《过程控制系统》实验报告(最新版)

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 图 2 1 单容水箱特性测试结构图 由图 2 1 可知 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 Q1 Q2 0 1 动态时 则有 Q1 Q2 dv dt 2 式中 V 为水箱的贮水容积 dV dt 为水贮存量的变化率 它与 H 的关系为 dV Adh 即 dV dt Adh dt 3 A 为水箱的底面积 把式 3 代入式 2 得 Q1 Q2 Adh dt 4 基于 Q2 h RS RS 为阀 V2 的液阻 则上式可改写为 Q1 h RS Adh dt 即 ARsdh dt h KQ1 或写作 H s K Q1 s K TS 1 5 式中 T ARs 它与水箱的底积 A 和 V2 的 Rs 有关 K Rs 式 5 就是单容水箱的传递函数 对上式取拉氏反变换得 6 当 t 时 h KR0 因而有 K h R0 输出稳态值 阶跃输入 当 t T 时 则有 h T KR0 1 e 1 0 632KR0 0 632h 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 2 2 所示 当由实验求得图 2 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 2 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 BC 为对象的时间常数 T 所得的传递函数为 四 实验内容与步骤 1 按图 2 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 或负 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 2 4 所示 5 启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线 正向输入曲线 负向输入曲线 6 实验数据计算 1 正向输入 T t12 t1 1 53 55 1 52 18 1 37 97 s h h2 h1 74 71mm 26 81mm 49 7mm R0 Q2 Q1 459 8L h 397 9L h 61 9L h K h R0 49 7 61 9 0 8029 H S K T S TK 1 S R0 S R0 T S KR 1 0 S 7 49 0103 0 7 49 S 2 负向输入 T t23 t2 1 57 24 1 56 06 1 18 78 s h h2 h3 74 71mm 37 44mm 37 27mm R0 Q2 Q1 459 8L h 388 0L h 71 8L h K h R0 37 27 71 8 0 5191 H S K T S TK 1 S R0 S R0 T S KR 1 0 S 27 37 0128 0 27 37 S 7 实验曲线所得的结果填入下表 参数值 测量值 放大系数 K周期 T 正阶跃输入 0 802997 s 负阶跃输入 0 519178 s 平均值 0 661087 5 五 思考题 1 在实验进行过程中 为什么不能任意改变出水口阀开度的大 小 答 因为在实验过程中 任意改变出水口阀开度会影响出水流 量的大小 在入水量不变的情况下 这样会使实验记录的数据和图 形与实际相差较远 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 另外 也会受实验室电压的波动与测试软件的影响 3 如果采用中水箱做实验 其响应曲线与上水箱的曲线有什么异 同 试分析差异原因 答 若采用中水箱做实验 它的响应曲线要比上水箱变化的慢 原因 因为中水箱的回路比上水箱的回路要长 上升相同的液 位高度 中水箱要更长的时间 实验三 上水箱液位 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 图 3 2 1 上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图如图 3 2 1 所示 被控量为上水箱 也可采用中水箱或下水箱 的液位高度 实验要求它的液位稳定 在给定值 将压力传感器 LT1 检测到的上水箱液位信号作为反馈信 号 在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度 以达到控水箱液位的目的 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 系统的调节器应为 PI 或 PID 控制 四 实验内容与步骤 1 先将储水箱中贮足水量 然后将阀门 F1 1 F1 6 F1 10 F1 11 全开 将上水箱出水阀门 F1 9 开至适当开度 50 左右 其余阀门均关闭 2 接通控制柜总电源 打开漏电保护器及各空气开关 接通空 压机电源 并将三相磁力泵 三相电加热管 控制站的各旋钮开关 打到开的位置 控制柜无需接线 3 在上位机监控界面中点击 手动 并将设定值和输出值设置 为一个合适的值 此操作可通过设定值或输出值旁边相应的滚动条 或输出输入框来实现 4 启动磁力驱动泵 磁力驱动泵上电打水 适当增加 减少输出 量 使上水箱的液位平衡于设定值 5 按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定 PI 调节器的 参数 并按整定后的 PI 参数进行调节器参数设置 6 分别适量改变调节器的 P 参数 通过实验界面下边的按钮切 换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线 7 分别用 PI PD PID 三种控制规律重复步骤 3 6 通过实验 界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响 应曲线 8 水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线 1 P 调节 K 5 K 7 2 PI K 7 I 20000 K 5 I 2000 3 PD K 5 D 10000 K 5 D 5000 4 PID K 5 I 20000 D 5000 9 计算 1 P调节 K 5时 上升时间为 tr t2 t1 2 50 22 2 50 04 18 s 稳态误差 60mm h 60mm 53 35mm 6 65mm K 7时 上升时间为 tr t2 t1 2 50 41 2 50 21 20 s 稳态误差 60mm h 60mm 55 41mm 4 59mm 2 PI调节 K 7 I 20000 时 上升时间 tr t1 t0 3 08 04 3 07 35 29 s 峰值时间 tp t2 t0 3 08 09 3 07 35 34 s 调节时间 ts t3 t0 3 08 36 3 07 35 61 s 超调量 hmax h h h 0 100 6 8 稳态误差 h 60mm 0 69mm 可以忽略不计 K 5 I 20000时 上升时间 tr 3 22 58 3 22 31 27 s 峰值时间 tp 3 23 06 3 22 31 35 s 调节时间 ts 3 23 30 3 22 31 59 s 超调量 hmax h h h 0 100 10 9 稳态误差 h 60mm 0 11mm 可以忽略不计 3 PD调节 K 5 D 10000时 上升时间为t t2 t1 4 25 57 4 25 36 21 s 稳态误差 60mm h 60mm 52 98mm 7 02mm K 5 D 5000时 上升时间为t t2 t1 4 30 51 4 30 31 20 s 稳态误差 60mm h 60mm 52 81mm 7 19mm 4 PID K 5 I 20000 D 5000时 上升时间 tr 4 35 50 4 35 19 31 s 峰值时间 tp 4 35 57 4 35 19 38 s 调节时间 ts 4 36 02 4 35 19 43 s 超调量 hmax h h h 0 100 11 1 稳态误差 60mm h 0 23mm 可以忽略不计 10 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 分析 系统在阶跃扰动作用下 当比例系数较大时 系统的静态 误差也较大 这是因为比例系数会加大幅值 在加入微分环节以后 系统的动态误差明显减小 但调节时间却延长 这是因为微分具有 超前的作用 可以增加系统的稳定度 2 比较不同 PID 参数对系统的性能产生的影响 Ti 为了消除稳态误差 在控制器中必须引入 积分项 积分 项对误差取决于时间的积分 随着时间的增加 积分项会增大 这 样即便误差很小 积分项也会随着时间的增加而增大 他推动控制 器的输出增大使稳态误差进一步减小 知道为零 由于积分项的存 在会使调节时间增大 因此 PI 控制器可使系统在进入稳太后无稳 态误差 Kp 放大误差的幅值 快速抵消干扰的影响 使系统上升时间降 低 如果仅有比例环节 系统会存在稳态误差 Td 自动控制系统在克服误差的调解过程中可能会出现振荡甚至 失稳 在控制器中仅引入 比例 P 往往是不够的 比例项的作用 仅是放大误差的幅值 而目前需要增加的是 微分项 他能预测误 差的变化趋势 这样具有比例加微分的控制器 就能够提前十抑制 误差的的控制作用等于零 甚至为负值 从而避免了被控量的严重 失调 所以对有较大惯性或滞后的被控对象 PD 控制器能改善系统 在调解过程的动态特性 3 分析 P PI PD PID 四种控制规律对本实验系统的作用 P 是基本的控制作用 比例调节对控制作用和扰动作用的响应都 很快但会带来余差 PI PI 调节中 P 调节快速抵消干扰的影响 同时利用 I 调节消 除残差 但是 I 调节会降低系统的稳定性 PD 由于微分的超前作用 能增加系统的稳定度 震荡周期变短 减小了误差 但是微风抗干扰能力差 且微分过大易导致调节阀动 作向两端饱和 PID 常规调节器中性能最好的一种调节器 具有各类调节器的优 点 具有更高的控制质量 五 思考题 1 改变比例度 和积分时间 TI对系统的性能产生什么影响 答 改变比例度 会是调节器的参数改变 这可能让系统的稳 定性受一定的影响 增大比例度会使其超调量增大 使系统变得 不稳定 改变积分时间 TI 会使系统的精度提高 但也可能造成积分饱 和 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 采用下水箱做实验 其滞后时间会更短 原因 因为水的回路变得更短 弃响应曲线会上升的更快 实验五 锅炉内胆水温PID控制实验 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 本实验以锅炉内胆作为被控对象 内胆的水温为系统的被控制 量 本实验要求锅炉内胆的水温稳定至给定量 将铂电阻 TT1 检测 到的锅炉内胆温度信号作为反馈信号 在与给定量比较后的差值通 过调节器控制三相调压模块的输出电压 即三相电加热管的端电压 以达到控制锅炉内胆水温的目的 在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 系统的调节器可选 择 PD 或 PID 控制 本实验系统结构图和方框图如图 3 5 1 所示 图 3 5 1 锅炉内胆温度特性测试系统 a 结构图 b 方框图 可以采用两种方案对锅炉内胆的水温进行控制 一 锅炉夹套不加冷却水 静态 二 锅炉夹套加冷却水 动态 显然 两种方案的控制效果是不一样的 后者比前者的升温过 程稍慢 降温过程稍快 无论操作者采用静态控制或者动态控制 本实验的上位监控界面操作都是一样的 四 实验内容与步骤 1 先将储水箱贮足水量 将阀门 F1 1 F1 4 F1 5 F1 13 全开 打开电磁阀开关 其余阀门关闭 启动 380 伏交流磁力泵 给锅炉 内胆贮存一定的水量 要求至少高于液位指示玻璃管的红线位置 然后关闭阀 F1 13 F1 4 及电磁阀 打开阀 F1 12 为给锅炉夹套 供冷水做好准备 2 接通控制系统电源 打开用作上位监控的的 PC 机 进入的实 验主界面 在实验主界面中选择本实验项即 锅炉内胆水温 PID 控制 实验 3 合上三相电源空气开关 三相电加热管通电加热 适当增加 减少输出量 使锅炉内胆的水温稳定于设定值 4 按指导书第二章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节 器参数 选择 PID 控制规律 并按整定后的 PID 参数进行调节器参 数设置 5 待锅炉内胆水温稳定于给定值时 将调节器切换到 自动 状 态 然后记录曲线 6 开始往锅炉夹套打冷水 重复步骤 3 5 观察实验的过程曲 线与前面不加冷水的过程有何不同 7 分别采用 P PI PD 控制规律 重复上述实验 观察在不同的 PID 参数值下 系统的阶跃响应曲线 8 上述实验用计算机实时记录的响应曲线 1 P 2 PI 3 PD 4 PID 9 计算 1 P 稳态误差 30 29 37 0 63 上升时间 tr 5 48 27 5 47 23 64 s 2 PI 峰值时间 tp 6 22 25 6 19 26 2 59 179 s 超调量 44 25 35 35 2 528 100 28 5 3 PD 稳态误差 35 34 04 0 86 上升时间 tr 6 49 25 6 48 10 75 s 4 PID 上升时间 tr 7 05 50 7 04 40 70 s 峰值时间 tp 7 07 30 7 04 40 170 s 超调量 44 15 35 35 2 626 100 28 3 10 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 分析 系统在阶跃扰动作用下 当比例系数较大时 系统的静态 误差也较大 这是因为比例系数会加大幅值 在加入微分环节以后 系统的动态误差明显减小 但调节时间却延长 这是因为微分具有 超前的作用 可以增加系统的稳定度 2 比较不同 PID 参数对系统的性能产生的影响 Ti 为了消除稳态误差 在控制器中必须引入 积分项 积分 项对误差取决于时间的积分 随着时间的增加 积分项会增大 这 样即便误差很小 积分项也会随着时间的增加而增大 他推动控制 器的输出增大使稳态误差进一步减小 知道为零 由于积分项的存 在会使调节时间增大 因此 PI 控制器可使系统在进入稳太后无稳 态误差 Kp 放大误差的幅值 快速抵消干扰的影响 使系统上升时间降 低 如果仅有比例环节 系统会存在稳态误差 Td 自动控制系统在克服误差的调解过程中可能会出现振荡甚至 失稳 在控制器中仅引入 比例 P 往往是不够的 比例项的作用 仅是放大误差的幅值 而目前需要增加的是 微分项 他能预测误 差的变化趋势 这样具有比例加微分的控制器 就能够提前十抑制 误差的的控制作用等于零