过程控制实验报告

1、 实验报告 课程名称 过程控制检测仪表 学生学院 自动化学院 专业班级 电气信息类(创新实验班) 姓 名 学 号 指导教师 朱燕飞 2015 年 12 月 2 0日实验一单回路控制系统实验实验项目名称：单容液位定值控制系统实验项目性质：综合型实验所属课程名称：过程控制系统实验计划学时：2学时一、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、实验内容和（原理）要求本实验系统结构图和

2、方框图如图2-1所示。被控量为中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT2检测到的中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电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。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。三、实验主要仪器设备和材料 1实验对象及控制屏、SA-11、 SA-12、 SA-44各挂件一个。2计算机一台、万用表一个。四、实验方法、步骤及结果测试 本实验选择中水箱作为被控对象。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、F1-11全开，

3、将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度，其余阀门均关闭。具体实验内容与步骤按二种方案分别叙述。（一）、智能仪表控制1按照图2-2连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。图2-1 中水箱单容液位定值控制系统(a)结构图 (b)方框图图2-2 智能仪表控制单容液位定值控制实验接线图2打开上位机MCGS组态环境，单击第二行第二列“单容定值控制系统”, 单击“”,打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中单击“实验三、单容液位定值控制系统”，进入实验三的监控界面。3接通“总电源”空气开关和“钥匙开关”，打开“24V电源开关”，给压力变送器上电，按下“启动

4、”按钮，合上“单相、”空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。4在上位机监控界面中把“设定值”设置为一个合适的值（从低水位开始每次增加3-4cm，设定值增加的幅度应相等,以便获得的曲线有可比性,水箱最高水位为15cm）。将“P、I”值设置为一个合适的值。（,参照下表）点击检查通信状态：通信状态应正常；输入规格：33；输入下限：0；输入上限：50；正反作用：0；关闭通信状态。单击“启动仪表”系统进入自动运行状态。5合上“三相电源”空气开关，磁力驱动泵上电打水，使中水箱的液位平衡于设定值，观察记录响应曲线的变化。6按下表给出的PID值作出相应曲线，分析曲线，找出规律，选择合适P、I值，做出41的响应

5、曲线。PID响应曲线10200曲线1-130200曲线1-210400曲线1-3实验结果：曲线1-1曲线1-2曲线1-3五、实验分析1. 单容水箱液位定值控制实验的结构框图2. 用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程 3. 根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能4. 比较不同PID参数对系统的性能产生的影响5. 分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用六、思考题1如果采用下水箱做实验，其响应曲线与中水箱的曲线有什么异同？并分析差异原因。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，其响应曲线会上升的更快2改变比例度和积分时间TI对

6、系统的性能产生什么影响？答：1、改变比例度使让调节器的参数改变，这可能让系统稳定性受影响。增大比例度会使得其超调量增大，使系统变得不稳定。 2、改变积分时间会使得系统的精确度提高，但可能造成积分饱和。实验二实验项目名称：双容水箱液位定值控制系统实验项目性质：综合型实验所属课程名称：过程控制系统实验计划学时：2学时一、实验目的1通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。2掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定与投运方法。3研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。4研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。5掌握双容液位定值控制系统采用不同控制方案的实现过程。二、实验内容（

7、原理）和要求本实验以中水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT3检测到的下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电动调节阀的开度，以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，系统的调节器应为PI或PID控制。本实验系统结构图和方框图如图2-5所示。图2-5 双容液位定值控制系统(a)结构图 (b)方框图三、实验主要仪器设备和材料（同前）四、实验方法、步骤及结果测试 本实验选择中水箱和下水箱串联作为双容对象（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

8、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二种方案分别叙述 （一）、智能仪表控制1按照图2-2连接实验系统。将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。2打开上位机MCGS组态环境，单击第一行倒第四列“双容水箱液位定值控制系统”，单击标号，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中单击“实验四、双容液位定值控制系统”，进入实验四的监控界面。3接通“总电源”空气开关和“钥匙开关”，打开“24V电源开关”，给压力变送器上电，按下“启动

9、”按钮，合上“单相、”空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。 4在上位机监控界面中把“设定值”设置为一个合适的值（从低位开始每次增加3-4cm，设定值增加的幅度应相等,以便获得的曲线有可比性,水箱最高水位为15cm）。水箱最高水位为15cm）。将“P、I”值设置为一个合适的值。（，参照下表）点击检查通信状态：通信状态应正常；输入规格：33；输入下限：0；输入上限：50；正反作用：0；关闭通讯状态。单击“启动仪表”系统进入自动运行状态。5合上“三相电源”空气开关，磁力驱动泵上电打水，使下水箱的液位平衡于设定值，观察记录响应曲线的变化。6按下表给出的PID值作出相应曲线，分析曲线，找出规律，选择合

10、适P、I值，做出41的响应曲线。PID响应曲线10100曲线2-110200曲线2-2实验结果：曲线2-1曲线2-2五、实验分析1画出双容水箱液位定值控制实验的结构框图。2用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。3根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。4比较不同PI参数对系统的性能产生的影响。5分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实验系统的作用。6综合分析二种控制方案的实验效果。六、思考题1如果采用上水箱和中水箱做实验，其响应曲线与本实验的曲线有什么异同？并分析差异原因。答：采用上中水箱做实验，它的响应曲线要比中下水箱变化快。原因：因为中水箱的截面积比下水箱的

11、要小，上升相同的液位高度，下水箱要更长时间。2改变比例度和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？答：(1)改变比例度使让调节器的参数改变，这可能让系统稳定性受影响。增大比例度会使得其超调量增大，使系统变得不稳定。 (2)改变积分时间会使得系统的精确度提高，但可能造成积分饱和。3为什么本实验比单容液位定值控制系统更容易引起振荡？要达到同样的动态性能指标，在本实验中调节器的比例度和积分时间常数要怎么设置？答：由于在本实验中的比例系数相对较大，过程相应时间相对较长，更加容易引起振荡。要达到同样的动态性能指标，调节器的比例度应该调节的相对较大，积分时间常数调高。实验四实验项目名称：水箱液位串级控制系统

12、实验项目性质：综合型实验所属课程名称：过程控制系统实验计划学时：2学时一、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、实验内容（原理）和要求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

13、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3-1所示。图3-1 水箱液位串级控制系统(a)结构图 (b)方框图三、实验主要仪器设备和材料（同前）四、实验方法、步骤及结果测试 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

14、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二种方案分别叙述。（一）、智能仪表控制1按照图3-2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。2打开上位机MCGS组态环境，单击第6行第6列“水箱液位串级控制系统”,单击，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中单击“实验十一、水箱液位串级控制系统”，进入实验的监控界面。3接通“总电源”空气开关和“钥匙开关”，打开“24V电源开关”，给压力传感器上

15、电，按下“启动”按钮，合上“单相、”空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。4在上位机监控界面中：点击通讯状态：检查主控调节器：通讯状态应成功；输入规格Sn=33；输入下限=0；输入上限=50；正反作用CF=0；检查副控调节器：通讯状态应成功；输入规格Sn=32；输入下限=0；输入上限=50；正反作用CF=8：关闭通讯状态。 返回上位机监控界面。设定主控参数的“设定值”(从低位开始每次增加3-4cm，每次设定值增加的幅度应相等,以便获得的曲线有可比性,水箱最高水位为15cm）和“P、I、D”(参照下表)；设定付控参数的“P、I、D”。将智能“仪表1，2”设置为“自动”，系统进入自动状态。启动仪表

16、1，2。5合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，经过自动调节，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35cm，以免超调过大，水箱断流或溢流）。6按下表给出的PID值作出相应曲线，分析曲线，找出规律，选择合适P、I值，做出41的响应曲线。主控P主控I副控p响应曲线204020曲线4-120401曲线4-2104015曲线4-3202015曲线4-4实验数据：曲线4-1曲线4-2曲线4-3曲线4-4五、实验分析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。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

17、用下的静、动态性能。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。5综合分析二种控制方案的实验效果。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：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提升。如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时，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°

18、，从而使得副环的增益为负，形成正反馈，出现共振现象，二次扰动对主控变量的影响将会很大。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：改进在于：副被控变量检测到扰动的影响，并通过副回路的定值控制作用，从而调节操纵变量，使得副被控变量恢复到副设定值，也使得扰动对主被控量的影响减少，副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用。从而使系统更快趋于稳定，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何确定？答：串级控制系统投运前需要作好以下准备工作：主、副控制器的参数整定好，设置好主回路的设定值，同时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设