過程控制系統(tǒng)實驗報告

1、實驗一 過程控制系統(tǒng)的組成認(rèn)識實驗 過程控制及檢測裝置硬件結(jié)構(gòu)組成認(rèn)識，控制方案的組成及控制系統(tǒng)連接一、過程控制實驗裝置簡介過程控制是指自動控制系統(tǒng)中被控量為溫度、壓力、流量、液位等變量在工業(yè)生產(chǎn)過程中的自動化控制。本系統(tǒng)設(shè)計本著培養(yǎng)工程化、參數(shù)化、現(xiàn)代化、開放性、綜合性人才為出發(fā)點。實驗對象采用當(dāng)今工業(yè)現(xiàn)場常用的對象，如水箱、鍋爐等。儀表采用具有人工智能算法及通訊接口的智能調(diào)節(jié)儀，上位機監(jiān)控軟件采用MCGS工控組態(tài)軟件。對象系統(tǒng)還留有擴展連接口，擴展信號接口便于控制系統(tǒng)二次開發(fā)，如PLC控制、DCS控制開發(fā)等。學(xué)生通過對該系統(tǒng)的了解和使用，進入企業(yè)后能很快地適應(yīng)環(huán)境并進入角色。同時該系統(tǒng)也為

2、教師和研究生提供一個高水平的學(xué)習(xí)和研究開發(fā)的平臺。二、過程控制實驗裝置組成本實驗裝置由過程控制實驗對象、智能儀表控制臺及上位機PC三部分組成。1、被控對象由上、下二個有機玻璃水箱和不銹鋼儲水箱串接，4.5千瓦電加熱鍋爐（由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉外循環(huán)不銹鋼鍋爐夾套構(gòu)成），壓力容器組成。水箱：包括上、下水箱和儲水箱。上、下水箱采用透明長方體有機玻璃，堅實耐用，透明度高，有利于學(xué)生直接觀察液位的變化和記錄結(jié)果。水箱結(jié)構(gòu)新穎，內(nèi)有三個槽，分別是緩沖槽、工作槽、出水槽，還設(shè)有溢流口。二個水箱可以組成一階、二階單回路液位控制實驗和雙閉環(huán)液位定值控制等實驗。模擬鍋爐：鍋爐采用不銹鋼精致而成，由兩層組成

3、：加熱層（內(nèi)膽）和冷卻層（夾套）。做溫度定值實驗時，可用冷卻循環(huán)水幫助散熱。加熱層和冷卻層都有溫度傳感器檢測其溫度，可做溫度串級控制、前饋反饋控制、比值控制、解耦控制等實驗。壓力容器：采用不銹鋼做成，一大一小兩個連通的容器，可以組成一階、二階單回路壓力控制實驗和雙閉環(huán)串級定值控制等實驗。管道：整個系統(tǒng)管道采用不銹鋼管連接而成，徹底避免了管道生銹的可能性。為了提高實驗裝置的使用年限，儲水箱換水可用箱底的出水閥進行。2、檢測裝置（液位）差壓變送器：檢測上、下二個水箱的液位。其型號：FB0803BAEIR，測量范圍：01.6KPa，精度：0.5。輸出信號：420mA DC。渦輪流量傳感器：測量電動調(diào)

4、節(jié)閥支路的水流量。其型號：LWGY6A，公稱壓力：6.3MPa，精度：1.0，輸出信號：420mA DC溫度傳感器：本裝置采用了兩個銅電阻溫度傳感器，分別測量鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套的溫度。經(jīng)過溫度傳感器，可將溫度信號轉(zhuǎn)換為420mA DC電流信號。（氣體）擴散硅壓力變送器：用來檢測壓力容器內(nèi)氣體的壓力大小。其型號：DBYG-4000A/ST2X1，測量范圍：0.63.5Mpa連續(xù)可調(diào)，精度：0.2，輸出信號為420mA DC。3、執(zhí)行機構(gòu)電氣轉(zhuǎn)換器：型號為QZD-1000，輸入信號為420mA DC，輸出信號：20100Ka氣壓信號，輸出用來驅(qū)動氣動調(diào)節(jié)閥。氣動薄膜小流量調(diào)節(jié)閥：用來控制壓力回路流

5、量的調(diào)節(jié)。型號為ZMAP100，輸入信號為420mA DC或05V DC，反饋信號為420mA DC。氣源信號壓力：20100Kpa，流通能力：0.0032。閥門控制精度：0.10.3，環(huán)境溫度：4200。SCR移相調(diào)壓模塊：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號05V DC或420mA DC或10K電位器，輸出電壓變化范圍：0220V AC，用來控制電加熱管加熱。水泵：型號為UPA90，流量為30升分，揚程為8米，功率為180W。4、控制器本實驗裝置配備有智能調(diào)節(jié)儀、計算機控制、PLC控制及計算機網(wǎng)絡(luò)控制。智能調(diào)節(jié)儀:本裝置選用PID自整定數(shù)字/光柱智能調(diào)節(jié)儀，型號為SWP-S80。具備位式調(diào)

6、節(jié)和人工智能調(diào)節(jié)功能，手動調(diào)節(jié)、手動自整定及位置比例輸出功能，多種報警模式及變送、通訊等功能。比值器：與智能儀表一起使用，可以實現(xiàn)流量的單閉環(huán)比值、液位與流量、溫度與流量雙閉環(huán)比值控制實驗。三、儀表控制臺（三部分組成）1、電源控制屏面板：我公司的實驗臺采取了如下保護措施：控制屏電源由交流接觸器通過起、停按鈕進行控制；進線電源首先經(jīng)過符合國家標(biāo)準(zhǔn)的電流型漏電保護器，漏電流小于30mA；高壓接線柱和高壓導(dǎo)線均采用特殊設(shè)計的結(jié)構(gòu)。除了人身安全保護，為了保護實驗的正常進行，電源、儀表、儀器、實驗中需要的各種元器件都采取了有效的保護措施。為解決實驗中高壓交流電源發(fā)生短路，我們采取了如下措施：在高壓交流電

7、源的輸出端接入小型斷路器（即過流保護器），一旦發(fā)生過流或短路，小型斷路器立即動作，切斷主電源，避免燒毀調(diào)壓器。2、儀表面板：智能調(diào)節(jié)儀面板、比值器，裝置外線端子通過面板上插孔引出。3、I/O信號接口面板：該面板的主要作用是將各傳感器檢測及執(zhí)行器控制信號同面板上插口相連，在與被控對象相連，有利于學(xué)生進行各種控制實驗。四、系統(tǒng)特點1、系統(tǒng)采用分體式設(shè)計，模塊化組裝結(jié)構(gòu)。2、控制對象中包含真正的壓力控制對象，可以完成壓力控制實驗。3、控制對象采用網(wǎng)絡(luò)版MCGS全中文工控組態(tài)軟件，可以容納多組學(xué)生實驗。4、系統(tǒng)具有多元化的控制參數(shù)和控制方案。該系統(tǒng)通過管路上的閥門切換和對信號接線板上的信號的連接組合來

8、實現(xiàn)的。5、采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)自動化儀表和柔性化工藝設(shè)備，使得該裝置具有開放性、兼容性、和可升級性。6、采用雙容水箱系統(tǒng)，實現(xiàn)液位控制的多樣性。7、實驗對象部分采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，工作過程可見，有利于教學(xué)和維護。8、系統(tǒng)開放性較好。對象系統(tǒng)留有擴展連接口，以便進行DCS控制。五、MCGS組態(tài)軟件特點MCGS（Monitor and Control Generated System，通用監(jiān)控系統(tǒng)）是一套用于快速構(gòu)造和生成計算機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它能夠在基于Microsoft（各種32位Windows平臺上）運行，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制、實時曲線、歷史曲線和報表輸出等多

9、種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案。六思考題1掌握實驗裝置的組成及系統(tǒng)過程回路的信號流向，畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，標(biāo)明信號量。2了解系統(tǒng)各組成部分的功能及工作原理，各器件的輸入輸出之間的關(guān)系。1）被控對象是指生產(chǎn)過程被控制的工藝或裝置2）傳感器和變送器按生產(chǎn)工藝要求，被控對象有關(guān)控制參數(shù)通過自動控制以獲得可靠信號，依靠傳感器和變送器完成。輸出的就是被控量的測定值Z，送到控制器中。3）控制器傳感器或變送器輸出信號符合工藝要求，則控制器的輸出不變，反之，將輸出控制信號對系統(tǒng)進行控制。傳感器或變送器的測量值Z反饋到輸入端和設(shè)定值r比較，從而得到了一個偏差值e,根據(jù)控制算法進行運算，輸出一個相對應(yīng)的控制信

10、號u去推動執(zhí)行器。4）執(zhí)行器執(zhí)行器接收控制器的控制信號u經(jīng)變換或放大后，推動控制閥5）控制器輸出u，經(jīng)執(zhí)行器驅(qū)動控制閥，改變輸入對象的操縱量q，使被控量受到控制。4選擇被控對象的被控量，設(shè)計其單回路控制線路連接圖實驗二 單容水箱液位數(shù)學(xué)模型的測試對象特性的求取方法通常有二種：一種是從工藝過程的變化機理出發(fā)，寫出各種有關(guān)的平衡方程(如物料平衡方程、能量平衡方程等)，進而推導(dǎo)出被控對象的數(shù)學(xué)模型，得出其特性參數(shù)，再結(jié)合實際進行理論分析，這就是數(shù)學(xué)方法；另一種是通過對被控對象的實驗測試求出其特性參數(shù)，即實驗飛升曲線測定法。由于此法較簡單，因而在過程控制中得到了廣泛地應(yīng)用。一、實驗?zāi)康?、掌握單容水箱

11、的階躍響應(yīng)的測試方法，并記錄相應(yīng)液位的響應(yīng)曲線。2、根據(jù)實驗得到的階躍響應(yīng)曲線，用相應(yīng)的方法確定被測對象特征參數(shù)K,T和傳遞函數(shù)。二、實驗原理對象的被控制量為上（中、下）水箱的液位H,控制量（輸入量）為上（中、下）水箱進水閥流量Q1，上（中、下）水箱出水閥輸出量為Q2，改變進水閥和出水閥的開度可以改變Q1、Q2的大小。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系（1） 式中V-水箱內(nèi)水的貯水容積；dV/dt-水貯存量的變化率。設(shè)水箱的橫截面積為A，而A是一個常數(shù)，則因為所以（2）在靜態(tài)時，dV/dt=0，Q1=Q2,當(dāng)Q1發(fā)生變化時，液位H將隨之變化，水槽出水口的液壓也變化，流出量Q2也發(fā)生變化。假設(shè)變化量很小，可近

12、似認(rèn)為。Rs為閥V2的水阻，則（1）式可改寫為即或?qū)懽鳎?）式中T=ARs，K=Rs式（4）為單容水箱的傳遞函數(shù)。若令，H1為剛開始的穩(wěn)態(tài)值，則式（4）可改寫為對上式取拉氏逆變換得 （5）當(dāng)時，因而有輸出穩(wěn)態(tài)值階躍輸入當(dāng)時，則有（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)。當(dāng)由實驗得圖21所示的階躍響應(yīng)曲線后，該曲線達到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所對應(yīng)的時間，就是水箱的時間常數(shù)T。由響應(yīng)曲線求得K和T后，就能求出單容水箱的傳遞函數(shù)。所得的傳遞函數(shù)為：三、實驗步驟1、設(shè)計實驗線路并接好，適當(dāng)打開閥門。2、開啟總電源和相關(guān)儀表的電源。3、上電后，啟動計算機，運行MCGS組態(tài)軟件，進入本實驗系統(tǒng)

13、。4、設(shè)置調(diào)節(jié)器為手動操作狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)器增/減的操作改變輸出量的大小，使水箱的液位最終處于某一平衡位置。5、待液位處于穩(wěn)定后，手動操作調(diào)節(jié)器，使其輸出有一個正（或負(fù)）階躍增量的變化（此增量不宜過大，以免水箱中水溢出），經(jīng)過一段時間后，水箱的液位進入新的平衡狀態(tài)。6、記下水箱液位的歷史曲線和階躍響應(yīng)曲線。四、思考題1、做本實驗時，為什么不能任意改變出水閥開度的大??？答：因為如果一開始進水閥的開度<出水閥的開度，那么系統(tǒng)永遠(yuǎn)無法達到平衡。同時出水閥也決定了液位達到設(shè)定值所需時間的長短，所以記錄數(shù)據(jù)前，應(yīng)先調(diào)好出水閥開度的大小，才能快速達到平衡。任意改變出水閥開度大小會對響應(yīng)曲線造成干擾，從

14、而使實驗結(jié)果的誤差變大。2、用響應(yīng)曲線法確定對象的數(shù)學(xué)模型時，其精度與哪些因素有關(guān)？答：因為系統(tǒng)用到了儀表，因此與儀表的精度有關(guān)，同時與出水閥開度的大小有關(guān)。并和放大系數(shù)K、時間常數(shù)T以及純滯后時間有關(guān)。3、由結(jié)構(gòu)判斷本實驗對象是否有自平衡能力？是否與實驗結(jié)果一致？答：有自平衡能力。五實驗數(shù)據(jù) 圖1單容水箱單調(diào)上升指數(shù)曲線 圖2 單容水箱特性的測試實時曲線通過實驗所獲得的特性曲線，圖1為單容水箱單調(diào)上升指數(shù)曲線，當(dāng)輸入一個控制量為35時，水流通過水閥向水箱進水，由于單容水箱實驗的數(shù)學(xué)模型為一階慣性環(huán)節(jié)，因此所得的曲線為單調(diào)上升曲線，經(jīng)過一段時間之后被控制量達到接近控制量的穩(wěn)定值。圖2為在系統(tǒng)穩(wěn)

15、定時，通過調(diào)節(jié)器輸入一個階躍變化，則系統(tǒng)又進過一段時間后達到一個新的平衡點，因此產(chǎn)生如圖所示的曲線變化。實驗三 雙容水箱液位數(shù)學(xué)模型的測試一、實驗?zāi)康?熟悉雙容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階越響應(yīng)曲線2根據(jù)實際測得雙容水箱液位的階越響應(yīng)曲線，確定其傳遞函數(shù)二、實驗原理被控對象有兩個水箱串聯(lián)鏈接，股稱其為雙容系統(tǒng)。被控制量為下水箱的液位，顯然，多了一個水箱，響應(yīng)時間就滯后。由S型曲線的拐點P出做一切線，它與時間軸的交點為A，OA表示對象相應(yīng)的滯后時間。至于雙容對象兩個慣性環(huán)節(jié)的時間常熟可按下述方法來確定。在圖2-2.2所示的階越響應(yīng)曲線上求?。海?）=曲線上的電Bhe對應(yīng)的時間（2）時曲線上的點C對應(yīng)的時

16、間然后，利用下面的近似公式計算式 由上述兩式求出和，于是得雙容（二階）對象的傳遞函數(shù)：三、實驗步驟1接好實驗線路。2開啟總電源和相關(guān)儀表的電源3商店后，啟動計算機，運行MCGS組態(tài)軟件，進入本實驗系統(tǒng)。4先把調(diào)節(jié)器設(shè)置與手動狀態(tài)，按調(diào)節(jié)器的增減，改變其輸出值，是下水想的液位處于某一平衡未知。突增/突減調(diào)節(jié)器的手動輸出量，使下水箱的液位由原平衡位置開始變化，經(jīng)過一段時間后，液位進入新的平衡狀態(tài)。5用計算機實時記錄的歷史曲線和在階躍擾動后的響應(yīng)曲線。6把計算機作用的實驗曲線進行分析處理，并把結(jié)果填表入下表中四、思考題1引起雙容對象滯后的特性是什么？答：由于多了一個容積，水位差h2表現(xiàn)出來的響應(yīng)特性

17、就不同于單容水箱，響應(yīng)過程在時間上落后了一步，存在管道上的滯后，干擾引起的傳感器反饋信號上的滯后。這段滯后時間主要是對象容量增加和容積之間存在阻力所造成的。2由結(jié)構(gòu)判斷本實驗對象是否有自平衡能力？是否與實驗結(jié)果一致？答：本實驗結(jié)構(gòu)中的負(fù)載閥可根據(jù)液壓的大小來自動調(diào)節(jié)液體流出量，最終使水的流入量與流出量相等，所以本實驗對象具有自平衡能力。與實驗結(jié)果有差異。五實驗數(shù)據(jù)圖1 如圖1所示為一雙容水箱液位實驗的特性響應(yīng)曲線。由于雙容水箱在數(shù)學(xué)模型上近似為二階系統(tǒng)，因此當(dāng)開啟水閥，輸入一個階躍的控制量35時，系統(tǒng)經(jīng)過一段時間，被控制量達到與控制量接近的穩(wěn)態(tài)。通過圖可以測出二階系統(tǒng)的超調(diào)量，上升時間、調(diào)整時

18、間和穩(wěn)態(tài)誤差，同時可以發(fā)現(xiàn)由于雙容水箱的作用，會產(chǎn)生一定的時間延時。實驗四 單回路定值控制系統(tǒng)一、概述單回路控制系統(tǒng)方框圖如下。它是由調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、被控對象和檢測元件及變送器組成。單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于分析設(shè)計、投資少、便于施工、技術(shù)成熟，適用于被控對象滯后時間比較小，負(fù)荷和干擾變化不大，控制質(zhì)量要求不很高的場合。因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。二、干擾對系統(tǒng)的影響1.干擾通道的放大系數(shù)、時間常數(shù)及純滯后的影響干擾通道的放大系數(shù)K，會影響干擾加在系統(tǒng)中的幅值。若系統(tǒng)是有差系統(tǒng)，則干擾通道的放大系數(shù)越大，系統(tǒng)的靜差也就越大。我們希望干擾通道的放大系數(shù)越小越好。如果干擾通道是一慣性環(huán)節(jié)，

19、令時間常數(shù)為Tf1，其過度過程的動態(tài)分量被濾波而幅值變小。則階躍擾動通過慣性環(huán)節(jié)后，其過渡過程的分量被濾波而副值變小。即時間常數(shù)Tf2越大，則系統(tǒng)的偏差就越小。通常干擾通道中還會有純滯后環(huán)節(jié)，使被調(diào)參數(shù)的響應(yīng)時間滯后一個值，即Y(t)=Y(t-)，表明調(diào)節(jié)過程沿時間軸平移了一個的距離，所以干擾通道出現(xiàn)有純滯后，不會影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量。2.干擾進入系統(tǒng)中的不同位置控制理論證明，同一形式大小相同的擾動出現(xiàn)于系統(tǒng)中的不同位置所產(chǎn)生的靜差是不一樣的。對擾動產(chǎn)生影響的僅是擾動作用點前的那些環(huán)節(jié)。三、控制規(guī)律的確定選擇系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律的目的，就是使調(diào)節(jié)器與調(diào)節(jié)對象能很好得匹配，使組成的控制系統(tǒng)能滿足工藝上所提出

20、的動、靜態(tài)性能指標(biāo)的要求。分以下幾種調(diào)節(jié)：1.         比例（P）調(diào)節(jié)純比例調(diào)節(jié)是一種最簡單的調(diào)節(jié)，它對控制作用和擾動作用的響應(yīng)都很快速。由于只一個參數(shù)，所以整定方便。缺點是系統(tǒng)有靜差存在。2.         比例積分（PI）調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)的積分部分能有利于消除偏差，但它又使PI調(diào)節(jié)的相位滯后量減小，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，傳遞函數(shù)為：Gc(S)=Kp(1+1/TS)3.     &

21、#160;   比例微分（PD）調(diào)節(jié)PD調(diào)節(jié)器由于有微分作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，比例系數(shù)的增大能加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，減小動態(tài)和靜態(tài)誤差，但微分不能過大，以利于抗高頻干擾。傳遞函數(shù)為：Gc(S)=Kp(1+TS)4.         比例微分積分（PID）調(diào)節(jié)PID是常規(guī)調(diào)節(jié)中性能最好的一種調(diào)節(jié)。由于它具有各類調(diào)節(jié)的優(yōu)點，因而使系統(tǒng)具有更高的控制質(zhì)量。傳遞函數(shù)為：Gc(S)=Kp(1+TdS+1/TiS)四、調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法通常分為兩大類：一種是理論計算整定法，即根據(jù)被控

22、對象的特性，然后通過理論計算來求取調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)。另一種方法是工程整定法，在被控對象運行時，直接在控制系統(tǒng)中，通過改變調(diào)節(jié)器參數(shù)，觀察被控對象的過渡過程，來獲取最佳數(shù)值。一般通過理論計算得到的整定參數(shù)并不可靠，還需要到現(xiàn)場進行修正，因此工程中采用較少。而在工程中應(yīng)用較多的是工程整定法。工程整定法有以下四種：（一）經(jīng)驗試湊法若將控制系統(tǒng)按液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)分類，屬于同一類的系統(tǒng)，其對象特性比較接近，所以無論是調(diào)節(jié)規(guī)律的形式還是所整定的參數(shù)均可互相參考。下表給出了常用過程控制系統(tǒng)控制器的參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)。系統(tǒng)（%）Ti/minTd/min溫度20603100.31流量401000.11壓力

23、30700.43液位2080(二) 臨界比例度法臨界比例度法就是先讓控制器在純比例控制下，通過現(xiàn)場實驗找到等幅振蕩的過渡過程，記下這時的臨界比例帶k和臨界振蕩周期Tk，求出衰減振蕩時控制器的最佳參數(shù)。系統(tǒng)TiTdP2sPI2.2sTs/1.2PID1.6s0.5Ts0.125 Ts（三）   衰減曲線法衰減曲線法是在經(jīng)驗法和臨界比例度法基礎(chǔ)上，針對它們的不足，反復(fù)實驗而得出的一種參數(shù)整定方法，和臨界比例度法類似，不同的只是本法采用某衰減比。并不是等幅振蕩，而是等到比如4：1衰減比時，根據(jù)此時比例度k和振蕩周期Tk，按下表經(jīng)驗算式，求取調(diào)節(jié)的參考參數(shù)數(shù)值。系統(tǒng)TiTdPsPI

24、1.2s0.5TsPID0.8s0.3Ts0.1Ts（四）   反應(yīng)曲線法如果被控對象是一階慣性環(huán)節(jié)或有很小滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，若用以上幾種方法就有難度了。對于這種情況，可采用反應(yīng)曲線法來整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。令調(diào)節(jié)器的輸出X(t)為階躍信號，則對象經(jīng)測量變送器后的輸出Y(t)，如圖所示。由此可以確定、T和K，其中K按下式確定K=y()-y(0)/x0。利用下表所示的經(jīng)驗公式，就可計算出對應(yīng)于衰減率為4：1時調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 系統(tǒng)（%）TiTdPK/T*100%PI1.1*K/T*100%3.3PID0.85*K/T*100%20.5五、實驗?zāi)康?1、了解一階、二階單回路控制系統(tǒng)

25、的結(jié)構(gòu)與組成。2、掌握單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。3、研究P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。六、實驗內(nèi)容1.       一階、二階單回路液位定值控制系統(tǒng)的實現(xiàn)2.       一階、二階單回路壓力定值控制系統(tǒng)的實現(xiàn)3.       一階單回路溫度定值控制系統(tǒng)的實現(xiàn)七、實驗步驟1、    按設(shè)計要求完成系統(tǒng)的接線。2、  

26、0; 接通總電源和相關(guān)儀表的電源。3、    上電后，啟動計算機，運行MCGS組態(tài)軟件，進入本實驗系統(tǒng)。4、    選用單回路控制系統(tǒng)所述的某種調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法整定好調(diào)節(jié)器的參數(shù)。5、    先設(shè)置系統(tǒng)給定值SV，再手動操作調(diào)節(jié)器的輸出，是被控制量接近給定值且基本穩(wěn)定不變時，把調(diào)節(jié)器切換為自動，使系統(tǒng)自動運行。6、    進行下列實驗：1）    當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，突加階躍擾動（將給定量增加5%15%），觀察并記錄系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線。2）&#

27、160;   待系統(tǒng)進入穩(wěn)定后，適量打開另一個閥，以作為系統(tǒng)的擾動，觀察并記錄在階躍擾動作用下液位的變化過程。7、適量改變PI的參數(shù)，用計算機記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。八、思考題1如何用實驗方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)？答：可以采用經(jīng)驗試湊法，臨界比例度法，衰減曲線法，反應(yīng)曲線法來確定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。2改變比例度和積分時間，對系統(tǒng)性能產(chǎn)生什么影響？答：比例度對系統(tǒng)性能的影響：比例度越大，放大倍數(shù)越小，在相同大小的干擾下，調(diào)節(jié)器的比例度越小，振蕩周期也越短，工作頻率提高。比例度越大，則調(diào)解器的輸出變化越小，被控變量變化越緩慢，過渡過程越平穩(wěn)。積分時間對系統(tǒng)性能的影響：積分作用的

28、引入，一方面消除了吸引的余差，另一方面卻降低了系統(tǒng)的其它品質(zhì)指標(biāo)，因此必須適當(dāng)?shù)脑黾颖壤取?3為什么雙容系統(tǒng)較單容系統(tǒng)更容易引起振蕩？如果達到同樣的動態(tài)性能指標(biāo)，為什么雙容系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的比例度和積分時間常數(shù)均要比單容系統(tǒng)大？答:因為雙容系統(tǒng)在數(shù)學(xué)模型上為一個二階系統(tǒng)，因此會產(chǎn)生振蕩。4說出下水箱的時間常數(shù)比上水箱時間常數(shù)大的原因。答：因為需要先經(jīng)過上水箱才能到達下水箱，因而下水箱的時間比上水箱長。5為什么采用PI調(diào)節(jié)器消除系統(tǒng)的余差，而不采用純積分器？答：因為比例積分適用于滯后比較小，負(fù)荷變化不大，不允許有余差的控制系統(tǒng)。而純積分器會使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除系統(tǒng)的余差，它適用

29、于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場合。6 敘述比例積分調(diào)節(jié)器（Pl）的參數(shù)整定步驟。.在純比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，加上積分作用“I”，根據(jù)不同的情況，設(shè)置不同的大小。觀察被控變量能否回到原設(shè)定置的位置，以驗證系統(tǒng)在PI調(diào)節(jié)器控制下，系統(tǒng)的階越擾動無余差產(chǎn)生。.固定比例P值（中等大?。缓蟾淖冋{(diào)節(jié)器的積分時間值，觀察加入階躍擾動后被調(diào)量的輸出波形和響應(yīng)時間的快慢。.固定于某一中等大小的值，然后改變比例度的大小，觀察加入階躍擾動后被調(diào)量的動態(tài)波形和響應(yīng)時間的快慢。九實驗數(shù)據(jù)實驗六 水箱液位串級控制一、實驗?zāi)康?1、熟悉串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點。2、掌握串級控制系統(tǒng)的投運與參數(shù)的

30、整定方法。 3、研究階躍擾動分別作用于副對象和主對象時對系統(tǒng)主控制量的影響。二、實驗原理本實驗為水箱液位的串級控制系統(tǒng)，它是由主、副兩個回路組成。每一個回路中都有一個調(diào)節(jié)器和控制對象，即主回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對象為下水箱，作為系統(tǒng)的被控對象，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對象為中水箱，又稱副對象，它的輸出是一個輔助的控制變量。本系統(tǒng)控制的目的不僅使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)具有良好的動態(tài)性能，且在穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)的被控制量等于給定值。當(dāng)有擾動出現(xiàn)于副回路時，由于主對象的時間常數(shù)大于副對象的時間常數(shù)，因而當(dāng)被控制量（下水箱的液位）未作出反應(yīng)時，副回路已作出快速響應(yīng)，及時

31、地消除了擾動對被控變量的影響。此外，如果擾動作用于主對象，由于副回路的存在，使副對象的時間常數(shù)大大減小，從而加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，改善了動態(tài)性能。三、實驗步驟1、按圖要求，完成實驗系統(tǒng)的接線。2、接通總電源和相關(guān)儀表的電源。打開閥門。3、按經(jīng)驗數(shù)據(jù)預(yù)先設(shè)置好副調(diào)節(jié)器的比例度。4、上電后，啟動計算機，運行MCGS組態(tài)軟件，進入本實驗系統(tǒng)。5、調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié)器的比例度，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)出現(xiàn)4：1的衰減度，記下此時的比例度s和周期Ts。據(jù)此，按經(jīng)驗表查得P1的參數(shù)對主調(diào)節(jié)器進行參數(shù)整定。6、系統(tǒng)投運的步驟：1）主、副調(diào)節(jié)器都置于手動位置，主調(diào)節(jié)器采用內(nèi)給定模式，副調(diào)節(jié)器采用外給定模式。先通過副調(diào)節(jié)器手動

32、控制。2）把主調(diào)節(jié)器的手動輸出調(diào)整到合適的值。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，把副調(diào)節(jié)器切入自動。3）通過主調(diào)節(jié)器的手動控制，當(dāng)下水箱液位趨于給定值，把主調(diào)節(jié)器切換為自動。7、進行如下的實驗：1）當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，突加階躍擾動（將給定量增/減5%15%），觀察并記錄系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線。2）適量打開干擾閥門，觀察并記錄階躍擾動作用于副對象（上水箱）時，系統(tǒng)被控變量（下水箱液位）的響應(yīng)過程。3）關(guān)閉干擾閥門，去除副對象的階躍擾動，且待系統(tǒng)再次穩(wěn)定后，再適量打開閥，觀察并記錄階躍擾動作用于主對象時對系統(tǒng)被控制量的影響。四思考題 1、試述串級控制系統(tǒng)為什么對副擾動（二次擾動）具有很強的抗擾能力？答：在串級控制系統(tǒng)中，副

33、回路可視為主回路的一個環(huán)節(jié)，使滯后時間變短，提高系統(tǒng)克服干擾的能力。2、一步整定法的依據(jù)是什么？ 答：理論依據(jù)是：串級控制系統(tǒng)可以等價為單回路反饋控制系統(tǒng)，其等效調(diào)節(jié)器總的放大系數(shù)Kc為主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)Kc1與副回路等效的放大系數(shù)K02的乘積,即Kc= Kc1 K02。3、主、副調(diào)節(jié)器正反作用方向如何確定？答：主、副調(diào)節(jié)器正反作用方向如何確定？答：首先根據(jù)工藝生產(chǎn)安全等原則選擇調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式：然后根據(jù)生產(chǎn)工藝條件和調(diào)節(jié)閥的形式確定副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式，然后再根據(jù)主、副參數(shù)的關(guān)系，決定主調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。4、為什么本實驗中的副調(diào)節(jié)器為比例（P）調(diào)節(jié)器？答：因為副參數(shù)允許有余差，

34、而且副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)較大，控制作用強，余差小，若采用積分作用會延長控制作用，減弱副回路的快速作用。五實驗數(shù)據(jù)圖1圖1所示為為適用串級控制方法的水箱液位系統(tǒng)。實驗時先通過手動的方式設(shè)定調(diào)節(jié)器使系統(tǒng)先工作一段時間，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，將副調(diào)節(jié)器改為自動進行投運。由于我們在實驗時過早的將系統(tǒng)投運，因此系統(tǒng)沒有穩(wěn)定后就向另一個狀態(tài)變化，產(chǎn)生如圖的曲線，同時由于上下水箱的作用，出現(xiàn)了一定時間的滯后。實驗八 下水箱液位與電動調(diào)節(jié)閥支路流量的串級控制一、實驗?zāi)康?.         了解水箱液位-流量串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成。2.&

35、#160;        掌握液位-流量串級控制系統(tǒng)的投運與調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法。3.         研究階躍擾動分別作用于副對象與主對象時對系統(tǒng)主控制量的影響。4.         主、副調(diào)節(jié)器參數(shù)的改變對系統(tǒng)性能的影響。二、實驗原理本實驗系統(tǒng)由主、副兩個回路組成，主控變量為下水箱的液位高度H，是一個恒值控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)的主控制量H等于給定值；副控變?yōu)殡妱诱{(diào)節(jié)閥支

36、路流量Q，副回路控制主控制量的目的。不難看出，由于主對象下水箱的時間常數(shù)大于副對象管道的時間常數(shù)，因而當(dāng)主擾動（二次擾動）作用于副回路時，在主對象未受到影響前，通過副回路的快速調(diào)節(jié)作用已消除了擾動的影響。三、實驗步驟1.         按照圖要求，完成實驗系統(tǒng)的接線。2.         接通總電源和相關(guān)儀表的電源。3.         打開閥，并固定于某

37、一合適的開度。4.         按經(jīng)驗數(shù)據(jù)預(yù)先設(shè)置好副調(diào)節(jié)器的比例度值。5.         上電后，啟動計算機，運行MCGS組態(tài)軟件，進入本實驗系統(tǒng)。6.         調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié)器的比例度。使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)呈4：1的衰減度，記下此時的比例度和周期Ts。按查表所得的PI參數(shù)對主調(diào)節(jié)器的參數(shù)進行整定。7.    

38、     手動操作主調(diào)節(jié)器的輸出，控制電動調(diào)節(jié)閥給下水箱打水，待下水箱液位相對穩(wěn)定且等于給定值時，把主調(diào)節(jié)器切為自動，系統(tǒng)進入自動運行。8.         進行如下的實驗：1）    當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，設(shè)定值加一合適的階躍擾動。記錄系統(tǒng)得輸出響應(yīng)曲線。2）    適量打開閥，觀察并記錄階躍擾動作用于主對象時，系統(tǒng)被控質(zhì)量的響應(yīng)過程。3）    關(guān)閉閥，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，適量打開電動閥兩端的旁路閥，觀察并記錄階躍擾動作用于副對象時對系統(tǒng)被控質(zhì)量的相應(yīng)。9.       通過反復(fù)對主副調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)節(jié)，使