过程控制系统实验报告.docx
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过程控制系统实验报告
实验一过程控制系统的组成认识实验
过程控制及检测装置硬件结构组成认识，控制方案的组成及控制系统连接
一、过程控制实验装置简介
过程控制是指自动控制系统中被控量为温度、压力、流量、液位等变量在工业生产过程中的自动化控制。
本系统设计本着培养工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才为出发点。
实验对象采用当今工业现场常用的对象，如水箱、锅炉等。
仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件。
对象系统还留有扩展连接口，扩展信号接口便于控制系统二次开发，如PLC控制、DCS控制开发等。
学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能很快地适应环境并进入角色。
同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开发的平台。
二、过程控制实验装置组成
本实验装置由过程控制实验对象、智能仪表控制台及上位机PC三部分组成。
1、被控对象
由上、下二个有机玻璃水箱和不锈钢储水箱串接，4.5千瓦电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭外循环不锈钢锅炉夹套构成），压力容器组成。
水箱：
包括上、下水箱和储水箱。
上、下水箱采用透明长方体有机玻璃，坚实耐用，透明度高，有利于学生直接观察液位的变化和记录结果。
水箱结构新颖，内有三个槽，分别是缓冲槽、工作槽、出水槽，还设有溢流口。
二个水箱可以组成一阶、二阶单回路液位控制实验和双闭环液位定值控制等实验。
模拟锅炉：
锅炉采用不锈钢精致而成，由两层组成：
加热层（内胆）和冷却层（夹套）。
做温度定值实验时，可用冷却循环水帮助散热。
加热层和冷却层都有温度传感器检测其温度，可做温度串级控制、前馈－反馈控制、比值控制、解耦控制等实验。
压力容器：
采用不锈钢做成，一大一小两个连通的容器，可以组成一阶、二阶单回路压力控制实验和双闭环串级定值控制等实验。
管道：
整个系统管道采用不锈钢管连接而成，彻底避免了管道生锈的可能性。
为了提高实验装置的使用年限，储水箱换水可用箱底的出水阀进行。
2、检测装置
（液位）差压变送器：
检测上、下二个水箱的液位。
其型号：
FB0803BAEIR，测量范围：
0～1.6KPa，精度：
0.5。
输出信号：
4～20mADC。
涡轮流量传感器：
测量电动调节阀支路的水流量。
其型号：
LWGY－6A，公称压力：
6.3MPa，精度：
1.0％，输出信号：
4～20mADC
温度传感器：
本装置采用了两个铜电阻温度传感器，分别测量锅炉内胆、锅炉夹套的温度。
经过温度传感器，可将温度信号转换为4～20mADC电流信号。
（气体）扩散硅压力变送器：
用来检测压力容器内气体的压力大小。
其型号：
DBYG-4000A/ST2X1，测量范围：
0.6～3.5Mpa连续可调，精度：
0.2，输出信号为4～20mADC。
3、执行机构
电气转换器：
型号为QZD-1000，输入信号为4～20mADC，输出信号：
20～100Ka气压信号，输出用来驱动气动调节阀。
气动薄膜小流量调节阀：
用来控制压力回路流量的调节。
型号为ZMAP－100，输入信号为4～20mADC或0～5VDC，反馈信号为4～20mADC。
气源信号
压力：
20~100Kpa，流通能力：
0.0032。
阀门控制精度：
0.1％～0.3％，环境温度：
－4～＋200℃。
SCR移相调压模块：
采用可控硅移相触发装置，输入控制信号0～5VDC或4～20mADC或10K电位器，输出电压变化范围：
0～220VAC，用来控制电加热管加热。
水泵：
型号为UPA90，流量为30升／分，扬程为8米，功率为180W。
4、控制器
本实验装置配备有智能调节仪、计算机控制、PLC控制及计算机网络控制。
智能调节仪:
本装置选用PID自整定数字/光柱智能调节仪，型号为SWP-S80。
具备位式调节和人工智能调节功能，手动调节、手动自整定及位置比例输出功能，多种报警模式及变送、通讯等功能。
比值器：
与智能仪表一起使用，可以实现流量的单闭环比值、液位与流量、温度与流量双闭环比值控制实验。
三、仪表控制台（三部分组成）
1、电源控制屏面板：
我公司的实验台采取了如下保护措施：
控制屏电源由交流接触器通过起、停按钮进行控制；进线电源首先经过符合国家标准的电流型漏电保护器，漏电流小于30mA；高压接线柱和高压导线均采用特殊设计的结构。
除了人身安全保护，为了保护实验的正常进行，电源、仪表、仪器、实验中需要的各种元器件都采取了有效的保护措施。
为解决实验中高压交流电源发生短路，我们采取了如下措施：
在高压交流电源的输出端接入小型断路器（即过流保护器），一旦发生过流或短路，小型断路器立即动作，切断主电源，避免烧毁调压器。
2、仪表面板：
智能调节仪面板、比值器，装置外线端子通过面板上插孔引出。
3、I/O信号接口面板：
该面板的主要作用是将各传感器检测及执行器控制信号同面板上插口相连，在与被控对象相连，有利于学生进行各种控制实验。
四、系统特点
1、系统采用分体式设计，模块化组装结构。
2、控制对象中包含真正的压力控制对象，可以完成压力控制实验。
3、控制对象采用网络版MCGS全中文工控组态软件，可以容纳多组学生实验。
4、系统具有多元化的控制参数和控制方案。
该系统通过管路上的阀门切换和对信号接线板上的信号的连接组合来实现的。
5、采用标准的工业自动化仪表和柔性化工艺设备，使得该装置具有开放性、兼容性、和可升级性。
6、采用双容水箱系统，实现液位控制的多样性。
7、实验对象部分采用不锈钢结构，工作过程可见，有利于教学和维护。
8、系统开放性较好。
对象系统留有扩展连接口，以便进行DCS控制。
五、MCGS组态软件特点
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft（各种32位Windows平台上）运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案。
六．思考题
1．掌握实验装置的组成及系统过程回路的信号流向，画出系统结构图，标明信号量。
2．了解系统各组成部分的功能及工作原理，各器件的输入输出之间的关系。
1）被控对象
是指生产过程被控制的工艺或装置
2）传感器和变送器
按生产工艺要求，被控对象有关控制参数通过自动控制以获得可靠信号，依靠传感器和变送器完成。
输出的就是被控量的测定值Z，送到控制器中。
3）控制器
传感器或变送器输出信号符合工艺要求，则控制器的输出不变，反之，将输出控制信号对系统进行控制。
传感器或变送器的测量值Z反馈到输入端和设定值r比较，从而得到了一个偏差值e,根据控制算法进行运算，输出一个相对应的控制信号u去推动执行器。
4）执行器
执行器接收控制器的控制信号u经变换或放大后，推动控制阀
5）控制器输出u，经执行器驱动控制阀，改变输入对象的操纵量q，使被控量受到控制。
4．选择被控对象的被控量，设计其单回路控制线路连接图
实验二单容水箱液位数学模型的测试
对象特性的求取方法通常有二种：
一种是从工艺过程的变化机理出发，写出各种有关的平衡方程（如物料平衡方程、能量平衡方程等），进而推导出被控对象的数学模型，得出其特性参数，再结合实际进行理论分析，这就是数学方法；另一种是通过对被控对象的实验测试求出其特性参数，即实验飞升曲线测定法。
由于此法较简单，因而在过程控制中得到了广泛地应用。
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、根据实验得到的阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象特征参数K,T和传递函数。
二、实验原理
对象的被控制量为上（中、下）水箱的液位H,控制量（输入量）为上（中、下）水箱进水阀流量Q1，上（中、下）水箱出水阀输出量为Q2，改变进水阀和出水阀的开度可以改变Q1、Q2的大小。
根据动态物料平衡关系
（1）式中V-水箱内水的贮水容积；dV/dt-水贮存量的变化率。
设水箱的横截面积为A，而A是一个常数，则因为
所以
（2）
在静态时，dV/dt=0，Q1=Q2,当Q1发生变化时，液位H将随之变化，水槽出水口的液压也变化，流出量Q2也发生变化。
假设变化量很小，可近似认为
。
Rs为阀V2的水阻，则
（1）式可改写为
即
或写作
（4）式中T=ARs，K=Rs
式（4）为单容水箱的传递函数。
若令
，H1为刚开始的稳态值，则式（4）可改写为
对上式取拉氏逆变换得
（5）
当
时，
因而有
输出稳态值／阶跃输入
当
时，则有
（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。
当由实验得图2－1所示的阶跃响应曲线后，该曲线达到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。
由响应曲线求得K和T后，就能求出单容水箱的传递函数。
所得的传递函数为：
三、实验步骤
1、设计实验线路并接好，适当打开阀门。
2、开启总电源和相关仪表的电源。
3、上电后，启动计算机，运行MCGS组态软件，进入本实验系统。
4、设置调节器为手动操作状态，通过调节器增/减的操作改变输出量的大小，使水箱的液位最终处于某一平衡位置。
5、待液位处于稳定后，手动操作调节器，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），经过一段时间后，水箱的液位进入新的平衡状态。
6、记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。
四、思考题
1、做本实验时，为什么不能任意改变出水阀开度的大小？
答：
因为如果一开始进水阀的开度<出水阀的开度，那么系统永远无法达到平衡。
同时出水阀也决定了液位达到设定值所需时间的长短，所以记录数据前，应先调好出水阀开度的大小，才能快速达到平衡。
任意改变出水阀开度大小会对响应曲线造成干扰，从而使实验结果的误差变大。
2、用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与哪些因素有关？
答：
因为系统用到了仪表，因此与仪表的精度有关，同时与出水阀开度的大小有关。
并和放大系数K、时间常数T以及纯滞后时间有关。
3、由结构判断本实验对象是否有自平衡能力？
是否与实验结果一致？
答：
有自平衡能力。
五．实验数据
图1单容水箱单调上升指数曲线图2单容水箱特性的测试实时曲线
通过实验所获得的特性曲线，图1为单容水箱单调上升指数曲线，当输入一个控制量为35时，水流通过水阀向水箱进水，由于单容水箱实验的数学模型为一阶惯性环节，因此所得的曲线为单调上升曲线，经过一段时间之后被控制量达到接近控制量的稳定值。
图2为在系统稳定时，通过调节器输入一个阶跃变化，则系统又进过一段时间后达到一个新的平衡点，因此产生如图所示的曲线变化。
实验三双容水箱液位数学模型的测试
一、实验目的
1．熟悉双容水箱的数学模型及其阶越响应曲线
2．根据实际测得双容水箱液位的阶越响应曲线，确定其传递函数
二、实验原理
被控对象有两个水箱串联链接，股称其为双容系统。
被控制量为下水箱的液位，显然，多了一个水箱，响应时间就滞后。
由S型曲线的拐点P出做一切线，它与时间轴的交点为A，OA表示对象相应的滞后时间。
至于双容对象两个惯性环节的时间常熟可按下述方法来确定。
在图2-2.2所示的阶越响应曲线上求取：
（1）
=
曲线上的电Bhe对应的时间
（2）
时曲线上的点C对应的时间
然后，利用下面的近似公式计算式
由上述两式求出
和
，于是得双容（二阶）对象的传递函数：
三、实验步骤
1．接好实验线路。
2．开启总电源和相关仪表的电源
3．商店后，启动计算机，运行MCGS组态软件，进入本实验系统。
4．先把调节器设置与手动状态，按调节器的增减，改变其输出值，是下水想的液位处于某一平衡未知。
突增/突减调节器的手动输出量，使下水箱的液位由原平衡位置开始变化，经过一段时间后，液位
进入新的平衡状态。
5．用计算机实时记录
的历史曲线和在阶跃扰动后的响应曲线。
6．把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
四、思考题
1．引起双容对象滞后的特性是什么？
答：
由于多了一个容积，水位差h2表现出来的响应特性就不同于单容水箱，响应过程在时间上落后了一步，存在管道上的滞后，干扰引起的传感器反馈信号上的滞后。
这段滞后时间主要是对象容量增加和容积之间存在阻力所造成的。
2．由结构判断本实验对象是否有自平衡能力？
是否与实验结果一致？
答：
本实验结构中的负载阀可根据液压的大小来自动调节液体流出量，最终使水的流入量与流出量相等，所以本实验对象具有自平衡能力。
与实验结果有差异。
五．实验数据
图1
如图1所示为一双容水箱液位实验的特性响应曲线。
由于双容水箱在数学模型上近似为二阶系统，因此当开启水阀，输入一个阶跃的控制量35时，系统经过一段时间，被控制量达到与控制量接近的稳态。
通过图可以测出二阶系统的超调量，上升时间、调整时间和稳态误差，同时可以发现由于双容水箱的作用，会产生一定的时间延时。
实验四单回路定值控制系统
一、概述
单回路控制系统方框图如下。
它是由调节器、执行器、被控对象和检测元件及变送器组成。
单回路控制系统结构简单、易于分析设计、投资少、便于施工、技术成熟，适用于被控对象滞后时间比较小，负荷和干扰变化不大，控制质量要求不很高的场合。
因此在工业生产中得到了广泛的应用。
二、干扰对系统的影响
1.干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后的影响
干扰通道的放大系数K，会影响干扰加在系统中的幅值。
若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数越大，系统的静差也就越大。
我们希望干扰通道的放大系数越小越好。
如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为Tf1，其过度过程的动态分量被滤波而幅值变小。
则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的分量被滤波而副值变小。
即时间常数Tf2越大，则系统的偏差就越小。
通常干扰通道中还会有纯滞后环节，使被调参数的响应时间滞后一个τ值，即Yτ（t）=Y（t-τ），表明调节过程沿时间轴平移了一个τ的距离，所以干扰通道出现有纯滞后，不会影响系统调节质量。
2.干扰进入系统中的不同位置
控制理论证明，同一形式大小相同的扰动出现于系统中的不同位置所产生的静差是不一样的。
对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。
三、控制规律的确定
选择系统调节规律的目的，就是使调节器与调节对象能很好得匹配，使组成的控制系统能满足工艺上所提出的动、静态性能指标的要求。
分以下几种调节：
1. 比例（P）调节
纯比例调节是一种最简单的调节，它对控制作用和扰动作用的响应都很快速。
由于只一个参数，所以整定方便。
缺点是系统有静差存在。
2. 比例积分（PI）调节
PI调节的积分部分能有利于消除偏差，但它又使PI调节的相位滞后量减小，即系统的稳定性变差，传递函数为：
Gc（S）=Kp（1+1/TS）
3. 比例微分（PD）调节
PD调节器由于有微分作用，能增加系统的稳定性，比例系数的增大能加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分不能过大，以利于抗高频干扰。
传递函数为：
Gc（S）=Kp（1+TS）
4. 比例微分积分（PID）调节
PID是常规调节中性能最好的一种调节。
由于它具有各类调节的优点，因而使系统具有更高的控制质量。
传递函数为：
Gc（S）=Kp（1+TdS+1/TiS）
四、调节器参数的整定方法
调节器参数的整定方法通常分为两大类：
一种是理论计算整定法，即根据被控对象的特性，然后通过理论计算来求取调节器的最佳参数。
另一种方法是工程整定法，在被控对象运行时，直接在控制系统中，通过改变调节器参数，观察被控对象的过渡过程，来获取最佳数值。
一般通过理论计算得到的整定参数并不可靠，还需要到现场进行修正，因此工程中采用较少。
而在工程中应用较多的是工程整定法。
工程整定法有以下四种：
（一）经验试凑法
若将控制系统按液位、流量、温度和压力等参数分类，属于同一类的系统，其对象特性比较接近，所以无论是调节规律的形式还是所整定的参数均可互相参考。
下表给出了常用过程控制系统控制器的参数经验数据。
系统
δ（%）
Ti/min
Td/min
温度
20~60
3~10
0.3~1
流量
40~100
0.1~1
压力
30~70
0.4~3
液位
20~80
（二）临界比例度法
临界比例度法就是先让控制器在纯比例控制下，通过现场实验找到等幅振荡的过渡过程，记下这时的临界比例带δk和临界振荡周期Tk，求出衰减振荡时控制器的最佳参数。
系统
δ
Ti
Td
P
2δs
PI
2.2δs
Ts/1.2
PID
1.6δs
0.5Ts
0.125Ts
（三） 衰减曲线法
衰减曲线法是在经验法和临界比例度法基础上，针对它们的不足，反复实验而得出的一种参数整定方法，和临界比例度法类似，不同的只是本法采用某衰减比。
并不是等幅振荡，而是等到比如4：
1衰减比时，根据此时比例度δk和振荡周期Tk，按下表经验算式，求取调节的参考参数数值。
系统
δ
Ti
Td
P
δs
PI
1.2δs
0.5Ts
PID
0.8δs
0.3Ts
0.1Ts
（四） 反应曲线法
如果被控对象是一阶惯性环节或有很小滞后的一阶惯性环节，若用以上几种方法就有难度了。
对于这种情况，可采用反应曲线法来整定调节器的参数。
令调节器的输出X（t）为阶跃信号，则对象经测量变送器后的输出Y（t），如图所示。
由此可以确定τ、T和K，其中K按下式确定K=[y（∞）-y（0）]/x0。
利用下表所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：
1时调节器的参数。
系统
δ（%）
Ti
Td
P
Kτ/T*100%
PI
1.1*Kτ/T*100%
3.3τ
PID
0.85*Kτ/T*100%
2τ
0.5τ
五、实验目的
1、了解一阶、二阶单回路控制系统的结构与组成。
2、掌握单回路控制系统调节器参数的整定。
3、研究P、PI、PD和PID四种调节器相关参数的变化对系统动态性能的影响。
六、实验内容
1. 一阶、二阶单回路液位定值控制系统的实现
2. 一阶、二阶单回路压力定值控制系统的实现
3. 一阶单回路温度定值控制系统的实现
七、实验步骤
1、 按设计要求完成系统的接线。
2、 接通总电源和相关仪表的电源。
3、 上电后，启动计算机，运行MCGS组态软件，进入本实验系统。
4、 选用单回路控制系统所述的某种调节器参数的整定方法整定好调节器的参数。
5、 先设置系统给定值SV，再手动操作调节器的输出，是被控制量接近给定值且基本稳定不变时，把调节器切换为自动，使系统自动运行。
6、 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） 待系统进入稳定后，适量打开另一个阀，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。
八、思考题
1．如何用实验方法确定调节器的相关参数？
答：
可以采用经验试凑法，临界比例度法，衰减曲线法，反应曲线法来确定调节器的参数。
2．改变比例度
和积分时间
，对系统性能产生什么影响？
答：
比例度
对系统性能的影响：
比例度越大，放大倍数越小，在相同大小的干扰下，调节器的比例度越小，振荡周期也越短，工作频率提高。
比例度越大，则调解器的输出变化越小，被控变量变化越缓慢，过渡过程越平稳。
积分时间
对系统性能的影响：
积分作用的引入，一方面消除了吸引的余差，另一方面却降低了系统的其它品质指标，因此必须适当的增加比例度。
3．为什么双容系统较单容系统更容易引起振荡？
如果达到同样的动态性能指标，为什么双容系统调节器的比例度和积分时间常数均要比单容系统大？
答:
因为双容系统在数学模型上为一个二阶系统，因此会产生振荡。
4．说出下水箱的时间常数比上水箱时间常数大的原因。
答：
因为需要先经过上水箱才能到达下水箱，因而下水箱的时间比上水箱长。
5．为什么采用PI调节器消除系统的余差，而不采用纯积分器？
答：
因为比例积分适用于滞后比较小，负荷变化不大，不允许有余差的控制系统。
而纯积分器会使系统稳定性变差。
积分能在比例的基础上消除系统的余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。
6．叙述比例积分调节器（Pl）的参数整定步骤。
ⅰ.在纯比例调节的基础上，加上积分作用“I”，根据不同的情况，设置不同的大小。
观察被控变量能否回到原设定置的位置，以验证系统在PI调节器控制下，系统的阶越扰动无余差产生。
ⅱ.固定比例P值（中等大小），然后改变调节器的积分时间
值，观察加入阶跃扰动后被调量的输出波形和响应时间的快慢。
ⅲ.固定
于某一中等大小的值，然后改变比例度
的大小，观察加入阶跃扰动后被调量的动态波形和响应时间的快慢。
九．实验数据
实验六水箱液位串级控制
一、实验目的
1、熟悉串级控制系统的结构与特点。
2、掌握串级控制系统的投运与参数的整定方法。
3、研究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。
二、实验原理
本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主、副两个回路组成。
每一个回路中都有一个调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量。
副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，它的输出是一个辅助的控制变量。
本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值。
当有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当被控制量（下水箱的液位）未作出反应时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对被控变量的影响。
此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。
三、实验步骤
1、按图要求，完成实验系统的接线。
2、接通总电源和相关仪表的电源。
打开阀门。
3、按经验数据预先设置好副调节器的比例度。
4、上电后，启动计算机，运行MCGS组态软件，进入本实验系统。
5、调节主调节器的比例度，使系统的输出响应出现4：
1的衰减度，记下此时的比例度δs和周期Ts。
据此，按经验表查得P1的参数对主调节器进行参数整定。
6、系统投运的步骤：
1）主、副调节器都置于手动位置，主调节器采用内给定模式，副调节器采用外给定模式。
先通过副调节器手动控制。
2）把主调节器的手动输出调整到合适的值。
当系统稳定后，把副调节器切入自动。
3）通过主调节器的手动控制，当下水箱液位趋于给定值，把主调节器切换为自动。
7、进行如下的实验：
1）当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增/减5%～15%），观察并记录系统的输出响应曲线。
2）适量打开干扰阀门，观察并记录阶跃扰动作用于副对象（上水箱）时，系统被控变量（下水箱液位）的响应过程。
3）关闭干扰阀门，去除副对象的阶跃扰动，且待系统再次稳定后，再适量打开阀，观察并记录阶跃扰动作用于主对象时对系统被控制量的影响。
四．思考题
1、试述串级控制系统为什么对副扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力？
答：
在串级控制系统中，副回路可视为主回路的一个环节，使滞后时间变短，提高系统
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