北邮过程控制实验报告

1、 过程控制实验报告 学院： 自动化学院 专业： 自动化专业 班级： 2010211411 姓名： 韩思宇 学号： 10212006 指导老师： 李忠明 实验一 单容过程的数学模型建立与控制a) 单容水箱液位数学模型一、实验目的1、学习实验的设备装置以及管路构成。2、熟悉仪表装置，如检测单元、控制单元、执行单元等。3、了解液位容积特性，熟悉实验法建模的具体方法。二、实验设备1、实验设备：A1000 对象系统 (1)泵 (2)水泵调速器：工作电源24VAC，控制信号2-10VDC (3)液位变送器：量程为0-100,输出信号4-20mA。2、系统组成液位容积（含水泵调速器）特性测量流程图如图1所示

2、。图1 系统组成图三、实验步骤1、QV112 全开，QV116 打开45 度左右，其余阀门关闭。2、将LT101 连到AI0 输入端，AO0 输出端连到U101(手动输出)。3、工艺对象上电，控制系统上电，启动U101(P101)。4、启动组态软件，选择“单容液位PID 控制”。设定U101 控制2030%，等待系统稳定。液位和流量稳定在某个值。液面不能太低，否则不算稳定。5、设定U101 控制增加25%，记录水位随时间的数据，到新的稳定点或接近稳定。如果阶跃太大，可能导致溢出。6、抓图，若液位太低或者溢出，可以修改QV116 开度，重复4 和6 步。7、将系统输出设定值置为0， 关闭系统，分

3、析数据四、实验结果与思考设定U101控制增加2%后，系统阶跃响应曲线图如图2所示。图2 U101控制增加2%的阶跃响应曲线图求解传递函数 G(S)=K/(TcS+1)参数控制量从 30%上升到35%，液位从50%上升到79.46%。Tc=100s。K=(79.3-50.4)/(35-30)=5.78。综上，可得Tc=100s，K=7。b) 单容液位PID 控制一、实验目的1、了解PID控制特点，掌握PID的调节规律；通过实验学习PID参数的整定方法。2、分别用P,PI,PD,PID控制整定出最佳的比例度、积分时间和微分时间。二、实验设备1、实验设备：A1000 对象系统（1）水泵U102(P1

4、02)（2）水泵调速器：工作电源24VAC，控制信号2-10VDC（3）液位传感器：量程为0-100%,输出信号4-20mA。2、系统组成单容水箱液位 PID 控制流程图如图2所示。图2 单容水箱液位PID控制流程图三、实验步骤1、打开手阀QV112，调节QV116开度，其余阀门关闭。2、在控制系统上，将水箱液位LT101输出连接到AI0，电动调速器U101控制端连到AO0。3、打开设备电源。4、启动计算机组态软件，进入实验项目界面。启动调节器，设置各项参数。启动右边水泵U101(P101)和调速器。5、系统稳定后可将调节器的手动控制切换到自动控制6、设置比例参数。观察计算机显示屏上的曲线，待

5、被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰实验。7、待系统稳定后，对系统加扰动信号。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。8、减小P 重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。9、增大P 重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。10、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。11、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 参数不是特别大的数。固定比例P 值为中等大小，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%。

6、12、固定Ti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Ti 下的超调量%。13、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渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。14、在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，在把软件界面上设置Td参数，然后加上与前面调节时幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线。15、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突变10%左右来实现）。16、将系统输出设定值置为0，关闭系统。四、实验结果与思

7、考 1、当P=4时，加扰动后，系统响应曲线图2、减小P，当P=3时，加扰动后系统响应曲线如图所示。3、增大P，当P=5时，加扰动后系统响应曲线如图所示。4、加入积分作用，当Ti=10时，加扰动后系统响应曲线如图所示。5、加入积分作用，当Ti=15时，加扰动后系统响应曲线如图所示。6、加入积分作用，当Ti=4.8时，加扰动后系统响应曲线如图所示。7、加入微分作用，当Td=0.1时，加扰动后系统响应曲线如图所示。8、最终的PID参数为8、4.8、0.1。2、控制对象为正作用。因为实验中的控制对象为V103水箱。当阀QV112开度变大，水箱入水量增加时，液位变高，因此控制对象为正作用。 实验二、垂直

8、双容过程液位控制a)双容液位单回路PID 控制一、 实验目的与要求1、实验前需熟悉双容液位控制模型的特点。2、熟悉仪表装置，如检测单元、控制单元、执行单元等。3、用单回路PID 控制方法，整定出最佳的比例度、积分时间和微分时间。2、 实验设备 1、A1000 小型过程控制实验系统：（1）泵（2）水泵调速器：工作电源24VAC，控制信号2-10VDC（3）液位变送器：量程为0-100,输出信号4-20mA。 压力和液位变送器、涡轮流量计、微型潜水泵、AS3720 模块、西门子S7-200 PLC、组态王软件。 3、 实验原理：流程图如图1 所示。 图 1 双容液位单回路PID 控制 水介质由泵

9、U101(P101)从水箱V104 中加压获得压头，经QV113、水箱V102、QV114、水箱V101、阀QV116，回流至水箱V104 而形成水循环，负荷的大小通过手阀QV116来调节；其中，水箱V101 的液位由液位变送器LT101 测得。3、 操作步骤和调试1、启动组态王软件，选择“特性测试与单回路PID”中“垂直双容液位PID 控制”。2、检查水槽溢出时是否有溢流通道，保证发生溢出时水能够流回蓄水箱V104。3、工艺对象上电，控制系统上电。4、设定液位的初始值为25%30%，同时保证V102 水槽的液位超过QV114 的阀口，此点可以通过调整阀QV114 和阀QV116 的开口大小实

10、现。5、观察液位设定值与实测值是否一致，根据情况调整PID 值的大小。6、给设定值一个10%的阶跃，是设定值为35%40%，观察系统相应情况，反复调整PID 参数，使系统具有较满意的动态响应和较高的静态精度。7、抓图，保存实验曲线结果。8、通过调整QV111 增加系统干扰进行测试（使QV111 处于开口较小的状态，相当于管路泄露），抓图，记录超调和稳定时间。9、 将系统输出设定值置为0， 关闭系统，分析数据。四：实验结果：1、如下图图2，单回路PID控制下加10%阶跃，当获得较好动态，静态响应特性曲线时，Kp=2.58，Ki=1.0，Kd=0 图2 单回路PID控制下加10%阶跃后的响应曲线

11、2、加入干扰后系统响应曲线，如下图图3，此时 Kp=2.58，Ki=1.0，Kd=0 图3 单回路PID控制下加干扰后的响应曲线 b) 双容液位串级控制一、 实验目的与要求 了解双容液位串级控制工作原理。通过实验，掌握串级控制系统的投运、控制器参数的整定方法。组建串级回路，并测量两类干扰下的控制效果。二、实验设备1、A1000 小型过程控制实验系统：（1）泵（2）水泵调速器：工作电源24VAC，控制信号2-10VDC（3）液位变送器：量程为0-100,输出信号4-20mA。 压力和液位变送器、涡轮流量计、微型潜水泵、AS3720 模块、西门子S7-200 PLC、组态王软件。 3、 实验原理：

12、串级控制流程图如图4所示： 图 4 双容液位单回路PID 控制 水介质由泵 U101(P101)从水箱V104 中加压获得压头，经QV113、水箱V102、QV114、水箱V101、阀QV116，回流至水箱V104 而形成水循环，负荷的大小通过手阀QV116来调节；其中，水箱V101 的液位由液位变送器LT101 测得。其中，水箱V101 的液位由液位变送器LT101 测得，水箱V102 的液位由液位变送器LT102 测得。 本例为串级调节系统，调速器U101 为操纵变量，以LT102 为被控变量的控制系统作为副调节回路，其设定值来自主调节回路以LT101 为被控变量的液位控制系统。4、 操作

13、步骤和调试1、启动组态王软件，选择“复杂控制”中“垂直双容串级液位控制”。2、检查水槽溢出时是否有溢流通道，保证发生溢出时水能够流回蓄水箱V104。3、工艺对象上电，控制系统上电。4、设定液位的初始值为25%30%，同时保证V102 水槽的液位超过QV114 的阀 口，此点可以通过调整阀QV114 和阀QV116 的开口大小实现。5、观察液位设定值与实测值是否一致，根据情况调整主调节器、副调节器PID 参 数值的大小。6、给设定值一个10%的阶跃，是设定值为35%40%，观察系统相应情况，调整 PID 参数，直到得到满意的响应曲线。7、抓图，保存实验结果。8、通过调整QV111 增加系统干扰进

14、行测试（使QV111 处于开口较小的状态， 相当于管路泄露），抓图，记录超调和稳定时间。9、将系统输出设定值置为0， 关闭系统，分析数据。五：实验结果：1、如图5，串级PID控制下加10%阶跃，当获得较好动态，静态响应特性曲线时，主调节器PID参数为Kp=5，Ti=1，Td=0；副调节器PID参数为Kp=5，Ti=10000，Td=0。 图5 串级PID控制下加10%阶跃后的响应曲线 2、加入干扰后系统响应曲线，如下图图6，此时主调节器PID参数为Kp=5，Ti=1，Td=0；副调节器PID参数为Kp=5，Ti=10000，Td=0。 图6 串级PID控制下加干扰后的响应曲线六、分析与思考：1

15、：比较a、b两实验的结果答：如图3，图6所示，当系统中产生干扰时，串级控制系统比单回路系统能更快消除干扰对主回路参数的影响，提高调节品质。如图2，图5所示，串级调节中，主、副调节器总的放大系数（主、副调节器放大系数的乘积）可整定得比单回路调节系统大，因此，串级系统提高了系统的响应速度，很好的改善系统的响应特性。综合两实验的实验结果可知，串级控制系统比单回路控制系统，拥有更好的调节品质，系统的适应能力高，抗干扰能力强，响应速度快。2.本次串级实验中主、副控制器正反作用如何确定？答：串级系统的控制框图如下 图7 双容液PID 串级控制系统框图 其中U101为副调节器，V102的液位为副对象，V10

16、1的液位为主对象，QV116为主调节器。副调节阀为气开式（Kv为正），因为一旦控制系统出现故障，为防止水箱里的水溢出，调节阀必须全关，而由于工艺可知，阀门开度增大时，液位升高，所以Ko2为正，为保证副回路为负反馈，Kc2为正，即副调节器为反作用方式，当V102液位升高时，V101液位升高，故ko1为正，为保证主回路负反馈，Kc1为正，即主调节器应为反作用调节器。综上，主，副调节器都为反作用调节器。3、结合本次实验情况，分析串级控制比单回路控制质量高的原因。 串级调节与单回路调节相比，多了一个副调节回路。调节系统的主要干扰都包括在副调节回路中，因此，副调节回路能及时发现并消除干扰对主调节参数的影

17、响，提高调节品质。 串级调节中，主、副调节器总的放大系数（主、副调节器放大系数的乘积）可整定得比单回路调节系统大，因此提高了系统的响应速度和抗干扰能力，也就有利于改善调节品质。 串级调节系统中，副回路的调节对象特性变化对整个系统的影响不大，如许多系统利用流量（或差压）围绕调节阀门或挡板组成副回路，可以克服调节机构的滞后和非线性的影响。而当主调节器参数操作条件变化或负荷变化时，主调节器又能自动改变副调节器的给定值，提高了系统的适应能力。 因此，串级调节的品质要比单回路调节好。实验三、液位前馈-反馈复合控制 一、 实验目的与要求1、实验前需熟悉复合控制的原理与特点。2、熟悉仪表装置，如检测单元、控

18、制单元、执行单元等。3、通过实验掌握前馈补偿器的设计方法。二、实验原理：流程图如图1所示。水介质由泵U101(P101)从水箱V104 中加压获得压头，经流量计FT101、电动调速器U101、水箱V101、手阀QV116 回流至水箱V104 而形成水循环，负荷的大小通过手阀QV116 来调节；其中，水箱V101 的液位由液位变送器LT101测得，给水流量由流量计FT101 测得。本例中调速器U101 为操纵变量， LT101 为被控变量，接收流量的前馈信号参予到定值系统中，整体构成前馈反馈控制系统。如果水路流量出现扰动，经过流量计FT101 测量之后，测量得到干扰的大小，然后通过调整调速器开度

19、，直接进行补偿。本次实验采用静态补偿，补偿器数值为图1中的前馈系数K。 图1 流量液位前馈反馈复合控制3、 操作步骤和调试（1）单一反馈控制实验步骤：1、启动组态王软件，选择“复杂控制”中“流量液位前馈反馈控制”。2、检查水槽溢出时是否有溢流通道，保证发生溢出时水能够流回蓄水箱V104。3、工艺对象和控制系统上电。4、设定K=0，液位设定值为30%左右，然后在“自动”模式下调节PID 控制器 参数，使得在设定值增加10%的阶跃输入情况下，能得到较为满意的响应曲 线。抓图，保存实验曲线结果5、增加干扰，调节QV111 从90 度变动到50 度，观察系统响应曲线。抓图， 保存实验曲线结果。6、若全

20、部实验结束，将工艺对象和控制系统断电。（2） 复合控制步骤：1、将调节阀QV111 转回90 度的关闭状态。2、设定K=0，液位设定值在3040%之间，保持3.1 步骤中的PID 参数不变。3、系统稳定后，观察主界面上方的稳态流量（百分比）记为q1，下方的调节器 输出记为u1。将调节阀QV111 从90 度变动到70 度，观察响应曲线，系统 稳定后，将稳态流量（百分比）记为q2，下方的调节器输出记为u2，则前馈 补偿器的计算公式为：6、将调节阀QV111 转回90 度的关闭状态。系统稳定后，将q1 输入到主界面 下方的“稳态流量百分”的编辑框中，前馈系数设为式1 求得的K。7、增加干扰，调节QV111 从90 度变动到50 度，观察响应曲线。抓图，保存 实验曲线结果。8、点击主界面“停止”按钮，关闭系统，分析数据。9、若全部实验结束，将工艺对象和控制系统断电。四：实验结果与思考：1. 针对得到的不同实验曲线，加以对比分析说明。（1） 在单一反馈实验中，设定K=0，液位设定值为30%左右，然后在“自动”模式下调节PID 控制器参数，在设定值增加10%的阶跃输入情况下，能得