《過(guò)程控制系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)報(bào)告

過(guò)程控制系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)院：電氣學(xué)院專業(yè)：自動(dòng)化班級(jí)：姓名及學(xué)號(hào)：日期：實(shí)驗(yàn)一、單容水箱特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆諉稳菟潆A躍響應(yīng)測(cè)試方法，并記錄相應(yīng)液位的響應(yīng)曲線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的液位階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法確定被測(cè)對(duì)象的特征參數(shù)T和傳遞函數(shù)。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備THJ-FCS型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件。萬(wàn)用電表一只。三、 實(shí)驗(yàn)原理由圖2-1可知，對(duì)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(dòng)閥V1和V2的開度都為定值，Q2為水箱中流出的流量。根據(jù)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(guān)系，在平衡狀態(tài)時(shí)Q-料平衡關(guān)系，在平衡狀態(tài)時(shí)Q-Q二01020（式2-2）式中V為水箱的貯水容積，（式2-1），動(dòng)態(tài)時(shí)，則有Qi-Q廣字，

dV為水貯存量的變化率，它與h的關(guān)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(guān),2S式2-5）為單容水箱的傳遞函數(shù)。若令Q(S)=o,R=常數(shù)，則式2-5可表示為H(S)= x—o=K—o— &-1s0 S+1ssS+丄T T對(duì)上式取拉氏反變換得hC)=KRG-e-1/t)(式2-6)，當(dāng)tTa時(shí)h(s)=KR,因0而有K=h（a）/R=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入，當(dāng)t=T時(shí)，0h（T）=KR（1—e-1）=0.632KR=0.632h（a），式2-6表示一階慣性響應(yīng)曲線是一單00調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)如下圖2-2所示當(dāng)由實(shí)驗(yàn)求得圖2-2所示的階躍響應(yīng)曲線后，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)。該時(shí)間常數(shù)T也可以通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(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)如式（2-5）所示。lh(t)h㈣..A…―0T——T—一U如果對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線為圖2-3，則在此曲線的拐點(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

t,BC為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)T,所得的傳遞函數(shù)為坐二◎。Q&丿Ts+11四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇上水箱作為被測(cè)對(duì)象（也可選擇中水箱或下水箱）。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)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(dāng)開度,其余閥門均關(guān)閉。1、接通控制柜和控制臺(tái)的相關(guān)電源，并啟動(dòng)磁力驅(qū)動(dòng)泵，接通空壓機(jī)電源?？刂乒駸o(wú)需接線。2、 打開作上位控制的PC機(jī)，點(diǎn)擊“開始”菜單，選擇彈出菜單中的'SIMATIC”選項(xiàng)，再點(diǎn)擊彈出菜單中的“WINCC”，再選擇彈出菜單中的“WINCCCONTROLCENTER5.0”，進(jìn)入WINCC資源管理器，打開組態(tài)好的上位監(jiān)控程序，點(diǎn)擊管理器工具欄上的“激活（運(yùn)行）”按鈕，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)主界面。3、 鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“一階單容水箱對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)”，系統(tǒng)進(jìn)入正常的測(cè)試狀態(tài)。4．在上位機(jī)實(shí)驗(yàn)界面窗口給定閥門開度值（既可拉動(dòng)輸出值旁邊的滾動(dòng)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(jī)實(shí)驗(yàn)界面窗口改變給定的閥門開度值，使其輸出有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化（此增量不宜過(guò)大，以免水箱中水溢出），使水箱液位上升或下降，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的調(diào)節(jié)后，水箱的液位進(jìn)入新的平衡狀態(tài)。6．觀察上位機(jī)監(jiān)控界面上水箱液位的歷史曲線和階躍響應(yīng)曲線。在上位機(jī)實(shí)驗(yàn)界面改變閥門開度值，使其輸出有一正（或負(fù)）階躍增量的變化，使水箱液位上升或下降，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的調(diào)節(jié)后，水箱的液位進(jìn)入新的平衡狀態(tài)。曲線圖如下電動(dòng)調(diào)節(jié)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(dòng)調(diào)節(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1.單容水箱特性測(cè)試結(jié)構(gòu)框圖oo(ocooo(soo.aaso.?w))olooo—oooo100.130.}S:1SO.46.00單容水箱特性測(cè)試結(jié)構(gòu)框圖分析計(jì)算單容水箱液位對(duì)象時(shí)的參數(shù)和傳遞函數(shù)由實(shí)驗(yàn)原理及結(jié)構(gòu)框圖可知，單容水箱液位對(duì)象的傳遞函數(shù)為坐二一匚QIs丿Ts+11其參數(shù)確定過(guò)程如下：根據(jù)圖2-4所示由機(jī)理建模的方法可以列寫其微分方程式dH根據(jù)圖2-4所示由機(jī)理建模的方法可以列寫其微分方程式dH為叫一鋁=人頁(yè)圖2-4圖2-4設(shè)閥門液阻為R有Qo有Qo…一H(s) R化簡(jiǎn)后得一= 2——Q&丿1+AsR12,所以K=R,T=AR。22實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)在此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，主要學(xué)習(xí)到的知識(shí)是單容過(guò)程的工作原理和在給擾動(dòng)后恢復(fù)平衡狀態(tài)的過(guò)程。在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，由于前期指導(dǎo)老師已經(jīng)將實(shí)驗(yàn)所用系統(tǒng)調(diào)至一個(gè)穩(wěn)態(tài)，我們需要做的工作是給一個(gè)擾動(dòng)通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度使系統(tǒng)穩(wěn)定在一個(gè)新的平衡狀態(tài)?？傮w感覺實(shí)驗(yàn)比較簡(jiǎn)單，但是所包含的理論知識(shí)卻不少。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中更加體會(huì)到了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性。我也意識(shí)到了在專業(yè)課學(xué)習(xí)中不僅要認(rèn)真學(xué)會(huì)理論知識(shí)，更要理論聯(lián)系實(shí)驗(yàn)，認(rèn)真把握好每次做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，認(rèn)真實(shí)驗(yàn)，更加深入的理解理論知識(shí)。五、 思考題1．在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，為什么不能任意改變出水口閥開度的大??？答因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中,任意改變出水口閥開度會(huì)影響出水流量的大小。在入水量不變的情況下,這樣會(huì)使實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)和圖形與實(shí)際相差較遠(yuǎn)。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)？答因?yàn)橄到y(tǒng)用到了儀表,因此與儀表的精度有關(guān),同時(shí)與出水閥開度的大小有關(guān)。并和放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T以及純滯后時(shí)間有關(guān)。另外，也會(huì)受實(shí)驗(yàn)室電壓的波動(dòng)與測(cè)試軟件的影響。3、如果采用中水箱做實(shí)驗(yàn)，其響應(yīng)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(shí)驗(yàn)，它的響應(yīng)曲線要比上水箱變化的慢。原因:因?yàn)橹兴涞幕芈繁壬纤涞幕芈芬L(zhǎng)，上升相同的液位高度中水箱要更長(zhǎng)的時(shí)間實(shí)驗(yàn)二、上水箱液位PID整定實(shí)驗(yàn)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、 掌握在FCS控制系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)的傳送和控制信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備THJ-FCS型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件。萬(wàn)用電表一只。三、 實(shí)驗(yàn)原理>CPU<a) <b)圖1上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。被控量為上水箱(也可采用中水箱或下水箱)的液位高度，實(shí)驗(yàn)要求它的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器LT1檢測(cè)到的上水箱液位信號(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)器控制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，以達(dá)到控水箱液位的目的。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)容與步驟實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)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(dāng)開度，其余閥門均關(guān)閉。1、接通控制柜和控制臺(tái)電源電源，并啟動(dòng)磁力驅(qū)動(dòng)泵和空壓機(jī)。2、 打開作上位控制的PC機(jī)，，進(jìn)入的實(shí)驗(yàn)主界面。3、 鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“上水箱液位PID整定實(shí)驗(yàn)”，系統(tǒng)進(jìn)入正常的測(cè)試狀態(tài)。4、 在上位機(jī)監(jiān)控界面中點(diǎn)擊“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)設(shè)定值或輸出值旁邊相應(yīng)的滾動(dòng)條或輸出輸入框來(lái)實(shí)現(xiàn)。5、 啟動(dòng)磁力驅(qū)動(dòng)泵，磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適當(dāng)增加/減少輸出量，使上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PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，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）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，后面兩種僅供參考）（2）將氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或Fl-4（同電磁閥）開至適當(dāng)開度；（3）將下水箱進(jìn)水閥F1-8開至適當(dāng)開度；（改變負(fù)載）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（采用后面兩種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值），觀察計(jì)算機(jī)記錄此時(shí)的設(shè)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(fù)步驟7,通過(guò)實(shí)驗(yàn)界面下邊的按鈕切換觀察計(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。9、 分別用P、PD、PID三種控制規(guī)律重復(fù)步驟4?8,通過(guò)實(shí)驗(yàn)界面下邊的按鈕切換觀察計(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。五、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖啊節(jié)鼻一A弋動(dòng)啊節(jié)鼻一A弋動(dòng)H—A實(shí)驗(yàn)方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)龜定過(guò)程如下通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法來(lái)確定PID參數(shù)，現(xiàn)設(shè)置比例系數(shù)K,通過(guò)觀察響應(yīng)曲線的變化，來(lái)確定是否需要添加積分環(huán)節(jié)I;如果誤差超過(guò)要求范圍，則需要添加積分環(huán)節(jié)I來(lái)消除余差；繼續(xù)觀察響應(yīng)曲線若其動(dòng)態(tài)性能不能達(dá)到要求則添加微分環(huán)節(jié)D，用以滿足系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)參數(shù)要求。3.實(shí)驗(yàn)曲線圖及相關(guān)分析在系統(tǒng)穩(wěn)定之后給以階躍擾動(dòng)，由于PID控制器的調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)趨于一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響P：增大比例系數(shù)K,會(huì)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(yīng)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(huì)引起相角滯后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能惡化，隨著積分作用的增強(qiáng)，控制器的控制作用增強(qiáng)，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(bǔ)償對(duì)象滯后，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到改善，提高了響應(yīng)速度，兼顧了動(dòng)靜態(tài)的控制要求。分析P、PI、PD、PID，四種不同的控制方式對(duì)系統(tǒng)的影響P：增大比例系數(shù)K,會(huì)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(yīng)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(huì)引起相角滯后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能惡化，隨著積分作用的增強(qiáng)，控制器的控制作用增強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性逐漸減弱。PD：微分作用通過(guò)提供超前作用使得被控過(guò)程趨于穩(wěn)定，同時(shí)也減小了過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間，改善了被控量動(dòng)態(tài)響應(yīng)的品質(zhì)。PID：加入微分環(huán)節(jié)作用是