北邮过程控制实验报告DOC.docx

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北邮过程控制实验报告DOC

北邮过程控制实验报告（DOC）

过程控制实验报告

学院：

自动化学院

专业：

自动化专业班级：

20XX211411

姓名：

韩思宇学号：

102120XX指导老师：

李忠明

实验一单容过程的数学模型建立与控制

a）单容水箱液位数学模型一、实验目的

1、学习实验的设备装置以及管路构成。

2、熟悉仪表装置，如检测单元、控制单元、执行单元等。

3、了解液位容积特性，熟悉实验法建模的具体方法。

二、实验设备

1、实验设备：

A1000对象系统⑴泵

（2）水泵调速器：

工作电源24VAC控制信号2-10VDC（3）液位变送器：

量程为0-100,输出信号4-20mA。

2、系统组成

液位容积特性测量流程图如图1所示。

图1系统组成图

三、实验步骤

1、QV112全开，QV116打开45度左右，其余阀门关闭。

2、将LT101连到AI0输入端，AO0输出端连到U101（手

动输出）。

3、工艺对象上电，控制系统上电，启动

U101（P101）。

4、启动组态软件，选择“单容液位PID控制”。

设定

U101控制20〜30%等待系统稳定。

液位和流量稳定在某个值。

液面不能太低，否则不算稳定。

5、设定U101控制增

加2〜5%记录水位随时间的数据，到新的稳定点或接近稳

定。

如果阶跃太大，可能导致溢出。

6、抓图，若液位太低或者溢出，可以修改QV116开度，重复4和6步。

7、将系统输出设定值置为0，关闭系统，分析数据

四、实验结果与思考

设定U101控制增加2%f，系统阶跃响应曲线图如图2

所示。

图2U101控制增加2%的阶跃响应曲线图

求解传递函数G（S）=K/（TcS+1）参数

控制量从30%上升到35%,液位从50%上升到％。

Tc=100s。

K=/（35-30）=。

综上，可得Tc=100s，K=7。

b）单容液位PID控制一、实验目的

1、了解PID控制特点，掌握PID的调节规律；通过实验学习PID参数的整定方法。

2、分别用P,PI,PD,PID控制整定出最佳的比例度、积分时间和微分时间。

二、实验设备

1、实验设备：

A1000对象系统水泵U102（P102）

水泵调速器：

工作电源24VAC控制信号2-10VDC液位

传感器：

量程为0-100%,输出信号4-20mA。

2、系统组成

单容水箱液位PID控制流程图如图2所示。

图2单容水箱液位PID控制流程图

三、实验步骤

1、打开手阀QV112调节QV116开度，其余阀门关闭。

2、在控制系统上，将水箱液位LT101输出连接到AI0，电动调速器U101控制端连到AO0

3、打开设备电源。

4、启动计算机组态软件，进入实验项目界面。

启动调

节器，设置各项参数。

启动右边水泵U101（P101）和调速器。

5、系统稳定后可将调节器的手动控制切换到自动控制

6、设置比例参数。

观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰实验。

7、待系统稳定后，对系统加扰动信号。

记录曲线在经过几次波动稳定下来后。

系统有稳态误差，并记录余差大小。

&减小P重复步骤6,观察过渡过程曲线，并记录余

差大小。

9、增大P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

10、选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。

改变设定值（如设定值50%变为60%），同样可以得到一条过渡过程曲线。

11、在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界

面上设置I参数不是特别大的数。

固定比例P值为中等大小，改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量

a%

12、固定Ti于某一中间值，然后改变P的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同值Ti下的超调量a%

13、选择合适的P和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。

此曲线可通过改变

设定值来获得。

14、在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，在把软件界面上设置Td参数，然后加

上与前面调节时幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线。

15、选择合适的P、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。

16、将系统输出设

定值置为0,关闭系统。

四、实验结果与思考

1、当P=4时，加扰动后，系统响应曲线图

2、减小P,当P=3时，加扰动后系统响应曲线如图所示。

3、增大P,当P=5时，加扰动后系统响应曲线如图所示。

4、加入积分作用，当Ti=10时，加扰动后系统响应曲

线如图所示。

5、加入积分作用，当Ti=15时，加扰动后系统响应曲线如图所示。

6、加入积分作用，当Ti=时，加扰动后系统响应曲线如图所示。

7、加入微分作用，当Td=时，加扰动后系统响应曲线如图所示。

&最终的PID参数为8、、。

2、控制对象为正作用。

因为实验中的控制对象为V103

水箱。

当阀QV112开度变大，水箱入水量增加时，液位变高，因此控制对象为正作用。

实验二、垂直双容过程液位控制

a）双容液位单回路PID控制

一、实验目的与要求

1、实验前需熟悉双容液位控制模型的特点。

2、熟悉仪表装置，如检测单元、控制单元、执行单元等。

3、用单回路PID控制方法，整定出最佳的比例度、积分时间和微分时间。

二、实验设备

1、A1000小型过程控制实验系统：

泵水泵调速器：

工作电源24VAC控制信号2-10VDC液位

变送器：

量程为0-100,输出信号4-20mAo

压力和液位变送器、涡轮流量计、微型潜水泵、AS3720

模块、西门子S7-200PLC组态王软件。

三、实验原理：

流程图如图1所示。

图1双容液位单回路PID控制

水介质泵U101（P101）从水箱V104中加压获得压头，经

QV113水箱V102、、QV114水箱V101、阀QV116回流至水箱V104而形成水循环，负荷的大小通过手阀QV116来调节；其中，水箱V101的液位液位变送器LT101测得。

三、操作步骤和调试

1、启动组态王软件，选择“特性测试与单回路PID”中

“垂直双容液位PID控制”。

2、检查水槽溢出时是否有溢流通道，保证发生溢出时水能够流回蓄水箱V104。

3、工艺

对象上电，控制系统上电。

4、设定液位的初始值为25%〜30%同时保证V102水槽的液位超过QV114的阀口，此点可以通过调整阀QV114和阀QV116的开口大小实现。

5、观察液位设定值与实测值是否一致，根据情况调整

PID值的大小。

6、给设定值一个10%的阶跃，是设定值为35%〜40%观察系统相应情况，反复调整PID参数，使系统

具有较满意的动态响应和较高的静态精度。

7、抓图，保存

实验曲线结果。

&通过调整QV111增加系统干扰进行测试，抓图，记录超调和稳定时间。

9、将系统输出设定值置为0，关闭系统，分析数据。

四：

实验结果：

1、如下图图2,单回路PID控制下加10%阶跃，当获得

较好动态，静态响应特性曲线时，Kp=，Ki=，Kd=0

图2单回路PID控制下加10%阶跃后的响应曲线

2、加入干扰后系统响应曲线，如下图图3,此时Kp=，

Ki=，Kd=0

图3单回路PID控制下加干扰后的响应曲线

b）双容液位串级控制一、实验目的与要求

了解双容液位串级控制工作原理。

通过实验，掌握串级控制系统的投运、控制器参数的整定方法。

组建串级回路，并测量两类干扰下的控制效果。

二、实验设备

1、A1000小型过程控制实验系统：

泵

水泵调速器：

工作电源24VAC控制信号2-10VDC液位

变送器：

量程为0-100,输出信号4-20mAo

压力和液位变送器、涡轮流量计、微型潜水泵、AS3720

三、实验原理：

串级控制流程图如图4所示：

图4双容液位单回路PID控制

水介质泵U101（P101）从水箱V104中加压获得压头，经

QV113水箱V102、、QV114水箱V101、阀QV116回流至水箱V104而形成水循环，负荷的大小通过手阀QV116来调节；其中，水箱V101的液位液位变送器LT101测得。

其中，水箱V101的液位液位变送器LT101测得，水箱V102的液位液位变送器LT102

测得。

本例为串级调节系统，调速器U101为操纵变量，以

LT102为被控变量的控制系统作为副调节回路，其设定值来自主调节回路一一以LT101为被控变量的液位控制系统。

四、操作步骤和调试

1、启动组态王软件，选择“复杂控制”中“垂直双容

串级液位控制”。

2、检查水槽溢出时是否有溢流通道，保证发生溢出时水能够流回蓄水箱V104。

3、工艺对象上电，

控制系统上电。

4、设定液位的初始值为25%〜30%同时保证V102水槽的液位超过QV114的阀口，此点可以通过调整阀QV114和阀QV116的开口大小实现。

5、观察液位设定值与实测值是否一致，根据情况调整主调节器、副调节器PID参

数值的大小。

6、给设定值一个10%的阶跃，是设定值为35%〜40%观察系统相应情况，调整PID参数，直到得到满意的响应

曲线。

7、抓图，保存实验结果。

&通过调整QV111增加系统干扰进行测试，抓图，记录超调和稳定时间。

9、将系统输出设定值置为0，关闭系

统，分析数据。

五：

实验结果：

1、如图5,串级PID控制下加10%阶跃，当获得较好动态，静态响应特性曲线

时，主调节器PID参数为Kp=5，Ti=1，Td=0;畐U调节器PID参数为Kp=5,Ti=10000,Td=0。

图5串级PID控制下加10%阶跃后的响应曲线2、

加入干扰后系统响应曲线，如下图图6,此时主调节器PID

参数为Kp=5,Ti=1,Td=0;副调节器PID参数为Kp=5,Ti=10000,Td=0。

图6串级PID控制下加干扰后的响应曲线

六、分析与思考：

1:

比较a、b两实验的结果

答：

如图3,图6所示，当系统中产生干扰时，串级控

制系统比单回路系统能更快消除干扰对主回路参数的影响，提高调节品质。

如图2,图5所示，串级调节中，主、畐碉节器总的放大系数可整定得比单回路调节系统大，因此，串级系统提高了系统的响应速度，很好的改善系统的响应特性。

综合两实验的实验结果可知，串级控制系统比单回路控制系统，拥有更好的调节品质，系统的适应能力高，抗干扰能力强，响应速度快。

2.本次串级实验中主、副控制器正

反作用如何确定？

答：

串级系统的控制框图如下

图7双容液PID串级控制系统框图

其中U101为副调节器，V102的液位为副对象，V101的液位为主对象，QV116为主调节器。

副调节阀为气开式，因为一旦控制系统出现故障，为防止水箱里的水溢出，调节阀必须全关，而于工艺可知，阀门开度增大时，液位升高，所以Ko2为正，为保证副回路为负

反馈，Kc2为正，即副调节器为反作用方式，当V102液位升

高时，V101液位升高，故koi为正，为保证主回路负反馈，Kc1为正，即主调节器应为反作用调节器。

综上，主，副调节器都为反作用调节器。

3、结合本次实验情况，分析串级控制比单回路控制质量高的原因。

串级调节与单回路调节相比，多了一个副调节回路。

调节系统的主要干扰都包括在副调节回路中，因此，副调节回路能及时发现并消除干扰对主调节参数的影响，提高调节品质。

串级调节中，主、畐碉节器总的放大系数可整定得比单回路调节系统大，因此提高了系统的响应速度和抗干扰能力，也就有利于改善调节品质。

串级调节系统中，副回路的调节对象特性变化对整个系统的影响不大，如许多系统利用流量围绕调节阀门或挡板组成副回路，可以克服调节机构的滞后和非线性的影响。

而当主调节器参数操作条件变化或负荷变化时，主调节器又能自动改变副调节器的给定值，提高了系统的适应能力。

因

此，串级调节的品质要比单回路调节好。

实验三、液位前馈-反馈复合控制

一、实验目的与要求

1、实验前需熟悉复合控制的原理与特点。

2、熟悉仪表装置，如检测单元、控制单元、执行单元等。

3、通过实验掌握前馈补偿器的设计方法。

二、实验原理：

流程图如图1所示。

水介质泵U101（P101）从水箱V104中加压获得压头，经流量计FT101、电动调速器U101、水箱

V101、手阀QV116回流至水箱V104而形成水循环，负荷的大小通过手阀QV116来调节；其中，水箱V101的液位液位变送器LT101测得，给水流量流量计FT101测得。

本例中调速器U101为操纵变量，LT101为被控变量，接收流量的前馈信号参予到定值系统中，整体构成前馈-反馈控制系统。

如果水路流量出现扰动，经过流量计FT101测量之后，

测量得到干扰的大小，然后通过调整调速器开度，直接进行补偿。

本次实验采用静态补偿，补偿器数值为图1中的前馈

系数Ko

图1流量液位前馈反馈复合控制

三、操作步骤和调试

单一反馈控制实验步骤：

1、启动组态王软件，选择“复杂控制”中“流量液位前馈反馈控制”。

2、检查水槽溢出时是否有溢流通道，保证发生溢出时水能够流回蓄水箱V104。

3、工艺对象和控制

系统上电。

4、设定K=0,液位设定值为30%左右，然后在“自动”

模式下调节PID控制器参数，使得在设定值增加10%的

阶跃输入情况下，能得到较为满意的响应曲线。

抓图，

保存实验曲线结果

5、增加干扰，调节QV111从90度变动到50度，观察系统响应曲线。

抓图，保存实验曲线结果。

6、若全部实验结束，将工艺对象和控制系统断电。

复合控制步骤：

1、将调节阀QV111转回90度的关闭状态。

2、设定K=0,液位设定值在30~40%＞间，保持步骤中

的PID参数不变。

3、系统稳定后，观察主界面上方的稳态

流量记为q1，下方的调节器

输出记为u1。

将调节阀QV111从90度变动到70度，观察响应曲线，系统稳定后，将稳态流量记为q2,下方

的调节器输出记为u2，则前馈补偿器的计算公式为：

6、将调节阀QV111转回90度的关闭状态。

系统稳定

后，将q1输入到主界面下方的“稳态流量百分”的xx

框中，前馈系数设为式1求得的Ko7、增加干扰，调节QV111从90度变动到50度，观察响应曲线。

抓图，保存实

验曲线结果。

&点击主界面“停止”按钮，关闭系统，分析数据。

9、若全部实验结束，将工艺对象和控制系统断电。

四：

实验结果与思考：

1.针对得到的不同实验曲线，加以对比分析说明。

在单一反馈实验中，设定K=0,液位设定值为30眩右，然后在“自动”模式下调节PID控制器参数，在设定值增加10%勺阶跃输入情况下，能得到较为满意的响应曲线，如图2

所示。

图单一反馈加10%阶跃后的响应曲线

分析：

从阶跃响应曲线可知，单一的反馈可以得到较好

的控制精度，在自动调节模式下，系统也表现出了较好的动

态性能和稳态性能

可以说，按反馈控制方式组成的反馈控制系统有较高的

控制精度，并能改善系统的响应特性。

在单一反馈实验中增加干扰，调节QV111从90度变动

到50度，获得系统响应曲线，如图3所示。

图单一反馈中增加干扰后的响应曲线

分析：

增加干扰后，系统并没能及时抑制干扰，系统产

生了较大偏差。

不可否认，反馈控制存在时滞、波动问

题，从发现偏差到采取更正措施之间的时间延迟会导致在系统进更正的时候与实际情况变动差异很大

在复合控制实验中增加干扰，调节QV111从90度变动

到50度，获得响应曲线，如图4所示。

图4复合控制下加干扰后的响应曲线

分析：

响应曲线告诉我们，在出现干扰后，复合控制比单一反馈控制更及时、有效的抑制干扰。

在反馈控制的同时，利用外扰信号直接控制输出，所构

成的复合控制能迅速有效地补偿外扰对整个系统的影响，并利于提高控制精度。

2.若本实验系统中泵的模型为：

水槽v101的模型为：

G0K0T0S1

控制器LIC模型为KL,液位传感器模型为Km则本次

实验中前馈补偿器GB=

答：

下图5为前馈一反馈复合控制系统:

GB（s）F（s）

X（s）

Gc（s）Go（s）GF（s）Y（s）图5前馈一反馈复合控制系统

给定输入X（s）与干扰输入F（s）对系统输出Y（s）的共同影响为

丫（s）Gc（s）Go（s）GF（s）GB（s）Go（s）X（s）F（s）

1Gc（s）Go（s）1Gc（s）Go（s）

如果要实现对干扰F（s）的完全补偿，则上式的第二项应

为0，即：

GF（s）GB（s）Go（s）0即:

GBGFGPKP（TOsl）GOGoKO（TPI）