán)，而控制副流量的調(diào)節(jié)儀2則處于“自動(dòng)”狀態(tài)，即副流量控制回路閉環(huán)運(yùn)行。3．接通總電源空氣開(kāi)關(guān)和鑰匙開(kāi)關(guān)，打開(kāi)24V開(kāi)關(guān)電源，給渦輪流量計(jì)上電，按下啟動(dòng)按鈕，合上單相Ⅰ、單相Ⅲ空氣開(kāi)關(guān)，給智能儀表及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上電。4．打開(kāi)上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開(kāi)“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)十七、單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)十七的監(jiān)控界面。5．在上位機(jī)監(jiān)控界面中將智能儀表1設(shè)置為“手動(dòng)”輸出，并將輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值。此操作也可通過(guò)調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)。6．合上單相Ⅱ和三相電源空氣開(kāi)關(guān)，變頻器及磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使電動(dòng)閥支路流量平衡于設(shè)定值。用萬(wàn)用表測(cè)量比值器的輸入電壓Uin和輸出電壓Uout，并調(diào)節(jié)比值器上的電位器，使得K′＝(6-7)7．選擇PI控制規(guī)律，并按照單回路調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法整定副流量回路的調(diào)節(jié)器參數(shù)，并按整定后的PI參數(shù)進(jìn)行副流量調(diào)節(jié)儀2的參數(shù)設(shè)置，同時(shí)將智能儀表2投入自動(dòng)運(yùn)行。8．待變頻器支路流量穩(wěn)定于給定值后，通過(guò)以下幾種方式加干擾：（1）突增（或突減）儀表1輸出值的大小，使其有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化；（2）將中水箱進(jìn)水閥F2-4開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度（副流量擾動(dòng)）。（3）將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度；（4）將中水箱進(jìn)水閥F1-7開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度；以上幾種干擾均要求擾動(dòng)量為控制量的5％～15％，干擾過(guò)大可能造成水箱中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定。流量的響應(yīng)過(guò)程曲線將如圖3-7所示。 圖6-3變頻器支路流量階躍響應(yīng)曲線9．分別適量改變調(diào)節(jié)儀2的P及I參數(shù)，重復(fù)步驟8，用計(jì)算機(jī)記錄不同參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。10．適量改變比值器的比例系數(shù)K′，觀察副流量Q2的變化，并記錄相應(yīng)的動(dòng)態(tài)曲線。（二）、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制1．將掛件SA-22遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊、SA-23遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模擬量輸入模塊掛