自控13級過程控制實驗指導(dǎo)書

1、過程控制實驗指導(dǎo)書控制工程系106實驗室 自動化學(xué)院2014.4實驗二、一階單容上水箱對象特性測試實驗一、實驗?zāi)康?）、熟悉單容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線。2）、根據(jù)由實際測得的單容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法分別確定它們的參數(shù)。二、實驗設(shè)備1）、 AE2000A型過程控制實驗裝置：配置：萬用表、上位機軟件、計算機、RS232-485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根、實驗連接線。三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖單容水箱如圖1-1所示： 圖1-1、 單容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖四、實驗原理階躍響應(yīng)測試法是系統(tǒng)在開環(huán)運行條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過調(diào)節(jié)器或其他操作器，手動改變對象的輸入信號（階躍信號）。同時，記錄對象的輸出

2、數(shù)據(jù)或階躍響應(yīng)曲線，然后根據(jù)已給定對象模型的結(jié)構(gòu)形式，對實驗數(shù)據(jù)進行處理，確定模型中各參數(shù)。圖解法是確定模型參數(shù)的一種實用方法，不同的模型結(jié)構(gòu)，有不同的圖解方法。單容水箱對象模型用一階加時滯環(huán)節(jié)來近似描述時，?？捎脙牲c法直接求取對象參數(shù)。 如圖1-1所示，設(shè)水箱的進水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開度值。根據(jù)物料動態(tài)平衡的關(guān)系，求得：在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得： Page: 3（1）式中，T為水箱的時間常數(shù)（注意：閥V2的開度大小會影響到水箱的時間常數(shù)），T=R2*C，K=R2為過程的放大倍數(shù)，R2為V2閥的液阻，C 為水箱的容量系數(shù)。令輸入流量Q1

3、（S）=RO/S，RO為常量，則輸出液位的高度為：當t=T時，則有：h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h()即 h(t)=KR0(1-e-t/T)當t>時，h（）=KR0，因而有K=h（）/R0=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入式（1-2）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖1-2所示。當由實驗求得圖1-2所示的 圖1-2、 階躍響應(yīng)曲線階躍響應(yīng)曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對應(yīng)時間，就是水箱的時間常數(shù)T，該時間常數(shù)T也可以通過坐標原點對響應(yīng)曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點 所對應(yīng)的時間就是時間常數(shù)T，其理論依據(jù)是：上式表示h（t）若以在原點時的速度h（

4、）/T 恒速變化，即只要花T秒時間就可達到穩(wěn)態(tài)值h（）。五、實驗內(nèi)容和步驟1、 設(shè)備的連接和檢查：（1）、關(guān)閉閥14，將AE2000A 實驗對象的儲水箱灌滿水（至最高高度）。（2）、首先打開手動閥閥1、閥4、閥7、閥15，然后將自動/手動切換開關(guān)打到手動方式上，在手動操作面板上打開主閥門電磁閥、電動調(diào)節(jié)閥、上水箱閥門電磁閥，一切準備好后再打開增壓泵的電源開關(guān)。關(guān)閉動力支路上通往其他對象的切換閥門。（3）、打開上水箱的出水閥：閥7至適當開度。（4）、檢查電源開關(guān)是否關(guān)閉2、對象管路圖：增壓泵、電動調(diào)節(jié)閥和各個手動閥、電磁閥所處狀態(tài)：1）、手動閥：閥1、閥4、閥7、閥15均應(yīng)處于打開狀態(tài)，其它手動

5、閥均關(guān)閉。2）、手動操作面板鈕子開關(guān)狀態(tài)：名稱主閥門電磁閥上水箱閥門電磁閥電動調(diào)節(jié)閥增壓泵手動操作面板開開開開其它電磁閥均處于關(guān)閉狀態(tài)。3、系統(tǒng)連線圖：圖1-3、 實驗接線圖1）、如圖1-3所示：將I/O信號接口面板上的上水箱液位的鈕子開關(guān)打到OFF位置。2）、將上水箱液位+（正極）接到任意一個智能調(diào)節(jié)儀的1端（即RSV的+極），上水箱液位-（負極 ）接到智能調(diào)節(jié)儀的2端（即RSV的負極）。3）、將智能調(diào)節(jié)儀的420mA輸出端的7端（即+極）接至電動調(diào)節(jié)閥的420mA輸入端的+端（即正極），將智能調(diào)節(jié)儀的420mA輸出端的5端（即-極）接至電動調(diào)節(jié)閥的420mA輸入端的-（即負極）。4）、電源

6、控制板上的三相電源、單相、的空氣開關(guān)打在關(guān)的位置。5）、電動調(diào)節(jié)閥的220V電源開關(guān)打在關(guān)的位置 。6）、智能調(diào)節(jié)儀的220V電源開關(guān)打在關(guān)的位置 。7）、增壓泵電源開關(guān)打在關(guān)的位置。4、啟動實驗裝置1）、將實驗裝置電源插頭接到380V的三相交流電源上。2）、打開電源三相帶漏電保護空氣開關(guān),電壓表指示380V。3）、打開總電源鑰匙開關(guān)，按下電源控制屏上的啟動按鈕，即可開啟電源。5、實驗步驟1）、開啟總電源、單相、空氣開關(guān)，根據(jù)儀表使用說明書和液位傳感器使用說明調(diào)整好儀表各項參數(shù)和液位傳感器的零位、增益，儀表輸出方式設(shè)為手動輸出，初始值為0。2）、啟動計算機MCGS組態(tài)軟件，進入實驗系統(tǒng)相應(yīng)的實

7、驗如圖1-4所示：1-4、實驗軟件界面3）、雙擊設(shè)定輸出按鈕，進行設(shè)定輸出值的大小，或者在儀表手動狀態(tài)下，將儀表的輸出值上升到所想設(shè)定的值，這個值根據(jù)閥門開度的大小來給定，一般初次設(shè)定值<25。開啟增壓泵電源開關(guān)，啟動動力支路。將被控參數(shù)液位高度控制在50%處（一般為15cm）。4）、觀察系統(tǒng)的被調(diào)量：上水箱的水位是否趨于平衡狀態(tài)。若已平衡，應(yīng)記錄調(diào)節(jié)儀輸出值，以及水箱水位的高度h1和智能儀表的測量顯示值并填入下表。儀表輸出值水箱水位高度h1儀表顯示值0100cmcm5）、迅速增加儀表手動輸出值，增加5%的輸出量，記錄此引起的階躍響應(yīng)的過程參數(shù)，均可在上位軟件上獲得，以此數(shù)據(jù)繪制變化曲線

8、。T（秒）水箱水位h1(cm)儀表讀數(shù)(cm)6）、直到進入新的平衡狀態(tài)。再次記錄平衡時的下列數(shù)據(jù)，并填入下表：儀表輸出值水箱水位高度h1儀表顯示值0100cmcm7）、將儀表輸出值調(diào)回到步驟5）前的位置，再用秒表和數(shù)字表記錄由此引起的階躍響應(yīng)過程參數(shù)與曲線。填入下表：t（秒）水箱水位h1(cm)儀表讀數(shù)(cm)8）、重復(fù)上述實驗步驟。六、 實驗報告要求（1）作出一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。（2）根據(jù)實驗原理中所述的方法，求出一階環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)。 七、注意事項（1）做本實驗過程中，上水箱出水閥不得任意改變開度大小。（2）階躍信號不能取得太大，以免影響正常運行；但也不能過小，以防止對象特性的不真實性

9、。一般階躍信號取正常輸入信號的5%15%。(3)在輸入階躍信號前，過程必須處于平衡狀態(tài)。八、思考題（1）在做本實驗時，為什么不能任意變化上水箱出水閥的開度大?。浚?）用兩點法和用切線對同一對象進行參數(shù)測試，它們各有什么特點?實驗三、上水箱液位PID整定實驗一、 實驗?zāi)康?）、通過實驗熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理。2）、分析分別用P、PI和PID調(diào)節(jié)時的過程圖形曲線。3）、定性地研究P、PI和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。二、 實驗設(shè)備1）、AE2000A型過程控制實驗裝置、上位機軟件、計算機、RS232-485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根。2）、萬用表一只三、實驗原理擾動液位給定上

10、水 箱電動調(diào)節(jié)閥PID控制器+液位變送器圖4-1、實驗原理圖圖4-1為單回路上水箱液位控制系統(tǒng)，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個調(diào)節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制上水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用工業(yè)智能儀表控制。當調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，一個單回路系統(tǒng)設(shè)計安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會使控制質(zhì)量變壞，

11、達不到預(yù)期效果。因此，當一個單回路系統(tǒng)組成好以后，如何整定好控制器參數(shù)是一個很重要的實際問題。一個控制系統(tǒng)設(shè)計好以后，系統(tǒng)的投運和參數(shù)整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比例度的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)，Ti調(diào)節(jié)合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。在單位階躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖4-2中

12、的曲線、所示。 圖4-2、P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線 一、 實驗內(nèi)容和步驟1、設(shè)備的連接和檢查：（1）、關(guān)閉閥14，將AE2000A 實驗對象的儲水箱灌滿水（至最高高度）。（2）、首先打開手動閥閥1、閥4、閥7、閥15，然后將自動/手動切換開關(guān)打到手動方式上，在手動操作面板上打開主閥門電磁閥、電動調(diào)節(jié)閥、上水箱閥門電磁閥，一切準備好后再打開增壓泵的電源開關(guān)。關(guān)閉動力支路上通往其他對象的切換閥門。（3）、打開上水箱的出水閥：閥7至適當開度。（4）、檢查電源開關(guān)是否關(guān)閉。2、對象管路圖：增壓泵、電動調(diào)節(jié)閥和各個手動閥、電磁閥所處狀態(tài)：1）、手動閥：閥1、閥4、閥7、閥15均應(yīng)處于打開狀態(tài)，

13、其它手動閥均關(guān)閉。2）、手動操作面板鈕子開關(guān)狀態(tài)：名稱主閥門電磁閥上水箱閥門電磁閥電動調(diào)節(jié)閥增壓泵手動操作面板開開開開其它電磁閥均處于關(guān)閉狀態(tài)。3、系統(tǒng)連線如圖4-3所示：圖4-3、上水箱液位PID參數(shù)整定控制接線圖1）、將I/O信號接口板上的上水箱液位的鈕子開關(guān)打到OFF位置。2）、將上水箱液位+（正極）接到任意一個智能調(diào)節(jié)儀的1端（即RSV的正極），將上水箱液位-（負極）接到智能調(diào)節(jié)儀的2端（即RSV的負極）。3）、將智能調(diào)節(jié)儀的420mA輸出端的7端（即正極）接至電動調(diào)節(jié)閥的420mA輸入端的+端（即正極），將智能調(diào)節(jié)儀的420mA輸出端的5端（即負極）接至電動調(diào)節(jié)閥的420mA輸入端的

14、-（即負極）。4）、電源控制板上的三相電源、單相、的空氣開關(guān)打在關(guān)的位置。5）、電動調(diào)節(jié)閥的220V電源開關(guān)打在關(guān)的位置 。6）、智能調(diào)節(jié)儀的220V電源開關(guān)打在關(guān)的位置 。7）、增壓泵電源開關(guān)打在關(guān)的位置。3、啟動實驗裝置1）、將實驗裝置電源插頭接到380V的三相交流電源上。2）、打開電源三相帶漏電保護空氣開關(guān)，電壓表指示380V。3）、打開總電源鑰匙開關(guān)，按下電源控制屏上的啟動按鈕，即可開啟電源4）、開啟單相、的空氣開關(guān)，調(diào)整好儀表各項參數(shù)（儀表初始狀態(tài)為手動且為0）和液位傳感器的零位。5）、啟動智能儀表，設(shè)置好儀表參數(shù)。（一） 比例調(diào)節(jié)控制1）、啟動計算機MCGS組態(tài)軟件，進入實驗系統(tǒng)選

15、擇相應(yīng)的實驗，如圖4-4所示：圖4-4、實驗軟件界面2）、打開電動調(diào)節(jié)閥和增壓泵電源開關(guān)，開始實驗。3）、設(shè)定給定值，調(diào)整P參數(shù)。4）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動，一般可通過改變設(shè)定值實現(xiàn)）。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。5）、減小P重復(fù)步驟4，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。6）、增大P重復(fù)步驟4，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。7）、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。8）、注意：每當做完一次試驗后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次試驗。（二）、比例積分

16、調(diào)節(jié)器（PI）控制1）、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)不為0，觀察被控制量是否能回到設(shè)定值，以驗證PI控制下，系統(tǒng)對階躍擾動無余差存在。2）、固定比例P值（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p。 表二、不同Ti時的超調(diào)量p積分時間常數(shù)Ti大中小超調(diào)量p3）、固定I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p。 表三、不同值下的p比例P大中小超調(diào)量p4）、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

17、曲線可通過改變設(shè)定值（如設(shè)定值由50%變?yōu)?0%）來獲得。（三）、比例積分微分調(diào)節(jié)（PID）控制1）、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，即把軟件界面上設(shè)置D參數(shù)，然后加上與前面實驗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，并與實驗（二）PI控制下的曲線相比較，由此可看到微分D對系統(tǒng)性能的影響。2）、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50%突變至60%來實現(xiàn)）。3）、在歷史曲線中選擇一條較滿意的過渡過程曲線進行記錄。（四）、用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù) 在實現(xiàn)應(yīng)用中，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)常用下述實驗的方法來確定。

18、用臨界比例度法去整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)是既方便又實用的。它的具體做法是：1）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步減小調(diào)節(jié)器的比例度（即1/P），并且每當減小一次比例度，待被調(diào)量回復(fù)到平衡狀態(tài)后，再手動給系統(tǒng)施加一個5%15%的階躍擾動，觀察被調(diào)量變化的動態(tài)過程。若被調(diào)量為衰減的振蕩曲線，則應(yīng)繼續(xù)減小比例度，直到輸出響應(yīng)曲線呈現(xiàn)等幅振蕩為止。如果響應(yīng)曲線出現(xiàn)發(fā)散振蕩，則表示比例度調(diào)節(jié)得過小，應(yīng)適當增大，使之出現(xiàn)等幅振蕩。圖3-5為它的實驗方塊圖。圖4-5、具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)2）、在圖4-5系統(tǒng)中，當被調(diào)量作等幅蕩時，此時的比例度就是臨界比例度，用k表示之，相應(yīng)的振蕩周期就是臨界周期Tk。據(jù)此，按下表可確定

19、PID調(diào)節(jié)器的三個參數(shù)、Ti和Td。 圖4-6、具有周期TK的等幅振蕩 表四 、用臨界比例度k整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱kTi(S)Td(S)P2kPI2.2kTk/1.2PID1.6k0.5Tk0.125Tk3）、必須指出，表格中給出的參數(shù)值是對調(diào)節(jié)器參數(shù)的一個初略設(shè)計，因為它是根據(jù)大量實驗而得出的結(jié)論。若要就得更滿意的動態(tài)過程（例如：在階躍作用下，被調(diào)參量作4：1地衰減振蕩），則要在表格給出參數(shù)的基礎(chǔ)上，對、Ti（或Td）作適當調(diào)整。二、 實驗報告要求1）、畫出單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖。2）、用接好線路的單回路系統(tǒng)進行投運練習(xí)，并敘述無擾動切換的方法。3）、用臨界比例度

20、法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，寫出三種調(diào)節(jié)器的余差和超調(diào)量。4）、作出P調(diào)節(jié)器控制時，不同值下的階躍響應(yīng)曲線。5）、作出PI調(diào)節(jié)器控制時，不同和Ti值時的階躍響應(yīng)曲線。6）、畫出PID控制時的階躍響應(yīng)曲線，并分析微分D的作用。7）、比較P、PI和PID三種調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)無差度和動態(tài)性能的影響。三、 注意事項1）、實驗線路接好后，必須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查認可后方可接通電源。四、 思考題1）、實驗系統(tǒng)在運行前應(yīng)做好哪能些準備工作？2）、為什么要強調(diào)無擾動切換？3）、試定性地分析三種調(diào)節(jié)器的參數(shù)、（、Ti）和（、Ti和Td）。的變化對控制過程各產(chǎn)生什么影響？4）、如何實現(xiàn)減小或消除余差？純比例控制能否消除余差？附錄1

21、：調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定一般有兩種方法：一種是理論計算法，即根據(jù)廣義對象的數(shù)學(xué)模型和性能要求，用根軌跡法或頻率特性法來確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)；另一種方法是工程實驗法，通過對典型輸入響應(yīng)曲線所得到的特征量，然后查照經(jīng)驗表，求得調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。工程實驗整定法有以下四種：（一）經(jīng)驗法若將控制系統(tǒng)按照液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對象往往比較接近，所以無論是控制器形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表1為經(jīng)驗法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進一步修正。若需加微分作用，微分時間常數(shù)按TD=()TI計算。表1 經(jīng)驗法整定參數(shù)系 統(tǒng)參 數(shù)(%)TI(min)TD(min)溫 度20603100.53流 量401000.11壓 力30700.43液 位2080(二)臨界比例度法圖1 具有周期TS的等幅振蕩這種整定方法是在閉環(huán)情況下進行的。設(shè)TI=，TD=0，使調(diào)節(jié)器工作在純比例情況下，將比例度由大逐漸變小，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)呈現(xiàn)等幅振蕩，如圖1所示。根據(jù)臨界比例度k和振蕩周期TS，按表2所列的經(jīng)驗算式，求取調(diào)節(jié)器的參考參數(shù)值，這種整定方法是以得到4：1衰減為目標。