北郵過程控制實驗報告

1、 過程控制實驗報告 學院： 自動化學院 專業(yè)： 自動化專業(yè) 班級： 2010211411 姓名： 韓思宇 學號： 10212006 指導老師： 李忠明 實驗一 單容過程的數(shù)學模型建立與控制a) 單容水箱液位數(shù)學模型一、實驗?zāi)康?、學習實驗的設(shè)備裝置以及管路構(gòu)成。2、熟悉儀表裝置，如檢測單元、控制單元、執(zhí)行單元等。3、了解液位容積特性，熟悉實驗法建模的具體方法。二、實驗設(shè)備1、實驗設(shè)備：A1000 對象系統(tǒng) (1)泵 (2)水泵調(diào)速器：工作電源24VAC，控制信號2-10VDC (3)液位變送器：量程為0-100,輸出信號4-20mA。2、系統(tǒng)組成液位容積（含水泵調(diào)速器）特性測量流程圖如圖1所示

2、。圖1 系統(tǒng)組成圖三、實驗步驟1、QV112 全開，QV116 打開45 度左右，其余閥門關(guān)閉。2、將LT101 連到AI0 輸入端，AO0 輸出端連到U101(手動輸出)。3、工藝對象上電，控制系統(tǒng)上電，啟動U101(P101)。4、啟動組態(tài)軟件，選擇“單容液位PID 控制”。設(shè)定U101 控制2030%，等待系統(tǒng)穩(wěn)定。液位和流量穩(wěn)定在某個值。液面不能太低，否則不算穩(wěn)定。5、設(shè)定U101 控制增加25%，記錄水位隨時間的數(shù)據(jù)，到新的穩(wěn)定點或接近穩(wěn)定。如果階躍太大，可能導致溢出。6、抓圖，若液位太低或者溢出，可以修改QV116 開度，重復4 和6 步。7、將系統(tǒng)輸出設(shè)定值置為0， 關(guān)閉系統(tǒng)，分

3、析數(shù)據(jù)四、實驗結(jié)果與思考設(shè)定U101控制增加2%后，系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線圖如圖2所示。圖2 U101控制增加2%的階躍響應(yīng)曲線圖求解傳遞函數(shù) G(S)=K/(TcS+1)參數(shù)控制量從 30%上升到35%，液位從50%上升到79.46%。Tc=100s。K=(79.3-50.4)/(35-30)=5.78。綜上，可得Tc=100s，K=7。b) 單容液位PID 控制一、實驗?zāi)康?、了解PID控制特點，掌握PID的調(diào)節(jié)規(guī)律；通過實驗學習PID參數(shù)的整定方法。2、分別用P,PI,PD,PID控制整定出最佳的比例度、積分時間和微分時間。二、實驗設(shè)備1、實驗設(shè)備：A1000 對象系統(tǒng)（1）水泵U102(P1

4、02)（2）水泵調(diào)速器：工作電源24VAC，控制信號2-10VDC（3）液位傳感器：量程為0-100%,輸出信號4-20mA。2、系統(tǒng)組成單容水箱液位 PID 控制流程圖如圖2所示。圖2 單容水箱液位PID控制流程圖三、實驗步驟1、打開手閥QV112，調(diào)節(jié)QV116開度，其余閥門關(guān)閉。2、在控制系統(tǒng)上，將水箱液位LT101輸出連接到AI0，電動調(diào)速器U101控制端連到AO0。3、打開設(shè)備電源。4、啟動計算機組態(tài)軟件，進入實驗項目界面。啟動調(diào)節(jié)器，設(shè)置各項參數(shù)。啟動右邊水泵U101(P101)和調(diào)速器。5、系統(tǒng)穩(wěn)定后可將調(diào)節(jié)器的手動控制切換到自動控制6、設(shè)置比例參數(shù)。觀察計算機顯示屏上的曲線，待

5、被調(diào)參數(shù)基本穩(wěn)定于給定值后，可以開始加干擾實驗。7、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。8、減小P 重復步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。9、增大P 重復步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。10、選擇合適的P，可以得到較滿意的過渡過程曲線。改變設(shè)定值(如設(shè)定值由50變?yōu)?0)，同樣可以得到一條過渡過程曲線。11、在比例調(diào)節(jié)實驗的基礎(chǔ)上，加入積分作用，即在界面上設(shè)置I 參數(shù)不是特別大的數(shù)。固定比例P 值為中等大小，改變PI 調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)值Ti，然后觀察加階躍擾動后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同Ti 值時的超調(diào)量%。

6、12、固定Ti于某一中間值，然后改變P的大小，觀察加擾動后被調(diào)量輸出的動態(tài)波形，據(jù)此列表記錄不同值Ti 下的超調(diào)量%。13、選擇合適的P和Ti值，使系統(tǒng)對階躍輸入擾動的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線。此曲線可通過改變設(shè)定值（如設(shè)定值由50%變?yōu)?0%）來獲得。14、在PI調(diào)節(jié)器控制實驗的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，在把軟件界面上設(shè)置Td參數(shù)，然后加上與前面調(diào)節(jié)時幅值完全相等的擾動，記錄系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動態(tài)曲線。15、選擇合適的P、Ti 和Td，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線（階躍輸入可由給定值從突變10%左右來實現(xiàn)）。16、將系統(tǒng)輸出設(shè)定值置為0，關(guān)閉系統(tǒng)。四、實驗結(jié)果與思

7、考 1、當P=4時，加擾動后，系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖2、減小P，當P=3時，加擾動后系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖所示。3、增大P，當P=5時，加擾動后系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖所示。4、加入積分作用，當Ti=10時，加擾動后系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖所示。5、加入積分作用，當Ti=15時，加擾動后系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖所示。6、加入積分作用，當Ti=4.8時，加擾動后系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖所示。7、加入微分作用，當Td=0.1時，加擾動后系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖所示。8、最終的PID參數(shù)為8、4.8、0.1。2、控制對象為正作用。因為實驗中的控制對象為V103水箱。當閥QV112開度變大，水箱入水量增加時，液位變高，因此控制對象為正作用。 實驗二、垂直

8、雙容過程液位控制a)雙容液位單回路PID 控制一、 實驗?zāi)康呐c要求1、實驗前需熟悉雙容液位控制模型的特點。2、熟悉儀表裝置，如檢測單元、控制單元、執(zhí)行單元等。3、用單回路PID 控制方法，整定出最佳的比例度、積分時間和微分時間。2、 實驗設(shè)備 1、A1000 小型過程控制實驗系統(tǒng)：（1）泵（2）水泵調(diào)速器：工作電源24VAC，控制信號2-10VDC（3）液位變送器：量程為0-100,輸出信號4-20mA。 壓力和液位變送器、渦輪流量計、微型潛水泵、AS3720 模塊、西門子S7-200 PLC、組態(tài)王軟件。 3、 實驗原理：流程圖如圖1 所示。 圖 1 雙容液位單回路PID 控制 水介質(zhì)由泵

9、U101(P101)從水箱V104 中加壓獲得壓頭，經(jīng)QV113、水箱V102、QV114、水箱V101、閥QV116，回流至水箱V104 而形成水循環(huán)，負荷的大小通過手閥QV116來調(diào)節(jié)；其中，水箱V101 的液位由液位變送器LT101 測得。3、 操作步驟和調(diào)試1、啟動組態(tài)王軟件，選擇“特性測試與單回路PID”中“垂直雙容液位PID 控制”。2、檢查水槽溢出時是否有溢流通道，保證發(fā)生溢出時水能夠流回蓄水箱V104。3、工藝對象上電，控制系統(tǒng)上電。4、設(shè)定液位的初始值為25%30%，同時保證V102 水槽的液位超過QV114 的閥口，此點可以通過調(diào)整閥QV114 和閥QV116 的開口大小實

10、現(xiàn)。5、觀察液位設(shè)定值與實測值是否一致，根據(jù)情況調(diào)整PID 值的大小。6、給設(shè)定值一個10%的階躍，是設(shè)定值為35%40%，觀察系統(tǒng)相應(yīng)情況，反復調(diào)整PID 參數(shù)，使系統(tǒng)具有較滿意的動態(tài)響應(yīng)和較高的靜態(tài)精度。7、抓圖，保存實驗曲線結(jié)果。8、通過調(diào)整QV111 增加系統(tǒng)干擾進行測試（使QV111 處于開口較小的狀態(tài)，相當于管路泄露），抓圖，記錄超調(diào)和穩(wěn)定時間。9、 將系統(tǒng)輸出設(shè)定值置為0， 關(guān)閉系統(tǒng)，分析數(shù)據(jù)。四：實驗結(jié)果：1、如下圖圖2，單回路PID控制下加10%階躍，當獲得較好動態(tài)，靜態(tài)響應(yīng)特性曲線時，Kp=2.58，Ki=1.0，Kd=0 圖2 單回路PID控制下加10%階躍后的響應(yīng)曲線

11、2、加入干擾后系統(tǒng)響應(yīng)曲線，如下圖圖3，此時 Kp=2.58，Ki=1.0，Kd=0 圖3 單回路PID控制下加干擾后的響應(yīng)曲線 b) 雙容液位串級控制一、 實驗?zāi)康呐c要求 了解雙容液位串級控制工作原理。通過實驗，掌握串級控制系統(tǒng)的投運、控制器參數(shù)的整定方法。組建串級回路，并測量兩類干擾下的控制效果。二、實驗設(shè)備1、A1000 小型過程控制實驗系統(tǒng)：（1）泵（2）水泵調(diào)速器：工作電源24VAC，控制信號2-10VDC（3）液位變送器：量程為0-100,輸出信號4-20mA。 壓力和液位變送器、渦輪流量計、微型潛水泵、AS3720 模塊、西門子S7-200 PLC、組態(tài)王軟件。 3、 實驗原理：

12、串級控制流程圖如圖4所示： 圖 4 雙容液位單回路PID 控制 水介質(zhì)由泵 U101(P101)從水箱V104 中加壓獲得壓頭，經(jīng)QV113、水箱V102、QV114、水箱V101、閥QV116，回流至水箱V104 而形成水循環(huán)，負荷的大小通過手閥QV116來調(diào)節(jié)；其中，水箱V101 的液位由液位變送器LT101 測得。其中，水箱V101 的液位由液位變送器LT101 測得，水箱V102 的液位由液位變送器LT102 測得。 本例為串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)速器U101 為操縱變量，以LT102 為被控變量的控制系統(tǒng)作為副調(diào)節(jié)回路，其設(shè)定值來自主調(diào)節(jié)回路以LT101 為被控變量的液位控制系統(tǒng)。4、 操作

13、步驟和調(diào)試1、啟動組態(tài)王軟件，選擇“復雜控制”中“垂直雙容串級液位控制”。2、檢查水槽溢出時是否有溢流通道，保證發(fā)生溢出時水能夠流回蓄水箱V104。3、工藝對象上電，控制系統(tǒng)上電。4、設(shè)定液位的初始值為25%30%，同時保證V102 水槽的液位超過QV114 的閥 口，此點可以通過調(diào)整閥QV114 和閥QV116 的開口大小實現(xiàn)。5、觀察液位設(shè)定值與實測值是否一致，根據(jù)情況調(diào)整主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器PID 參 數(shù)值的大小。6、給設(shè)定值一個10%的階躍，是設(shè)定值為35%40%，觀察系統(tǒng)相應(yīng)情況，調(diào)整 PID 參數(shù)，直到得到滿意的響應(yīng)曲線。7、抓圖，保存實驗結(jié)果。8、通過調(diào)整QV111 增加系統(tǒng)干擾進

14、行測試（使QV111 處于開口較小的狀態(tài)， 相當于管路泄露），抓圖，記錄超調(diào)和穩(wěn)定時間。9、將系統(tǒng)輸出設(shè)定值置為0， 關(guān)閉系統(tǒng)，分析數(shù)據(jù)。五：實驗結(jié)果：1、如圖5，串級PID控制下加10%階躍，當獲得較好動態(tài)，靜態(tài)響應(yīng)特性曲線時，主調(diào)節(jié)器PID參數(shù)為Kp=5，Ti=1，Td=0；副調(diào)節(jié)器PID參數(shù)為Kp=5，Ti=10000，Td=0。 圖5 串級PID控制下加10%階躍后的響應(yīng)曲線 2、加入干擾后系統(tǒng)響應(yīng)曲線，如下圖圖6，此時主調(diào)節(jié)器PID參數(shù)為Kp=5，Ti=1，Td=0；副調(diào)節(jié)器PID參數(shù)為Kp=5，Ti=10000，Td=0。 圖6 串級PID控制下加干擾后的響應(yīng)曲線六、分析與思考：1

15、：比較a、b兩實驗的結(jié)果答：如圖3，圖6所示，當系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾時，串級控制系統(tǒng)比單回路系統(tǒng)能更快消除干擾對主回路參數(shù)的影響，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)。如圖2，圖5所示，串級調(diào)節(jié)中，主、副調(diào)節(jié)器總的放大系數(shù)（主、副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)的乘積）可整定得比單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)大，因此，串級系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，很好的改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。綜合兩實驗的實驗結(jié)果可知，串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)，擁有更好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，系統(tǒng)的適應(yīng)能力高，抗干擾能力強，響應(yīng)速度快。2.本次串級實驗中主、副控制器正反作用如何確定？答：串級系統(tǒng)的控制框圖如下 圖7 雙容液PID 串級控制系統(tǒng)框圖 其中U101為副調(diào)節(jié)器，V102的液位為副對象，V10

16、1的液位為主對象，QV116為主調(diào)節(jié)器。副調(diào)節(jié)閥為氣開式（Kv為正），因為一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，為防止水箱里的水溢出，調(diào)節(jié)閥必須全關(guān)，而由于工藝可知，閥門開度增大時，液位升高，所以Ko2為正，為保證副回路為負反饋，Kc2為正，即副調(diào)節(jié)器為反作用方式，當V102液位升高時，V101液位升高，故ko1為正，為保證主回路負反饋，Kc1為正，即主調(diào)節(jié)器應(yīng)為反作用調(diào)節(jié)器。綜上，主，副調(diào)節(jié)器都為反作用調(diào)節(jié)器。3、結(jié)合本次實驗情況，分析串級控制比單回路控制質(zhì)量高的原因。 串級調(diào)節(jié)與單回路調(diào)節(jié)相比，多了一個副調(diào)節(jié)回路。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要干擾都包括在副調(diào)節(jié)回路中，因此，副調(diào)節(jié)回路能及時發(fā)現(xiàn)并消除干擾對主調(diào)節(jié)參數(shù)的影

17、響，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)。 串級調(diào)節(jié)中，主、副調(diào)節(jié)器總的放大系數(shù)（主、副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)的乘積）可整定得比單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)大，因此提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力，也就有利于改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，副回路的調(diào)節(jié)對象特性變化對整個系統(tǒng)的影響不大，如許多系統(tǒng)利用流量（或差壓）圍繞調(diào)節(jié)閥門或擋板組成副回路，可以克服調(diào)節(jié)機構(gòu)的滯后和非線性的影響。而當主調(diào)節(jié)器參數(shù)操作條件變化或負荷變化時，主調(diào)節(jié)器又能自動改變副調(diào)節(jié)器的給定值，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)能力。 因此，串級調(diào)節(jié)的品質(zhì)要比單回路調(diào)節(jié)好。實驗三、液位前饋-反饋復合控制 一、 實驗?zāi)康呐c要求1、實驗前需熟悉復合控制的原理與特點。2、熟悉儀表裝置，如檢測單元、控

18、制單元、執(zhí)行單元等。3、通過實驗掌握前饋補償器的設(shè)計方法。二、實驗原理：流程圖如圖1所示。水介質(zhì)由泵U101(P101)從水箱V104 中加壓獲得壓頭，經(jīng)流量計FT101、電動調(diào)速器U101、水箱V101、手閥QV116 回流至水箱V104 而形成水循環(huán)，負荷的大小通過手閥QV116 來調(diào)節(jié)；其中，水箱V101 的液位由液位變送器LT101測得，給水流量由流量計FT101 測得。本例中調(diào)速器U101 為操縱變量， LT101 為被控變量，接收流量的前饋信號參予到定值系統(tǒng)中，整體構(gòu)成前饋反饋控制系統(tǒng)。如果水路流量出現(xiàn)擾動，經(jīng)過流量計FT101 測量之后，測量得到干擾的大小，然后通過調(diào)整調(diào)速器開度

19、，直接進行補償。本次實驗采用靜態(tài)補償，補償器數(shù)值為圖1中的前饋系數(shù)K。 圖1 流量液位前饋反饋復合控制3、 操作步驟和調(diào)試（1）單一反饋控制實驗步驟：1、啟動組態(tài)王軟件，選擇“復雜控制”中“流量液位前饋反饋控制”。2、檢查水槽溢出時是否有溢流通道，保證發(fā)生溢出時水能夠流回蓄水箱V104。3、工藝對象和控制系統(tǒng)上電。4、設(shè)定K=0，液位設(shè)定值為30%左右，然后在“自動”模式下調(diào)節(jié)PID 控制器 參數(shù)，使得在設(shè)定值增加10%的階躍輸入情況下，能得到較為滿意的響應(yīng)曲 線。抓圖，保存實驗曲線結(jié)果5、增加干擾，調(diào)節(jié)QV111 從90 度變動到50 度，觀察系統(tǒng)響應(yīng)曲線。抓圖， 保存實驗曲線結(jié)果。6、若全

20、部實驗結(jié)束，將工藝對象和控制系統(tǒng)斷電。（2） 復合控制步驟：1、將調(diào)節(jié)閥QV111 轉(zhuǎn)回90 度的關(guān)閉狀態(tài)。2、設(shè)定K=0，液位設(shè)定值在3040%之間，保持3.1 步驟中的PID 參數(shù)不變。3、系統(tǒng)穩(wěn)定后，觀察主界面上方的穩(wěn)態(tài)流量（百分比）記為q1，下方的調(diào)節(jié)器 輸出記為u1。將調(diào)節(jié)閥QV111 從90 度變動到70 度，觀察響應(yīng)曲線，系統(tǒng) 穩(wěn)定后，將穩(wěn)態(tài)流量（百分比）記為q2，下方的調(diào)節(jié)器輸出記為u2，則前饋 補償器的計算公式為：6、將調(diào)節(jié)閥QV111 轉(zhuǎn)回90 度的關(guān)閉狀態(tài)。系統(tǒng)穩(wěn)定后，將q1 輸入到主界面 下方的“穩(wěn)態(tài)流量百分”的編輯框中，前饋系數(shù)設(shè)為式1 求得的K。7、增加干擾，調(diào)節(jié)QV111 從90 度變動到50 度，觀察響應(yīng)曲線。抓圖，保存 實驗曲線結(jié)果。8、點擊主界面“停止”按鈕，關(guān)閉系統(tǒng)，分析數(shù)據(jù)。9、若全部實驗結(jié)束，將工藝對象和控制系統(tǒng)斷電。四：實驗結(jié)果與思考：1. 針對得到的不同實驗曲線，加以對比分析說明。（1） 在單一反饋實驗中，設(shè)定K=0，液位設(shè)定值為30%左右，然后在“自動”模式下調(diào)節(jié)PID 控制器參數(shù)，在設(shè)定值增加10%的階躍輸入情況下，能得