过程控制与仪表实验报告

1、实 验 报 告课程名称 过程控制与仪表实验 学生学院 自动化学院 专业班级 2014级电气（1）班 学 号 xxxxxx 学生姓名 xxx 课程教师 朱燕飞 2017年 6月16日实验一实验项目名称：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方

2、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，将

3、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的响应曲

5、线。PID响应曲线10200坐标一30200坐标二10400坐标三自选自选自选坐标四、4/1曲线 坐标一坐标二坐标三7待液位平衡后，通过以下方式加干扰：突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值，记录整个过程的曲线。坐标五（二）、S7-200PLC控制1将SA-42 S7-200PLC控制挂件挂到屏上，并用PC/PPI通讯电缆线将S7-200PLC连接到计算机串口2，并按照图2-4控制屏接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。2接通总电源空气开关和钥匙开关

6、，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相、空气开关，给S7-200PLC及电动调节阀上电。3打开Step 7-Micro/WIN 32软件，并打开“S7-200PLC”程序进行下载，然后将S7-200PLC置于运行状态，然后运行MCGS组态环境，打开“S7-200PLC控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制”，进入实验三的监控界面。4以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤47。五、实验报告要求1画出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

7、作用下的静、动态性能。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增大幅值；在加入微分环节以后，系统的动态误差明显减小，但调节时间却延长了，这是因为微分有超前的作用，可以增加系统的稳定度。4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”积分相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，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步，因此，PI控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。KP：起放大误差的幅值作用，快速抵消干扰的影响，如果仅有比例环节，系统会存在

8、稳态误差。Td：自动控制系统在克服误差的调节过程中，可能会出现振荡甚至失稳，在控制器中仅引入“比例P”项往往是不够的，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”，他能预测误差变化的趋势，这样具有比例加微分的控制器，能够提前使控制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调，所以对有较大惯性滞后的被控对象，PD控制器能够改善系统在调节过程中的动态特性。5分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。采用P调时，控制器的输出与输入误差信号成比例关系，当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差；采用PI 调时，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系，积分控

9、制可以是系统实现无静差的情况下保持恒速运行，实现无差调速，消除稳态误差；采用PD时，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，但是微分抗干扰能力变差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。而采用PID调时，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。是常规调节器中性能最好的一种调节器。具有各种调节器的优点。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

10、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（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

11、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

12、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”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

13、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，选择合适P、I值，做出41的响应曲线。PID响应曲线10200坐标一30200坐标二10400坐标三自选自选自选坐标四、4/1曲线7待液位平衡后，通过以下方式加干扰：突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值，记录整个过程的曲线。（二）、S7-200PLC控制1将SA-42 S7-200PLC控制挂件挂到屏上，并用PC/PPI通讯电缆线将S7

14、-200PLC连接到计算机串口2，并按照图2-4接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相、空气开关，给S7-200PLC及电动调节阀上电。3打开Step 7-Micro/WIN 32软件，并打开“S7-200PLC”程序进行下载，然后将S7-200PLC置于运行状态，然后运行MCGS组态环境，打开“S7-200PLC控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验四、双容液位定值控制”，进入实验四的监控界面。4以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤47

15、。五、实验报告要求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。实验中上水箱作为主调节器，中水箱作为副调节器，由中烧控制系统的特点知道上水箱的输出作为中水箱的输入，由系统响应曲线可知，在系统稳定，系统为纯比例作用的情况下，副调节器的比例故大系数技经验选取为150，积分时间和微分时问都为O,并将其设置在副调节器上，然后按照单回路控制系统的任一种参数整定方法整定主调节器的参数，改变给定值，根据主调节器放大系致和副调节器的放大系致的匹配原理，适当调整调节器的参数，使得主参数品质最低如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度和增大积分时闻即可改善系统性

16、能，实验中主调节器的比例系数设定为300.积分时间20.由阁可知设定了积分时同，减少了振荡，是系统更稳定。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。由曲线可知1系统在受到阶跃扰动的情况下，若增大系统的比例放大系致，则会缩短振荡周期，能够快速消除干扰，使系统趋于稳定，但是此时系统的静态误差将会变大。若增大积分时间常数，也可以起到快速消除干犹的作用，使得系统稳定性增强，此时若增加微分环节，则会使得系统的动态误差和静态误差减小，但是增加微分后的系统抗干扰的能力则下降。4比较不同PI参数对系统的性能产生的影响。主调节器：P的大小与对上水箱的控制作用和对主环扰动作用的响应有着直接的作用，P越大，当上水箱即主环受到扰动时能快速消除对它的扰动i是主调节器的积分时间常数，积分时间常数越大，对于主环的抗十扰能力就越强，调节时间也就越短。副调节器：P越大对副环即水箱的控制作用和抗干扰能力就越强，系统达到稳定的时间越短，I是副调节器的积分时间常数，I越大，对副环的抗干扰能力就越强，调节时间也越短。5分析P、