北邮过程控制实验报告DOC.docx

1、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 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

2、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2030% 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25%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

3、，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2 U101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

4、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 AO03、 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

5、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、

6、 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,

7、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

8、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 S7-200 PLC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

9、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

10、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

11、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

12、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 V1

13、02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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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 3040%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

20、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Ko 7、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

21、%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

22、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)