東南大學(xué)過程控制實驗報告四

1、東南大學(xué)自動化學(xué)院實驗報告評定成績:審閱教師:課程名稱:過程控制第四次實驗實驗名稱:液位單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)實驗院（系）：自動化專 業(yè):自動化學(xué) 號:姓 名:同組人員:實驗時間:2017年5月13日.實驗?zāi)康?二.實驗內(nèi)容-三.實驗步驟四.實驗現(xiàn)象五.思考題 3 3 5 910實驗?zāi)康?、熟悉PID參數(shù)對控制系通過實驗掌握單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成，構(gòu)成單回路單容液位控制系統(tǒng);PID2、并應(yīng)用臨界比例度法、經(jīng)驗試湊法和衰減曲線法等整定方法來整定控制系統(tǒng)的參數(shù);PID參數(shù)的整定和自動控制的3、了解擾動對過程品質(zhì)指標(biāo)的影響，用調(diào)節(jié)器儀表進(jìn)行投運;4、熟練掌握調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置和手動、自動的操作方法。實驗內(nèi)容1、

2、單回路系統(tǒng)簡介:單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一般是指用一個控制器來控制一個被控對象，即SISO( single inputsin gle out put)系統(tǒng)。其中，控制器只接收一個測量喜好，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu)。單回路流量PID控制系統(tǒng)也是一種單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如上圖所示。在此控制回路中，被控對象的液位是被控量。利用壓力型液位感測器和調(diào)理電路對測量信號進(jìn)行歸一化處理，形成 420mA的信號；PID控制器作為系統(tǒng)的核心，控制輸出，使液位打到期望的設(shè)定值。單回路系統(tǒng)示意圖如圖 4.1所示。給走值圖4.1單回路系統(tǒng)示意圖、實驗步驟1、接好實驗導(dǎo)線，打開或關(guān)閉相應(yīng)的閥門;2、接通總電源和各儀表電源;

3、3、液位回路整定參數(shù)值的計算：選取工程中常用的整定方法（經(jīng)驗試湊法、臨界比例計算和整定度法、衰減曲線法等）的一種或兩種，按照每種整定方法不同的整定步驟,液位回路的P、I、D參數(shù);4、將計算所得的PID參數(shù)值置于調(diào)節(jié)器中，系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。加入擾動信號觀察液位的變化，直至過渡過程曲線符合要求為止。注意每改變一次整定參數(shù)， 系統(tǒng)必須處于穩(wěn)定狀態(tài)下再加階躍信號;5、曲線的分析處理：對液位的過渡曲線進(jìn)行分析和處理，描繪幾組典型的整定曲線,分別標(biāo)出得到每組曲線時所設(shè)定的PID參數(shù)值，計算每條整定曲線的超調(diào)量、峰值時總結(jié)P、間、調(diào)節(jié)時間等指標(biāo)并分析比較哪組曲線整定效果相對最佳并給出合理的解釋,I或D參數(shù)對

4、過渡曲線性能指標(biāo)的影響;6、記錄曲線，運用力控組態(tài)軟件中的歷史趨勢曲線，曲線下方操作按鈕的作用參看附錄二。MEV LZZD.V2柑1節(jié)塁隔D9IPV1 6VOUT4 ZOmA皿-3f別戸權(quán)隹揑制液鉉萸適腳-t / I1 SV / I -'喀崔如SV .4 2ariiA ”-I-.叫幵芒曲制呻1書人電磁瀏:AM,；001ov圖4.2液位飛升實驗儀表配線圖、實驗內(nèi)容1掌握P909智能調(diào)節(jié)器的PV值工程轉(zhuǎn)換方法操作前，將力控組態(tài)軟件打開到運行系統(tǒng)，選擇相應(yīng)實驗，打開到歷史趨勢曲線;2、了解構(gòu)成液位單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作步驟按照實驗流程圖配管，并完成儀表配線。學(xué)會使用力控組態(tài)過程控制實驗平臺記錄

5、實驗結(jié)果和分析數(shù)據(jù)的方法;3、當(dāng)液位平衡后，改變進(jìn)水閥的開度，一般變化10%左右，等待液位再次平衡，并且記錄下改變閥位的時刻。四、實驗現(xiàn)象1、實驗原理SVPV圖2液位控制系統(tǒng)框圖叩Mi二it 以_ 二： _r圖3電氣連接圖液位變送器IS 曲mA電動閥(1)工作原理當(dāng)給定液位高度(SV )后，通過壓力傳感器檢測液位，反饋以及控制算法來調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 閥的開度，控制液位高度(PV)與給定值一致。水箱有一個進(jìn)水口，兩個出水口。進(jìn)水口由閥門控制進(jìn)水量從而控制液位，兩個出水口 其中一個是泄流管，防止因為水位過高來不及排放而設(shè)置。水箱底部有一個壓力傳感器，通 過測量水的壓力，間接測量液位。實驗過程中，改變水泵的

6、頻率實質(zhì)上是增加外部擾動，由 于電磁閥開度不變，水泵頻率越高，由旁路出水口流入水槽的流量越大。(2 )實驗現(xiàn)象增大給定值(SV)后，從參數(shù)顯示屏可以看到,水箱液位增大，閥門開度變大，此時,入水口流量也變大， 一段時間后，水箱液位變小,閥門開度也減小，基本保持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動，水箱液位也不再上升。反應(yīng)了PID控制調(diào)節(jié)液位的過程，調(diào)節(jié)閥門開度最后保持在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定。注意到顯示屏中顯示的水箱液位并不是實際的液位高度，實際液位高度可從控制面板(PV)讀出，這里的水箱液位實際上是P909的OUT 口 4-20mA的輸出值。in100/D&filOQG圖4液位控制面板Hu-一 看，乍5?f

7、 *ii；：17 IGOOB06aooaoo00ODOMO -材寸baoo2、分析獲得的響應(yīng)曲線,(1)飛升曲線aoQ-4t'7TGIH£ f99 t圖5閥門開度變化過程計算參數(shù);在實驗中，電磁閥的開度由30%增大到50%平衡點的液位高度由 58.4mm增高至U 64.8mn。飛升曲線如圖2.2。20012其中，K = 64.8 58.4 = 0.32mm/% , T = 4.6min = 276s50- 30所以水箱的傳遞函數(shù)為牆(2)單回路PID調(diào)節(jié)P=8.5 , 1=43 , D=0b 調(diào)節(jié)效經(jīng)過不斷的PID參數(shù)調(diào)整，最終我們獲得如下的 PID參數(shù):果如圖4.4所示。圖

8、7單回路PID調(diào)節(jié)從上圖可以看出效果還是不錯的，有一個超調(diào)，之后就進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，超調(diào)量為217 - 200X 100% = 8.5%如果忽略擾動(電流波動，液位晃動等)，基本上是沒有靜差的。五、思考題1、了解調(diào)節(jié)器手動、自動的作用，以及無擾動切換的意義;答：在手動與自動切換的瞬間，保持控制器的輸出信號不發(fā)生突變，以免切換給控制系 統(tǒng)帶來干擾。在自動狀態(tài)下，閥位手動給定值要跟隨現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥的閥位反饋值的變化而變化;而在手動狀態(tài)下，設(shè)定值要跟隨被調(diào)變量（比如：流量、壓力、溫度、液位等）的實時測量值的變化而變化。本系統(tǒng)我們采用PID調(diào)節(jié)。增量式PID算法本身具有手動到自動的無擾切換功能，位置 型PID算法

9、實現(xiàn)手動到自動的無擾動切換原理是這樣的:當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)由手動切換手動時，計算機可定時采集手動控制器給出的模擬信號并保存,到自動時，計算機設(shè)置PID上次輸出值為切換前保存的手動控制器采樣值，同時上上次誤差、上次誤差、本次誤差為0，然后按照位置型 PID算式的遞推算式進(jìn)行控制計算。由于控制增量的計算值一般很小，因而可實現(xiàn)無擾切換。在實驗過程中，手動調(diào)節(jié)變自動調(diào)節(jié)時，給定值會變?yōu)镻V值，以免產(chǎn)生階躍變化，引16起控制器輸出過大，從而實現(xiàn)手動、自動的無擾切換。2、說明PID調(diào)節(jié)器正/反作用的含義，舉例說明在系統(tǒng)中的應(yīng)用以及具體電路;PID答：PID的正/反作用指的是PID的輸出與反饋之間的關(guān)系，在開環(huán)狀態(tài)

10、下，增加輸出導(dǎo)致反饋增加，減少PID輸出導(dǎo)致反饋減小的是正作用；相反增加 PID輸出導(dǎo)致反饋減小，減少PID輸出導(dǎo)致反饋增加的是反作用。比如電加熱溫控系統(tǒng)， 增加加熱功率會導(dǎo)致被控對象的溫度升高，停止加熱會導(dǎo)致被控對象的溫度降低，這就是一個典型的正作用系統(tǒng)。同樣是溫控系統(tǒng)，制冷則恰恰相反，壓縮機的輸出功率增加，導(dǎo)致被控對象溫度的降低，壓縮機停止工作，會導(dǎo)致被控對象溫度的上 升，這就是反作用系統(tǒng)。正作用時PID的增益應(yīng)取正數(shù)，反作用時增益應(yīng)取負(fù)數(shù)。又例如：給PID的實時測量值來源為壓力變送器；PID輸出控制的負(fù)載為風(fēng)機。【正作用】PID*T 業(yè)'ir«:勺'i'

11、Q【反作川】程丿* PID 3 A L；h-a正作用下，壓力上升時，PID控制量使轉(zhuǎn)速上升；反作用下，壓力下降時,PID控制量使轉(zhuǎn)速上升。3、說明PID調(diào)節(jié)器內(nèi)給定和外給定的作用，舉例說明;答：調(diào)節(jié)器的給定值可由“內(nèi)給定”或“外給定”兩種方式取得。當(dāng)調(diào)節(jié)器工作于“內(nèi)給定”方式時，給定電壓由調(diào)節(jié)器內(nèi)部的高精度穩(wěn)壓電源取得。當(dāng)調(diào)節(jié)器需要由計算機或另外的調(diào)節(jié)器供給給定信號時，由外來420mA電流流過250 Q精密電阻，產(chǎn)生1-5V的給定電壓。PID內(nèi)部給定是PID內(nèi)部可以設(shè)置的給定值，人為可以修改的，外部給定是由外部送入PID調(diào)節(jié)器給定輸入端的信號，人為不可以修改，隨外部信號的變化而變化。本實驗由上

12、位機設(shè)定的給定信號SV即為內(nèi)部給定，液位控制器輸出作為流量控制器的外部給定。4、比例帶、積分時間、微分時間的特點;答：比例系數(shù)Kp :加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Kp愈大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高， 但容易產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 Kp過小,則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)的靜態(tài)動態(tài)特性變壞。積分系數(shù)Ki :消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ki越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但Ki過大，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和的現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大的超調(diào)；若Ki過小，將使系統(tǒng)的靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。微分系數(shù)Kd :改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，其主要作用是響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差的變化進(jìn)行提前預(yù)報；但Kd過大，會使響應(yīng)過程提前制動，從而延長調(diào)節(jié)時間，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。5、臨界比例度法整定步驟。答:將調(diào)節(jié)器的積分時間置于最大，微分時間置零，比例度取適當(dāng)值