《过程控制系统》实验报告(最新版)

1、1. 曲线。2. 象的特征参数T和传递函数。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. 万用电表一只图2-1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(1)动态时，则有Q1-Q2=dv/dt(2)式中 V为水贮存量的变化率，它与H的关系为dV=Adh ,即dV/dt=Adh/dt(3)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

2、改写为Q1-h/RS=Adh/dt即ARsdh/dt+h=KQ1或写作H(s)K/Q1(s)=K/(TS+1)(5)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。对上式取拉氏反变换得(6)当t时,h()=KR0 K=h()/R0=输出稳态值/阶跃输入当 t=T时，则有h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h()图 2-22-2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的传递函数为：1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。2接通总电源和相关的仪表

3、电源,并启动磁力驱动泵。3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。增 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。5启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。正向输入曲线负向输入曲线6实验数据计算T=t12-t1= - 1:52:18=1:37=97(s)h( )= h2( )- h1( )= 74.71mm-26.81mm=49.7mmR0=Q2-Q1=459.8L/h-397.9L/h=61.9L/hK=h( )/R0=49.7/61.9=0.8029K/TRSR 0）=0 0 -S S 11S

4、S S TTT=t23-t2= 1:57:24 - 1:56:06=1:18=78(s)h( )= h2( )- h3( )= 74.71mm-37.44mm =37.27mmR0=Q2-Q1=459.8L/h-388.0L/h=71.8L/hK=h( )/R0=37.27/71.8=0.5191K/TRR 0001）=-1SSSS S S TT7实验曲线所得的结果填入下表。参数值放大系数K 周期T测量值正阶跃输入负阶跃输入平均值0.80290.51910.661097(s)78(s)87.5五、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？的大小。在入水量不变的情况下，这

5、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，其精度与哪些因素有关？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？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。高度，中水箱要更长的时间。 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。2.比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。3.分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作

6、用。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. 万用电表一只图3-2-1 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3-2-1 LT1 控制，系统的调节器应为PI 或PID 控制。 全开，将上水箱出水阀门 F1-9 均关闭。开的位置。控制柜无需接线。输出输入框来实现。4.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。5.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观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线

7、。7.分别用 PI、PD、PID 三种控制规律重复步骤 36，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。8.水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。 调节：K=5K=7（2）、PIK=7 I=20000K=5 I=2000（3）、PDK=5 D=10000K=5 D=5000（4）、PIDK=5 I=20000 D=50009.计算（1）、P调节K=5时:上升时间为：tr=t2-t1=2:50:22-2:50:04=18(s)稳态误差=60mm- h()=60mm-53.35mm=6.65mmK=7时:上升时间为：tr=t2-t1=2:50:41-2:50:21=20

8、(s)稳态误差=60mm- h()=60mm-55.41mm=4.59mm（2）、PI调节K=7，I=20000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()-h(0)*100%=6.8%稳态误差= h()-60mm=0.69mm（可以忽略不计）K=5 ，I=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：t

9、s= 3:23:30-3：22：31=59(s)超调量=hmax- h()-h(0)*100%=10.9%稳态误差= h()-60mm=0.11mm（可以忽略不计）（3）、PD调节K=5,D=10000时:上升时间为t=t2-t1=4:25:57-4:25:36=21(s)稳态误差=60mm- h()=60mm-52.98mm=7.02mmK=5,D=5000时:上升时间为t=t2-t1=4:30:51-4:30:31=20(s)稳态误差=60mm- h()=60mm-52.81mm=7.19mm（4）、PIDK=5 ,I=20000 ,D=5000时：上升时间：tr =4：35：50-4：3

10、5：19=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()-h(0)*100%=11.1%稳态误差= 60mm- h()=0.23mm（可以忽略不计）10.分析态性能。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，前的作用，可以增加系统的稳定度。PID参数对系统的性能产生的影响。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。如果仅有比例环节，系

11、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。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: 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。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，向两端饱和。PID:常规调节器中性能最好

12、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1. 改变比例度和积分时间T 对系统的性能产生什么影响？I答：改变比例度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 T 会使系统的精度提高，但也可能造成积分饱I和。2. 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。实验五、锅炉内胆水温PID控制实验能。2.比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。3.分析、PDPID四种控制规律对本实验系统的作用。1. THJ-2型高级过程控制系统实

13、验装置2. 计算机及相关软件3. 万用电表一只TT1检测到的锅较大，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。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）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。全开，打开电磁阀开关，其余阀门关闭，启动380伏交流磁力泵，给锅炉内后关闭阀及电磁阀，打开阀F1-12，为给锅炉夹套供冷水做好准备。PC 主界面,在实验主界面中选择本

14、实验项即“锅炉内胆水温 PID 控制实3.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。4.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 PID PID参数进行调节器参数设置。5.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。6.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。7.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。8. 上述实验用计算机实时记录的响应曲线。9.计算稳态误差=30-29.37=0.63上升时间：

15、tr=5:48:27-5:47:23=64(s)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%稳态误差=35-34.04=0.86上升时间：tr=6:49:25-6:48:10=75(s)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

16、分环节以后，前的作用，可以增加系统的稳定度。PID参数对系统的性能产生的影响。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。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。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: 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。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，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。1.在温度控制系统中，为什么用 PD 和 PID 控制，系统的性