A3000过程控制实验指导 第三章.docx

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A3000过程控制实验指导第三章

第三章单回路控制系统

第一节单回路控制系统的概述及调节器参数整定方法

一、单回路控制系统的概述

图3.1为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器所组成的一个闭环控制系统。

系统的给定量是一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。

由于这种系统结构简单，调试方便，性能较好，故在工业生产中被广泛应用。

二、干扰对系统性能的影响

●干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响

干扰通道的放大系数Kf会影响干扰加在系统中的幅值。

若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。

我们希望干扰通道的放大系数愈小愈好。

如果干扰通道是一个惯性环节，令时间常数为Tf，则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。

即时间常数Tf越大，则系统的动态偏差就愈小。

通常干扰通道中还会有纯滞后环节，使被调参数的响应时间滞后一个τ值，即

上式表明调节过程沿时间轴平移了一个τ的距离，即干扰通道出现纯滞后，但不会影响系统的调节质量。

●干扰进入系统中的不同位置

复杂的生产过程往往有多个干扰量，他们作用在系统的不同位置，如图3.2所示。

控制理论证明，同一形式、大小相同的扰动在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。

对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。

三、控制规律的确定

选择系统调节规律的目的是令调节器与调节对象很好匹配，使组成的控制系统满足工艺上所提出的动、静态性能指标。

比例（P）调节

纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。

由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。

这种调节器的主要缺点是使系统有静差存在。

其传递函数为

式中Kp为比例系数，

为比例带。

比例积分（PI）调节

PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。

其传递函数为

式中TI为积分时间。

比例微分（PD）调节

这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大易导致调节阀动作向两端饱和，因此一般不用于流量和液位控制系统。

PD调节器的传递函数为

比例微分积分（PID）调节器

PID是常规调节器中性能最好的一种调节器。

由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。

它的传递函数为

第二节单容水箱液位定值控制系统

一、实验目的

了解单容液位定值控制系统的结构与组成。

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。

研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。

二、实验设备

1.A3000高级过程控制实验系统

2.计算机及相关软件

三、实验原理

本实验系统的被控对象为下水箱，其液位高度作为系统的被控制量。

系统的给定信号为一定值，它要求被控制量下水箱液位的稳态值等于给定值。

由反馈控制的原理可知，应把下水箱的液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。

图3.5为本实验系统的结构图，图3.6为控制系统的方框图。

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下无静差，系统的调节器应为PI或PID。

四、实验内容与步骤

1.本实验选择下水箱作为被控对象（也可选择中水箱或上水箱）。

实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门QV102、QV105全开，将下水箱出水闸板QV116开至适当开度（5-10mm）。

2.智能仪表的测量值输入端AI0与下水箱液位输出端连接，操作值输出端AO0接电动调节阀。

3.打开上位机“组态王”的工程管理器，选择“智能仪表过程控制实验组态”工程，进入“A3000高级过程控制实验监控系统”运行环境，点击“进入系统”按钮进入主画面《A3000高级过程控制实验系统__智能仪表》，在实验目录中选择“单容水箱液位定值控制系统”工程，进入本实验的监控界面。

4.选用单回路控制系统实验中所述的某种调节器参数的整定方法整定好调节器的相关参数，并设置好系统的给定值后，在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”控制。

5.接通控制系统柜的电源开关和现场系统单相电源开关，打开现场系统面板上的“水泵2#”开关，给2#水泵上电打水。

6.待下水箱液位达到给定值且基本稳定不变时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。

7.突加阶跃扰动（将给定量增加5%～15%），观察并记录系统的输出响应曲线。

8.待系统进入稳态后，适量改变阀QV105的开度（作为系统的扰动），观察并记录在阶跃扰动作用下液位的变化过程。

9.适量改变PI的参数，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。

五、实验报告

1.用实验方法确定调节器的相关参数。

2.列表记录，在上述参数下求得阶跃响应的动、静态性能指标。

3.列表记录，在上述参数下求得系统在阶跃扰动作用下响应曲线的动、静态性能指标。

4.改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？

第三节双容水箱液位定值控制系统

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。

二、实验设备

1.A3000高级过程控制实验系统

2.计算机及相关软件

三、实验原理

图3.7为实验系统的结构图。

图3.8双容液位定值控制系统方框图

四、实验内容与步骤

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。

将压力变送器LT103检测到的下水箱液位信号作为反馈信号与给定量进行比较，调节器根据其差值控制电动调节阀的开度，从而控制下水箱液位。

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。

调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。

图3-8为双容液位定值控制系统的方框图。

具体实验步骤：

1.将储水箱中贮足水量，然后将阀门QV102、QV107全开，将中水箱和下水箱的出水闸板QV118、QV116开至适当开度（QV118的开度大于QV116的开度），其余阀门均关闭。

2.智能仪表的测量值输入端AI0与下水箱液位输出端连接，操作值输出端AO0接电动调节阀控制信号输入端。

3.打开上位机“组态王”的工程管理器，选择“智能仪表过程控制实验组态”工程，进入“A3000高级过程控制实验监控系统”运行环境，点击“进入系统”按钮进入主画面《A3000高级过程控制实验系统__智能仪表》，在实验目录中选择“双容水箱液位定值控制系统”工程，进入本实验的监控界面。

4.在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”，并将设定值和输出值设为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。

5.接通控制系统柜的电源开关和现场系统单相电源开关，打开现场系统面板上的“水泵2#”开关，给2#水泵上电打水。

适当增加或减少智能仪表的输出值，使下水箱的液位平衡于设定值。

6.用本章第一节实验中所述的临界比例度法或4：

1衰减振荡法整定调节器的相关参数，并按整定后的PI参数进行调节器的参数设置。

7.将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：

（1）突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有以个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面两种仅供参考）

（2）将电动调节阀的旁路阀QV104开至适当开度；

（3）改变负载，将下水箱进水阀QV106（或QV108）开至适当开度，接通变频器/1#水泵电源，然后打开阀QV115，QV106（或QV108），用变频器支路以较小频率给中水箱打水。

以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％－15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。

加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面两种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值、和仪表参数。

8.分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。

五、实验报告

1.用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。

2.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。

3.分析不同PI参数对系统的性能产生的影响。

4.分析P、PI、PID控制方式对本实验系统的作用。

六、思考题

1.如果采用上水箱和中水箱作实验，其响应曲线与本实验的曲线有什么不同？

并分析差异原因。

2.改变比例度δ和积分时间T1对系统的性能产生什么影响。

a）为什么本实验比单容液位定值控制系统更容易引起振荡？

b）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？

第四节三容水箱液位定值控制系统

一、实验目的

1.了解三容串级液位定值控制系统的结构组成。

2.通过本实验掌握三容单回路系统调节器参数的整定和系统的投运方法。

3.研究调节器相关参数的变化对系统动态性能的影响。

二、实验设备

1.A3000高级过程控制实验系统

2.计算机及相关软件

三、实验原理

图3.10三容液位定值控制实验系统方框图

图3.9为三容液位定值控制实验系统的结构图，图3.10为该系统的方框图。

本实验由上、中、下三个水箱串联组成系统被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。

由双容特性测试实验可以推知，三容对象是一个三阶系统，可用三个惯性环节来描述。

本实验要求下水箱液位稳定至给定量，将压力变送器LT103检测到的下水箱液位信号作为反馈信号与给定量进行比较，调节器根据其差值控制电动调节阀的开度，从而控制下水箱液位。

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。

为了在实验时能满足下水箱液位达到设定的高度，要求三只水箱放水闸板的开度必须满足下列关系：

QV119开度>QV118开度>QV116开度

（1）

这样，当系统稳态时三个水箱的液位高度必然会满足下列关系：

下水箱液位>中水箱液位>上水箱液位

（2）

满足上述的不等式关系后，系统在稳态时才会出现流量的平衡关系Q1=Q2=Q3=Q4。

四、实验内容与步骤

1.将储水箱中贮足水量，然后将阀门QV102、QV109全开，将上水箱、中水箱和下水箱的出水闸板QV119、QV118、QV116开至适当开度（QV119开度>QV118开度>QV116开度），其余阀门均关闭。

2.智能仪表的测量值输入端AI0与下水箱液位输出端连接，操作值输出端AO0接电动调节阀。

3.打开上位机“组态王”的工程管理器，选择“智能仪表过程控制实验组态”工程，进入“A3000高级过程控制实验监控系统”运行环境，点击“进入系统”按钮进入主画面《A3000高级过程控制实验系统__智能仪表》，在实验目录中选择“三容水箱液位定值控制系统”工程，进入本实验的监控界面。

4.在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”，并将设定值和输出值设为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。

5.用临界比例度法或4：

1阻尼振荡法，整定调节器的相关参数。

6.接通控制系统柜的电源开关和现场系统单相电源开关，打开现场系统面板上的“水泵2#”开关，给2#水泵上电打水。

7.设置系统的给定值后，手动操作调节器控制3只水箱液位的高度。

当下水箱的液位等于给定值，且上、中水箱的液位基本不变时，把调节器由手动切换为自动，使系统进入自动运行状态，进行下列实验：

1）当系统进入稳态后，突变给定量（其增量一般取给定值的10%左右），观察并记录系统在给定增量作用下的动态响应曲线。

2）启动变频器调速的磁力泵支路，分别适量开启阀QV110或QV108或QV106的开度（开度同样大小）作为扰动，观察并记录下水箱液位的变化过程。

3）通过多次反复改变调节器的比例度δ和积分时间常数TI的大小，使系统具有最佳的动态性能。

记录此时调节器的参数和系统被控制量的响应曲线。

五、实验报告

1.用实验方法确定调节器的参数，画出所得的波形，并标上相应的参数值。

2.列表表示在所整定的参数下系统阶跃响应的动、静态性能。

3.列表表示在所整定的参数下阶跃扰动作用在系统不同位置时被控制量响应的动态性能。

4.列表表示经调试后求得的调节器参数和相应系统阶跃响应的性能指标。

六、思考题

1.为什么对三只水箱的出水阀开度大小要求不同？

2.如果在相同阶跃信号作用下，系统的被控制量具有完全相同的动态性能指标，本实验中所取调节器的比例度和积分时间常数的大小与以上实验有何不同？

第五节锅炉动态水温度PID单回路控制

一、实验目的

1.了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。

2.研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用。

3.了解PID参数自整定的方法及参数整定在整个系统中的重要性。

二、实验设备

1.A3000高级过程控制实验系统

2.计算机及相关软件

三、实验原理

图3.11是锅炉动态水温定值控制系统结构示意图。

水介质由泵P101（变频器U-101驱动）从水箱V104中加压获得压头，经由换热器X-102进入锅炉，当锅炉内的水量达到测试需要的高度后，关闭手阀QV-115，打开手阀QV-114，从而使锅炉E101、换热器X-102、水泵P101构成一个循环回路；其中，锅炉E101的温度由温度表TE-101测得，用调节手阀QV-114的开启程度来调整锅炉水回流量的大小，换热器X-102模拟了锅炉的热负荷。

采用动态循环水把锅炉的水搅动起来可使加热均匀，另外三相电加热管功率为4.5KW，加热过程相对较快，散热过程相对较慢，所以让循环水经过换热器，以加快散热过程。

本实验为定值自动调节系统，可控硅GZ-101功率为操纵变量，锅炉水温TE-101为被控变量。

图3.12为锅炉动态水温定值控制系统方框图。

实验要求锅炉内的水温稳定至给定值。

将锅炉内水温度信号作为反馈信号与给定值进行比较，将其差值送给调节器的输入，调节器的输出控制三相调压模块的输出电压（三相电加热管的电压），从而控制锅炉内水温。

由于加热过程时延较大，其控制过渡时间较长，系统的调节器可选PD或PID控制。

四、实验内容与步骤

1.将储水箱贮足水量，然后将阀门QV115、QV111、QV112全开，将锅炉出水阀QV114关闭，其余阀门也关闭。

2.智能仪表1的测量值输入端AI0接锅炉水温TE101输出端，智能仪表1的输出端AO0接加热器调压控制输入端；智能仪表2的输出端AO0接电动调节阀控制信号输入端。

3.闭合A3000现场电器控制屏上的单相电源，打开变频器/水泵1#开关，手动调节变频器的频率为50Hz，给锅炉内存储一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的1/2位置），然后关闭阀QV115，打开阀QV114。

4.接通控制柜总电源空气开关，智能仪表上电。

5.打开上位机“组态王”的工程管理器，选择“智能仪表过程控制实验组态”工程，进入“A3000高级过程控制实验监控系统”运行环境，点击“进入系统”按钮进入主画面《A3000高级过程控制实验系统__智能仪表》，在实验目录中选择“锅炉动态水温度PID单回路控制”工程，进入本实验的监控界面。

6.在实验监控界面中将智能仪表1设置为“手动”并将输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。

7.闭合现场电器控制屏上的三相电源空气开关，三相电加热模块通电加热，适当增加或减少智能仪表1的输出，使锅炉内水温平衡于设定值。

8.用临界比例度法或衰减曲线法整定调节器参数，选择PID控制规律，并按整定后的PID参数进行调节器参数设置。

9.将智能仪表1切换到“自动”状态，待水温平衡后，突增（或突减）设定值，使其有一个正（或负）的阶跃增量（此增量不宜过大，一般为设定值的5％－15％），于是锅炉内水温离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水温稳定至新的设定值，记录此时智能仪表的设定值、输出值、仪表参数和内胆水温的响应曲线。

10.打开2#水泵电源开关，在智能仪表上手动设置将电动调节阀的开度（10%左右），电动调节阀支路开始往换热器打冷水，重复步骤5－9，观察实验的过程与前面不加冷水的过程有何不同。

通过反复多次调节PID的参数，使系统具有较满意的动态性能指标。

用计算机记录此时系统的动态响应曲线。

11.（选作）分别采用P、PI、PD控制规律重复实验，观察在不同的P、I、D参数下，系统的阶跃响应曲线。

五、实验报告

1.用实验方法整定调节器的相关参数，写出整定过程。

2.根据实验曲线和数据，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。

3.比较不同PID参数对系统性能产生的影响。

4.分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实验系统的作用。

六、思考题

1.消除系统的余差为什么采用PI调节器，而不采用纯积分器？

2.在温度控制系统中，为什么用PD和PID控制，系统的性能并不比用PI控制有明显地改善？

3.为什么锅炉动态水的温度控制比静态水时的温度控制更容易稳定？

第六节电动阀支路流量的定值控制系统

一、实验目的

1.了解单闭环流量定值控制系统的组成。

2.应用阶跃响应曲线法整定调节器的参数。

3.研究调节器中相关参数的变化对系统性能的影响。

二、实验设备

1.A3000高级过程控制实验系统。

2.计算机及相关软件。

三、实验原理

图3.13为单闭环流量控制系统的结构图，图3.14为单闭环流量控制系统的方框图。

系统的被控制量为电动调节阀支路流经管道中的液体流量Q。

实验要求电动调阀支路流量Q稳定至给定值，将电磁流量计FT102检测到的流量信号作为反馈信号与给定量进行比较，其差值通过调节器控制电动调节阀FV10的开度，从而控制管道中的流量。

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动下的无静差控制，系统的调节器应为PI控制，并且在实验中PI参数设置要比较大。

基于被控对象是一个时间常数较小的惯性环节，故本系统调节器的参数宜用阶跃响应曲线法确定。

四、实验内容与步骤

1.在现场系统上，将手阀QV-102，QV-105完全打开，闸板QV-116完全开启，其余阀门关闭。

下水箱容器只是作为水介质流通回路的一个部分。

2.在控制机柜上，把IO面板的FT-102流量计信号端子通过实验连接线连到AI0端，面板上的FV-101调节阀控制端连接到控制器AO0端。

3.打开设备电源，包括电动调节阀和电磁流量计的电源。

接通水泵P102电源。

4.连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。

5.打开上位机“组态王”的工程管理器，选择“智能仪表过程控制实验组态”工程，进入“A3000高级过程控制实验监控系统”运行环境，点击“进入系统”按钮进入主画面《A3000高级过程控制实验系统__智能仪表》，在实验目录中选择“电动阀支路流量的定值控制系统”工程，进入本实验的监控界面。

6.在实验监控界面中将智能仪表设置为“手动”并将输出值设定到比较大的状态，同时监测电磁流量计的流量测量。

经过1分钟后，流量计测量准确后开始测试。

7.把调节器切换到自动控制。

8.通过反复多次调节PI的参数，使系统具有较满意的动态性能指标。

用计算机记录此时系统的动态响应曲线。

五、实验报告

1.用实验方法整定PI调节器的参数。

2.做出比例P控制时不同δ值下的阶跃响应曲线，并记下它们的余差ess。

3.比例积分调节器（PI）控制

（1）在比例调节控制实验的基础上，加上积分作用“I”，即把“I”（积分）设置为一参数，根据不同的情况，设置不同的大小。

观察被控制量能否回到原设定值的位置，以验证系统在PI调节器控制下，阶跃扰动不使系统产生余差。

（2）固定比例P值（中等大小），然后改变调节器的积分时间常数TI值，观察加入阶跃扰动后被调量的输出波形和响应时间的快慢。

（3）固定TI于某一中等大小的值，然后改变比例度δ的大小，观察加阶跃扰动后被调量的动态波形和响应时间的快慢。

4.分析δ和TI值改变时，各给系统动态性能产生什么影响。

六、思考题

1.为什么采用PI调节器消除系统的余差，而不采用纯积分器？

2.为什么本系统调节器参数的整定要用阶跃响应曲线法，而不用临界比例度法和阻尼振荡法？