过程控制实验报告

实验报告课程名称《过程控制检测仪表》学生学院自动化学院专业班级电气信息类(创新实验班)姓名学号指导教师朱燕飞2015年12月20日实验一单回路控制系统实验实验工程名称：单容液位定值控制系统实验工程性质：综合型实验所属课程名称：过程控制系统实验方案学时：2学时一、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．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。二、实验内容和〔原理〕要求本实验系统结构图和方框图如图2--1所示。被控量为中水箱〔也可采用上水箱或下水箱〕的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反应信号，在与给定量比拟后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以到达控制中水箱液位的目的。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。三、实验主要仪器设备和材料1．实验对象及控制屏、SA-11、SA-12、SA-44各挂件一个。2．计算机一台、万用表一个。四、实验方法、步骤及结果测试本实验选择中水箱作为被控对象。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度，其余阀门均关闭。具体实验内容与步骤按二种方案分别表达。〔一〕、智能仪表控制1．按照图2--2连接实验系统。将“LT2中水箱液位〞钮子开关拨到“ON〞的位置。图2--1中水箱单容液位定值控制系统(a)结构图(b)方框图图2--2智能仪表控制单容液位定值控制实验接线图2．翻开上位机MCGS组态环境，单击第二行第二列“单容定值控制系统〞,单击“↓〞,翻开“智能仪表控制系统〞工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中单击“实验三、单容液位定值控制系统〞，进入实验三的监控界面。3．接通“总电源〞空气开关和“钥匙开关〞，翻开“24V电源开关〞，给压力变送器上电，按下“启动〞按钮，合上“单相Ⅰ、Ⅲ〞空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。4．=1\*GB3①在上位机监控界面中把“设定值〞设置为一个适宜的值〔从低水位开始每次增加3-4cm，设定值增加的幅度应相等,以便获得的曲线有可比性,水箱最高水位为15cm〕。=2\*GB3②将“P、I〞值设置为一个适宜的值。〔,参照下表〕=3\*GB3③点击检查通信状态：通信状态应正常；输入规格：33；输入下限：0；输入上限：50；正反作用：0；关闭通信状态。④单击“启动仪表〞系统进入自动运行状态。5．合上“三相电源〞空气开关，磁力驱动泵上电打水，使中水箱的液位平衡于设定值，观察记录响应曲线的变化。6．按下表给出的PID值作出相应曲线，分析曲线，找出规律，选择适宜P、I值，做出4﹕1的响应曲线。PID响应曲线10200曲线1-130200曲线1-210400曲线1-3实验结果：曲线1-1曲线1-2曲线1-3五、实验分析单容水箱液位定值控制实验的结构框图用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能比拟不同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：采用下水箱做实验，其滞后时间会更短原因：因为水的回路变得更短，其响应曲线会上升的更快2．改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？答：1、改变比例度使让调节器的参数改变，这可能让系统稳定性受影响。增大比例度会使得其超调量增大，使系统变得不稳定。2、改变积分时间会使得系统的精确度提高，但可能造成积分饱和。实验二实验工程名称：双容水箱液位定值控制系统实验工程性质：综合型实验所属课程名称：过程控制系统实验方案学时：2学时一、实验目的1．通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。2．掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定与投运方法。3．研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。4．研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。5．掌握双容液位定值控制系统采用不同控制方案的实现过程。二、实验内容〔原理〕和要求本实验以中水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT3检测到的下水箱液位信号作为反应信号，在与给定量比拟后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以到达控制下水箱液位的目的。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。本实验系统结构图和方框图如图2-5所示。图2-5双容液位定值控制系统(a)结构图(b)方框图三、实验主要仪器设备和材料〔同前〕四、实验方法、步骤及结果测试本实验选择中水箱和下水箱串联作为双容对象〔也可选择上水箱和中水箱〕。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度〔要求阀F1-10稍大于阀F1-11〕，其余阀门均关闭。具体实验内容与步骤按二种方案分别表达〔一〕、智能仪表控制1．按照图2-2连接实验系统。将“LT3下水箱液位〞钮子开关拨到“ON〞的位置。2．翻开上位机MCGS组态环境，单击第一行倒第四列“双容水箱液位定值控制系统〞，单击↓标号，翻开“智能仪表控制系统〞工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中单击“实验四、双容液位定值控制系统〞，进入实验四的监控界面。3．接通“总电源〞空气开关和“钥匙开关〞，翻开“24V电源开关〞，给压力变送器上电，按下“启动〞按钮，合上“单相Ⅰ、Ⅲ〞空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。4．=1\*GB3①在上位机监控界面中把“设定值〞设置为一个适宜的值〔从低位开始每次增加3-4cm，设定值增加的幅度应相等,以便获得的曲线有可比性,水箱最高水位为15cm〕。水箱最高水位为15cm〕。=2\*GB3②将“P、I〞值设置为一个适宜的值。〔，参照下表〕=3\*GB3③点击检查通信状态：通信状态应正常；输入规格：33；输入下限：0；输入上限：50；正反作用：0；关闭通讯状态。④单击“启动仪表〞系统进入自动运行状态。5．合上“三相电源〞空气开关，磁力驱动泵上电打水，使下水箱的液位平衡于设定值，观察记录响应曲线的变化。6．按下表给出的PID值作出相应曲线，分析曲线，找出规律，选择适宜P、I值，做出4﹕1的响应曲线。PID响应曲线10100曲线2-110200曲线2-2实验结果：曲线2-1曲线2-2五、实验分析1．画出双容水箱液位定值控制实验的结构框图。2．用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。3．根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。4．比拟不同PI参数对系统的性能产生的影响。5．分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实验系统的作用。6．综合分析二种控制方案的实验效果。六、思考题1．如果采用上水箱和中水箱做实验，其响应曲线与本实验的曲线有什么异同？并分析差异原因。答：采用上中水箱做实验，它的响应曲线要比中下水箱变化快。原因：因为中水箱的截面积比下水箱的要小，上升相同的液位高度，下水箱要更长时间。2．改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？答：(1)改变比例度使让调节器的参数改变，这可能让系统稳定性受影响。增大比例度会使得其超调量增大，使系统变得不稳定。(2)改变积分时间会使得系统的精确度提高，但可能造成积分饱和。3．为什么本实验比单容液位定值控制系统更容易引起振荡？要到达同样的动态性能指标，在本实验中调节器的比例度和积分时间常数要怎么设置？答：由于在本实验中的比例系数相对较大，过程相应时间相对较长，更加容易引起振荡。要到达同样的动态性能指标，调节器的比例度应该调节的相对较大，积分时间常数调高。实验四实验工程名称：水箱液位串级控制系统实验工程性质：综合型实验所属课程名称：过程控制系统实验方案学时：2学时一、实验目的1．通过实验了解水箱液位串级控制系统组成原理。2．掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。3．了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。4．掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。二、实验内容〔原理〕和要求本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主控制量。副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，中水箱的液位为系统的副控制量。主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。副调节器的的输出直接驱动电动调节阀，从而到达控制下水箱液位的目的。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，系统的主调节器应为PI或PID控制。由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P调节器。本实验系统结构图和方框图如图3--1所示。图3-1水箱液位串级控制系统(a)结构图(b)方框图三、实验主要仪器设备和材料〔同前〕四、实验方法、步骤及结果测试本实验选择中水箱和下水箱串联作为被控对象〔也可选择上水箱和中水箱〕。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度〔要求阀F1-10稍大于阀F1-11〕，其余阀门均关闭。具体实验内容与步骤按二种方案分别表达。〔一〕、智能仪表控制1．按照图3-2接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位〞钮子开关拨到“OFF〞的位置，将“LT3下水箱液位〞钮子开关拨到“ON〞的位置。2．翻开上位机MCGS组态环境，单击第6行第6列“水箱液位串级控制系统〞,单击↓，翻开“智能仪表控制系统〞工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中单击“实验十一、水箱液位串级控制系统〞，进入实验的监控界面。3．接通“总电源〞空气开关和“钥匙开关〞，翻开“24V电源开关〞，给压力传感器上电，按下“启动〞按钮，合上“单相Ⅰ、Ⅲ〞空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。4．在上位机监控界面中：=1\*GB3①点击通讯状态：检查主控调节器：通讯状态应成功；输入规格Sn=33；输入下限=0；输入上限=50；正反作用CF=0；检查副控调节器：通讯状态应成功；输入规格Sn=32；输入下限=0；输入上限=50；正反作用CF=8：关闭通讯状态。返回上位机监控界面。=2\*GB3②设定主控参数的“设定值〞(从低位开始每次增加3-4cm，，每次设定值增加的幅度应相等,以便获得的曲线有可比性,水箱最高水位为15cm〕和“P、I、D〞(参照下表)；设定付控参数的“P、I、D〞。③将智能“仪表1，2〞设置为“自动〞，系统进入自动状态。④启动仪表1，2。5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，经过自动调节，下水箱的液位平衡于设定值，且中水箱液位也稳定于某一值〔此值一般为3～5cm，以免超调过大，水箱断流或溢流〕。6．按下表给出的PID值作出相应曲线，分析曲线，找出规律，选择适宜P、I值，做出4﹕1的响应曲线。主控P主控I副控p响应曲线204020曲线4-120401曲线4-2104015曲线4-3202015曲线4-4实验数据：曲线4-1曲线4-2曲线4-3曲线4-4五、实验分析1．画出水箱液位串级控制系统的结构框图。2．用实验方法确定调节器的相关参数，并写出整定过程。3．根据扰动分别作用于主、副对象时系统输出的响应曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。4．分析主、副调节器采用不同PID参数时对系统性能产生的影响。5．综合分析二种控制方案的实验效果。六、思考题1．试述串级控制系统为什么对主扰动〔二次扰动〕具有很强的抗扰能力？如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时，二次扰动对主控制量的影响是否仍很小，为什么？答：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调〞的作用，主调节器具有“细调〞的作用，从而使其控制品质得到进一步提升。如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时，很有可能发生共振现象，使得副环的工作频率处于谐振频率，其相角接近180°，从而使得副环的增益为负，形成正反应，出现共振现象，二次扰动对主控变量的影响将会很大。2．当一次扰动作用于主对象时，试问由于副回路的存在，系统的动态性能比单回路系统的动态性能有何改良？答：改良在于：副被控变量检测到扰动的影响，并通过副回路的定值控制作用，从而调节操纵变量，使得副被控变量恢复到副设定值，也使得扰动对主被控量的影响减少，副调节器具有“粗调〞的作用，主调节器具有“细调〞的作用。从而使系统更快趋于稳定，调整时间缩短，并且比拟准确的恢复到最开始的设定值。3．串级控制系统投运前需要作好那些准备工作？主、副调节器的正反作用方向如何确定？答：串级控制系统投运前需要作好以下准备工作：主、副控制