《過程控制系統(tǒng)》實驗報告

過程控制系統(tǒng)》實驗報告學(xué)院：電氣學(xué)院專業(yè)：自動化班級：姓名及學(xué)號：日期：實驗一、單容水箱特性測試實驗?zāi)康恼莆諉稳菟潆A躍響應(yīng)測試方法，并記錄相應(yīng)液位的響應(yīng)曲線。根據(jù)實驗得到的液位階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法確定被測對象的特征參數(shù)T和傳遞函數(shù)。二、 實驗設(shè)備THJ-FCS型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置。計算機及相關(guān)軟件。萬用電表一只。三、 實驗原理由圖2-1可知，對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Q-料平衡關(guān)系，在平衡狀態(tài)時Q-Q二01020（式2-2）式中V為水箱的貯水容積，（式2-1），動態(tài)時，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對上式取拉氏反變換得hC)=KRG-e-1/t)(式2-6)，當tTa時h(s)=KR,因0而有K=h（a）/R=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入，當t=T時，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所示當由實驗求得圖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%所對應(yīng)的時間，就是水箱的時間常數(shù)。該時間常數(shù)T也可以通過坐標原點對響應(yīng)曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點所對應(yīng)的時間就是時間常數(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如果對象的階躍響應(yīng)曲線為圖2-3，則在此曲線的拐點D處作一切線，它與時間軸交于B點，與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于A點。圖中OB即為對象的滯后時間

t,BC為對象的時間常數(shù)T,所得的傳遞函數(shù)為坐二◎。Q&丿Ts+11四、 實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇上水箱作為被測對象（也可選擇中水箱或下水箱）。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門Fl-1、Fl-2、F1-6全開，將上水出水閥門F1-9開至適當開度,其余閥門均關(guān)閉。1、接通控制柜和控制臺的相關(guān)電源，并啟動磁力驅(qū)動泵，接通空壓機電源?？刂乒駸o需接線。2、 打開作上位控制的PC機，點擊“開始”菜單，選擇彈出菜單中的'SIMATIC”選項，再點擊彈出菜單中的“WINCC”，再選擇彈出菜單中的“WINCCCONTROLCENTER5.0”，進入WINCC資源管理器，打開組態(tài)好的上位監(jiān)控程序，點擊管理器工具欄上的“激活（運行）”按鈕，進入實驗主界面。3、 鼠標左鍵點擊實驗項目“一階單容水箱對象特性測試實驗”，系統(tǒng)進入正常的測試狀態(tài)。4．在上位機實驗界面窗口給定閥門開度值（既可拉動輸出值旁邊的滾動條，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．在上位機實驗界面窗口改變給定的閥門開度值，使其輸出有一個正（或負）階躍增量的變化（此增量不宜過大，以免水箱中水溢出），使水箱液位上升或下降，經(jīng)過一定時間的調(diào)節(jié)后，水箱的液位進入新的平衡狀態(tài)。6．觀察上位機監(jiān)控界面上水箱液位的歷史曲線和階躍響應(yīng)曲線。在上位機實驗界面改變閥門開度值，使其輸出有一正（或負）階躍增量的變化，使水箱液位上升或下降，經(jīng)過一定時間的調(diào)節(jié)后，水箱的液位進入新的平衡狀態(tài)。曲線圖如下電動調(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、實驗結(jié)果與分析1.單容水箱特性測試結(jié)構(gòu)框圖oo(ocooo(soo.aaso.?w))olooo—oooo100.130.}S:1SO.46.00單容水箱特性測試結(jié)構(gòu)框圖分析計算單容水箱液位對象時的參數(shù)和傳遞函數(shù)由實驗原理及結(jié)構(gòu)框圖可知，單容水箱液位對象的傳遞函數(shù)為坐二一匚QIs丿Ts+11其參數(shù)確定過程如下：根據(jù)圖2-4所示由機理建模的方法可以列寫其微分方程式dH根據(jù)圖2-4所示由機理建模的方法可以列寫其微分方程式dH為叫一鋁=人頁圖2-4圖2-4設(shè)閥門液阻為R有Qo有Qo…一H(s) R化簡后得一= 2——Q&丿1+AsR12,所以K=R,T=AR。22實驗心得體會在此實驗過程中，主要學(xué)習(xí)到的知識是單容過程的工作原理和在給擾動后恢復(fù)平衡狀態(tài)的過程。在做實驗的過程中，由于前期指導(dǎo)老師已經(jīng)將實驗所用系統(tǒng)調(diào)至一個穩(wěn)態(tài)，我們需要做的工作是給一個擾動通過手動調(diào)節(jié)閥門開度使系統(tǒng)穩(wěn)定在一個新的平衡狀態(tài)。總體感覺實驗比較簡單，但是所包含的理論知識卻不少。在實驗過程中更加體會到了理論聯(lián)系實際的重要性。我也意識到了在專業(yè)課學(xué)習(xí)中不僅要認真學(xué)會理論知識，更要理論聯(lián)系實驗，認真把握好每次做實驗的機會，認真實驗，更加深入的理解理論知識。五、 思考題1．在實驗進行過程中，為什么不能任意改變出水口閥開度的大?。看鹨驗樵趯嶒炦^程中,任意改變出水口閥開度會影響出水流量的大小。在入水量不變的情況下,這樣會使實驗記錄的數(shù)據(jù)和圖形與實際相差較遠。2．用響應(yīng)曲線法確定對象的數(shù)學(xué)模型時，其精度與那些因素有關(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)。另外，也會受實驗室電壓的波動與測試軟件的影響。3、如果采用中水箱做實驗，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:若采用中水箱做實驗，它的響應(yīng)曲線要比上水箱變化的慢。原因:因為中水箱的回路比上水箱的回路要長，上升相同的液位高度中水箱要更長的時間實驗二、上水箱液位PID整定實驗實驗?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)的整定和投運方法。3、研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對系統(tǒng)靜、動態(tài)性能的影響。4、 了解P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對液位控制的作用。5、 掌握在FCS控制系統(tǒng)中現(xiàn)場檢測信號的傳送和控制信號的網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑。二、 實驗設(shè)備THJ-FCS型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置。計算機及相關(guān)軟件。萬用電表一只。三、 實驗原理>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)方框圖本實驗系統(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，實驗要求它的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器LT1檢測到的上水箱液位信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制氣動調(diào)節(jié)閥的開度，以達到控水箱液位的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。

四、 實驗內(nèi)容與步驟實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門Fl-1、Fl-2、F1-6全開，將上水箱出水閥門F1-9開至適當開度，其余閥門均關(guān)閉。1、接通控制柜和控制臺電源電源，并啟動磁力驅(qū)動泵和空壓機。2、 打開作上位控制的PC機，，進入的實驗主界面。3、 鼠標左鍵點擊實驗項目“上水箱液位PID整定實驗”，系統(tǒng)進入正常的測試狀態(tài)。4、 在上位機監(jiān)控界面中點擊“手動”，并將設(shè)定值和輸出值設(shè)置為一個合適的值，此操作可通過設(shè)定值或輸出值旁邊相應(yīng)的滾動條或輸出輸入框來實現(xiàn)。5、 啟動磁力驅(qū)動泵，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當增加/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)驗法或動態(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”控制狀態(tài)，待液位平衡后通過以下幾種方式加干擾：（1）突增（或突減）設(shè)定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化；（此法推薦，后面兩種僅供參考）（2）將氣動調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或Fl-4（同電磁閥）開至適當開度；（3）將下水箱進水閥F1-8開至適當開度；（改變負載）以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的5%?15%，干擾過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)過一段調(diào)節(jié)時間后，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），觀察計算機記錄此時的設(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,通過實驗界面下邊的按鈕切換觀察計算機記錄不同控制規(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,通過實驗界面下邊的按鈕切換觀察計算機記錄不同控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。五、 實驗結(jié)果與分析單容水箱液位定值控制實驗的結(jié)構(gòu)框圖啊節(jié)鼻一A弋動啊節(jié)鼻一A弋動H—A實驗方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)龜定過程如下通過經(jīng)驗法來確定PID參數(shù)，現(xiàn)設(shè)置比例系數(shù)K,通過觀察響應(yīng)曲線的變化，來確定是否需要添加積分環(huán)節(jié)I;如果誤差超過要求范圍，則需要添加積分環(huán)節(jié)I來消除余差；繼續(xù)觀察響應(yīng)曲線若其動態(tài)性能不能達到要求則添加微分環(huán)節(jié)D，用以滿足系統(tǒng)動靜態(tài)參數(shù)要求。3.實驗曲線圖及相關(guān)分析在系統(tǒng)穩(wěn)定之后給以階躍擾動，由于PID控制器的調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)趨于一個新的穩(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)，所以實驗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)對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響P：增大比例系數(shù)K,會使系統(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)會引起相角滯后，系統(tǒng)的動態(tài)性能惡化，隨著積分作用的增強，控制器的控制作用增強，系統(tǒng)的穩(wěn)定性逐漸減弱。PID：加入微分環(huán)節(jié)作用是補償對象滯后，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到改善，提高了響應(yīng)速度，兼顧了動靜態(tài)的控制要求。分析P、PI、PD、PID，四種不同的控制方式對系統(tǒng)的影響P：增大比例系數(shù)K,會使系統(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)會引起相角滯后，系統(tǒng)的動態(tài)性能惡化，隨著積分作用的增強，控制器的控制作用增強，系統(tǒng)的穩(wěn)定性逐漸減弱。PD：微分作用通過提供超前作用使得被控過程趨于穩(wěn)定，同時也減小了過渡過程的時間，改善了被控量動態(tài)響應(yīng)的品質(zhì)。PID：加入微分環(huán)節(jié)作用是