《2017现代控制系统实验报告》.doc
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实验成绩
西安电子科技大学
现代过程控制
课程实验报告
实验名称
1.单容水箱对象特性测试
2.双容水箱特性的测试
3.上水箱液位PID整定实验
4.串接双容水箱液位PID整定实验
5.锅炉内胆水温PID控制实验
6.水箱液位串级控制系统
学院
班级
学号
姓名
任课教师
学期
实验一单容水箱特性的测试
一、实验目的
1.掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并记录相应液位的响应曲线。
2.根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。
二、实验设备
1.THJ-2型高级过程控制系统实验装置
2.计算机及相关软件
3.万用电表一只
三、实验原理
1-1单容水箱特性测试结构图
图1-1单容水箱特性测试结构图
由图1-1知，对象的被控制量为水箱的液位H，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1，手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。
根据物料平衡关系，在平衡状态时
（1）
动态时，则有
（2）
式中V为水箱的贮水容积，为水贮存量的变化率，它与H的关系为：
，即（3）
A为水箱的底面积。
由上式得
（4）
基于，为阀V2的液阻，则上式可改写为
即
或写作
（5）
式中，它与水箱的底积A和V2的有关；K=。
式（5）就是单容水箱的传递函数。
若令则式（5）可改为
对上式取拉氏反变换得
（6）
当时，，因而有=输出稳态值/阶跃输入
当t=T时，则有
式（6）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1-2所示。
图1-2单容水箱的单调上升指数曲线
当由实验求得图1-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。
该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。
如果对象的阶跃响应曲线为图1-3，则在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。
图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为:
图1-3单容水箱的阶跃响应曲线
四、实验内容与步骤
1．按图1-1接好实验线路，并把阀V1和V2开至某一开度，且使V1的开度大于V2的开度。
2．接通总电源和相关的仪表电源，并启动磁力驱动泵。
3．把调节器设置于手动操作位置，通过调节器增/减的操作改变其输出量的大小，使水箱的液位处于某一平衡位置。
4．手动操作调节器，使其输出有一个正的（或负的）阶跃增量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一定的调节时间后，水箱的液位进入新的平衡状态，如图1-4所示。
图1-4单容箱特性响应曲线
5．启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。
6．把由实验曲线所得的结果填入表中。
五、实验报告要求
1.掌握单容水箱阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线。
2.根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。
曲线如下所示：
负阶跃时截图：
初始时：
液位为84.83，时间为5:
24:
26
达到稳态值的63%时：
液位为60.82，时间为5:
25:
48，T=82
稳态时：
液位为45.74，时间为5:
29:
01
正阶跃时截图：
初始时：
液位为53.28，时间为5:
16:
46
达到稳态值63%时：
液位为70.42，时间为5:
18:
03，T=77
稳态时：
液位为80.68，时间为5:
19:
53
正向输入到达平衡状态时传递函数为：
当为负向输入时其传递函数为：
由实验曲线所得的结果如下表所示：
参数值
测量值
放大系数K
周期T
液位h
（变化）
正阶跃输入
3
77
27.4
负阶跃输入
3
82
39.09
平均值
3
79.5
33.245
六、思考题
1.在输入阶跃信号前，为什么过程必须处于平衡状态？
如果在系统趋于稳定的过程中改变阶跃信号的大小，会出现怎样的现象？
答：
平衡状态是稳定的，如果不处于平衡状态，就不能计算T,τ，将无法确定其传递函数。
如果在系统趋于稳定的过程中改变阶跃信号的大小，系统将不能趋于原来的稳定状态，将会根据改变后的阶跃信号，趋于稳定或者不稳定。
2.在本实验中阶跃信号是否可以任意选取，为什么？
答：
阶跃信号不能任意选取，因为阶跃信号取得太大，会影响系统正常运行；取得太小，会因读数误差和其他随机干扰影响对象特性参数的精确度。
一般取正常输入信号的5%～15%。
3.水箱液位达到动态平衡后，改变气动调节阀开度使进水量发生改变，而出水阀开度没有变化，液位为什么能够再次达到动态平衡？
答：
系统的自平衡能力强，对于同样大小的进水阀开度变化，也位置改变一点就能恢复平衡。
PID参数的调节就是为了使系统能够动态平衡。
实验二双容水箱特性的测试
一、实验目的
1.熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
2.根据由实际测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其传递函数。
二、实验设备
1．THJ-2型高级过程控制系统装置
2．计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、接口线1根
3．万用表1只
三、实验原理
图2-5双容水箱对象特性结构图
由图2-5所示，被控对象由两个水箱相串联连接，由于有两个贮水的容积，故称其为双容对象。
被控制量是下水箱的液位，当输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2-6所示。
由图2-6可见，上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数（图2-6（a）），而下水箱液位的响应曲线则呈S形状（图2-6（b））。
显然，多了一个水箱，液位响应就更加滞后。
由S形曲线的拐点P处作一切线，它与时间轴的交点为A，OA则表示了对象响应的滞后时间。
至于双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。
图2-6双容液位阶跃响应曲线
图2-7双容液位阶跃响应曲线
在图2-7所示的阶跃响应曲线上求取：
（1）h2（t）|t=t1=0.4h2（∞）时曲线上的点B和对应的时间t1；
（2）h2（t）|t=t2=0.8h2（∞）时曲线上的点C和对应的时间t2。
然后，利用下面的近似公式计算式
由上述两式中解出T1和T2，于是求得双容（二阶）对象的传递函数为
四、实验内容与步骤
1、接通总电源和相关仪表的电源。
2、接好实验线路，打开手动阀，并使它们的开度满足下列关系：
V1的开度>V2的开度>V3的开度
3、把调节器设置于手动位置，按调节器的增/减，改变其手动输出值，使下水箱的液位处于某一平衡位置（一般为水箱的中间位置）。
4、按调节器的增/减按钮，突增/减调节器的手动输出量，使下水箱的液位由原平衡状态开始变化，经过一定的调节时间后，液位h2进入另一个平衡状态。
5、上述实验用计算机实时记录h2的历史曲线和在阶跃扰动后的响应曲线。
实验数据记录
1.初始值：
输出值为50%
稳态时：
液位为107.6mm，流速为541L/h,时间为5:
46:
26
2.负阶跃25%时：
给一个正的负阶跃增量（25%），输出值为25%
（1）初始时：
测量值为107.6mm，时间为5:
46:
26
（2）0.4h（∞）时：
液位为69mm，时间为5:
49:
25
（3）0.8h（∞）时：
液位为94.79mm，时间为5:
47:
47
（4）稳态时：
液位为45.41mm，流速为432L/h,时间为5:
52:
16
3.正阶跃25%时：
此时输出值为50%。
（1）初始时：
测量值为39.31mm，时间为5:
55:
59
（2）0.4h（∞）时：
测量值为70.27mm，时间为5:
58:
41
（3）0.8h（∞）时：
测量值为95.2mm，时间为6:
00:
57
（4）稳态时：
测量值为106.6mm，时间为6:
02:
58，流速为541L/h
将实验数据记录于下表中：
阶段
初始值
（mm）
输出值
（%）
稳态值
（mm）
0.4h（∞）
（mm）
0.8h（∞）
（mm）
流速（L/h）
值
时间
值
值
时间
值
时间
值
时间
调整
\
\
50%
107.6
5:
46:
26
\
\
\
\
541
负阶跃
107.6
5:
46:
26
25%
45.41
5:
52:
16
69
5:
49:
25
94.79
5:
47:
47
432
正阶跃
39.31
5:
55:
59
50%
106.6
6:
02:
58
70.27
5:
58:
41
95.2
6:
00:
57
541
6、把由计算机作用的实验曲线进行分析处理，并把结果填表入下表中：
参数值
测量值
液位h
K
T1
T2
τ
正向输入
0.62
负向输入
0.57
平均值
0.595
五、实验报告要求：
根据实验测得的数据和曲线，分析并计算出双容水箱液位对象时的参数和传递函数。
六、思考题：
1.做本实验时，为什么不能任意改变两个出水阀门开度的大小？
答：
当阀门改变时，水箱出水速度改变，影响水箱的时间常数，从而打破了原来系统的平衡，需要重新调整控制器参数以达到新的平衡。
2.引起双容对象滞后的因素主要有哪些？
答：
双容水箱的控制是通过控制上水箱的平衡已达到上水箱稳定的出水量与中水箱出水量的动态平衡，引起双容水箱滞后的因素主要有传感器的灵敏度，气动阀门的灵敏度以及水泵的响应快慢等因素。
3.试分析双容水箱对象特性与单容水箱对象特性有什么区别？
答：
单容水箱的阶跃响应曲线是呈指数增长的，没有滞后环节；双容水箱的阶跃响应曲线呈S型，有明显的滞后环节。
实验三上水箱液位PID整定实验
二、实验目的
1．了解单闭环液位控制系统的结构与组成。
2．掌握单闭环液位控制系统调节器参数的整定。
3．研究调节器相关参数的变化对系统动态性能的影响。
二、实验设备
1．THJ-2型高级过程控制系统装置
2．计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、接口线1根
3．万用表1只
三、实验原理
本实验系统的被控对象为上水箱，其液位高度作为系统的被控制
图3-1上水箱液位定值控制结构图
量。
系统的给定信号为一定值，它要求被控制量上水箱的液位在稳态时等于给定值。
由反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。
图3-1为本实验系统的结构图，图3-2为控制系统的方框图。
为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下无静差，系统的调节器应为PI或PID。
图3-2上水箱液位定值控制方框图
四、实验内容与步骤
1．按图3-1要求，完成系统的接线。
2．接通总电源和相关仪表的电源。
3．打开阀F1-1、F1-2、F1-6和F1-9，且把F1-9控制在适当的开度。
4．选用单回路控制系统实验中所述的某种调节器参数的整定方法整定好调节器的相关参数。
5．设置好系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，使电动调节阀给上水箱打水，待其液位达到给定量所要求的值，且基本稳定不变时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。
6．启动计算机，运行MCGS组态软件软件，并进行下列实验：
1）当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增加5%～15%），观察并记录系统的输出响应曲线。
2）待系统进入稳态后，适量改变阀F1-6的开度，以作为系统的扰动，观察并记录在阶跃扰动作用下液位的变化过程。
7．适量改变PI的参数，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。
实验数据记录和截图：
P=6时：
P=8时：
P=8，I=150000时：
P=6，I=150000时：
P=6，D=20000时：
P=8，D=20000时：
P=7，I=150000，D=20000
五、实验报告要求：
1.实验数据和曲线,分析系统在阶跃扰动作用下的动、静态性能。
整理数据如下表：
PID参数
超调量σ（%）
调节时间（s）
稳态误差（mm）
P=6
3.7
21
8
P=8
2.0
15
5
P=6,I=150000
0
59
0.5
P=8,I=150000
11.3
17
1．5
P=6,D=8000
1.5
25
11
P=8,D=20000
3.5
29
12
P=7,I=150000,D=20000
10.7
35
0.3
分析：
系统在阶跃扰动作用下，P增大时，稳态误差减小，系统响应速度加快，超调量减小。
加入积分控制后，系统的稳态误差明显减小，（理论上）积分时间常数越大，超调量越小，系统的响应速度大幅度变慢。
加入微分控制后，微分时间常数会增加系统的阻尼比，其值越大，系统的超调量越小，调节时间和稳态误差几乎不变。
2．比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。
答：
不同的PID参数对系统动态性能的影响：
比例作用可以加快使系统的响应速度，但是会使振荡次数变多，调节时间变长，适当地加大比例控制，可以减少稳态误差，提高控制精度；积分作用可以减小系统的超调量，提高系统的稳定性，但是会降低系统的快速性；微分作用可以改善系统的动态特性，如减小超调量，缩短调节时间等，但微分作用有可能会放大系统的噪声，降低系统的抗干扰能力。
对系统稳态性能的影响：
加大比例作用可以减小稳态误差，但不能消除稳态误差；积分作用有助于消除系统的稳态误差，提高系统控制精度，但积分作用过大时，系统可能产生振荡，不利于系统的稳定性；微分环节，可以在误差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，它引入了一个早期的修正作用，有助于增加系统的稳定性。
3．分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。
答：
P:
比例是最基本的控制作用，比例调节的优点是可以对控制作用和扰动作用很快做出响应，缺点是无法消除余差。
PI:
PI调节器中的P调节可以快速抵消干扰的影响，而I作用具有消除余差的能力，但是会降低系统的稳定性。
PD:
由于微分的超前作用，可以增加系统的稳定性，使振荡周期变短，减小误差，但是微分作用抗干扰性差，并且当微分作用过大时，容易导致系统变化缓慢。
PID:
是一种常见的性能最好的调节器，具有各类调节器的优点，能够提高系统的质量，对动态性能和稳态性能都有很大的改善和提高。
六、思考题：
1．改变比例度δ和积分时间Ti对系统的性能产生什么影响？
答：
改变比例度δ可以使偏差减小，比例度δ越大，偏差越小，但不能消除偏差，而且比例度δ太大会使系统产生振荡，降低系统的稳定性；Ti可以把余差全部累加起来，从而消除误差，提高系统的无差度，时间常数Ti越大，积分作用越弱，反之越强，系统的稳定性也随之降低。
2.如采用下水箱做实验，其响应曲线与中水箱或者上水箱的曲线有什么异同？
试分析差异原因。
答：
如果采用下水箱做实验，响应曲线中滞后时间会更短。
原因：
因为水的回路变得更短，所以响应曲线会上升的更快。
3.上位机所显示的响应曲线可能会出现幅度不等的毛刺，出现这种现象的原因是什么？
答：
有毛刺出现时很常见的情况，毛刺出现的原因有很多种，可能是仪器设备老化，需要检修。
也有可能是上位机系统检出的测量值的有一定的误差，也有可能是实物控制系统突然的不稳定，水流速度有偶然性的突变。
毛刺和周围的环境也有一定的关系，可能是人在设备旁边走动，碰到了设备，大声叫喊等等原因。
实验四串接双容水箱液位PID整定实验
一、实验目的
1.根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的动、静态性能。
2.比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。
3.分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。
二、实验设备
1．THJ-2型高级过程控制系统装置。
2．计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根
3．万用表一只
三、实验原理
图4-1双容对象控制系统结构图
本实验系统以中水箱与下水箱为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。
基于系统的给定量是一定值，要求被控制量在稳态时等于给定量所要求的值，所以调节器的控制规律为PI或PID。
本系统的执行元件既可采用电动调节阀，也可用变频调速磁力泵。
如果采用电动调节阀作执行元件，则变频调速磁力泵支路中的手控阀F2-4或F2-5打开时可分别作为中水箱或下水箱的扰动。
图4-1为实验系统的结构图，图4-2为控制系统的方框图。
图4-2双容液位定值控制系统方框图
四、实验内容与步骤
1．图3-9所示，完成实验系统的接线。
2．接通总电源和相关仪表的电源。
3．打开阀F1-1、F1-2、F1-7、F1-10和F1-11，且使F1-10的开度大于F1-11的开度。
4．用本章第一节实验中所述的临界比例度法或4：
1衰减振荡法整定调节器的相关参数。
5．设置系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，控制电动调节阀给中水箱打水，待中水箱液位基本稳定不变且下水箱的液位等于给定值时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。
6．启动计算机，运行MCGS组态软件软件，并进行下列实验：
1）当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（给定量增加5%～15%），观察并记录系统的输出响应曲线。
2）待系统进入稳态后，启运变频器调速的磁力泵支路，分别适量改变阀F2-4或阀F2-5的开度（加扰动），观察并记录被控制量液位的变化过程。
7.通过反复多次调节PI的参数，使系统具有较满意的动态性能指标。
用计算机记录此时系统的动态响应曲线。
1）仅有P作用：
初始数据：
P=2.0，设定值为60mm的变化曲线：
图4-3
图4-4
图4-6
图4-7
将比例P改为4.0时响应曲线：
图4-8
图4-9
图4-10
图4-11
图4-12
2）同时有P和I作用：
初始数据为：
P=2.0，I=180000.0，设定值为60mm的变化曲线：
图4-13
图4-14
图4-15
图4-16
图4-17
3）P=2.0，I=150000.0：
设定值为60mm的变化曲线：
图4-18
图4-19
图4-20
图4-21
图4-22
4）同时有PID作用：
初始数据为：
P=2.0，D=20000.0，I=150000.0设定值为60mm的变化曲线：
图4-23
图4-24
图4-25
图4-26
图4-27
五、实验分析
1.根据实验数据和曲线分析系统在阶跃扰动作用下的动、静态性能。
答：
本实验对象是双容对象，在阶跃扰动作用下系统的响应曲线不会立即变化，从前面的图中可以看出系统响应曲线的变化也不会太强烈，经过一定的调节时间后能达到新的稳定状态，不过此时的稳态误差较大。
双容对象可看作是单容对象加上一个惯性环节，惯性环节相当于一个低通滤波环节可以虑掉一些低频干扰。
2.比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。
答：
P取两个不同值时，比例较大时系统响应较快；在比例大小保持不变时，积分时间越小积分作用越强，系统响应越快；在比例大小保持不变时，微分时间越大微分作用越强；在将PID都加上时系统响应曲线能取得各个调节的优势达到较为满意的状态。
3.分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。
答：
P控制可以加快系统响应，本实验有滞后因选较大的比例作用。
PI可以实现稳态无误差，在本实验中还是有较小的稳态误差存在，但比纯比例作用系统响应要好的多。
PD控制可以加快只有比例作用的系统响应，结合PID中各参数的作用选择合适的PID参数对本实验至关重要，在图4-14中可以看到PID作用下系统的响应曲线较为理想能达到预期的实验目的。
六、思考题：
1.你能说出下水箱的时间常数比中水箱时间常数大的原因吗？
答：
下水箱的输入是中水箱的输出，因此下水箱响应系统输入时的速度比中水箱更慢，相当于在中水箱的基础上又加了一个惯性环节。
2.为什么双容液位控制系统比单容液位控制系统难于稳定？
答:
双容液位控制系统有较大滞后环节，不利于系统稳定，甚至引起系统的振荡，比起单容液位控制系统来说更难控制。
3.比较实验图像，分析在不同的PI参数下系统的动态性能变化趋势并根据控制理论做出相应解释。
答：
P控制可以加快系统响应，本实验有滞后因选较大的比例作用。
PI可以实现稳态无误差，在本实验中还是有较小的稳态误差存在，但比纯比例作用系统响应要好的多。
PD控制可以加快只有比例作用的系统响应，结合PID中各参数的作用选择合适的PID参数对本实验至关重要，在图4-14中可以看到PID作用下系统的响应曲线较为理想能达到预期的实验目的。
实验五锅炉内胆水温PID控制实验
一、实验目的
1．了解单回路温度控制系统的组成与工作原理
2．研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用
3．了解PID参数自整定的方法及参数整定在整个系统中的重要性
二、实验设备
1．THJ-2型高级过程控制系统实验装置
2．计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根
3．万用表1只
三、实验原理
图5-1锅炉内胆静态水温控制系统的结构示意图
图5-1为锅炉内胆水温定值控制系统的结构示意图。
模拟锅炉的内胆主要是模拟工业生产过程中的实际锅炉的加热容器，其控制任务就是在电加热丝不断加热的过程中保持锅炉内胆的水温不变，即控制锅炉内胆水温等于给定值，但实验进行前必须先通过电动调节阀支路给锅炉内胆打水,当水位上升至适当高度才开始加热，并在加热过程中不再加水。
系统采用的调节器为工业上常用AI智能调节仪。
锅炉内胆水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于加热过程容量时延较大，所以其控制过渡时间也较长。
图5-2锅炉内胆静态水温控制系统的方框图
四、实验内容与步骤
1．按图5-1要求，完成实验系统的接线。
2．接通总电源和相关仪表的电源。
3．打开阀F1-1、F1-2、F1-5和F1-13,关闭其它所有与本实验无关的阀,用电动调节阀支路给锅炉内胆打水至2/3最大容量左右时,停止打水。
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