过程控制系统虚拟实验.docx

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过程控制系统虚拟实验

实验一：

单回路液位控制系统实验

一、实验目的

1．通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和原理；

2．定性分析研究PID控制器参数对系统性能的影响；

3．分析对象参数对控制效果的影响；

4．分别从供水侧和出水侧施加扰动，研究PID控制器的扰动抑制能力。

二、实验设备

安装Kingview组态软件和KingACT软逻辑软件的计算机一台。

三、实验原理

进行单容水箱对象液位定值控制系统实验的系统如图1-1所示。

水箱系统由给水泵供水，负载阀决定出水量，同时增加一干扰水源，用以施加供水干扰，用户的用水量改变的扰动可通过调整负载阀开度进行模拟。

图1-1单容水箱液位定值系统

增加干扰水源相应的组态项目，干扰水源的模拟可在入水量上叠加一个较小的水量信号，并通过开关控制其是否有效。

因此增加两个变量，如下表。

表1-1单回路水箱控制系统增加的仿真变量表

参数

变量名称

变量类型

单位

下限

上限

初始值

干扰水源

干扰水源

Double

L/s

0

0.01

0.0001

干扰水源开关

干扰开关

Bool

False

四、实验方法与步骤

1．启动KingACT编程系统，打开“单回路水箱液位控制（干扰）”工程文件。

在对象组态图中增加扰动水源组态。

在原组态的基础上增加一个加法器和选择开关模块，并进行变量连接，如图所示。

2．启动组态王工程管理器，打开“单回路水箱液位控制（干扰）”工程文件，在数据词典中增加两个变量，分别为“干扰开关”和“干扰水量”，并建立与OPC服务器的通道连接。

调入仿真主画面，增加干扰水源控制阀和干扰水量数值指示，分别与“干扰开关”和“干扰水量”进行动画连接，如图所示。

3．启动KingACT运行系统，装入“单回路水箱液位控制（干扰）”工程文件。

4．启动KingACTOPC服务器，装入“单回路水箱液位控制（干扰）.plc”文件，并置于运行状态。

5．在组态王工程管理器中，将“单回路水箱液位控制（干扰）”切换至运行状态。

6．为调节器设置PID参数。

7．启动给水泵，调节器置于手操状态，为水泵提供一控制电压，并将出水阀置于50%开度，等待液位达到平衡状态。

8．改变水位设定值，将调节器置于自动状态，观察液位变化情况。

9．通过打开干扰阀门和改变出水阀开度，分别施加进水和出水扰动，观察液位变化情况。

10．调整PID参数，直到获得较为满意的结果。

11．通过参数设置改变水箱对象的面积，重新进行上述实验。

五、实验报告要求

1．通过抓图拷屏的方法提交获得的实验曲线。

2．根据实验过程填写下表，并分析水箱面积变化对调节器参数的影响。

表1-2单回路水箱液位控制系统实验记录表

水箱面积

（cm2）

比例系数

积分时间

（ms）

微分时间

（ms）

超调量

（%）

过渡过程时间

3．分析PID定值调节和扰动抑制特性。

4．实验报告。

六、思考题

1．如果要增加变化的干扰水源应如何增加?

2．如果减少单容水箱对象的容积，积分时间应该增大还是减少。

实验二：

电加热水箱温度与流量前馈-反馈控制实验

一、实验目的

1．掌握前馈控制系统的基本概念和组成。

2．掌握前馈-反馈控制系统的投运与参数整定方法。

3．研究在阶跃扰动作用下前馈控制对系统被控量的影响。

二、实验设备

安装Kingview组态软件和KingACT软逻辑软件的计算机一台。

三、实验内容

本试验以电加热水箱温度为反馈控制调节对象，入水流量为前馈控制调节对象，形成电加热水箱温度反馈与水流量前馈控制系统，系统框图如图所示。

在该系统中的主要扰动是给水流量的变化，采用前馈控制方法时，将入水流量信号送到前馈控制器。

前馈控制器按照一定的算法产生控制作用，控制电加热器的功率进行相应改变，可及时消除由于进水量变化带来的温度的变化。

在本仿真试验中入水流量作为对象的一个参数已经通过计算得出，所需要做的工作是根据该入水流量信号计算出前馈信号。

四、实验方法与步骤

1．启动KingACT编程系统，打开“电热水箱前馈反馈控制”工程文件。

在控制器组态图中增加前馈控制组态。

增加一个前馈控制作用允许开关，便于在实验中进行对比。

并与PID控制器的输出相加作为交流调功器的控制电压，如图所示。

2．启动KingACT运行系统，装入“电热水箱前馈反馈控制”工程文件。

并置于运行状态。

3．启动KingACTOPC服务器，装入装入“电热水箱前馈反馈控制.PLC”文件，并置于通信联机状态。

4．启动组态王工程管理器，打开“电热水箱前馈反馈控制”工程，在数据词典中增加“前馈输出”和“前馈允许”变量，并与KingACTOPC服务器进行相应通道的连接。

为历史曲线和实时趋势曲线增加PID控制器输出、前馈控制器输出、入水流量显示，观察控制器输出作用。

打开主画面，在画面上增加前馈控制器和反馈控制器输出指示，并切换至运行状态，如图所示。

5．通过参数设置界面，将加热器功率（最大）设置为1000KW，进水温度设为0。

打开出水阀，打开给水泵开关和交流调功器开关，并为水泵提供一较小的初始控制电压，关闭前馈控制器，PID调节器置自动状态，进行水箱温度设定值控制参数整定。

改变给水泵控制电压，施加入水流量扰动，观察并记录未投入前馈控制器时系统的温度响应特性。

6．设定值参数整定完成后，投入前馈控制器，等待系统稳定。

在系统输出稳定后，改变给水泵控制电压，施加入水流量扰动，观察并记录投入前馈控制器后系统的温度响应特性。

五、实验报告要求

1．通过抓图拷屏的方法提交获得的实验曲线。

2．分析前馈控制器对入水流量扰动的抑制特性。

3．分析前馈反馈温度控制系统的定值跟踪特性。

4．总结温度控制系统中前馈控制器设计方法。

5．写出实验报告。

实验三：

双容水箱液位串级控制系统实验

一、实验目的

1．掌握串级控制系统的基本概念和组成。

2．掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。

3．研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。

二、实验设备

安装Kingview组态软件和KingACT软逻辑软件的计算机一台。

三、实验内容

本试验以水箱1的液位为副调节器调节对象，水箱2的液位为主调节器调节对象，构成水箱液位串级控制系统，系统框图如图所示。

四、实验方法与步骤

1．启动KingACT运行系统，调入“串级双容水箱液位控制”工程文件。

并置于运行状态。

2．启动KingACTOPC服务器，装入“串级双容水箱液位控制.PLC”工程文件，并置于运行状态。

3．启动组态王工程管理器，打开“串级双容水箱液位控制”工程，并切换至运行状态，如图所示。

4．启动水泵，连通阀CV1的开度为100%，出水阀CV2至某一开度。

主、副调节器置手动，采用手动操作使液位达到某一平衡状态。

5．采用逐步逼近法进行主、副调节器参数整定。

6．采用两步整定法进行主、副调节器参数整定。

7．在主对象水箱2上施加扰动信号，观察液位响应曲线。

8．在副对象水箱1上施加扰动信号，观察液位响应曲线。

9．练习串级系统投运操作。

五、实验报告要求

1．通过抓图拷屏的方法提交获得的实验曲线。

1．画出双容水箱液位串级控制系统的结构框图。

2．写出调节器参数整定过程。

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．总结串级系统投运过程。

实验四：

双比环流量比值控制系统实验

一、实验目的

1．了解比值控制的特点，学习双闭环比值控制原理。

2．掌握双闭环比值控制系统设计方法。

3．掌握双闭环比值控制系统参数整定方法。

二、实验设备

安装Kingview组态软件和KingACT软逻辑软件的计算机一台。

三、实验内容

本试验由热水箱、冷水箱和混合水箱组成，要求冷、热水箱中的水以一定的流量比例进入混合水箱，以满足负载水流量和温度的要求。

根据上述要求设计双闭环水量控制系统，实现冷水流量按照比例要求跟随热水流量的变化。

双闭环流量控制系统原理框图如图所示。

四、实验方法与步骤

1．启动KingACT运行系统，调入“冷热水比值控制”工程文件。

并置于运行状态。

2．启动KingACTOPC服务器，装入“冷热水比值控制.PLC”工程文件，并置于运行状态。

3．启动组态王工程管理器，打开“冷热水比值控制”工程，并切换至运行状态，如图所示。

4．在无扰动的情况下，利用切投开关断开从流量对象的比值控制给定，分别整定热水和冷水控制回路，使其响应速度快而又没有超调。

整定完成后，根据所需要的温度计算比值系数，投入比值控制。

5．修改主流量控制器的设定值，观察比值系统的响应特性。

6．分别为冷、热水增加扰动，观察控制系统响应特性。

7．为热水箱施加温度扰动，观察混合后液体的温度变化情况。

五、实验报告要求

1．通过抓图拷屏的方法提交获得的实验曲线。

2．给出比值控制系统中不同K值时的阶跃响应曲线。

3．写出调节器参数整定过程。

4．根据扰动分别作用于主、从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。

5．分析PI调节器控制时，不同P和I值对系统性能的影响。