工业生产过程控制实验报告分析解析.docx
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工业生产过程控制实验报告分析解析
南昌大学实验报告
学生姓名：
费梦娟学号：
6100310059专业班级：
自动化102班
实验类型：
□验证□综合□设计□创新实验日期：
实验成绩：
实验一单容自衡水箱液位特性测试实验
一、实验目的
1．掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，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，用相应的方法确定被测对象的特征参数K、T和传递函数；
3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验设备
1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS需两台计算机）、万用表一个；
2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；
3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个；
4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根；
5．SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线；
6．SA-42挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。
三、实验原理
所谓单容指只有一个贮蓄容器。
自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。
图2-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。
阀门F1-1、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q2。
液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。
若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系有
Q1-Q2=A
（2-1）
将式（2-1）表示为增量形式
ΔQ1-ΔQ2=A
（2-2）
式中：
ΔQ1，ΔQ2，Δh——分别为偏
离某一平衡状态的增量；
A——水箱截面积。
在平衡时，Q1=Q2，
＝0；当Q1
发生变化时，液位h随之变化，水箱出图2-1单容自衡水箱特性测试系统
口处的静压也随之变化，Q2也发生变化（a）结构图（b）方框图
。
由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。
但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q2与h成正比关系，而与阀F1-11的阻力R成反比，即
ΔQ2=
或R=
（2-3）
式中：
R——阀F1-11的阻力，称为液阻。
将式（2-2）、式（2-3）经拉氏变换并消去中间变量Q2，即可得到单容水箱的数学模型为
W0（s）＝
＝
=
（2-4）
式中T为水箱的时间常数，T＝RC；K为放大系数，K＝R；C为水箱的容量系数。
若令Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=
，x0=常数，则式（2-4）可改写为
H（s）=
×
=K
-
对上式取拉氏反变换得
h（t）=Kx0（1-e-t/T）（2-5）
当t—>∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有
K=
＝
（2-6）
当t=T时，则有
h（T）=Kx0（1-e-1）=0.632Kx0=0.632h（∞）（2-7）
式（2-5）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2-2（a）所示，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。
也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数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。
图2-2单容水箱的阶跃响应曲线
如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图2-2（b），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：
H（S）=
（2-8）
四、实验内容与步骤
本实验选择下水箱作为被测对象（也可选择上水箱或中水箱）。
实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度，其余阀门均关闭。
具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。
（一）、智能仪表控制
1．将“SA-12智能调节仪控制”挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。
将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
图2-3仪表控制单容水箱特性测试实验接线图
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入实验一的监控界面。
4．在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”控制，并将输出值设置为一个合适的值，此操作需通过调节仪表实现。
5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。
6．待下水箱液位平衡后，突增（或突减）智能仪表输出量的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，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，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录下此时的仪表输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如图2-4所示。
图2-4单容下水箱液位阶跃响应曲线
7．根据前面记录的液位值和仪表输出值，按公式（2-6）计算K值，再根据图2-2中的实验曲线求得T值，写出对象的传递函数。
（二）、远程数据采集控制
1．将“SA-22远程数据采集模拟量输出模块”、“SA-23远程数据采集模拟量输入模块”挂件挂到屏上，并将挂件上的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。
将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给智能采集模块及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“远程数据采集系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入实验一的监控界面。
4．以下步骤请参考前面“
（一）智能仪表控制”的步骤4～7。
图2-5远程数据采集控制单容水箱特性测试实验接线图
（三）、S7-300PLC控制
1．将“SA-41S7-300PLC控制”挂件挂到屏上，并用MPI通讯电缆线将S7-300PLC连接到计算机CP5611专用网卡，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。
将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给S7-300PLC及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给电动调节阀上电。
3．打开Step7软件，打开“S7-300”程序进行下载，然后将S7-300PLC置于运行状态，然后运行WinCC组态软件，打开“S7-300PLC控制系统”工程，然后激活WinCC运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入实验一的监控界面。
4．以下步骤请参考前面“
（一）智能仪表控制”的步骤4～7。
图2-8S7-300PLC控制单容水箱特性测试实验接线图
五、实验报告要求
1．画出单容水箱液位特性测试实验的结构框图。
（a）是结构图；（b）是方框图
2．根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出单容水箱液位对象的参数及传递函数。
实验过程中的某个时间段的图形：
截取该过程中的一段，表示单容水箱自衡达到稳定液位的过程：
根据上图可知：
入水流量到液位的过程在平衡点处近似为一阶惯性环节：
W0（s）＝
＝
=
式中T为水箱时间常数，T＝RC；K为放大系数，K＝R；C为水箱的容量系数
h（t）=Kx0（1-e-t/T）
当t—>∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有K=
＝
当t=T时，则有：
h（T）=Kx0（1-e-1）=0.632Kx0=0.632h（∞）
由图可知，原来的稳定值为12cm，因此该系统的阶跃输入为12.0cm
当达到稳态时h（∞）=100cm，因此K=100/12=8.3当液面达到63.2cm时，由图上可知，所需的时间约为28s，则T=28
因此，该环节模型为W（s）=
六、思考题
1．做本实验时，为什么不能任意改变出水阀F1-11开度的大小？
答：
出水阀F1-11的开度是改变出水量Q2的，改变水箱泄水的过程。
在此实验中是先将出水阀F1-11开至适当的开度。
之后在单容水箱在稳定的过程中，此阀门是不能任意改变的，因为一改变就会对系统带来干扰，造成系统不稳定，不能正确反映实验特性。
只有当系统稳定时，要研究输出量对系统的稳定特性影响时才改变出水阀F1-11。
2．用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？
答：
应曲线可能与实验工作电压的波动，执行器的不稳定性，和系统的控制参数比例度、积分时间、微分时间及测量值的波动都可能带来一定的误差，造成精度下降，同时还跟压力传感器的精度，阀门开度，测试软件都有关系。
3．如果采用中水箱做实验，其响应曲线与下水箱的曲线有什么异同？
并分析差异原因。
答：
若采用中水箱做实验，它的响应曲线要比下水箱变化到的快。
原因：
因为中水箱的截面积比下水箱的截面积要小，上升相同的液位高度，下水箱要更长的时间。
7、实验总结
通过本次实验了解了实验的装置设备，熟悉了MCGS运行环境。
通过实验让自己了解到试验参数的设定的重要性。
也知道了实验精度与传感器的灵敏度，执行器的不稳定性，系统的控制参数比例度、积分时间、微分时间及测量值的波动都可能有关，因此我们要通过分析综合因素来分析实验曲线的形成过程。
同时，通过实验让自己对工业生产过程的实验系统也有了进一步的了解，收获颇多。
南昌大学实验报告
学生姓名：
费梦娟学号：
6100310059专业班级：
自动化102班
实验类型：
□验证□综合□设计□创新实验日期：
实验成绩：
实验三水箱液位串级控制系统
一、实验目的
1．通过实验了解水箱液位串级控制系统组成原理。
2．掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3．了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。
4．掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验设备（同前）
三、实验原理
本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。
主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主控制量。
副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，中水箱的液位为系统的副控制量。
主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。
副调节器的的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制下水箱液位的目的。
为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为PI或PID控制。
由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P调节器。
本实验系统结构图和方框图如图5-2所示。
图5-2水箱液位串级控制系统
（a）结构图（b）方框图
四、实验内容与步骤
本实验选择中水箱和下水箱串联作为被控对象（也可选择上水箱和中水箱）。
实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。
具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。
（一）、智能仪表控制
1．将两个SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。
将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“OFF”的位置，将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
图5-3智能仪表控制水箱液位串级控制实验接线图
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表1及电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验十、水箱液位串级控制系统”，进入实验十的监控界面。
4．在上位机监控界面中点击“启动仪表1”、“启动仪表2”。
将主控仪表设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。
5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少主调节器的输出量，使下水箱的液位平衡于设定值，且中水箱液位也稳定于某一值（此值一般为3～5cm，以免超调过大，水箱断流或溢流）。
6．按本章第一节中任一种整定方法整定调节器参数，并按整定得到的参数进行调节器设定。
7．待液位稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：
（1）突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；
（2）打开阀门F2-1、F2-4（或F2-5），用变频器支路以较小频率给中水箱（或下水箱）打水。
（干扰作用在主对象或副对象）
（3）将阀F1-5、F1-13开至适当开度（改变负载）；
（4）将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；
以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。
加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，下水箱液位的响应过程曲线将如图5-4所示。
图5-4下水箱液位阶跃响应曲线
8．适量改变主、副控调节仪的PID参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。
（二）、远程数据采集控制
1．将挂件SA-22远程数据采集模拟量输出模块、SA-23远程数据采集模拟量输入模块挂到屏上，并将挂件上的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。
将“LT2中水箱液位”、“LT3下水箱液位”钮子开关均拨到“ON”的位置。
图5-5远程数据采集控制水箱液位串级控制实验接线图
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给智能采集模块及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“远程数据采集系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验十、水箱液位串级控制”，进入实验十的监控界面。
4．以下步骤请参考前面“
（一）智能仪表控制”的步骤4～8。
（三）、S7-300PLC控制
1．将挂件SA-41S7-300PLC控制挂件挂到屏上，并用MPI通讯电缆线将S7-300PLC连接到计算机CP5611专用网卡，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。
将“LT2中水箱液位”、“LT3下水箱液位”钮子开关均拨到“ON”的位置。
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给S7-300PLC及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给电动调节阀上电。
3．打开Step7软件，打开“S7-300”程序进行下载，然后运行WinCC组态软件，打开“S7-300PLC控制系统”工程，然后激活WinCC运行环境，在主菜单中点击“实验十、水箱液位串级控制”，进入实验十的监控界面。
4．以下步骤请参考前面“
（一）智能仪表控制”的步骤4～8。
图5-8S7-300PLC控制水箱液位串级控制实验接线图
五、实验报告要求
1．画出水箱液位串级控制系统的结构框图。
2．用实验方法确定调节器的相关参数，并写出整定过程。
设定主副调节器的PID参数：
主调节器参数设定：
参数
Kp
Ti
Td
数值
300.0
20.0
0.0
副调节器参数设定：
参数
Kp
Ti
Td
数值
150.0
0.0
0.0
分析：
实验中上水箱作为主调节器，中水箱作为副调节器，由串级控制系统的特点知道：
上水箱的输出作为中水箱的输入，由系统响应曲线可知，在系统稳定，系统为纯比例作用的情况下，副调节器的比例放大系数按经验选取为150，积分时间和微分时间都为0，并将其设置在副调节器上；然后按照单回路控制系统的任一种参数整定方法整定主调节器的参数，改变给定值，根据主调节器放大系数和副调节器的放大系数的匹配原理，适当调整调节器的参数，使得主参数品质最佳；如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度和增大积分时间即可改善系统性能。
实验中主调节器的比例系数设定为300，积分时间20，由图可知设定了积分时间，减少了振荡，是系统更稳定。
3．根据扰动分别作用于主、副对象时系统输出的响应曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。
由曲线可知：
系统在受到阶跃扰动的情况下，若增大系统的比例放大系数，则会缩短振荡周期，能够快速消除干扰，使系统趋于稳定，但是此时系统的静态误差将会变大。
若增大积分时间常数，也可以起到快速消除干扰的作用，使得系统稳定性增强，此时若增加微分环节，则会使得系统的动态误差和静态误差减小，但是增加微分后的系统抗干扰的能力会下降。
4．分析主、副调节器采用不同PID参数时对系统性能产生的影响。
主调节器：
P的大小与对上水箱的控制作用和对主环扰动作用的响应有着直接的作用，P越大，当上水箱即主环受到扰动时能快速消除对它的扰动；I是主调节器的积分时间常数，积分时间常数越大，对于主环的抗干扰能力就越强，调节时间也就越短，D是主环的微分时间常数，增大它可以减小主环的静态误差和动态误差，但是会降低主环的抗干扰能力。
副调节器：
P越大对副环即中水箱的控制作用和抗干扰能力就越强，是系统达到稳定的时间越短，I是副调节器的积分时间常数，I越大，对副环的抗干扰能力就越强，调节时间也越短，副调节器可不用D控制作用。
六、思考题
1．试述串级控制系统为什么对主扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力？
如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时，二次扰动对主控制量的影响是否仍很小，为什么？
答：
答：
当扰动进入副回路后，首先，副被控变量检测到扰动的影响，并通过副回路的定值控制作用，及时调节操纵变量，使副被控变量回副到设定值，也使扰动对主被控变量的影响减少。
即副回路对扰动进行粗调，主回路对扰动进行细调，因此串级控制系统对进入副环扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力。
如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时将很有可能发生共振现象，使得副环的工作频率处于谐振频率，其相角接近180度，从而使副环增益为负，形成正反馈，出现共振现象，二次扰动对主控制量的影响将会很大。
2．当一次扰动作用于主对象时，试问由于副回路的存在，系统的动态性能比单回路系统的动态性能有何改进？
答：
当一次扰动作用于主对象时，由于副回路的存在，系统的动态性能比单回路系统的动态性能改进在于：
副被控变量检测到扰动的影响，并通过副回路的定制控制作用，及时调节操纵变量，使副被控变量恢复到副设定值，也使扰动对主被控变量的影响减少。
即副环回路对扰动进行粗调，主环回路对对扰动进行细调。
因而使系统能更快的趋于稳定，调整时间缩短，并且比较准确的恢复到最开始的设定值。
3．串级控制系统投运前需要作好那些准备工作？
主、副调节器的正反作用方向如副控制器为何确定？
答：
串级控制系统投运前需要作好那些准备工作：
串级控制系统投运前需要将主、副控制器的参数整定好，设置好主回路的设定值，同时要设置好实验装置各个开关的初始状态。
主、副调节器的正反作用方向的确定方式：
①根据安全运行准则，选择控制阀的气开和气关类型
②根据工艺条件确定副被控对象的特性。
操纵变量增加时，副被控变量增加，kp2为正，反之为负
③根据负反馈准则，确定副控制器正反作用。
④根据工艺条件确定主被控对象的特性。
操纵变量增加时，主被控变量增加，kp2为正，反之为负
⑤根据负反馈准则，确定主控制器正反作用。
⑥根据负反馈准则，确定在主控方式时主控制器正反作用是否要更换。
当副控制器是反作用控制时，主控制器从串级方式切换到主控方式时，不需要更换主控制器的作用方式。
当副控制器是正作用控制时，主控制器从串级方式切换到主控方式时，为保证主控制系统为负反馈，应更换为原来的的作用方式。
4．为什么本实验中的副调节器为比例（P）调节器？
答：
因为副回路既是随动控制系统又是定值控制系统，对于消除余差没有要求可不采用I，所以通常选用大比例度的P控制作用。
5．改变副调节器的比例度，对串级控制系统的动态和抗扰动性能有何影响，试从理论上给予说明。
v答：
一定范围内，副控制器P参数增大，副回路输出最大动态偏差增大，振荡周期和回复周期更短，振荡更剧烈，使得副控制器的输出更有利于及时跟踪主控制器的输出，及时调节执行器的输出，使得串级控制系统更有利于及时克服进入副环扰动的影响，提高控制系统的控制品质，提高抗干扰能力，但P参数过大会使得副控制器的输出余差增大，导致副控制器反映主控制器输出的精确性。
6．评述串级控制系统比单回路控制系统的控制质量高的原因？
答：
原因：
（1）能迅速客服进入副回路扰动；
（2）改善致空气Gc2的广义对象特性，提高工作效率；
（3）自适应能力加强；
（4）能够更精确控制操纵变量的流量；
（5）可实现更灵活的操作方式。
七、实验总结
在此次实验中，对串级控制系统的工作原理更加的熟悉了，了解了PID各环节的作用，及对系统的性能的影响。
对系统的整体调试中，在对其进行细调时，首先调节积分环节和比例环节，使系统的衰减率达到要求，同时也系统超调量减小了，增加了系统的稳定性。
PID系统有很好的稳定特性，同时响应时间比较短，系统干扰能力强，所以在主调节器中常用PID控制。
南昌大学实验报告
学生姓名：
费梦娟学号：
6100310059专业班级：
自动化102班
实验类型：
□验证□综合□设计□创新实验日期：
实验成绩：
实验二单容液位定值控制系统
一、实验目的
1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。
2．掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。
3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。
4．了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。
5．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验设备（同前）
三、实验原理
图3-6中水箱单容液位定值控制系统
（a）结构图（b）方框图
本实验系统结构图和方框
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