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

1、1. 曲線。2. 象的特征參數(shù)T和傳遞函數(shù)。1. THJ-2型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置2. 計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件3. 萬(wàn)用電表一只圖2-1單容水箱特性測(cè)試結(jié)構(gòu)圖由圖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(kāi)度都為定值，Q2為水箱中流出的流量。根據(jù)物料平衡關(guān)系，在平衡狀態(tài)時(shí)Q1-Q2=0(1)動(dòng)態(tài)時(shí)，則有Q1-Q2=dv/dt(2)式中 V為水貯存量的變化率，它與H的關(guān)系為dV=Adh ,即dV/dt=Adh/dt(3)A 為水箱的底面積。把式(3)代入式(2)得Q1-Q2=Adh/dt(4)基于Q2=h/RS，RS為閥V2的液阻,則上式可

2、改寫(xiě)為Q1-h/RS=Adh/dt即ARsdh/dt+h=KQ1或?qū)懽鱄(s)K/Q1(s)=K/(TS+1)(5)式中T=ARs,它與水箱的底積A和V2的Rs有關(guān):K=Rs。式(5)就是單容水箱的傳遞函數(shù)。對(duì)上式取拉氏反變換得(6)當(dāng)t時(shí),h()=KR0 K=h()/R0=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入當(dāng) t=T時(shí)，則有h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h()圖 2-22-2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)的傳遞函數(shù)為：1按圖2-1接好實(shí)驗(yàn)線路,并把閥V1和V2開(kāi)至某一開(kāi)度,且使V1的開(kāi)度大于V2的開(kāi)度。2接通總電源和相關(guān)的儀表

3、電源,并啟動(dòng)磁力驅(qū)動(dòng)泵。3把調(diào)節(jié)器設(shè)置于手動(dòng)操作位置，通過(guò)調(diào)節(jié)器增/減的操作改變其輸出量的大小，使水箱的液位處于某一平衡位置。增 狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一定的調(diào)節(jié)時(shí)間后，水箱的液位進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，如圖2-4 所示。5啟動(dòng)計(jì)算機(jī)記下水箱液位的歷史曲線和階躍響應(yīng)曲線。正向輸入曲線負(fù)向輸入曲線6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算T=t12-t1= - 1:52:18=1:37=97(s)h( )= h2( )- h1( )= 74.71mm-26.81mm=49.7mmR0=Q2-Q1=459.8L/h-397.9L/h=61.9L/hK=h( )/R0=49.7/61.9=0.8029K/TRSR 0）=0 0 -S S 11S

4、S S TTT=t23-t2= 1:57:24 - 1:56:06=1:18=78(s)h( )= h2( )- h3( )= 74.71mm-37.44mm =37.27mmR0=Q2-Q1=459.8L/h-388.0L/h=71.8L/hK=h( )/R0=37.27/71.8=0.5191K/TRR 0001）=-1SSSS S S TT7實(shí)驗(yàn)曲線所得的結(jié)果填入下表。參數(shù)值放大系數(shù)K 周期T測(cè)量值正階躍輸入負(fù)階躍輸入平均值0.80290.51910.661097(s)78(s)87.5五、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(kāi)度的大??？的大小。在入水量不變的情況下，這

5、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)，其精度與哪些因素有關(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(kāi)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？試分析差異原因。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。高度，中水箱要更長(zhǎng)的時(shí)間。 1.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)作用下的動(dòng)、靜態(tài)性能。2.比較不同PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。3.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

6、用。1. THJ-2型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置2. 計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件3. 萬(wàn)用電表一只圖3-2-1 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3-2-1 LT1 控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI 或PID 控制。 全開(kāi)，將上水箱出水閥門(mén) F1-9 均關(guān)閉。開(kāi)的位置?？刂乒駸o(wú)需接線。輸出輸入框來(lái)實(shí)現(xiàn)。4.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。5.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。6.分別適量改變調(diào)節(jié)器的P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

7、。7.分別用 PI、PD、PID 三種控制規(guī)律重復(fù)步驟 36，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。8.水箱液位的歷史曲線和階躍響應(yīng)曲線。 調(diào)節(jié)：K=5K=7（2）、PIK=7 I=20000K=5 I=2000（3）、PDK=5 D=10000K=5 D=5000（4）、PIDK=5 I=20000 D=50009.計(jì)算（1）、P調(diào)節(jié)K=5時(shí):上升時(shí)間為：tr=t2-t1=2:50:22-2:50:04=18(s)穩(wěn)態(tài)誤差=60mm- h()=60mm-53.35mm=6.65mmK=7時(shí):上升時(shí)間為：tr=t2-t1=2:50:41-2:50:21=20

8、(s)穩(wěn)態(tài)誤差=60mm- h()=60mm-55.41mm=4.59mm（2）、PI調(diào)節(jié)K=7，I=20000上升時(shí)間：tr=t1-t0=3:08:04-3：07：35=29(s)峰值時(shí)間：tp=t2-t0=3:08:09-3：07：35= 34(s)調(diào)節(jié)時(shí)間：ts=t3-t0=3:08:36-3：07：35=61(s)超調(diào)量=hmax- h()-h(0)*100%=6.8%穩(wěn)態(tài)誤差= h()-60mm=0.69mm（可以忽略不計(jì)）K=5 ，I=20000時(shí):上升時(shí)間：tr =3:22:58-3：22：31=27(s)峰值時(shí)間：tp= 3:23:06-3：22：31= 35(s)調(diào)節(jié)時(shí)間：t

9、s= 3:23:30-3：22：31=59(s)超調(diào)量=hmax- h()-h(0)*100%=10.9%穩(wěn)態(tài)誤差= h()-60mm=0.11mm（可以忽略不計(jì)）（3）、PD調(diào)節(jié)K=5,D=10000時(shí):上升時(shí)間為t=t2-t1=4:25:57-4:25:36=21(s)穩(wěn)態(tài)誤差=60mm- h()=60mm-52.98mm=7.02mmK=5,D=5000時(shí):上升時(shí)間為t=t2-t1=4:30:51-4:30:31=20(s)穩(wěn)態(tài)誤差=60mm- h()=60mm-52.81mm=7.19mm（4）、PIDK=5 ,I=20000 ,D=5000時(shí)：上升時(shí)間：tr =4：35：50-4：3

10、5：19=31(s)峰值時(shí)間：tp= 4：35：57-4：35：19= 38(s)調(diào)節(jié)時(shí)間：ts= 4：36：02-4：35：19=43(s)超調(diào)量=hmax- h()-h(0)*100%=11.1%穩(wěn)態(tài)誤差= 60mm- h()=0.23mm（可以忽略不計(jì)）10.分析態(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，前的作用，可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度。PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。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。這樣即節(jié)時(shí)間增大。因此，PI控制器可使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)太后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。如果僅有比例環(huán)節(jié)，系

11、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)解過(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”往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅的的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重失調(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)解過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性。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，震蕩周期變短，向兩端飽和。PID:常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好

12、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。五、思考題1. 改變比例度和積分時(shí)間T 對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生什么影響？I答：改變比例度會(huì)是調(diào)節(jié)器的參數(shù)改變，這可能讓系統(tǒng)的穩(wěn)定性受一定的影響，增大比例度會(huì)使其超調(diào)量增大，使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。改變積分時(shí)間 T 會(huì)使系統(tǒng)的精度提高，但也可能造成積分飽I和。2. 有什么異同？試分析差異原因。答：采用下水箱做實(shí)驗(yàn)，其滯后時(shí)間會(huì)更短。原因：因?yàn)樗幕芈纷兊酶?，棄響?yīng)曲線會(huì)上升的更快。實(shí)驗(yàn)五、鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制實(shí)驗(yàn)?zāi)堋?.比較不同PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。3.分析、PDPID四種控制規(guī)律對(duì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的作用。1. THJ-2型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)

13、驗(yàn)裝置2. 計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件3. 萬(wàn)用電表一只TT1檢測(cè)到的鍋較大，所以其控制過(guò)渡時(shí)間也較長(zhǎng)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器可選擇PD或PID控制。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖3-5-1所示。圖3-5-1 鍋爐內(nèi)膽溫度特性測(cè)試系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖可以采用兩種方案對(duì)鍋爐內(nèi)膽的水溫進(jìn)行控制：（一）鍋爐夾套不加冷卻水（靜態(tài)）（二）鍋爐夾套加冷卻水（動(dòng)態(tài)）稍慢，降溫過(guò)程稍快。無(wú)論操作者采用靜態(tài)控制或者動(dòng)態(tài)控制，本實(shí)驗(yàn)的上位監(jiān)控界面操作都是一樣的。全開(kāi)，打開(kāi)電磁閥開(kāi)關(guān)，其余閥門(mén)關(guān)閉，啟動(dòng)380伏交流磁力泵，給鍋爐內(nèi)后關(guān)閉閥及電磁閥，打開(kāi)閥F1-12，為給鍋爐夾套供冷水做好準(zhǔn)備。PC 主界面,在實(shí)驗(yàn)主界面中選擇本

14、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)即“鍋爐內(nèi)膽水溫 PID 控制實(shí)3.合上三相電源空氣開(kāi)關(guān)，三相電加熱管通電加熱，適當(dāng)增加/減少輸出量，使鍋爐內(nèi)膽的水溫穩(wěn)定于設(shè)定值。4.按指導(dǎo)書(shū)第二章第一節(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) PID PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。5.待鍋爐內(nèi)膽水溫穩(wěn)定于給定值時(shí)，將調(diào)節(jié)器切換到“自動(dòng)”狀態(tài)，然后記錄曲線。6.開(kāi)始往鍋爐夾套打冷水，重復(fù)步驟35，觀察實(shí)驗(yàn)的過(guò)程曲線與前面不加冷水的過(guò)程有何不同。7.分別采用 P、PI、PD 控制規(guī)律，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，觀察在不同的PID 參數(shù)值下，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。8. 上述實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄的響應(yīng)曲線。9.計(jì)算穩(wěn)態(tài)誤差=30-29.37=0.63上升時(shí)間：

15、tr=5:48:27-5:47:23=64(s)峰值時(shí)間：tp=6:22:25-6:19:26=2:59=179(s)超調(diào)量=(44.25-35)/ (35-2.528)*100%=28.5%穩(wěn)態(tài)誤差=35-34.04=0.86上升時(shí)間：tr=6:49:25-6:48:10=75(s)上升時(shí)間：tr=7:05:50-7:04:40=70(s)峰值時(shí)間：tp=7:07:30-7:04:40=170(s)超調(diào)量=(44.15-35)/ (35-2.626)*100%=28.3%10.分析態(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

16、分環(huán)節(jié)以后，前的作用，可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度。PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。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。這樣即節(jié)時(shí)間增大。因此，PI控制器可使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)太后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。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)解過(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”往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅的的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重失調(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)解過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性。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，震蕩周期變短，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。1.在溫度控制系統(tǒng)中，為什么用 PD 和 PID 控制，系統(tǒng)的性