浙工大过程控制实验报告教材.docx

1、浙工大过程控制实验报告教材 实验一：系统认识及对象特性测试一 实验目的1了解实验装置结构和组成及组态软件的组成使用。2 熟悉智能仪表的使用及实验装置和软件的操作。3熟悉单容液位过程的数学模型及阶跃响应曲线的实验方法。4学会有实际测的得单容液位过程的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数，辨识过程的数学模型。二 实验内容1 熟悉用MCGS组态的智能仪表过程控制系统。2 用阶跃响应曲线测定单容液位过程的数学模型。三 实验设备1 AE2000B型过程控制实验装置。2 计算机，万用表各一台。3 RS232-485转换器1只，串口线1根，实验连接线若干。四 实验原理如图1-1所示，设水箱的进水量为

2、Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得： 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：式中，T为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R2*C，K=R2为单容对象的放大倍数，R1、R2分别为V1、V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。 阶跃响应曲线法是指通过调节过程的调节阀，使过程的控制输入产生一个阶跃变化，将被控量随时间变化的阶跃响应曲线记录下来，再根据测试记录的响应曲线求取输入输出之间的数学模型。本实验中输入为电动调节阀的开度给定值OP，通过改变电动调节阀的开度给定单容过程以阶跃变化的信号，输出为上水箱的液位高

3、度h。电动调节阀的开度op通过组态软件界面有计算机传给智能仪表，有智能仪表输出范围为：0100%。水箱液位高度有由传感变送器检测转换为420mA的标准信号，在经过智能仪表将该信号上传到计算机的组态中，由组态直接换算成高度值，在计算机窗口中显示。因此，单容液位被控对象的传递函数，是包含了由执行结构到检测装置的所有液位单回路物理关系模型 有上述机理建模可知，单容液位过程是带有时滞性的一阶惯性环节，电动调节阀的开度op，近似看成与流量Q1成正比，当电动调节阀的开度op为一常量作为阶跃信号时，该单容液位过程的阶跃响应为需要说明的是表达式（2-3）是初始量为零的情况，如果是在一个稳定的过程下进行的阶跃响

4、应，即输入量是在原来的基础上叠加上op的变化，则输出表达式是对应原来输出值得基础上的增量表达的是，用输出测量值数据做阶跃响应曲线，应减去原来的正常输出值。5、实验步骤A、熟悉用MCGS组态的智能仪表过程控制系统1、设备的连接和检查 （1）检查AE2000实验对象的储水箱，一般应有2/3以上最高水位 （2）打开丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门 （3）打开上水箱的出水阀，阀8调至适当开度 （4）检查电源开关是否关闭 （5）检查RS-232转换器的RS232端是否接到计算机的串口1、RS485端通过串口线连接到AE2000高级过程控制实验装置的串口端2、智能仪表的参数设

5、置 给智能仪表上电，设置好以下参数：CtrL 1P 3I 500D 0Sn 33dIP 1dIL 0dIH 50oP1 4oPL 0oPH 100CF 0bAud 9600bit/sAddr 13、熟悉组态软件 （1）启动计算机，在显示桌面双击MCGS组态环境图标。打开AE2000过程控制系统实验装置的组态软件，观察并熟悉组态方法，熟悉实验内容及掌握组态软件与智能仪表之间的通讯的组态步骤及要求。 （2）操作软件中各个工具，学习并熟悉组态软件的一般应用。 （3）在文件菜单中选择打开工程选项，打开已经组好AE2000实验系统工程软件。 （4）按F5进入运行环境，点击进入仪表过程控制实验系统，熟悉实

6、验内容，进入每个实验，观看各项功能。B、测定单溶液过程的数学模型1、硬件连接及上电操作（1）将I/O信号接口板上的上水箱液位的开关打到15V位置（2）按图2-4所示连线（3）启动实验装置，打开总电源漏电保护空气开关，电压表指示220V，电源指示灯亮，按下电源总开关，开启实验装置电源。（4）开启电动调节阀电源、智能调节仪电源（5）检查并调整好智能仪表各项参数2、启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验界面。3、双击设定输出按钮，设定输出值的大小，一般初次设定值新装置3035%。开启单项泵电源开关，启动电力支路，观察系统的被调量：上水箱的水位是否趋于平衡状态。待液位稳定后，读取液位高度，

7、该液位高度为液位初始值，应为5CM左右。4、记录上述步骤调整好的液位初始值。当上水箱的水位处于平衡状态时，记录调节仪输出值，以及水箱水位的高度h和智能仪表的测量显示值并填入下表。 仪表输出值水箱水位高度仪表显示值39%6.15.85、迅速增加仪表手动输出值，增加约10%的输出量，知道水箱水位进入新的平衡状态。再次记录平衡时的下列数据，并填入下表。仪表输出值水箱水位高度仪表显示值50%29.929.76迅速将仪表输出值调回到步骤4的位置。7 读取第二个过程的数值。计算第二个过程上升至稳态值39%和63%时的高度，双击实时曲线读取对应的实验值。高度时间初始值5.78:21上升至39%时15.081

8、0：45上升至63%时20.913：058观察第三个过程，直到水位进入新的平衡状态。再次记录平衡时的下列数据。仪表输出值水箱水位高度仪表显示值39%5.75.49读取第三个过程的数值。计算第三个过程下降至稳态值的39%和63%时的高度，双击实时曲线读取对应的实验值。高度时间初始值29.631：04上升至39%时20.233：09上升至63%时14.435：096、预习思考题1、在做实验时，为什么不能任意变化阀8的开度大小？因为T为水箱的时间常数，T=R2*C，K=R2为单容对象的放大倍数， R2为V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。当改变水箱出水阀的开度大小时，R2会改变，那么G(s)也会改变

9、，那样的话就不会测出G(s)中的参数了，因为每次都不一样。2、用两点法和用切线法对同一对象进行参数测试，他们各有什么特点？两点法：从理论上来说两点就可以确定参数，但是在实际测量中，测量点总是在基准线附近不停地波动，这样很可能会造成测量的不准确，但是两点法只需要测两个点的数据，相对切线法来说简单多了。切线法：和两点法相比，切线法随机性小一点，可以近似地测量和计算出对象的特性参数，但是切线法需要侧大量的数据，用来近似地描绘出对象的特性曲线。3、若要测试二阶双容水箱的对象特性，应如何进行？7、实验报告要求1、整理实验数据，同时附上拷贝的画面。2、根据实验原理中所述的方法，求出单容液位过程传递函数的相

10、关参数。1.2.T1=144*2-284=4 T2=125*2-245=5实验二、单回路仪表控制系统一、实验目的1）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。2）、学会整定调节器参数的方法。3）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。二、实验设备AE2000型过程控制实验装置， PC机, DCS控制系统，DCS监控软件。三、实验原理扰动液位给定上 水 箱电动调节阀PID控制器+液位变送器图4-1、实验原理图图4-1为单回路上水箱液位控制系统。单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本

11、系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用DCS系统控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的

12、作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。对于我们的实验系统，在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图4-2中的曲线、所示。 图4-2、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线四、实验内容和步骤1)设备的连接和检查：(1)将AE2000

13、实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。(2)打开以水泵、电动调节阀、孔板流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。(3)打开上水箱的出水阀至适当开度。2）实验步骤1）启动动力支路电源。2） 启动DCS上位机组态软件，进入主画面，然后进入实验四画面。3) 在上位机软件界面用鼠标点击调出PID窗体框，用鼠标按下自动按钮，在“设定值”栏中输入设定的上水箱液位。4) 比例调节控制（P）（1）设定给定值，调整P参数。SV = 10cm比例度574稳态值8.07.28.3超调量p31%过度过程时间（s）139118拷屏结果如下：从左至右比例度依次为5、7、4（2）改变设定

14、值，重复上述实验。SV = 15cm比例度3510稳态值13.512.89.3超调量p过度过程时间（s）拷屏结果如下：从左至右比例度依次为3、5、105) 比例积分调节器（PI）控制(1）、在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置I参数不为0，观察被控制量是否能回到设定值，以验证PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。(2）、固定比例P值，改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量p和过度过程时间。将过渡过程曲线拷屏。 SV = 15，d = 10积分时间常数501510超调量7%11%过渡过程时间120s128s112s拷屏

15、结果如下：从左至右积分时间常数依次为50、15、10(3）、固定I于某一中间值，然后改变P的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同值P下的超调量p和过渡过程曲线拷屏。 (4）、选择合适的P和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过程曲线。将过渡过程曲线拷屏。6) 比例积分微分调节（PID）控制(1)、在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把软件界面上设置D参数，然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与实验4 PI控制下的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。(2)、选择合适的P、Ti和Td，使系统的输出响

16、应为一条较满意的过渡过程曲线。将过渡过程曲线拷屏。五、 实验报告要求1）、作出P调节器控制时，不同P值下的阶跃响应曲线。如上。2）、作出PI调节器控制时，不同P和Ti值时的阶跃响应曲线。如上。3）、比较P、PI和PID三种调节器对系统无差度和动态性能的影响。PPIPID无差度稳态有差稳态无差稳态无差动态性能P越大上升时间越短I作用越强使得动态品质变差D作用总是阻止系统被调量的变化六、 思考题1）、试定性地分析三种调节器的参数P、（P、Ti）和（P、Ti和Td）的变化对控制过程各产生什么影响？答：P调节器：P与稳态误差有关，P越大稳态误差越小，但是P不能消除稳态误差，P越大响应越快，甚至有可能使

17、系统震荡。PI调节器：I可以消除稳态误差，但是TI太小了，会使系统的震荡增加，甚至使系统变得不稳定，I会减慢系统的调节过程，同样的P与PI调节器，当参数P的值相同时，PI调节时间要更长一点，所以要适当的选择参数P与I的值。PID调节器：D会加快系统的动态响应，减小调节时间，但是对于容量滞后不大的系统积分作用不明显，而且当D作用很强时，会使系统震荡活不稳定。由于有I的作用所以稳态误差为0。2）、如何实现减小或消除余差？纯比例控制能否消除余差？答：适当的加入积分作用可以消除误差，增大比例系数也可以减小误差。但是纯比例控制不能消除误差。实验三 串级仪表控制系统一、实验目的 1.掌握串级控制系统的基本

18、概念和组成 2.掌握串级控制系统的投运与参数整定方法 3.研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时系统主被控量的影响二、实验内容 1.实现在MCGS组态下的液位串级仪表控制系统的组成与连接。 2.主副控制器分别用P、PI、PID调节时的控制器参数调节。 3.获得分别用P、PI、PID调节取得的较满意主副过度过程曲线。三、实验设备 1、AE2000B型过程控制实验装置 2、计算机、万用表各一台 3、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线若干四、实验原理 串级控制系统能显著提高控制品质。它具有下列特点:能迅速克服进入副回路的干扰,抗干扰能力强,控制质量高;改善了过程的动态特性,提高了系

19、统的工作频率,对负荷和操作条件的变化适应性强。五、实验步骤1.设备的连接和检查(1)打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门;关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门(2)打开上水箱的出水阀:阀8至适当开度(3)检查电源开关是否关闭(4)检查RS232-485转换器的RS232端是否接到计算机的串口1、RS485端通过串口线连接到AE2000B高级过程控制实验装置的串口断。2、硬件连线及上电操作 在过程控制系统中，检测环节是比较重要的一个环节。液位是指密封容器或开口容器中液位的高低，通过液位测量可知道容器中的原料、半成品或成品的数量，以便调节流入流出容器的物料，使之达到

20、物料的平衡，从而保证生产过程顺利进行。设计中涉及到液位的检测和变送，以便系统根据检测到的数据来调节通道中的水流量，控制水箱的液位。 液位变送器分为浮力式、静压力式、电容式、应变式、超声波式、激光式、放射性式等。系统中用到的液位变送器是浙江浙大中控自动化仪表有限公司生产的中控仪表SP0018G压力变送器，属于静压力式液位变送器，量程为010KPa，精度为 ，由24V直流电源供电，可以从PLC的电源中获得，输出为420mA直流。3、只能仪表的参数设置4、启动计算机MCGS组态软件,进入实验系统相应的实验。5、主控制器PI控制、副调节器P控制(4)观察系统过度过程,如果性能指标良好,记录主备控制量过

21、度过程的超调量和过渡过程时间。并进行屏幕拷贝。过渡过程时间：660s 超调量：8%(5)如果系统性能不好,调节主副控制器的参数,重新进行上述实验。(6)系统稳定后,在主、副贿赂上分别加干扰信号,观察主回路和副回路上的实验曲线的变化,记录并保存曲线。6主控制器PID控制、副调节器PI控制主回路干扰：副回路干扰：六、预习思考题 串级控制相比与单回路控制有什么优点?答:串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象的特性，使等效对象的时间常数减小，系统的工作频率提高，改善了系统的动态性能，使系统的响应加快，控制及时。同时，由于串级系统具有主副两只控制器，总放大倍数增大，系统的扰干扰能力增强。因此，它的控制质量要比单回路控制系统高。七、实验报告要求1.整理实验结果。附上阶跃动态响应曲线。2.分析串级控制的单回路PID控制不同之处。答1：如上2:(1）单回路控制对于时间常数较大的系统来说，调节效果比较差，而串级控制对于主回路来说，相当于把系统的时间常数减小了，所以会有良好的调节效果。（2）而且串级具有两只控制器使的总放大倍数较单回路控制增加。（3）串级控制由于副回路是一个随动系统，所以它比单回路控制抗干扰能力强，因此，它的控制质量要比单回路控制系统高。