实验一 网络化控制系统的构成及投运和1

1、 自动化093 戴鹏0902100637实验一 网络化控制系统的构成及投运和系统控制质量的研究一、实验目的1、了解工业控制网络的结构，掌握远程测控系统的组成、信息传输方式、数据的采集和系统的控制。2、熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。3、掌握单回路控制系统的投运及PID参数整定的方法，定性地研究P、PI和PID控制器的参数对系统控制品质的影响。二、实验设备1、A3000FS现场总线型过程控制现场系统 4套2、A3000CS上位控制系统 4套三、实验要求 1、熟悉A3000高级过程控制系统实验装置（包括A3000-FS和A3000-CS两部分），了解其工艺流程，掌握各种传感器、变送器、控制

2、器、执行器及计算机控制系统与网络系统等的功能和应用。2、控制A3000实验装置上某个水箱液位，构建一个双容液位远程测控系统。要求所构建的控制系统控制性能指标（采用单项指标评定）：过渡过程时间ts=50100（s）、余差e()=0。3、确定控制方案，选择控制系统，并画出系统原理方框图、网络结构图和系统接线图。系统：DDC控制系统、DCS控制系统或FCS控制系统；控制器：智能仪表、PLC控制器、PC机、变频器和虚拟仪器等；执行器：调节阀、变频器。4、任选用一种组态软件（如：力控、组态王、MCGS或LabVIEW等），根据已确定的控制方案进行系统组态、控制组态与显示组态。控制系统的人机界面设计要求：

3、显示相关带控制点的工艺流程图和变量趋势图；具有基本的操作控件（能实现系统设定值及P、I、D参数的设置，自动和手动操作等）。5、控制系统的组成、投运及参数整定应与工程实际相符合。四、实验原理及内容（一）单回路控制系统1、控制系统结构LT103图1-1 双容水箱液位定值控制实验QohQiLIC101FV101给定值干扰2、 控制系统的控制方案：被控变量为水位h，操纵变量为调节阀FV101控制的水流入量Qi。水箱流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变。在实验中分别采用P、PI、PID控制策略，观察控制效果，比较控制品质。3、控制系统的原理方框图如图1-2所示：图1-2 双容水箱液位定值控制实验逻辑图4

4、、控制系统的网络结构图：I/O设备组态数据库组态PID手操器设置液灌趋势图5、控制系统的投运及运行（1） 设置好控制器的正、反作用和P，I，D参数；（2） 按无扰动切换的要求将控制器从“手动”入“自动”状态。根据经验法：控制器的P=12、I=25、D=20，运行后可得下图系统曲线。远程控制的系统图及曲线如下：结果分析：根据PID控制的特性调节参数，使系统达到较满意的状态。加阶跃信号后观察系统的动态性能，由曲线和响应数据得延迟时间Td=20s,调节时间Ts=70s,超调量为1%(最大峰值49.5cm)。通过增加比例系数克服扰动，但比例系数的加大会使调节速度加快，曲线变陡，造成调节阀动作幅度的加大

5、，引起被调量的来回波动。因为在调节参数中加大了积分的作用，降低了系统的稳定程度，使得超调量加大，但对消除余差有较好效果。在计算机中改变PID参数后，调节阀不能很快动作，特别是在下降到接近阶跃输入设定值时，调节阀输出值减少过慢，使液位超过设定值后仍在下降会造成超调增大。且调节阀本身存在死区，使得调节时间加长，系统不易稳定。但是通过PID参数整定，使系统获得较满意的曲线图，最后可从曲线图中看出，系统的检测值与设定值一致，基本偏差。达到了实验要求的性能指标。五、思考问题1、 分析积分量I与被控系统的响应时间有什么关系。如果减少系统被控对象的容积，那么对控制系统的I是应该增大还是减少？答：积分作用越强

6、系统响应时间越快；反之，积分作用越弱系统响应时间越长。当减少系统被控对象的积容时，控制系统的积分作用应该减少。2、 单容液位控制系统的被控对象时间常数TP和KP的大小取决于什么？答：确定比例增益P时，首先去掉PID的积分项和微分项，使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%70%，由0逐渐加大比例增益，直至出现震荡；在反过来，从此时的P逐渐减小，直至系统震荡消失，记录此时的P，设定此PID的比例增益为当前PID的60%70%。此时P调试完成。3、 DDC、DCS和FCS控制系统的结构有何不同？答：（1）、DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪

7、表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS系统）（2）、目前DDC控制系统常采用的网络结构有两种，即Bus总线结构和环流网络结构。其中Bus总线结构是所有DDC控制器均通过一条Bus总线与集中控制电脑相连，对于环流网络结构，它是利用两根总线形成一个环路，每一个环路可带数个DDC控制器，多个环路之间通过环路接口相联，因此这种系统最大优点就是扩充能力较强。（3）、FCS采用双绞线、光缆或无线电方式传输数字信号，减少大量导线，提高了可靠性和抗干扰能力。FCS从传感器、变送器到调节器一直是数字信号， 4、根据曲线，

8、分析P，PI，PID控制大致具有哪些趋势特征。答：P控制输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大。PI控制的比例控制作用迅速及时，积分控制作用消除余差，使曲线迅速达到设定值，并能消除系统的误差。PID控制的偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。使系统快速达到稳定。5、根据这些数据，分析P、I、D参数对控制系统的影响。答:（1）、比例环节 用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。（2）、积分环节 主要用来消除系统的稳态误差。越小，系统的静态误差消除越快，但过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。（3）、微分环节 能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。六、实验总结：通过这次实