《过程控制系统》实验报告

《过程控制系统》实验报告

学院：电气学院

专业：自动化

班级：1505

姓名及学号：任杰311508070822

日期：2018.6.3

实验一、单容水箱特性测试

一、 实验目的

1. 掌握单容水箱阶跃响应测试方法，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-FCS 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 Q 1，手动阀 V 1 和 V 2 的开度都为定值，Q 2 为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时02010=-Q Q （式2-1），动态时，则有dt dV Q Q =

-21，（式2-2）式中 V 为水箱的贮水容积，dt

dV 为水贮存量的变化率，它与 h 的关

系为Adh dV =，即dt

dh A dt dV =（式2-3），A 为水箱的底面积。把式（2-3）代入式（2-2）得dt dh A

Q Q =-21（式2-4）基于S R h Q =2,S R 为阀2V 的液阻，（式2-4）可改写为dt dh A R h Q S =-1，1KQ h dt

dh AR S =+或()()1s 1+=Ts K s Q H （式2-5）式中s AR T =它与水箱的底面积A 和2V 的S R 有关，（式2-5）为单容水箱的传递函数。若令()S R S Q 01=,常数=0R ，则式2-5可表示为()T S KR S R K S R T S T K S H 11/000+-=?+= 对上式取拉氏反变换得()()T t e KR t h /01--=（式2-6）,当∞→t 时()0KR h =∞,因而有()0/R h K ∞==输出稳态值/阶跃输入，当T t =时，()()

()∞==-=-h KR e KR T h 632.0632.01010，式2-6表示一阶惯性响应曲线是一单调上升的指数函数如下图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

数如式（2-5）所示。

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

τ，BC 为对象的时间常数T，所得的传递函数为

()

()1

s

1

+

=

-

Ts

Ke

s

Q

H sτ

。

四、实验内容与步骤

本实验选择上水箱作为被测对象（也可选择中水箱或下水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6 全开，将上水出水阀门F1-9 开至适当开度，其余阀门均关闭。

1、接通控制柜和控制台的相关电源，并启动磁力驱动泵，接通空压机电源。控制柜无需接线。

2、打开作上位控制的PC 机，点击“开始”菜单，选择弹出菜单中的“SIMATIC”选项，再点击弹出菜单中的“WINCC”，再选择弹出菜单中的“WINCC CONTROL CENTER 5.0”,进入WINCC 资源管理器，打开组态好的上位监控程序，点击管理器工具栏上的“激活（运行）”按钮，进入实验主界面。

3、鼠标左键点击实验项目“一阶单容水箱对象特性测试实验”，系统进入正常的测试状态。

4．在上位机实验界面窗口给定阀门开度值（既可拉动输出值旁边的滚动条，也可直接在输出值显示框中输入阀门开度值），使水箱的液位处于某一平衡位置。5．在上位机实验界面窗口改变给定的阀门开度值，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），使水箱液位上升或下降，经过一定时间的调节后，水箱的液位进入新的平衡状态。

6．观察上位机监控界面上水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。

在上位机实验界面改变阀门开度值，使其输出有一正（或负）阶

跃增量的变化，使水箱液位上升或下降，经过一定时间的调节后，水箱

的液位进入新的平衡状态。曲线图如下

五、实验结果与分析

1.单容水箱特性测试结构框图

2. 分析计算单容水箱液位对象时的参数和传递函数 由实验原理及结构框图可知，单容水箱液位对象的传递函数为

()()1s 1+=Ts K s Q H 其参数确定过程如下：

根据图2-4所示

由机理建模的方法可以列写其微分方程式 为 dt dH A

Q Q =?-?10 设阀门液阻为R

有20R H Q = 化简后得()()2

211s AsR R s Q H +=，所以2R K =,2AR T =。 3. 实验心得体会

在此实验过程中，主要学习到的知识是单容过程的工作原理和在给扰动后恢复平衡状态的过程。在做实验的过程中，由于前期指导老师已经将实验所用系统调至一个稳态，我们需要做的工作是给一个扰动通过手动调节阀门开度使系统稳定在一个新的平衡状态。总体感觉实验比较简单，但是所包含的理论知识却不少。在实验过程中更加体会到了理论联系实际的重要性。我也意识到了在专业课学习中不仅要认真学会理论知识，更要理论联系实验，认真把握好每次做实验的机会，认真实验，更加深入的理解理论知识。

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，其精度与那些因素有关？

单容水箱特性测试结构框图

图2-4

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？并分析差异原因。

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。

实验二、上水箱液位PID整定实验

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、掌握在FCS 控制系统中现场检测信号的传送和控制信号的网络传输路径。

二、实验设备

1. THJ-FCS 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3-6 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

实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9 开至适当开度，其余阀门均关闭。

1、接通控制柜和控制台电源电源，并启动磁力驱动泵和空压机。

2、打开作上位控制的PC 机，，进入的实验主界面。

3、鼠标左键点击实验项目“上水箱液位PID 整定实验”，系统进入正常的测试状态。

4、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。

5、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。

6、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。

7、待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：（1） 突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面两种仅供参考）（2） 将气动调节阀的旁路阀F1-3 或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；（3） 将下水箱进水阀F1-8 开至适当开度；（改变负载）

以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可

能造成水箱中水溢出或系统不稳定。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（采用后面两种干扰方法仍稳定在原设定值），观察计算机记录此时的设定值、输出值和参数。

8、分别适量改变调节器的P 及I 参数，重复步骤7，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。

9、分别用P 、PD 、PID 三种控制规律重复步骤4～8，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。

五、 实验结果与分析

1.单容水箱液位定值控制实验的结构框图

2. 实验方法确定调节器的相关参数，整定过程如下

通过经验法来确定PID 参数，现设置比例系数K ，通过观察响应曲线的变化，来确定是否需要添加积分环节I ；如果误差超过要求范围，则需要添加积分环节I 来消除余差；继续观察响应曲线若其动态性能不能达到要求则添加微分环节D ，用以满足系统动静态参数要求。

3.实验曲线图及相关分析

在系统稳定之后给以阶跃扰动，由于PID控制器的调节作用，系统趋于一个新的稳定状态，根据曲线图可以看出，该系统能够仍存在误差，但是误差在可允许的范围内，所以实验曲线图还是可以作为研究PID控制器作用的分析图。

4.不同PID参数对系统产生的影响

P：增大比例系数K,会使系统的振荡加剧，稳定性变差，但可以减小系统的稳定误差，加快系统的响应速度。

PI：加入积分环节的作用是消除余差，但积分环节会引起相角滞后，系统的动态性能恶化，随着积分作用的增强，控制器的控制作用增强，系统的稳定性逐渐减弱。

PID：加入微分环节作用是补偿对象滞后，使系统的稳定性得到改善，提高了响应速度，兼顾了动静态的控制要求。

5.分析P、PI、PD、PID，四种不同的控制方式对系统的影响

P：增大比例系数K,会使系统的振荡加剧，稳定性变差，但可以减小系统的稳定误差，加快系统的响应速度。

PI：加入积分环节的作用是消除余差，但积分环节会引起相角滞后，系统的动态性能恶化，随着积分作用的增强，控制器的控制作用增强，系统的稳定性逐渐减弱。

PD：微分作用通过提供超前作用使得被控过程趋于稳定，同时也减小了过渡过程的时间，改善了被控量动态响应的品质。

PID：加入微分环节作用是补偿对象滞后，使系统的稳定性得到改善，提高了响应速度，兼顾了动静态的控制要求。

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。

答采用下水箱实验，其滞后时间会变短。

因为水的回路会变得更短，所以曲线会上升的更快。

2、改变比例度δ和积分时间T I 对系统的性能产生什么影响？

答（1）改变比力度使得调节器的参数改变，这可能让系统的稳定性受影响。增大比例度会使其超调量增大，使系统变得不稳定。

（2）会改变积分时间，使系统精确度提高。但可能造成积分饱和。