过控实验报告1.docx
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过控实验报告1
过程控制工程
实验报告
实验一单回路控制系统
一、实验目的
1、掌握A3000过程试验装置的结构和管路流程，掌握SUPCONDCS的操作使用方法。
2、掌握对象特性测试方法。
2、了解单回路控制的特点和调节品质，掌握PID参数对控制性能的影响。
3、学会分析执行器风开风关特性的选择及调节器正反作用的确定。
4、初步掌握单回路控制系统的投运步骤以及单回路控制器参数调整方法。
二、实验设备
A3000过程对象的下水箱V103，SUPCONDCS，支路系统1，支路系统2。
三、实验原理和流程
（一）实验原理
1．单容自衡对象动态特性测试
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。
如图1.1，水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板开度来改变。
被调量为水位H。
通过物料平衡推导出的公式：
，则
，其中，
是水槽横截面积，
是调节阀系数，
为流量系数，在工作点处进行线性化和增量化，得：
，其中，
就是水阻。
进行拉普拉斯变换，得该系统的传递函数数学模型为：
如果对象具有滞后特性时，传递函数为：
模型中
分别为对象增益、时间常数、纯滞后时间，这三个参数可以根据对象的阶跃相应曲线进行求取，如图1.2，一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数
，也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数
。
如果对象具有滞后特性时，在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。
图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间常数
。
图1.2利用响应曲线求模型参数
2．单回路控制系统
图1.3单回路控制系统方框图
图1.3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组成一个单闭环控制系统。
系统的给定量是某一定值，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，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。
控制器采用PID控制规律，其传递函数为
。
常用的控制规律有比例（P）调节、比例积分（PI）调节、比例微分（PD）调节、比例积分微分（PID）调节。
调节器参数的整定一般有两种方法：
一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。
工程实验整定法有临界振荡法、衰减振荡法、动态特性参数法。
（1）临界振荡法
将
调整
置较大值，逐渐减小
，直至出现等幅振荡，记下
（临界比例带），根据
查表得
，见下表
整定参数
调节规律
Ti
Td
P
2r
PI
2．2r
0．85Tr
PID
1．67r
0．50Tr
0．125Tr
临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。
首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。
在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。
（2）衰减振荡法
将
调（使被控量达4：
1或10：
1；对应
根据
选
整定参数
调节规律
Ti
Td
P
s
PI
1.2s
0.5Ts
PID
0.8s
0.3Ts
0.1Ts
3动态特性参数法
所谓动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数（K、T、τ等），利用下表所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：
1时调节器的相关参数。
如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（4：
1衰减）就有难度，此时应采用动态特性参数法进行整定。
整定参数
调节规律
Ti
Td
P
PI
PID
（二）实验流程
以第1套实验装置为例，在A3000高级过程控制实验系统中，如图1.4所示组成单回路控制系统。
图1.4单回路控制系统
四、实验内容与步骤
（一）SUPCONDCS操作熟悉
由教师或学生启动操作站上的SUPCONDCS监控画面，注意各组只启动自己的小组画面，不要乱动其他组的装置，所有一切操作都在DCS上有记录。
进入画面后，要求学生首先熟悉DCS操作，逐项熟悉下面的内容：
监控画面上工具条按钮的意义与用法；
如何进行画面切换与翻页；
如何切换到流程画面和趋势画面；
流程图画面熟悉，与实际系统的对应；
在流程画面上的操作，包括：
电磁阀开关面板的弹出、调节器面板的弹出、手操器面板的弹出；
熟悉开关面板的操作；
熟悉调节器面板的操作，包括给定值、阀位、手自动切换等；
熟悉手操器面板的操作；
熟悉如何通过调节器面板切换到PID整定画面；
熟悉PID整定面板上各个内容的操作，包括：
熟悉怎样设置PID调节器的正反作用、PID参数、手自动、给定、阀位、曲线倍率选择等。
（二）单容自衡水箱对象动态特性测试
首先将装置上的手阀全部关闭，然后仅打开画面上显示的手阀，具体操作为：
打开QV-115、QV-106、QV-102，QV-116
关闭QV-105、QV-111
调节各装置水箱闸板到适当位置（开度0.6~0.8CM）；
在DCS操作站上通过用鼠标点击画面上的LIC1003框调出LIC1003调节面板，用鼠标左键点击LIC1003调节面板上的
按钮，将该调节器切至手动，将调节器LIC1003的阀位输出置为0；将手操器HIC1002的阀位输出置为0，然后打开手阀QV-105；
由教师正确打开A3000现场系统的面板开关；
在DCS操作站上将电磁阀XV-101置于开的状态；
在DCS上，使LIC1003处于手动状态，给该调节器输出一定的开度，使水箱开始加水到一定高度（50％以下），并稳定下来，记录下此时阀位的开度和液位的高度。
给阀位一个正向阶跃，幅值不宜太大，然后观察液位响应曲线，等到液位稳定后记下此时的阀位开度和液位高度，根据DCS记录的响应曲线和图1.2计算水箱的模型。
将液位恢复到初始的工作点，给阀位一个反向阶跃，求出此时的水箱模型。
比较两次求取的数学模型是否一致？
（三）单回路控制系统
正确投用单回路控制回路，在此过程中考虑DCS是如何实现无扰切换的，具体如下：
在DCS操作站上通过用鼠标点击画面上的LIC1003框调出LIC1003调节面板，用鼠标左键点击LIC1003调节面板上的
按钮，将该调节器切至手动，变频器可以认为具有风开特性，正确设置调节器的正反作用，由学生自行判断与设置。
1、内容一：
PI控制
在DCS上，使LIC1003处于手动状态，给该调节器输出一定的开度，使水箱开始加水到一定高度（50％以下），并稳定下来，设置LIC1003控制器为PI控制，然后在LIC1003的调节面板上用鼠标左键点击面板上的
按钮，将LIC1003切入自动，在相同液位工作点下，对该液位控制系统的液位给定值做一个阶跃（范围不要太大，5％～15％之间，正向或负向），观察不同比例度和积分时间下的控制效果，分析比例度和积分时间对控制效果的影响。
对PI控制器进行工程整定，并将整定后的参数置入控制器，然后对对该液位控制系统的液位给定值做一个阶跃，观察控制效果。
在A3000装置上打开QV-105，在DCS上调出HIC1002手操器面板，给该手操器输出一个开度（比如10％），对液位控制系统施加干扰，观察控制系统对干扰的抑制效果。
2、内容二：
PID控制
采用PID控制，重复上面内容一的实验。
五、思考题
1.如果要测二阶对象的数学模型，在A3000装置上如何搭建出流程来？
画出具体流程图。
2、分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。
答：
P：
是基本控制作用，比例调节对控制作用和扰动作用的响应都很快但会带来余差。
PI：
其中P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但是I会降低系统的稳定性。
PD：
由于微分的超前作用，能增加系统的稳定度，震荡周期变短，减小了误差，但是由于微分抗干扰能力差，且微分过大会导致调节阀动作向两边饱和。
PID：
常规调节器中性能最好的一种调节器，具有各类调节器的优点，具有更高的控制质量。
3、二阶水箱液位控制系统流程如何搭建？
答：
先控制好上水箱出口流量，用作下水箱的输入流量，然后搭建一阶水箱模型，进行PID参数调试与控制。
4、分析一下简单控制系统的投用步骤，DCS的数字PID算法是如何实现无扰切换的？
答：
投用步骤:
在DCS操作站上通过用鼠标点击画面上的LIC1003框调出LIC1003调节面板，用鼠标左键点击LIC1003调节面板上的
按钮，将该调节器切至手动，变频器可以认为具有风开特性。
然后进行PI和PID控制操作。
5、通过单击
与
来实现无扰切换。
答：
手动模式下，PID控制器输出可写作如下算式：
u（t-）=up（t-）+ui（t-）+ud（t-）；切换到自动之后，u（t+）=up（t+）+ui（t+）+ud（t+）；若实现u（t-）=u（t+）。
可以通过更新积分部分状态或微分状态来实现。
六、实验结果提交
1、画出单容水箱液位特性测试实验的结构框图。
答：
2、画出单容自衡对象特性测试时的响应曲线，根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出单容水箱液位对象的参数及传递函数。
3、画出单容水箱液位定值控制实验的结构框图。
4、绘制出PI控制时的各种响应曲线，并分析比例度和积分时间对控制效果的影响。
答：
比例度减小，一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生震荡，使稳定性变坏。
Ti增大，有利于减小超调，减小震荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除随之减慢
5、绘制出PI控制时整定之后的控制效果曲线及对干扰的抑制曲线。
6、绘制出PID控制时的各种响应曲线，并分析比例度和积分时间、微分时间对控制效果的影响。
答：
Kp增大，一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生震荡，使稳定性变坏。
Ti增大，有利于减小超调，减小震荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除随之减慢
Td增大，有利于加快系统响应，使超调减小，稳定性增加，但对高频扰动有较敏感的响应。
7、绘制出PID控制时整定之后的控制效果曲线及对干扰的抑制曲线。
六、实验总结
通过本次试验，我掌握了A3000过程控制系统的结构和管路流程，学习并掌握了SUPCONDCS的操作使用方法。
同时学习了对象特性测试方法，了解了单回路控制的特点和调节品质，巩固并深刻认识到PID参数对控制性能的影响；学习了分析执行器风开风关特性的选择、调节器正反作用的确定等；初步掌握了单回路控制系统的投运步骤和单回路控制器参数调整方法。
可以运用二阶水箱实际操作，进行相应参数调试和控制，了解到实际操作与理论有所差别，需要我们结合理论指导，实际去调试。
实验二串级控制系统
一、实验目的
1、学习闭环串级控制的原理。
2、了解闭环串级控制的特点。
3、掌握闭环串级控制的设计。
4、初步掌握串级控制系统的投运步骤以及闭环串级控制器参数调整。
二、实验设备
A3000过程对象的下水箱V103，SUPCONDCS，支路系统1，支路系统2
三、实验流程
以第1套实验装置为例，在A3000高级过程控制实验系统中，如图2.1所示组成单容的液位流量串级控制系统。
图2.1液位串级控制实验
实验以串级控制系统来控制下水箱液位，以第1支路流量为副对象，左边水泵经变频控制直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，所以选为副回路参数。
下水箱为主对象，流量的改变需要经过一定时间才能反映到液位，时间常数比较大，时延大。
所以选为主回路参数。
该控制系统结构图如图2.2。
图2.2液位串级控制实验
四、实验内容与步骤
（一）SUPCONDCS操作熟悉
由教师启动操作站上的SUPCONDCS监控画面，注意各组只启动自己的小组画面。
进入画面后，要求学生首先熟悉DCS操作，逐项熟悉下面的内容：
监控画面上工具条按钮的意义与用法；
如何进行画面切换与翻页；
流程图画面熟悉，与实际系统的对应；
在流程画面上的操作，包括：
电磁阀开关面板的弹出、调节器面板的弹出、手操器面板的弹出；
熟悉开关面板的操作；
熟悉调节器面板的操作，包括给定值、阀位、手自动切换等；
熟悉手操器面板的操作；
熟悉如何通过调节器面板切换到PID整定画面；
熟悉PID整定面板上各个内容的操作，包括：
熟悉怎样设置PID调节器的正反作用、PID参数、手自动、给定、阀位、曲线倍率选择等。
（二）串级控制系统实验
1准备工作
首先将装置上的手阀全部关闭，然后仅打开画面上显示的手阀，具体操作为：
打开QV-115、QV-106、QV-102，QV-116
关闭QV-105、QV-111
调节各装置的水箱闸板到适当位置（开度0.6~0.8CM）；
在DCS操作站上先将两个调节器LIC1003和FIC1001切换到手动状态，变频器可以认为具有风开特性，正确设置两个调节器的正反作用和PID参数，由学生自行判断与设置；
在DCS操作站上先将调节器LIC1003和FIC1001设为手动状态。
两个调节器LIC1003和FIC1001的阀位输出置为0，将手操器HIC1002的阀位输出置为100；
由教师正确打开A3000现场系统的面板开关；
在DCS操作站上将电磁阀XV-101置于开的状态；
在DCS上，给调节器FIC1001输出一定的开度，使水箱开始加水到一定高度（50％以下）；
2串级控制回路的投运步骤
正确投用串级控制回路，在此过程中考虑DCS是如何实现无扰切换的，学习在DCS上副调节器和主调节器的投用方法与步骤，具体如下：
等到液位达到一定的高度后，在画面上调出FIC1001的调节面板，用鼠标左键点击面板上的
按钮，将FIC1001切入自动；
在画面上调出LIC1003的调节面板，用鼠标左键点击面板上的
按钮，将LIC1003切入串级；
在LIC1003或者FIC1001调节面板上，用鼠标左键点击
按钮，就能将相应的调节器切至手动；
另一种串级的投用方法：
在画面上调出FIC1001的调节面板，用鼠标左键点击面板上的
按钮，就能将整个串级回路投用。
3串级控制回路的整定
先整定副回路的PID参数，有两种方法，一种是象简单控制系统那样整定，满足规定的衰减比；另一种是鉴于副回路处于次要地位，不对其参数整定做过多要求，而是参照经验值一次设置好。
主调节器参数按照单回路系统方法进行整定（比如4:
1）。
通过反复对副调节器和主调节器参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的控制精度。
记录最佳的整定曲线。
4副回路对干扰的抑制能力
到实际装置上打开手阀QV－111至全开，以使副回路流量发生改变；
观察控制系统对干扰的抑制能力，如果扰动比较大或参数并不理想，则经过副回路的校正，还将影响主回路的液位，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使液位调回到给定值上。
说明：
通过管路流程可以发现，由于装置流程的限制，我们把干扰加在了流量测量检测仪表后面，虽然流量变化最终能反映到副调节器上，但有可能副回路对该内环干扰的抑制效果不理想。
5主回路对干扰的抑制能力
到实际装置上打开手阀QV－1105一定的开度，以施加液位干扰；
下水箱有扰动水流进入后，扰动使液位发生变化，观察主回路产生的校正作用和克服扰动对液位的影响过程。
五、思考题
1、画出该实验中串级控制系统结构图，指出内环和外环各包含什么，扰动是什么。
答：
内环包含上水箱和调节器。
外环包括下水箱和调节器。
扰动是外加的水。
2、串级控制系统如何实现投运时的无扰切换？
数字PID算法如何实现？
答：
通过单击
与
来实现无扰切换。
手动模式下，PID控制器输出可写作如下算式：
u（t-）=up（t-）+ui（t-）+ud（t-）；切换到自动之后，u（t+）=up（t+）+ui（t+）+ud（t+）；若实现u（t-）=u（t+）。
可以通过更新积分部分状态或微分状态来实现。
在电子数字计算机直接数字控制系统中，PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。
计算机直接数字控制系统大多数是采样-数据控制系统。
进入计算机的连续-时间信号,必须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入计算机的存贮器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。
3、本实验中选取主副参数各是什么？
依据是什么？
答：
主参数是上水箱液位，副参数是下水箱液位。
4、比较干扰施加位置不同对控制性能的影响。
答：
上水箱加干扰，追踪快，下水箱慢。
5、分析串级控制和单回路控制的区别，优缺点。
答：
串级控制相对于单回路控制
1.改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。
2.能迅速克服进入副回路的二次扰动。
3.提高了系统的工作频率。
对负荷变化的适应性较强
六、实验结果提交
1、给出最佳串级控制参数及主副参数的响应曲线。
2、提交副回路施加干扰时的主副参数的响应曲线。
3.提交主回路施加干扰时的主副参数的响应曲线。
七、实验总结
通过本次实验，熟悉了闭环串级控制的原理，了解了闭环串级控制的特点，掌握了闭环串级控制的设计，初步掌握了串级控制系统的投运步骤以及闭环串级控制器参数调整。
串级控制是在单回路控制系统的前提下进行的。
串级控制系统特点如下：
副回路具有快速调节作用，它能有效克服二次扰动的影响。
能克服副对象增益或调节阀特性的非线性对控制性能的影响，改善了对象的动态特性，提高了系统的工作效率。
在相同的衰减比下，主调节器的增益可显著加大。
串级控制系统的设计原则，单回路控制不能满足性能要求；有反应系统主要干扰的可测副参数；调节阀与副参数之间具有因果关系；副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含在副回路中。
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