a3000过程控制实验报告

第四章 船级控制系统实验

第四章 串级控制系统实验

第一节 串级控制系统的连接实践

一、 串接控制系统的组成

图4-1是串级控制系统的方框图。该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的设定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。

图4-1 串级控制系统的方框图

R-主参数的给定值 C1-被控的主参数 C2-副参数 f1(t)-作用在主对象上的扰动 f2(t)-作用在副对象上的扰动

二、 串级控制系统的特点 1. 改善了过程的动态特性

由负反馈原理可知，副回路不仅能改变副对象的结构，而且还能使副对象的放大系数减小，频带变宽，从而使系统的响应速度变快，动态性能得到改善。 2. 能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力

串级控制系统由于比单回路控制系统多了一个副回路，当二次扰动进入副回路，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当扰动还没有影响到主控参数时，副调节器就开始动作，及时减小或消除扰动对主参数的影响。基于这个特点，在设计串级控制系统时尽可能把可能产生的扰动都纳入到副回路中，以确保主参数的

过程控制实验报告

专 业：控制工程

小组成员：

组长：

组员：

指导老师： 许向阳 王小平

实验内容

1） 2） 3） 4） 5） 6）

实验一：单容自衡水箱液位特性测试实验 实验二：双容水箱特性的测试 实验三：单容液位定值控制系统 实验四：双容水箱液位定值控制系统

实验五：下水箱液位与进水流量串级控制系统 实验六：单容水箱液位的模糊PID控制

实验要求

1） 第一次实验要求（实验一和实验二）：熟悉过程控制实验系统的每一个设备，熟悉开关机过程和接线，完成一级水箱液位的单回路控制实验，观察PID算法中比例、积分、微分的作用；

2） 第二次实验要求（实验三和实验四）：完成二级水箱液位的单回路控制实验和水流量/一级水箱液位的串级控制实验。 3） 第三、四次实验要求（实验五和实验六）：设计一种先进控制算法，在DCS系统上完成组态、接线、调试和参数整定的工作，要求算法自行编写，不能用DC

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

1

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

西安电子科技大学

过程控制系统实验

学 院 机电工程学院 专 业 自动化 班 级 xxxx 学 号 xxxxx 学生姓名 xxxx 授课老师 xxx

学 期 二〇一六学年春季学期

第一节单容水箱特性的测试

一、实验目的

1. 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。

2. 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T和传递函数。

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

2-1-1单容水箱对象特性测试系统 （a）结构图 （b）方框图

所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图2-1-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。

阀门F1-1、F1-6、F1-10和F1-11全开，设上水箱流入量为Q1，改变气动调节阀的开度可以改变Q1的大小，上水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-9的开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q

目 录

第一章 过程控制仪表课程设计的目的 ............................1

1.1 设计目的 ...................................................1 1.2 课程在教学计划中的地位和作用 ...............................1

第二章 液位控制系统（实验部分） ..............................2

2.1 控制系统工艺流程 ...........................................2 2.2 控制系统的控制要求 .........................................4 2.3 系统的实验调试 .............................................5

第三章 水箱压力控制系统设计 ...................................7

3.1 引言 ......................................................12 3.2 系统

实验一 过程控制系统的组成认识实验

过程控制及检测装置硬件结构组成认识，控制方案的组成及控制系统连接

一、过程控制实验装置简介

过程控制是指自动控制系统中被控量为温度、压力、流量、液位等变量在工业生产过程中的自动化控制。本系统设计本着培养工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才为出发点。实验对象采用当今工业现场常用的对象，如水箱、锅炉等。仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件。对象系统还留有扩展连接口，扩展信号接口便于控制系统二次开发，如PLC控制、DCS控制开发等。学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能很快地适应环境并进入角色。同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开发的平台。

二、过程控制实验装置组成

本实验装置由过程控制实验对象、智能仪表控制台及上位机PC三部分组成。 1、被控对象

由上、下二个有机玻璃水箱和不锈钢储水箱串接，4.5千瓦电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭外循环不锈钢锅炉夹套构成），压力容器组成。

水箱：包括上、下水箱和储水箱。上、下水箱采用透明长方体有机玻璃，坚实耐用，透明度高，有利于学生直接观察液位的变化和记录结果。水箱结构新颖，内有三个槽，分

过程控制系统实验报告

姓 名：

指导教师 ：

南京理工大学 2015 年 5月

实验二 传感器、执行器实验

一、实验目的

1

了解传感器、执行器的工作原理，掌握它们在实际过程控制中的应用。

二、实验要求

编程实现系统液位、温度、流量等模拟量的数据采集以及模拟量的输出。 三、实验步骤

1、液位传感器的测试

在水箱内按要求注入不同高度的纯净水，利用万用表和USB-4711A板卡的A/D口分别测出液位传感器的输出电压，并在计算机内将电压转换成对应的高度。将测量数据填入下表。

高度 输出 万用表测量值（伏） A/D 口测量值 (伏) 250 mm 5.53 5.56 200 mm 4.91 4.92 393.36 96.68% 0.68% 150 mm 4.30 4.32 345.31 100 mm 3.68 3.71 296.48 50 mm 3.07 3.09 246.88 0mm -2.4 -2.4 192 / / 机内转换高度（mm） 444.92 相对误差（%） 相对误差（%） (消除仪器误差) 77.97% 1.17% 130.21% 196.48% 393

计算机过程控制实验报告

实验1 单容水箱液位数学模型的测定实验

1、试验方案：

水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变。被调量为水位H。分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。

直接在调节阀上加定值电流，从而使得调节阀具有固定的开度。（可以通过智能调节仪手动给定，或者AO模块直接输出电流。）

调整水箱出口到一定的开度。

突然加大调节阀上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型。

FV101

给定值

Qi

Qo h LT

103 图1 单容水箱液位数学模型的测定实验

通过物料平衡推导出的公式：

QO?kH,Qi?k??

那么

dH1?(k???kH)， dtF其中，F是水槽横截面积。在一定液位下，考虑稳态起算点，公式可以转换成

RCdH?H?k?R?。 dt公式等价于一个RC电路的响应函数，C=F就是水容，R?2H0k就是水阻。

如果通过对纯延迟惯性系统进行分析，则单容水箱

单容水箱液位过程控制实验报告

一、实验目的

1、了解单容水箱液位控制系统的结构与组成。

2、掌握单容水箱液位控制系统调节器参数的整定方法。 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PID调节器对液位、水压控制的作用。

本实验采用计算机PID算法控制。首先由差压传感器检测出水箱水位，水位实际值通过A/D转换，变成数字信号后，被输入计算机中，最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值经过D/A模块转换成模拟信号，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。

2.2 被控对象

本实验是单容水箱的液位控制。被控对象为图1中的上水箱，控制量为流入水箱的流量，执行机构为调节阀。

由图1所示可以知道，单容水箱的流量特性：

水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。所以，若阀V6开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。

三、电动调节阀流量特性物理模型

电动调节阀包括执行机构和阀两个部分，它是过程控制系统中的一个重要环节。电动调节阀接受调节

单容水箱液位过程控制实验报告

学号：

姓名： 教师：

一、实验目的

一、 二、 三、 四、 了解单容水箱液位控制系统的结构与组成。

掌握单容水箱液位控制系统调节器参数的整定方法。 研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。 了解PID调节器对液位、水压控制的作用。

二、单容水箱系统模型 上水箱下水箱计算机调节器储水箱 三、电动调节阀流量特性物理模型 电动调节阀包括执行机构和阀两个部分，它是过程控制系统中的一个重要环节。电动调节阀接受调节器输出4～20mADC的信号，并将其转换为相应输出轴的角位移，以改变阀节流面积S的大小。图2-9为电动调节阀与管道的连接图。

图中：

u----来自调节器的控制信号（4～20mADC）

θ---阀的相对开度 s ---阀的截流面积

q----液体的流量

由过程控制仪表的原理可知，阀的开度θ与控制信号的静态关系是线性的，而开度θ与流量Q的关系是非线性的。

四、单容水箱系统PID控制规律及整定方法

PID控制规律

选择系统调节规律的目的，是使调节器与调节对象能很好地匹配，使