2016过程控制试验报告

1、精品文档实验一、单容水箱特性的测试一、实验目的.掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并记录相应液位的响应 曲线。.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 书口传递函数。二、实验设备. THJ-2型高级过程控制系统实验装置.计算机及相关软件.万用电表一只三、实验原理用能,节褥手动掘件1 rJqA*器词节内vi图2-1单容水箱特性测试结构图i欢在下载精品文档由图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 Q1,手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2 为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时Q1-Q2=0动态时，则有Q1-Q2

2、=dv/dt(2)式中V为水箱的贮水容积，dV/dt为水贮存量的变化率，它与 H的 关系为dV=Adh ,即 dV/dt=Adh/dt A为水箱的底面积。把式(3)代入式(2)得Q1-Q2=Adh/dt(4)基于Q2=h/RS RS为阀V2的液阻，则上式可改写为Q1-h/RS=Adh/dt即ARsdh/dt+h=KQ1或写作H(s)K/Q1(s)=K/(TS+1)式中T=ARs它与水箱的底积A和V2的Rs有关:K=Rs。式(5)就是单容水箱的传递函数。5/S 5 5/对上式取拉氏反变换得2欢在下载精品文档|(6)当ts时,h( s)=KR0 ,因而有 公八(8)田0=输出稳态值/阶跃输入 当t

3、=T时，则有h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h( oo)式(6)表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数， 如 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惭对应的时间，就是水箱的时间常数To该时间常数tHOI. #3211 (-1图2-2单容水箱的单调上升指数曲线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

4、中OB即为对象的后时间p ,BC为对象的时间常数T,所得的传递函数为： 八八3欢在下载精品文档图2-3单容水箱的防跃响应曲线四、实验内容与步骤.按图2-1接好实验线路，并把阀V1和V2开至某一开度，且使 V1的开度大于V2的开度。.接通总电源和相关的仪表电源，并启动磁力驱动泵。.把调节器设置于手动操作位置，通过调节器增 /减的操作改变 其输出量的大小，使水箱的液位处于某一平衡位置。.手动操作调节器，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），于是水箱的液位便离开原平衡 状态，经过一定的调节时间后，水箱的液位进入新的平衡状态，如图2-4所示。.启动计算机记下水

5、箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。4欢在下载精品文档正向输入曲线包容上水箱对负特性利试实验评,由小卿4和口 lalTF:方青曲线我蜉的，THOOJUft 暨叩5欢在下载精品文档-阶单容上水箱对源籽珪河I式空验1 I H11 - V ! M -Jw -r*jBTi *Mr负向输入曲线6欢在下载精品文档6.实验数据计算(1)、正向输入：T=t12-t1= 1 : 53: 55 - 1:52:18=1:37=97(s)h(8)= h2( 8)_ h1( 8)= 74.71mm-26.81mm=49.7mmR0=Q2-Q1=459.8L/h-397.9L/h=61.9L/hK=hQ )/R0=49.7/

6、61.9=0.8029 TOC o 1-5 h z K/TR0 i/R。 KR049.749.7H (S) = X =K=0 1sse 1 S S 0.0103s s -TT(2)、负向输入:T=t23-t2= 1:57:24 - 1:56:06=1:18=78(s)7欢在下载精品文档h(oo)= h2( 8)- h3( 8)= 74.71mm-37.44mm =37.27mmR0=Q2-Q1=459.8L/h-388.0L/h=71.8L/hK=hQ)/R0=37.27/71.8=0.519137.27S 0.0128K/T 、/ R0 “RoKR037.27H (S)=K=测量值参数值放大

7、系数K周期T正阶跃输入0.802997(s)负阶跃输入0.519178(s)平均值0.661087.5SS -TT7.实验曲线所得的结果填入下表五、思考题.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。.用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与哪些因素有关？8欢在下载精品文档答：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。.如果采

8、用中水箱做实验，其响应曲线与上水箱的曲线有什么异同？试分析差异原因。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。实验三、上水箱液位 PID整定实验一、实验目的.根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的动、静态 性能。.比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。.分析P、PI、PD PID四种控制规律对本实验系统的作用。二、实验设备. THJ-2型高级过程控制系统实验装置.计算机及相关软件9欢立下载精品文档.万用电表一只三、实验原理图3-2-1 上水箱单容液位定值控制系统（a）结构图（b） 方

9、框图本实验系统结构图和方框图如图3-2-1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1.先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F1-10、F1-11 全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度（50%fc右），其余阀门 均关闭。10攵迎下载精品文档2,接通控制柜总电源，打开漏电保护器及各空气开关

10、，接通空压 机电源，并将三相磁力泵、三相电加热管、控制站的各旋钮开关打到 开的位置。控制柜无需接线。.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。.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。.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。6,分别适量改变调节器的P参数，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。7,分别用PI、PD PID三种控制规律重复步骤 36,通过

11、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。8,水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。(1)、P调节：K=5inf迎下载精品文档12欠“迎下载精品文档和二水箱液位FID整定实肘坡tte ran3000(J - .u |，百1PQQC忙出二限Ui ： H- I ji-nFl - J BIT. r ：!13欠“迎下载精品文档K=7比例胤gITnrt I rajEimaEMi I wafafr i 口aa/rk学后导户*，后留宅fllkl Sia ( PV)归出/土中也加向 （口升美输出-T.k=.-da.L-r 曰竽1：10C )0优；r 用10IXCO 0(D)看出下邛

12、 OQQI历史曲线 收据道表 一回主琴学一时由瞪院面肥ITrrad in. tbt ftfrecmrid 用遐叵主茶单冢堆条定:飞联a l*OT?第恒 ow空定值，svAS* (PV)输出值（op比刑库JJ7.）帜猾同| 3000JD眼力莺冏1JCOOOO(D) 垢ll尸14迎下载精品文档、PIK=7 1=2000015迎下载精品文档实我三、上水的液位PID饕定实鸵参题整定谈定值若工值- -恚回主:菜单.ipdi.ri 中 叩 d!五升lA%16攵迎下载精品文档1户迎下载精品文档实验三、上水箱液使PID整定实验:承摩H.升时F|2 JW| 0帕立时司IL JL上上我鞫出E返回生菜单K=5 1=

13、200018欠“迎下载精品文档实我三、上水的液位PID饕定实鸵参题整定战定值讲口50!OOOD.OUOC jo 0侬00?LL.-i u恚回主:菜单报表,1111参数,整定S H1( v实除三、上水精液位PID整定实险参象整定上木脸胭MWT若匕值OOuOO000 % J100 000.0-I J返回主菜聿llfiri：T&Cifc5 fcdi 也楣(IIMlfeE1519欠“迎下载精品文档28迎下载精品文档(3)、PDK=5 D=100002侬迎下载精品文档实我三、上水的液匝PID饕定实验参题整定,ini方日上意浦三卜，. ：0B m设定值TEL： Q1-HK”的实物三、上水箱液位PID整定实

14、睡参题整定n1 JR/Tli； WKilE 344114； - iltn Lv 1占hfI力川山前帙1，郴常晶同TEL； W1 匕*“1 /22攵迎下载比步履到 5。返回主菜聿精品文档水箱液位P ID整定3:哈参数整定K=5 D=5000参数跑定嶙蜉 1TOO ODOW喻出上限喻之下阻CWLv c iii.ii il-nij sd*太暗液叱PID整定&二帆厩瓯nri雌用U)府分哨同（D）山产I丰及中23欠“迎下载精品文档100第实我三、上水的液位PID饕定实鸵鼻忖国独:萨弱111。-nnF4：l布/ni-Tfc 4 jj-Tr*nd id th+ fsr守tmhJ xpl. TLln tt =

15、 wW利市树衣;史甘活恚回主:菜单措哥此m会词tel： on心&邛：L 1:占邛往定值、栓、稀U温上值(CP):府晓，审什时网 )3、廿可 叫扁UT限20000.0-I 024迎下载精品文档EMOCO同便.PI D匏魏菊100.0 %JHI”T rf L。fIJt-latK LdEE id IC9V)用、PIDK=5 I=20000 D=5000,力度.用卜附用20000.0呻-h-可5g 口哈U摘出71眼1: kJ故奉树表上1，：里 Ll,ppff SI若比值(OF)d/ 电广m25迎下载精品文档实我三、上水的液匝PID饕定实验参题整定若正值.； CP)用门?:5 20000.0牌1. J.

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18、5mm=6.65mm K=7Bt:上升时间为：tr=t2-t1=2:50:41-2:50:21=20(s)加急态误差=60mm- h( )=60mm-55.41mm=4.59mm(2)、PI调节K=7, I=20000 时：上升时间：tr=t1-t0=3:08:04-3: 07: 35=29(s)峰值时间：tp=t2-t0=3:08:09-3: 07: 35= 34(s)调节时间：ts=t3-t0=3:08:36-3: 07: 35=61(s)超调量=hmax- h( oo)/ h(oo)-h(0)*100%=6.8%稳态误差=h( )-60mm=0.69mm(可以忽略不计) K=5 , I=

19、20000时:上升时间：tr =3:22:58-3: 22: 31=27(s)峰值时间：tp= 3:23:06-3 : 22: 31= 35(s) 调节时间：ts= 3:23:30-3 : 22: 31=59(s) 超调量=hmax- h( )/ h(s)-h(0)*100%=10.9%稳态误差=h( )-60mm=0.11mm(可以忽略不计)28欠“迎下载精品文档(3)、P丽节K=5,D=100001：上升时间为 t=t2-t1=4:25:57-4:25:36=21(s)加急态误差=60mm- h( )=60mm-52.98mm=7.02mmK=5,D=50001:上升时间为 t=t2-t1

20、=4:30:51-4:30:31=20(s)稳态误差=60mm- h( 尸60mm-52.81mm=7.19mm(4)、PIDK=5 ,I=20000 ,D=5000 时：上升时间：tr =4:35:50-4:35:19=31(s)峰值时间：tp= 4:35:57-4:35:19= 38(s)调节时间：ts= 4:36:02-4:35:19=43(s)超调量=hmax- h( oo)/ h( oo)-h(0)*100%=11.1%稳态误差=60mm- h()=0.23mm (可以忽略不计).分析(1)、根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的动、静态性能。分析：系统在阶跃扰动作用下，当比

21、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加大幅值；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，这是因为微分具有超 前的作用，可以增加系统的稳定度。2争迎下载精品文档(2)、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”，积分项 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 便误差很小，积分项也会随着时间的增加而增大， 他推动控制器的输 出增大使稳态误差进一步减小，知道为零，由于积分项的存在会使调 节时间增大。因此，PI控制器可使系统在进入稳太后无稳态误差。Kp:放大误差的幅值，快速抵消干扰的影响

22、，使系统上升时间降低， 如果仅有比例环节，系统会存在稳态误差。Td:自动控制系统在克服误差的调解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”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 的变化趋势。这样具有比例加微分的控制器，就能够提前十抑制误差 的的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重失调。 所以对有较大惯性或滞后的被控对象，PD控制器能改善系统在调解 过程的动态特性。(3)、分析P、PI、PD PID四种控制规律对本实验系统的作用。P:是基本的控制作用，比例调节对控制作用和扰动作用的响应都 很快但会带来余差。PI:

23、 PI调节中P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除 残差，但是I调节会降低系统的稳定性。30欠拟下载精品文档PD: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，但是微风抗干扰能力差，且微分过大易导致调节阀动作 向两端饱和。PID:常规调节器中性能最好的一种调节器，具有各类调节器的优 点，具有更高的控制质量。五、思考题.改变比例度5和积分时间Ti对系统的性能产生什么影响？答：改变比例度S会是调节器的参数改变，这可能让系统的稳定 性受一定的影响，增大比例度会使其超调量增大，使系统变得不 稳定。改变积分时间Ti会使系统的精度提高，但也可能造成积分饱 和。.如采用下水箱做实

24、验，其响应曲线与中水箱或者上水箱的曲线 有什么异同？试分析差异原因。答：采用下水箱做实验，其滞后时间会更短。原因：因为水的回路变得更短，弃响应曲线会上升的更快。精品文档实验五、锅炉内胆水温PID控制实验一、实验目的.根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的动、静态性 能。.比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。.分析P、PI、PD PID四种控制规律对本实验系统的作用。二、实验设备1. THJ-2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、实验原理本实验以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。 本实验要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将钳电阻TT1检测

25、到的锅 炉内胆温度信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器 控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。在锅炉内胆水温的定值控制系统中， 其参 数的整定方法与其它单回路控制系统一样， 但由于加热过程容量时延 较大,所以其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。本实验系统结构图和方框图如图 3-5-1所示。32欠“迎下载精品文档Fl-12 jfr DOJaIF1 中（a）图3-5-1锅炉内胆温度特性测试系统（a）结构图（b）方框图可以采用两种方案对锅炉内胆的水温进行控制：（一）锅炉夹套不加冷却水（静态）（二）锅炉夹套加冷却水（动态

26、）显然，两种方案的控制效果是不一样的，后者比前者的升温过程 稍慢，降温过程稍快。无论操作者采用静态控制或者动态控制，本实 验的上位监控界面操作都是一样的。四、实验内容与步骤.先将储水箱贮足水量,将阀门F1-1、F1-4、F1-5、F1-13全开, 打开电磁阀开关，其余阀门关闭，启动 380伏交流磁力泵，给锅炉内 胆贮存一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的红线位置），然后关闭阀F1-13、F1-4及电磁阀，打开阀F1-12,为给锅炉夹套供冷 水做好准备。3竽迎下载精品文档.接通控制系统电源，打开用作上位监控的的PC机，进入的实验 主界面,在实验主界面中选择本实验项即“锅炉内胆水温 PID控制

27、实 验”。.合上三相电源空气开关，三相电加热管通电加热，适当增加 / 减少输出量，使锅炉内胆的水温稳定于设定值。.按指导书第二章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节 器参数，选择PID控制规律，并按整定后的PID参数进行调节器参数 设置。.待锅炉内胆水温稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状 态，然后记录曲线。.开始往锅炉夹套打冷水，重复步骤 35,观察实验的过程曲线 与前面不加冷水的过程有何不同。.分别采用P、PI、PD控制规律，重复上述实验，观察在不同的 PID参数值下，系统的阶跃响应曲线。.上述实验用计算机实时记录的响应曲线。34欠“迎下载精品文档(1)、P35迎下载精品文档实脸六

28、、锅炉内胆水科P旧治制突避内衿任r.-fT；! ?lUEKJ嵬中独三1r00001.IU 00转出MFTr luj用fEt转诟叵主菜总限，心，1.二口电。！工哂化工业EP；断咻露井网Q 金e UdTFQlFJJb54Hl工昌学5拈 SAMMIW PJ阵H :?ns北实院六、羯炉内胆水温PID控制实睑/ ME 遮底值(SV)岫隹用 替美WfEt 线sir表代表36欠拟下载精品文档、PI3户迎下载精品文档(3)、PD学韵务造画肺日DP)?tL2卷匕MF引史不妙迎生代走退回主菜单茕度值（诒 IfcRF.田什“- ()曲田下用井美38欠迎下载精品文档实脸六、锅炉内胆水温PID弹制突避或定值(SVJ用f

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31、:48:27-5:47:23=64(s)(2)、 PI峰值时间：tp=6:22:25-6:19:26=2:59=179(s)超调量=(44.25-35)/ (35-2.528)*100%=28.5%(3)、PD稳态误差=35 C -34.04 C =0.86 C上升时间：tr=6:49:25-6:48:10=75(s)(4)、 PID上升时间：tr=7:05:50-7:04:40=70(s)峰值时间：tp=7:07:30-7:04:40=170(s)超调量=(44.15-35)/ (35-2.626)*100%=28.3%10.分析(1)、根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的动、 静 态性能。分析：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加大幅值；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，这是因为微分具有超 前的作用，可以增加系统的稳定度。42欠“迎下载精品文档(2)、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”，积分项 对误差取决于时间的