東北大學《過程裝備控制》實驗報告

1、東北大學過程裝備控制實驗報告+處理結果實驗一、一階單容上水箱對象特性測試實驗一實驗目的（1）熟悉單容水箱的數(shù)學模型及其階躍響應曲線。（2）根據(jù)由實際測得的單容水箱液位的階躍響應曲線，用相關的方法分別確定它們的參數(shù)。二實驗設備AE2000型過程控制實驗裝置， PC機，DCS控制系統(tǒng)與監(jiān)控軟件。三、系統(tǒng)結構框圖單容水箱如圖1-1所示：圖1-1、 單容水箱系統(tǒng)結構圖四、實驗原理階躍響應測試法是系統(tǒng)在開環(huán)運行條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過調節(jié)器或其他操作器，手動改變對象的輸入信號（階躍信號），同時記錄對象的輸出數(shù)據(jù)或階躍響應曲線。然后根據(jù)已給定對象模型的結構形式，對實驗數(shù)據(jù)進行處理，確定模型中各參數(shù)。圖解

2、法是確定模型參數(shù)的一種實用方法。不同的模型結構，有不同的圖解方法。單容水箱對象模型用一階加時滯環(huán)節(jié)來近似描述時，?？捎脙牲c法直接求取對象參數(shù)。 如圖1-1所示，設水箱的進水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開度值。根據(jù)物料動態(tài)平衡的關系，求得：在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得： 式中，T為水箱的時間常數(shù)（注意：閥V2的開度大小會影響到水箱的時間常數(shù)），T=R2*C，K=R2為單容對象的放大倍數(shù)，R1、R2分別為V1、V2閥的液阻，C 為水箱的容量系數(shù)。令輸入流量Q1 的階躍變化量為R0，其拉氏變換式為Q1（S）=RO/S，RO為常量，則輸出液位高度的拉氏變換式

3、為：當t=T時，則有：h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h()即 h(t)=KR0(1-e-t/T)當t>時，h（）=KR0，因而有K=h（）/R0=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入式（1-2）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應曲線是一單調上升的指數(shù)函數(shù)，如圖1-2所示。當由實驗求得圖1-2所示的 圖1-2、 階躍響應曲線階躍響應曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對應時間，就是水箱的時間常數(shù)T，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，其理 論依據(jù)是：上式表示h（t）若以在原點時的速度h（）/T 恒速變化，即只要花T秒時間就可達到穩(wěn)

4、態(tài)值h（）。五實驗內(nèi)容步驟1)對象的連接和檢查：(1)將AE2000 實驗對象的儲水箱灌滿水（至最高高度）。(2)打開以水泵、電動調節(jié)閥、孔板流量計組成的動力支路至上水箱的出水閥門.關閉動力支路上通往其他對象的切換閥門。(3)打開上水箱的出水閥至適當開度。實驗步驟(1)打開控制柜中水泵、電動調節(jié)閥的電源開關。(2)啟動DCS上位機組態(tài)軟件，進入主畫面，然后進入實驗一畫面。(3)用鼠標點擊調出PID窗體框，然后在“MV”欄中設定電動調節(jié)閥一個適當開度。（此實驗必須在手動狀態(tài)下進行）（4）、觀察系統(tǒng)的被調量：上水箱的水位是否趨于平衡狀態(tài)。若已平衡，應記錄系統(tǒng)輸出值，以及水箱水位的高度h1和上位機的

5、測量顯示值并填入下表。原始平衡狀態(tài)：系統(tǒng)輸出值水箱水位高度h1上位機顯示值0100cmcm40%4.54.0從40%到50%階躍數(shù)據(jù)：T（秒）102030405060水箱水位h1(cm)4.54.955.25.55.7上位機讀數(shù)(cm)4.85.15.45.45.86.1T（秒）708090100110120水箱水位h1(cm)5.75.555.15.76上位機讀數(shù)(cm)6.56.36.35.85.76.2T（秒）130140150160170180水箱水位h1(cm)5.95.55.55.85.85.7上位機讀數(shù)(cm)6.76.76.36.26.46.4T（秒）1902002102202

6、30240水箱水位h1(cm)5.45.75.35.665.9上位機讀數(shù)(cm)6.36.26.36.16.36.8T（秒）250260270280290300水箱水位h1(cm)5.95.965.95.75.7上位機讀數(shù)(cm)6.86.76.76.76.36.7平衡狀態(tài)1：系統(tǒng)輸出值水箱水位高度h1上位機顯示值0100cmcm45%5.76.7從45%到50%階躍數(shù)據(jù)：T（秒）102030405060水箱水位h1(cm)6.15.85.96.25.86.3上位機讀數(shù)(cm)6.56.96.56.66.86.6T（秒）708090100110120水箱水位h1(cm)6.46.46.56.5

7、6.46上位機讀數(shù)(cm)77.27.16.97.26.9T（秒）130140150160170180水箱水位h1(cm)6.16.46.56.56.46上位機讀數(shù)(cm)6.76.56.97.27.26.8T（秒）190200210220230240水箱水位h1(cm)5.96.56.676.86.4上位機讀數(shù)(cm)6.46.777.37.87.6T（秒）250260270280290300水箱水位h1(cm)6.776.96.46.66.5上位機讀數(shù)(cm)77.27.77.67.17.3平衡狀態(tài)2：系統(tǒng)輸出值水箱水位高度h1上位機顯示值0100cmcm50%6.57.3從50%到55%

8、階躍數(shù)據(jù)：T（秒）102030405060水箱水位h1(cm)77.47.87.67.77.4上位機讀數(shù)(cm)6.87.48.68.48.28.4T（秒）708090100110120水箱水位h1(cm)7.47.37.67.987.8上位機讀數(shù)(cm)8.287.888.78.8T（秒）130140150160170180水箱水位h1(cm)7.97.87.97.87.98.3上位機讀數(shù)(cm)8.98.78.88.48.58.3T（秒）190200210220230240水箱水位h1(cm)87.87.77.97.77.5上位機讀數(shù)(cm)9.48.88.48.48.48.3T（秒）25

9、0260270280290300水箱水位h1(cm)7.988.17.97.57.9上位機讀數(shù)(cm)8.38.78.98.88.78.6平衡狀態(tài)3：系統(tǒng)輸出值水箱水位高度h1上位機顯示值0100cmcm55%7.98.6從55%到60%階躍數(shù)據(jù)：T（秒）102030405060水箱水位h1(cm)8.38.48.28.48.68.6上位機讀數(shù)(cm)8.698.98.99.19.8T（秒）708090100110120水箱水位h1(cm)8.78.78.998.98.7上位機讀數(shù)(cm)9.59.89.510.1109.7T（秒）130140150160170180水箱水位h1(cm)998

10、.88.88.98.7上位機讀數(shù)(cm)9.69.7109.79.79.9T（秒）190200210220230240水箱水位h1(cm)8.68.998.898.9上位機讀數(shù)(cm)9.69.59.49.69.29.7T（秒）250260270280290300水箱水位h1(cm)8.68.68.78.79.19.2上位機讀數(shù)(cm)9.89.49.19.19.310平衡狀態(tài)4：系統(tǒng)輸出值水箱水位高度h1上位機顯示值0100cmcm60%9.210六、 實驗報告要求（1）作出一階環(huán)節(jié)的階躍響應曲線。從40%到45%的階躍響應曲線：從45%到50%的階躍響應曲線：從50%到55%的階躍響應曲線

11、：從55%到60%的階躍響應曲線：（2）根據(jù)實驗原理中所述的方法，求出一階環(huán)節(jié)的相關參數(shù)。 答：從40%到45%從45%到50%從50%到55%從55%到60%平均值K*R01.71920.96431.1361.0581.097T31.8042100.676229.303434.690433.2473根據(jù)測量的數(shù)據(jù)可求得時間常數(shù)T=33.2473，K*R0=1.097。七、注意事項（1）本實驗過程中，出水閥不得任意改變開度大小。（2）階躍信號不能取得太大，以免影響正常運行；但也不能過小，以防止因讀數(shù)誤差和其他隨機干擾影響對象特性參數(shù)的精確度。一般階躍信號取正常輸入信號的5%15%。(3)在輸入

12、階躍信號前，過程必須處于平衡狀態(tài)。八、思考題（1）在做本實驗時，為什么不能任意變化上水箱出水閥的開度大小？答：因為T為水箱的時間常數(shù)，T=R2*C，K=R2為單容對象的放大倍數(shù)， R2為V2閥的液阻，C 為水箱的容量系數(shù)。當改變水箱出水閥的開度大小時，R2會改變，那么G(s)也會改變，那樣的話就不會測出G(s)中的參數(shù)了，因為每次都不一樣。(2)用兩點法和用切線對同一對象進行參數(shù)測試，它們各有什么特點?答：兩點法：從理論上來說兩點就可以確定參數(shù)，但是在實際測量中，測量點總是在基準線附近不停地波動，這樣很可能會造成測量的不準確，但是兩點法只需要測兩個點的數(shù)據(jù)，相對切線法來說簡單多了。切線法：和兩

13、點法相比，切線法隨機性小一點，可以近似地測量和計算出對象的特性參數(shù)，但是切線法需要側大量的數(shù)據(jù)，用來近似地描繪出對象的特性曲線。實驗二、單容水箱液位PID控制系統(tǒng)一、實驗目的1）、通過實驗熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理。2）、分析分別用P、PI和PID調節(jié)時的過程圖形曲線。3）、定性地研究P、PI和PID調節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。二、實驗設備AE2000型過程控制實驗裝置， PC機, DCS控制系統(tǒng)，DCS監(jiān)控軟件。三、實驗原理擾動液位給定上 水 箱電動調節(jié)閥PID控制器+液位變送器圖4-1、實驗原理圖圖4-1為單回路上水箱液位控制系統(tǒng)。單回路調節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調節(jié)對象上用一個調

14、節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構。本系統(tǒng)所要保持的參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務是控制上水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用DCS系統(tǒng)控制。當調節(jié)方案確定之后，接下來就是整定調節(jié)器的參數(shù)，一個單回路系統(tǒng)設計安裝就緒之后，控制質量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著很大的關系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會使控制質量變壞，達不到預期效果。一個控制系統(tǒng)設計好以后，系統(tǒng)的投運和參數(shù)整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）調節(jié)器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比例度的大小不僅會

15、影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關。比例積分（PI）調節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)，Ti調節(jié)合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。比例積分微分（PID）調節(jié)器是在PI調節(jié)器的基礎上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。但是，并不是所有單回路控制系統(tǒng)在加入微分作用后都能改善系統(tǒng)品質，對于容量滯后不大，微分作用的效果并不明顯，而對噪聲敏感的流量系統(tǒng)，加入微分作用后，反而使流量品質變壞。對于我們的實驗系統(tǒng)，在單位階躍作用下，P、PI、PID調節(jié)系統(tǒng)的階躍響應分別如圖4-2中的曲線、所示。 圖4-2、P、PI和P

16、ID調節(jié)的階躍響應曲線四、實驗內(nèi)容和步驟1)設備的連接和檢查：(1)將AE2000 實驗對象的儲水箱灌滿水（至最高高度）。(2)打開以水泵、電動調節(jié)閥、孔板流量計組成的動力支路至上水箱的出水閥，關閉動力支路上通往其他對象的切換閥門。(3)打開上水箱的出水閥至適當開度。2）實驗步驟1）啟動動力支路電源。2） 啟動DCS上位機組態(tài)軟件，進入主畫面，然后進入實驗四畫面。3) 在上位機軟件界面用鼠標點擊調出PID窗體框，用鼠標按下自動按鈕，在“設定值”欄中輸入設定的上水箱液位。4) 比例調節(jié)控制（1）設定給定值，調整P參數(shù)。（2）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號（在純比例的基礎上加擾動，一般可通過改變

17、設定值實現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。（3）、減小P重復步驟4，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。（4）、增大P重復步驟4，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。（5）、選擇合適的P，可以得到較滿意的過渡過程曲線。改變設定值（如設定值由50變?yōu)?0），同樣可以得到一條過渡過程曲線。(6)、注意：每當做完一次試驗后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次試驗。5) 比例積分調節(jié)器（PI）控制(1）、在比例調節(jié)實驗的基礎上，加入積分作用，即在界面上設置I參數(shù)不為0，觀察被控制量是否能回到設定值，以驗證PI控制下，系統(tǒng)對階躍擾動無余差存在。(2）、固定比例P值，改變PI調節(jié)

18、器的積分時間常數(shù)值Ti，然后觀察加階躍擾動后被調量的輸出波形，并記錄不同Ti值時的超調量p。 表一、不同Ti時的超調量p積分時間常數(shù)Ti大中小超調量p0%10%50%(3）、固定I于某一中間值，然后改變P的大小，觀察加擾動后被調量輸出的動態(tài)波形，據(jù)此列表記錄不同值P下的超調量p。 表二、不同值下的p比例P大中小超調量p50%33%20%(4）、選擇合適的P和Ti值，使系統(tǒng)對階躍輸入擾動的輸出響應為一條較滿意的過程曲線。此曲線可通過改變設定值（如設定值由50%變?yōu)?0%）來獲得。6) 比例積分微分調節(jié)（PID）控制(1)、在PI調節(jié)器控制實驗的基礎上，再引入適量的微分作用，即把軟件界面上設置D參

19、數(shù)，然后加上與前面實驗幅值完全相等的擾動，記錄系統(tǒng)被控制量響應的動態(tài)曲線，并與實驗（二）PI控制下的曲線相比較，由此可看到微分D對系統(tǒng)性能的影響。(2)、選擇合適的P、Ti和Td，使系統(tǒng)的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線（階躍輸入可由給定值從50%突變至60%來實現(xiàn)）。(3)、在歷史曲線中選擇一條較滿意的過渡過程曲線進行記錄。五、 實驗報告要求1）、作出P調節(jié)器控制時，不同P值下的階躍響應曲線。當P為30%時的階躍響應曲線：當P為40%的階躍響應曲線：當P為50%的階躍響應曲線：2）、作出PI調節(jié)器控制時，不同P和Ti值時的階躍響應曲線。當P為20%、I為0.05的階躍響應曲線：當P為30%

20、、I為0.05的階躍響應曲線：當P為40%、I為0.05的階躍響應曲線：3）、比較P、PI和PID三種調節(jié)器對系統(tǒng)無差度和動態(tài)性能的影響。答：（1）從動態(tài)響應來說PID調節(jié)器由于有D的作用響應最快，調節(jié)時間最短，然后是PI調節(jié)器，P調節(jié)器由于無超調量雖然響應曲線波動不大但響應最慢。（2）從無差度來說，PI與PID調節(jié)器由于有I的作用所以無靜差，而P有靜差。六、 思考題1）、試定性地分析三種調節(jié)器的參數(shù)P、（P、Ti）和（P、Ti和Td）的變化對控制過程各產(chǎn)生什么影響？答：P調節(jié)器：P與穩(wěn)態(tài)誤差有關，P越大穩(wěn)態(tài)誤差越小，但是P不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，P越大響應越快，甚至有可能使系統(tǒng)震蕩。PI調節(jié)器：I

21、可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但是I太小了，會使系統(tǒng)的震蕩增加，甚至使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，I會減慢系統(tǒng)的調節(jié)過程，同樣的P與PI調節(jié)器，當參數(shù)P的值相同時，PI調節(jié)時間要更長一點，所以要適當?shù)倪x擇參數(shù)P與I的值。PID調節(jié)器：D會加快系統(tǒng)的動態(tài)響應，減小調節(jié)時間，但是對于容量之后不大的系統(tǒng)積分作用不明顯，而且當D作用很強時，會使系統(tǒng)震蕩活不穩(wěn)定。由于有I的作用所以穩(wěn)態(tài)誤差為0。2）、如何實現(xiàn)減小或消除余差？純比例控制能否消除余差？答：適當?shù)募尤敕e分作用可以消除誤差，增大比例系數(shù)也可以減小誤差。但是純比例控制不能消除誤差。實驗十、上水箱下水箱液位串級控制實驗一、 實驗目的(1) 掌握串級控制系統(tǒng)的基本概念和組成

22、。(2) 掌握串級控制系統(tǒng)的投運與參數(shù)整定方法。(3) 研究階躍擾動分別作用在副對象和主對象時對系統(tǒng)主被控量的影響。一、 實驗設備AE2000型過程控制實驗裝置， PC機， DCS控制系統(tǒng)，DCS監(jiān)控軟件。 三、實驗原理上水箱液位作為副調節(jié)器調節(jié)對象，下水箱液位做為主調節(jié)器調節(jié)對象。控制框圖如圖10-1所示：10-1、上水箱下水箱液位串級控制框圖1、串級控制系統(tǒng)的組成圖10-1為液位串級控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有2個調節(jié)器、2 個閉合回路和兩個執(zhí)行對象。2個調節(jié)器分別設置在主、副回路中，設在主回路的調節(jié)器稱主調節(jié)器，設在副回路的調節(jié)器稱為副調節(jié)器。兩個調節(jié)器串聯(lián)連接，主調節(jié)器的輸出作為副回路的給定

23、量，主、副調節(jié)器的輸出分別去控制二個執(zhí)行元件。主對象的輸出為系統(tǒng)的被控制量鍋爐夾套溫度，副對象的輸出是一個輔助控制變量。2、串級系統(tǒng)的抗干擾能力串級系統(tǒng)由于增加了副回路，對于進入副環(huán)內(nèi)的干擾具有很強的抑制作用，因此作用于副環(huán)的干擾對主被控量的影響就比較小。系統(tǒng)的主回路是定值控制，而副回環(huán)是一個隨動控制。在設計串級控制系統(tǒng)時，要求系統(tǒng)副對象的時間常數(shù)要遠小于主對象。此外，為了指示系統(tǒng)的控制精度，一般主調節(jié)器設計成PI或PID調節(jié)器，而副調節(jié)器一般設計為比例P控制，以提高副回路的快速響應。在搭實驗線路時，要注意到兩個調節(jié)器的極性（目的是保證主、副回路都是負反饋控制）。 3、串級控制系統(tǒng)與單回路的控制系統(tǒng)相比 串級控制系統(tǒng)由于副回路的存在，改善了對象的特性，使等效對象的時間常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，使系統(tǒng)的響應加快，控制及時。同時，由于串級系統(tǒng)具有主副兩只控制器，總放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)的擾干擾能力增強。因此，它的控制質量要比單回路控制系統(tǒng)高。4、串級控制系統(tǒng)的投運