东北大学《过程装备控制》实验报告.docx
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东北大学《过程装备控制》实验报告
实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验
一．实验目的
（1）熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
（2）根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。
二．实验设备
AE2000型过程控制实验装置，PC机，DCS控制系统与监控软件。
三、系统结构框图
单容水箱如图1-1所示：
图1-1、单容水箱系统结构图
四、实验原理
阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。
然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。
图解法是确定模型参数的一种实用方法。
不同的模型结构，有不同的图解方法。
单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。
如图1-1所示，设水箱的进水量为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。
令输入流量Q1的阶跃变化量为R0，其拉氏变换式为Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为：
当t=T时，则有：
h（T）=KR0（1-e-1）=0.632KR0=0.632h（∞）
即h（t）=KR0（1-e-t/T）
当t—>∞时，h（∞）=KR0，因而有
K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入
式（1-2）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。
当由实验求得图1-2所示的
图1-2、阶跃响应曲线
阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应时间，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，其理论依据是：
上式表示h（t）若以在原点时的速度h（∞）/T恒速变化，即只要花T秒时间就可达到稳态值h（∞）。
五．实验内容步骤
1）对象的连接和检查：
（1）将AE2000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门.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。
实验步骤
（1）打开控制柜中水泵、电动调节阀的电源开关。
（2）启动DCS上位机组态软件，进入主画面，然后进入实验一画面。
（3）用鼠标点击调出PID窗体框，然后在“MV”栏中设定电动调节阀一个适当开度。
（此实验必须在手动状态下进行）
（4）、观察系统的被调量：
上水箱的水位是否趋于平衡状态。
若已平衡，应记录系统输出值，以及水箱水位的高度h1和上位机的测量显示值并填入下表。
原始平衡状态：
系统输出值
水箱水位高度h1
上位机显示值
0~100
cm
cm
40%
4.5
4.0
从40%到50%阶跃数据：
T（秒）
10
20
30
40
50
60
水箱水位h1（cm）
4.5
4.9
5
5.2
5.5
5.7
上位机读数（cm）
4.8
5.1
5.4
5.4
5.8
6.1
T（秒）
70
80
90
100
110
120
水箱水位h1（cm）
5.7
5.5
5
5.1
5.7
6
上位机读数（cm）
6.5
6.3
6.3
5.8
5.7
6.2
T（秒）
130
140
150
160
170
180
水箱水位h1（cm）
5.9
5.5
5.5
5.8
5.8
5.7
上位机读数（cm）
6.7
6.7
6.3
6.2
6.4
6.4
T（秒）
190
200
210
220
230
240
水箱水位h1（cm）
5.4
5.7
5.3
5.6
6
5.9
上位机读数（cm）
6.3
6.2
6.3
6.1
6.3
6.8
T（秒）
250
260
270
280
290
300
水箱水位h1（cm）
5.9
5.9
6
5.9
5.7
5.7
上位机读数（cm）
6.8
6.7
6.7
6.7
6.3
6.7
平衡状态1：
系统输出值
水箱水位高度h1
上位机显示值
0~100
cm
cm
45%
5.7
6.7
从45%到50%阶跃数据：
T（秒）
10
20
30
40
50
60
水箱水位h1（cm）
6.1
5.8
5.9
6.2
5.8
6.3
上位机读数（cm）
6.5
6.9
6.5
6.6
6.8
6.6
T（秒）
70
80
90
100
110
120
水箱水位h1（cm）
6.4
6.4
6.5
6.5
6.4
6
上位机读数（cm）
7
7.2
7.1
6.9
7.2
6.9
T（秒）
130
140
150
160
170
180
水箱水位h1（cm）
6.1
6.4
6.5
6.5
6.4
6
上位机读数（cm）
6.7
6.5
6.9
7.2
7.2
6.8
T（秒）
190
200
210
220
230
240
水箱水位h1（cm）
5.9
6.5
6.6
7
6.8
6.4
上位机读数（cm）
6.4
6.7
7
7.3
7.8
7.6
T（秒）
250
260
270
280
290
300
水箱水位h1（cm）
6.7
7
6.9
6.4
6.6
6.5
上位机读数（cm）
7
7.2
7.7
7.6
7.1
7.3
平衡状态2：
系统输出值
水箱水位高度h1
上位机显示值
0~100
cm
cm
50%
6.5
7.3
从50%到55%阶跃数据：
T（秒）
10
20
30
40
50
60
水箱水位h1（cm）
7
7.4
7.8
7.6
7.7
7.4
上位机读数（cm）
6.8
7.4
8.6
8.4
8.2
8.4
T（秒）
70
80
90
100
110
120
水箱水位h1（cm）
7.4
7.3
7.6
7.9
8
7.8
上位机读数（cm）
8.2
8
7.8
8
8.7
8.8
T（秒）
130
140
150
160
170
180
水箱水位h1（cm）
7.9
7.8
7.9
7.8
7.9
8.3
上位机读数（cm）
8.9
8.7
8.8
8.4
8.5
8.3
T（秒）
190
200
210
220
230
240
水箱水位h1（cm）
8
7.8
7.7
7.9
7.7
7.5
上位机读数（cm）
9.4
8.8
8.4
8.4
8.4
8.3
T（秒）
250
260
270
280
290
300
水箱水位h1（cm）
7.9
8
8.1
7.9
7.5
7.9
上位机读数（cm）
8.3
8.7
8.9
8.8
8.7
8.6
平衡状态3：
系统输出值
水箱水位高度h1
上位机显示值
0~100
cm
cm
55%
7.9
8.6
从55%到60%阶跃数据：
T（秒）
10
20
30
40
50
60
水箱水位h1（cm）
8.3
8.4
8.2
8.4
8.6
8.6
上位机读数（cm）
8.6
9
8.9
8.9
9.1
9.8
T（秒）
70
80
90
100
110
120
水箱水位h1（cm）
8.7
8.7
8.9
9
8.9
8.7
上位机读数（cm）
9.5
9.8
9.5
10.1
10
9.7
T（秒）
130
140
150
160
170
180
水箱水位h1（cm）
9
9
8.8
8.8
8.9
8.7
上位机读数（cm）
9.6
9.7
10
9.7
9.7
9.9
T（秒）
190
200
210
220
230
240
水箱水位h1（cm）
8.6
8.9
9
8.8
9
8.9
上位机读数（cm）
9.6
9.5
9.4
9.6
9.2
9.7
T（秒）
250
260
270
280
290
300
水箱水位h1（cm）
8.6
8.6
8.7
8.7
9.1
9.2
上位机读数（cm）
9.8
9.4
9.1
9.1
9.3
10
平衡状态4：
系统输出值
水箱水位高度h1
上位机显示值
0~100
cm
cm
60%
9.2
10
六、实验报告要求
（1）作出一阶环节的阶跃响应曲线。
从40%到45%的阶跃响应曲线：
从45%到50%的阶跃响应曲线：
从50%到55%的阶跃响应曲线：
从55%到60%的阶跃响应曲线：
（2）根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。
答：
从40%到45%
从45%到50%
从50%到55%
从55%到60%
平均值
K*R0
1.7192
0.9643
1.136
1.058
1.097
T
31.8042
100.6762
29.3034
34.6904
33.2473
根据测量的数据可求得时间常数T=33.2473，K*R0=1.097。
七、注意事项
（1）本实验过程中，出水阀不得任意改变开度大小。
（2）阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止因读数误差和其他随机干扰影响对象特性参数的精确度。
一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。
（3）在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。
八、思考题
（1）在做本实验时，为什么不能任意变化上水箱出水阀的开度大小？
答：
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，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）用两点法和用切线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点?
答：
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。
实验二、单容水箱液位PID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）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。
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δ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，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，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①、②、③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
（1）设定给定值，调整P参数。
（2）、待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现）。
记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。
（3）、减小P重复步骤4，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
（4）、增大P重复步骤4，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
（5）、选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。
改变设定值（如设定
值由50％变为60％），同样可以得到一条过渡过程曲线。
（6）、注意：
每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。
5）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σp。
表一、不同Ti时的超调量σp
积分时间常数Ti
大
中
小
超调量σp
0%
10%
50%
（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σp。
表二、不同δ值下的σp
比例P
大
中
小
超调量σp
50%
33%
20%
（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。
此曲线可通过改变设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。
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
（二）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，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现）。
（3）、在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录。
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。
当P为30%时的阶跃响应曲线：
当P为40%的阶跃响应曲线：
当P为50%的阶跃响应曲线：
2）、作出PI调节器控制时，不同P和Ti值时的阶跃响应曲线。
当P为20%、I为0.05的阶跃响应曲线：
当P为30%、I为0.05的阶跃响应曲线：
当P为40%、I为0.05的阶跃响应曲线：
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。
答：
（1）从动态响应来说PID调节器由于有D的作用响应最快，调节时间最短，然后是PI调节器，P调节器由于无超调量虽然响应曲线波动不大但响应最慢。
（2）从无差度来说，PI与PID调节器由于有I的作用所以无静差，而P有静差。
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，甚至有可能使系统震荡。
PI调节器：
I可以消除稳态误差，但是I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，但是对于容量之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。
实验十、上水箱下水箱液位串级控制实验
一、实验目的
（1）掌握串级控制系统的基本概念和组成。
（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对系统主被控量的影响。
一、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
上水箱液位作为副调节器调节对象，下水箱液位做为主调节器调节对象。
控制框图如图10-1所示：
10-1、上水箱下水箱液位串级控制框图
1、串级控制系统的组成
图10-1为液位串级控制系统。
这种系统具有2个调节器、2个闭合回路和两个执行对象。
2个调节器分别设置在主、副回路中，设在主回路的调节器称主调节器，设在副回路的调节器称为副调节器。
两个调节器串联连接，主调节器的输出作为副回路的给定量，主、副调节器的输出分别去控制二个执行元件。
主对象的输出为系统的被控制量锅炉夹套温度，副对象的输出是一个辅助控制变量。
2、串级系统的抗干扰能力
串级系统由于增加了副回路，对于进入副环内的干扰具有很强的抑制作用，因此作用于副环的干扰对主被控量的影响就比较小。
系统的主回路是定值控制，而副回环是一个随动控制。
在设计串级控制系统时，要求系统副对象的时间常数要远小于主对象。
此外，为了指示系统的控制精度，一般主调节器设计成PI或PID调节器，而副调节器一般设计为比例P控制，以提高副回路的快速响应。
在搭实验线路时，要注意到两个调节器的极性（目的是保证主、副回路都是负反馈控制）。
3、串级控制系统与单回路的控制系统相比
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。
4、串级控制系统的投运和整定有一步整定法，也有两步整定法，即先整定副回路，后整定主回路。
四、实验内容和步骤
1）设备的连接和检查：
（1）将AE2000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门，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，打开下水箱出水阀至适当开度。
2）实验步骤
（1）启动动力支路。
（2）启动DCS上位机组态软件，进入主画面，然后进入实验十画面。
（3）用鼠标按下“点击以下框体调出主控PID参数”按钮，在“AEC10_ex”中的“设定值”栏中输入设定的下水箱液位。
按下“点击以下框体调出副控PID参数”按钮。
在“副控窗口”中按下“串级”按钮。
在“AEC10_in”中的设定P、I、D参数。
分别在主控参数和副控参数窗口中反复调整P，I，D三个参数，控制下水箱水位，同时兼顾快速性，稳定性，准确性。
五、实验报告要求。
分析串级控制和单回路PID控制不同之处。
答：
（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。
六、思考题
串级控制相比于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、实验结果图像
副回路：
P调节器，P=30%,
主回路：
PI调节器，P=45%，I=0.5，
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