北京科技大学过程控制实验报告

实验报告课程名称：过程控制系统实验项目名称：被控对象特性测试实验日期与时间：2022.07指导教师：班级：姓名：学号：成绩：实验目的要求1．了解控制对象特性的基本形式。2．掌握实验测试对象特性的方法，并求取对象特性参数实验内容本节实验内容主要完成测试对象特性，包含以下两部分内容：1．被控对象特性的实验测定本实验采用飞升曲线法（阶跃向应曲线法）测取对象的动特性。飞升曲线是指输入为阶跃信号时的输出量变化的曲线。实验时，系统处于开环状态，被控对象在某一状态下稳定一段时间后，输入一阶跃信号，使被控对象达到另一个稳定状态，得到被控对象的飞升曲线。在实验时应注意以下的一些问题：1）测试前系统应处于正常工作状态，也就是说系统应该是平衡的。采取一切措施防止其他干扰的发生，否则将影响实验结果。2）在测试工作中要特别注意工作点与阶跃幅度的选取。作为测试对象特性的工作点，应该选择正常工作状态，也就是在额定负荷及正常的其他干扰下，因为整个控制过程将在此工作点附近进行。阶跃作用的取值范围为其额定值的5－10%。如果取值太小，由于测量误差及其它干扰的影响，会使实验结果不够准确。如果取值过大，则非线性影响将扭曲实验结果。不能获得应有的反应曲线，同时还将使生产长期处于不正常的工作状态，特别是有进入危险区域的可能性，这是生产所不能允许的。3）实验时，必须特别注意的是，应准确地记录加入阶跃作用的计时起点，注意被调量离开起始点时的情况，以便计算对象滞后的大小，这对以后整定控制器参数具有重要的意义。4）每次实验应在相同的条件下进行两次以上，如果能够重合才算合格。为了校验线性，宜作正负两种阶跃进行比较。也可作不同阶跃量的实验。2．飞升曲线数据处理在飞升曲线测得以后，可以用多种方法来计算出所测对象的微分方程式，数据处理方法有面积法、图解法、近似法等。面积法较复杂，计算工作量较大。近似法误差较大，图解法较方便，误差比近似法小。通过简单的测试获得被被控对象的阶跃响应，进一步把它拟合成近似的传递函数，是建立被控对象数学模型简单有效的方法。实验设备SIMATICS7-300可编程控制器1台NPCT-III型过程控制系统自动化试验装置1台微型计算机1台实验简要步骤实验初始条件设置1)启动管道压力自动控制，使管道压力保持稳定。2)设置“中水箱液位控制器"为手动运行状态。手动操作值为70%，电动调节阀开度为70%。观察输出响应状态，直到稳定状态手动给输入端阶跃信号，将手动操作值由70%变为80%。电动调节阀开度为80%。观察输出响应状态。输出稳定时，打印输出曲线，即被控对象飞升曲线。实验数据处理与绘制曲线图一二阶液位飞升曲线在曲线的拐点作切线，与t轴交于B点，交稳态值的渐近线于A点，A点在t轴的投影为C点，读图可知，τ=86s，T=870.5s。0.4y(∞)=32+0.4*(46.3-32)=37.72cm,求得t1=431.5s，0.8y(∞)=32+0.8*(46.3-32)=43.44cm,求得t2=956.5s。t1/t2=0.451。由近似公式：求得T1=241.8s，T2=400.8s。由公式：求得K0=0.962cm/%。实验结果分析与结论本节实验中，单独的水箱是一阶对象，上水箱与下水箱可以组成二阶对象。该系统的传递函数为。思考题用阶跃扰动法测定对象飞升曲线时应注意哪些事项？1）测试前系统应处于正常工作状态，也就是说系统应该是平衡的。采取一切措施防止其他干扰的发生，否则将影响实验结果。2）在测试工作中要特别注意工作点与阶跃幅度的选取。作为测试对象特性的工作点，应该选择正常工作状态，也就是在额定负荷及正常的其他干扰下，因为整个控制过程将在此工作点附近进行。阶跃作用的取值范围为其额定值的5－10%。如果取值太小，由于测量误差及其它干扰的影响，会使实验结果不够准确。如果取值过大，则非线性影响将扭曲实验结果。不能获得应有的反应曲线，同时还将使生产长期处于不正常的工作状态，特别是有进入危险区域的可能性，这是生产所不能允许的。3）实验时，必须特别注意的是，应准确地记录加入阶跃作用的计时起点，注意被调量离开起始点时的情况，以便计算对象滞后的大小，这对以后整定控制器参数具有重要的意义。4）每次实验应在相同的条件下进行两次以上，如果能够重合才算合格。为了校验线性，宜作正负两种阶跃进行比较。也可作不同阶跃量的实验。2．怎样由飞升曲线求取被控对象的特性参数？1）对于一阶纯延迟对象在曲线上变化最快处作切线，与t轴交于B点，交稳态值的渐近线于A点，A点在t轴的投影为C点，则OB为过程量滞后时间τ，BC为过程的时间常数T。图二一阶对象飞升曲线2）对于二阶纯延迟在曲线的拐点p作切线，它与时间轴交于A点，与曲线的稳态渐进线交于B点。0A段的值即为纯滞后时间τ，这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度。二阶对象两个惯性环节的时间常数可在曲线上求取0.4y(∞)对应的时间t1和0.8y(∞)对应的时间t2，然后利用下面的近似公式计算：由上述两公式解出T1和T2，求得二阶对象的传递函数为：图三二阶对象飞升曲线实验报告课程名称：过程控制系统实验项目名称：单回路控制系统研究实验日期与时间：2022.07指导教师：班级：姓名：学号：成绩：实验目的要求1．通过实验掌握单回路液位控制系统投运与控制器参数整定的方法。2．通过实验了解控制通道特性对控制质量的影响及干扰进入系统位置不同对控制质量的影响实验内容1．控制器参数的整定；2．控制通道对控制质量影响的研究；3．不同位置干扰对控制质量影响的对比分析。实验设备1．SIMATICS7-300可编程控制器1台2．NPCT-III型过程控制系统自动化试验装置1台3．微型计算机1台实验简要步骤1．实验初始条件设置根据飞升曲线，求出被控对象的放大倍数K、时间常数τ、滞后时间T。按飞升曲线法整定控制器参数公式计算出控制器的比例度、积分时间、微分时间.2．当中水箱液位测量值接近30%时，设定值改为40%。观察控制效果，若效果欠佳，将设定值改回30%，调整控制器的参数（每次只调整一个参数）。当中水箱液位测量值接近30%时,设定值值改为40%，观察该参数所起的作用。若效果依然欠佳，重复该项实验步骤，以达到最佳过度过程。3．研究干扰进入系统位置不同，对控制质量的影响。实验数据处理与绘制曲线图中①的扰动是下水箱，②是上水箱，因为当干扰作用点越靠近测量点时，扰动作用就越强，被控参数的最大偏差就越大。反之，干扰离测量点远，则被控参数的最大偏差就小，控制质量高。读图可知，B=2.562cm,B’=0.107cm衰减比n=B/B’=23.944。对实验结果进行分析得出结论控制器参数整定的方法可分为两大类：一是理论计算整定法。它主要依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法，频率特性法等，经过理论计算确定调节器的数值。二是工程整定法，它主要依靠工程经验，直接在过程控制的实验中进行，且方法简单，易于掌握，相当实用，从而在工程实际中被广泛采用。工程上常用的方法有：临界比例度法、飞升曲线法（阶跃响应曲线法）、衰减曲线法、经验法。控制通道特性对控制质量的影响为，控制通道的纯滞后越大，控制质量就越坏。一般说来，若时间常数太大，反应速度慢，系统的工作频率低，控制不及时，容易引起较常的过渡过程时间，系统的控制质量低；时间常数小，反应灵敏，控制及时，过渡过程时间即会缩短。当时间常数过小时，其反应速度过于灵敏，容易引起过渡过程的振荡。当干扰作用点越靠近测量点时，扰动作用就越强，被控参数的最大偏差就越大。反之，干扰离测量点远，则被控参数的最大偏差就小，控制质量高。思考题改变控制器的比例度和积分时间对控制系统的性能产生怎样的影响？调节器的比例度越大调整控制作用越强；积分时间越长对误差的纠正能力越强，越能向无差靠拢，调整精度越高。干扰进入系统位置不同时，对控制质量有何影响，为什么？当干扰作用点越靠近测量点时，扰动作用就越强，被控参数的最大偏差就越大。反之，干扰离测量点远，则被控参数的最大偏差就小，控制质量高。原因如下：图中Wc（s）为调节器传递函数，Wv（s）为调节器传递函数，Wo1（s）、Wo2（s）、Wo3（s）为对象传递函数，Wm（s）为测量变送器的传递函数。扰动F1（s）、F2（s）、F3（s）从不同的位置进入系统，对于每一个扰动，系统的闭环传递函数是不同的。现主要研究干扰进入位置对控制系统质量的影响，故把调节器设置为最简单的比例调节器，调节阀和测量变送器设置为比例环节，对象都设置为一阶惯性环节。即设Wc（s）＝Kc；Wv（s）＝Kv；Wm（s）＝Km；Wo1（s）＝1／（To1s＋1）；Wo2（s）＝1／（To2s＋1）；Wo3（s）＝1／（To3s＋1），系统的闭环传递函数为将上三式进行比较，它们具有相同的特征方程，即具有相同的分母，所以具有相同特征的过渡过程。但是，它们的分子不同，因而最大偏差和超调量是不一样的，由扰动F3引起的最大偏差和超调量最大，F2次之，而F1最小。3.总结PID控制器的控制规律（结合Matlab仿真分析）1)P控制作用分析分析比例控制作用。设Td=0、Ti=∞、Kp=3~10。输入信号阶跃函数，分别进行仿真，如下图所展示的系统的阶跃响应曲线。仿真结果表明：系统的超调量会随着Kp值的增大而加大，系统响应速度也会会随Kp值的增大而加快。但是系统的稳定性能会随着Kp的增大而变差。2)比例积分控制作用的分析设比例积分调节器中Kp=1,讨论Ti=0.01~0.05时。输入信号阶跃函数，分别进行仿真，如下图所展示的系统的系统的阶跃响应曲线。系统的超调量会随着Ti值的加大而减小，系统响应速度随着Ti值的加大会略微变慢。3)微分调节作用的分析设Kp=1、Ti=0.01,讨论Td=10~100时对系统阶跃响应曲线的影响。输人信号阶跃函数，分别进行仿真，如下图所展示的系统的阶跃响应曲线。仿真结果表明：根据单闭环调速系统的参数配合情况，起始上升段呈现较尖锐的波峰，Kp=1、Ti=0.01不变时，随着Td值的加大，闭环系统的超调量增大，响应速度变慢。实验报告课程名称：过程控制系统实验项目名称：串级控制系统研究实验日期与时间：2022.07指导教师：班级：姓名：学号：成绩：实验目的要求1．掌握串级控制系统的投运及整定方法。2．通过实验了解串级控制系统主、副环抗干扰能力的差异。3．研究串级控制系统与单回路控制系统在相同位置加干扰时的控制质量的差异。实验内容1.液位与液位串级控制系统的设计；2.两步整定法串级控制系统控制器参数的整定；3.串级控制系统主、副回路抗干扰能力的比较；4.串级控制系统与单回路控制系统控制质量的比较研究。实验设备1．SIMATICS7-300可编程控制器1台2．NPCT-III型过程控制系统自动化试验装置1台3．微型计算机1台实验简要步骤1.实验初始条件设置2.串级控制系统参数整定〔一步整定法）一步整定法就是根据经验先将副控制器的参数一次放好（纯比例控制。比例度为20%），然后按单回路控制系统整定参数的方法整定主控制器的参数，本实验选用临界比例度法，具体步骤如下：1)将主控制器设定为比例控制器，比例度为5%，设定值为40%，系统投入闭环运行。观察系统的过渡过程。2)若系统趋于稳定，设定值改为30%，逐步减小比例度，当中水箱液位测量值接近30%时，设定值改为40%。直到系统出现等幅震荡，即临界震荡过程。记录此时的比例度（临界比例度）和等幅震荡周期。按公式计算出控制器δ、Ti及Td的参数。将该组参数放置到主控制器中，选中积分时问和微分时间的复选框。设定值为30%。3.当中水箱液位测量值接近30%时，设定值改为40%。观察控制效果，若效果大佳，将设定值改回30%，调整主控制器的参数〔每次只调整一个参数）。当中水箱液位测量值接近30%时，设定值改为40%，观察该参数所起的作用。若效果依然欠佳，重复该项实验步骤，以达到最佳过渡过程。4.引入不同位置干扰，观察分析对控制质量影响实验数据处理与绘制曲线读图可得，等幅震荡周期为343.75s，衰减比B/B’=7.99。串级控制系统由于副环具有快速抗干扰的功能，对于进入副环内的干扰具有很强的抑制作用。因此，同样大小的干扰作用于副环与作用于主环，对主变量的影响不一样。作用于副环的干扰，由于副环的抑制作用，结果对主变量的影响就比较小；而作用于主环的干扰，由于此时副环的快速抗干扰性能未得到发挥，因此，干扰对主变量的影响就比较大。作用于上水箱的干扰作用位于副环，下水箱位于主环，故对于主变量影响较大的①是下水箱的干扰，对于主变量影响较小的②是上水箱的干扰。对实验结果进行分析得出结论串级系统的整定要比简单系统复杂。由于两个调节器串接在一起，互相作用，影响参数的整定。所以在整定时，应尽量加大副调节器的增益以提高副环的频率，使主、副环的频率错开，减少相互之间的影响。串级控制系统具有主、副两只控制器，在投运和整定按照先副后主的步骤循序进行。串级控制系统主、副回路抗干扰能力的比较：作用于副环的干扰，由于副环的抑制作用，结果对主变量的影响就比较小；而作用于主环的干扰，由于此时副环的快速抗干扰性能未得到发挥，因此，干扰对主变量的影响就比较大。七、思考题串级控制系统应如何进行控制器参数整定与投运？串级控制系统具有主、副两只控制器，因此投运和整定要比单回路控制系统复杂一些。要按照先副后主的步骤循序进行。串级控制系统的工程整定方法比较多，有逐步逼近法、两步法和一步法等。整定的顺序都是先整定副环后整定主环。两步整定法将整定分两步进行，先整定副回路，再整定主回路。两步法整定步骤：先整定副回路。在主、副回路均闭合，主、副控制器都置于纯比例作用的条件下，先将主控制器的比例带放在100%处。按单回路控制系统整定方法整定副回路：逐渐降低副控制器的比例度，得到副变量在4∶1递减比下的副控制器的比例度δ2s和副变量振荡周期T2s。然后整定主回路。主、副回路仍然闭合，将副控制器的比例度置于δ2s值上，将副回路看作是主回路的一个环节，用同样的方法整定主控制器：即逐渐降低主控制器的比例度，得到主变量在4∶1递减比下的主控制器比例度δ1s和主变量振荡周期T1s。按上面得到的δ1s、δ2s、T1s和T2s值，结合控制器的选型，利用单回路控制系统衰减曲线法的整定计算公式，分别计算主、副控制器的整定参数值：比例度δ、积分时间Ti和微分时间TD。按先副环后主环，先比例次积分后微分的顺序，将计算出的参数值设置到相应的控制器上。然后再作一些扰动试验，若发现控制过程曲线不够理想，可再进行适当调整，直到控制品质符合要求。一步整定法根据经验先将副控制器参数一次确定设置好，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器的参数。一步法整定步骤：根据副变量的类型，按经验选择一个合适的比例度δ2，并按纯比例控制作用设置在副控制器上。将串级控制系统投运后，按单回路控制系统的整定方法，整定主控制器参数。观察控制过程，适当调整主控制器参数，直到主变量的质量品质达到指标要求。如果在整定过程中系统出现振荡即“共振”，只要加大主、副控制器的任一比例度值，便可消除“共振”。若“共振”剧烈，可先切换到手动，待生产稳定后，重新投运和整定，直到达到满意时为止。3)逐步逼近法首先整定副回路。此时断开主回路，按单回路控制系统整定方法确定副控制器参数，记第一次整定值为[Wc2]1。然后整定主回路。把刚整定好的副回路作为主回路中的一个环节，仍按单回路控制整定方法，确定主控制器的整定参数，记为[Wc1]1。此时，主、副回路都闭合。再次整定副回路。在主回路闭合，主控制器整定参数为[Wc1]1条件下，按单回路控制系统整定方法，再次求取副控制器参数为[Wc2]2。至此，完成一个逼近循环。若控制质量达到要求，整定工作就此结束。主、副控制器的整定参数分别取[Wc1]1及[Wc2]2。若控制质量仍未达到规定指标，可按步骤2继续对主控制器进行整定，求取[Wc1]2。依此，再按上面的2、3步骤循环进行，直到获得确保控制过程质量和指标的整定参数为止。评述串级控制系统比单回路控制系统控制质量高的原因？由于串级控制系统在系统结构上与单回路控制系统有所不同，因此，它与单回路系统相比，由一些显著的特点。由于副回路的存在，改善了对象的特性，使等效副对象的时间常数减少，系统的工作频率提高，过渡过程的时间也相对缩短，因而控制质量可以获得改善。同时，串级控制系统的抗干扰能力比单回路控制系统有强的多，特别是当干扰作用于副环的情况下，系统的抗干扰能力会更强。此外，串级控制系统具有一定的自适应能力。当采用串级控制时，主环是一个定制系统，而副环却是一个随动系统。主控制器能够根据操作条件和负荷变化（从主变量变化中体现出来），不断修改副控制器的给定值，以适应操作条件和负荷变化的情况。串级控制系统由于副环具有快速抗干扰的功能，对于进入副环内的干扰具有很强的抑制作用。因此，同样大小的干扰作用于副环与作用于主环，对主变量的影响不一样。作用于副环的干扰，由于副环的抑制作用，结果对主变量的影响就比较小；而作用于主环的干扰，由于此时副环的快速抗干扰性能未得到发挥，因此，干扰对主变量的影响就比较大。讨论飞升曲线法和临界比例度法的优缺点和应用范围？飞升曲线法是通过系统开环试验，得到被控过程的典型特征参数之后，再对调节器参数进行整定的。因此，这种方法适应性较广，与其他两种方法相比，所受实验条件的限制也比较少，通用性较强。 临界比例度法是闭环试验整定方法，他们都是依赖系统在某种运行状况下特性信息对调节器参数进行整定，其优点是无需掌握被控过程是数学模型。但是，这都有一定是缺点如临界比例度法对生产过程不能反复做振荡实验，对比例调节是本质稳定的控制系统比不适用；而衰竭曲线法在做衰竭比较大的试验时，观测数据很难准确确定，对过程变化较快的系统也不宜采用。研究分析串级控制系统与单回路控制系统不同的控制效果。因为主环是一个反馈控制，所以串级控制方案具有单回路控制系统的全部功能，但由于串级控制系统在结构上多一个副回路（随动拉制），所以串级控制具有其余的一些优点：1）串级控制系统具有更高的工作频率由于副回路的存在，改善了对象的特性，使系统的工作频率得到提高。这会使系统的反应速度加快，控制更为及时。2）串级控制系统具有较强的抗干扰能力。串级控制系统的抗干扰能力比单回路控制系统要强得多，特别足当干扰作用于副环的情况下，系统的抗干扰能力会更强。3）串级控制系统有一定的自适