过程控制实验报告 - 图文

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 2 0日

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实验一单回路控制系统实验

实验项目名称：单容液位定值控制系统 实验项目性质：综合型实验 所属课程名称：过程控制系统 实验计划学时：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馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到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叙述。 （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。

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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．打开上位机MCGS组态环境，单击第二行第二列“单容定值控制系统”,单击“↓”,打开“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”，打开“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在上位机监控界面中把“设定值”设置为一个合适的值（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将“P、I”值设置为一个合适的值。（P,I?50,参照下表）

③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

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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，选择合适P、I值，做出4﹕1的响应曲线。 P I D 响应曲线 10 20 0 曲线1-1 30 20 0 曲线1-2 10 40 0 曲线1-3

实验结果：

曲线1-1

曲线1-2

4

曲线1-3

五、实验分析

1. 单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

4. 比较不同PID参数对系统的性能产生的影响

5. 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。

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

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实验二

实验项目名称：双容水箱液位定值控制系统 实验项目性质：综合型实验 所属课程名称：过程控制系统 实验计划学时：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馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到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

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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叙述

（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．打开上位机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，打开“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”，打开“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在上位机监控界面中把“设定值”设置为一个合适的值（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将“P、I”值设置为一个合适的值。（P,I?50，参照下表）

③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，选择合适P、I值，做出4﹕1的响应曲线。

P I D 响应曲线 10 10 0 曲线2-1 10 20 0 曲线2-2 实验结果：

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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．比较不同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

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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？要达到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。

要达到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

实验项目名称：水箱液位串级控制系统 实验项目性质：综合型实验 所属课程名称：过程控制系统

实验计划学时：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，从而达到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。

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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叙述。

（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．打开上位机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↓，打开“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”，打开“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。

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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，选择合适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 20 40 20 曲线4-1 20 40 1 曲线4-2 10 40 15 曲线4-3 20 20 15 曲线4-4 实验数据：

曲线4-1

曲线4-2

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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

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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，形成正反馈，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进？

答：改进在于：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，并且比较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、副控制器的参数整定好，设置好主回路的设定值，同时设置好实验装置各个开关的初始状态。

主、副调节器的正反作用方向设定方法去下：

（1）根据安全运行准则，选择控制阀（执行器）的气开和气关类型； （2）根据工艺条件确定副被控对象的特性。操纵变量增加时，副被控变量增加时，系数为正，反之为负；

（3）根据负反馈准则，确定副控制器的正反作用；

（4）根据工艺条件确定主被控对象的特性。操纵变量增加时，副被控变量增加时，系数为正，反之为负；

（5）根据负反馈准则，确定主控制器的正反作用； 4．为什么本实验中的副调节器为比例（P）调节器？

答：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。

5．改变副调节器的比例度，对串级控制系统的动态和抗扰动性能有何影响，试从理论上给予说明。

答：在一定范围内，副控制器P参数增大，副回路输出最大动态偏差增大，振荡和恢复周期更短，振荡更剧烈，使得副控制器的输出更加有利于及时跟踪主控制器的输出，及时调节执行器的输出，从而使得串级控制系统更加有利于及时克服进入副环扰动的影响，提高控制系统的品质，提高抗干扰能力，但P如果过大，会使得副控制器的输出余差增大，导致副控制器很难真实反映主控制器输出的精确性。

6．评述串级控制系统比单回路控制系统的控制质量高的原因？ 答：原因：

（1）能够迅速客观进入副扰动； （2）自适应能力强；

（3）能够更加精确控制操纵变量的流量； （4）改善广义对象特性，提高工作效率； （5）可实现更灵活的操作方式。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/drmo.html