北京工商大學(xué) 過程控制實(shí)驗(yàn)

1、第一節(jié) 單容自衡水箱特性的測試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握單容水箱的階躍響應(yīng)的測試方法，并記錄相應(yīng)液位的響應(yīng)曲線。2. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的液位階躍響應(yīng)曲線，用相應(yīng)的方法確定被測對象的特征參數(shù)K、T和傳遞函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. A3000高級過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)2. 計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件QV116V104V103hhQV105QV102P102LT103LICA103FV101MQ1Q2圖2.1單容水箱特性測試結(jié)構(gòu)圖三、實(shí)驗(yàn)原理由圖2.1可知，對象的被控制量為水箱的液位h，控制量（輸入量）是流入水箱中的流量Q1，Q2為流出水箱的流量。手動閥QV105和閘板QV116的開度（510毫米）都為定值。根據(jù)物料平衡關(guān)系，

2、在平衡狀態(tài)時： （1）動態(tài)時則有： （2）式中V為水箱的貯水容積，為水貯存量的變化率，它與h的關(guān)系為，即： （3）A為水箱的底面積。把式（3）代入式（2）得： （4）基于，RS為閘板QV116的液阻，則上式可改寫為，即：或?qū)懽鳎?（5）式中T=ARS，它與水箱的底積A和V2的RS有關(guān)；K=RS。式（5）就是單容水箱的傳遞函數(shù)。若令，R0=常數(shù)，則式（5）可改為：對上式取拉氏反變換得： （6）當(dāng)時，因而有 。當(dāng)t=T時，則。式（6）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2.2所示。 圖2.2 單容水箱的單調(diào)上升指數(shù)曲線當(dāng)由實(shí)驗(yàn)求得圖2.2所示的階躍響應(yīng)曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的

3、63%所對應(yīng)的時間，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(biāo)原點(diǎn)對響應(yīng)曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn)所對應(yīng)的時間就是時間常數(shù)T，由響應(yīng)曲線求得K和T后，就能求得單容水箱的傳遞函數(shù)。圖2.3 單容水箱的階躍響應(yīng)曲線如果對象的階躍響應(yīng)曲線為圖2.3，則在此曲線的拐點(diǎn)D處作一條切線，它與時間軸交于B點(diǎn)，與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于A點(diǎn)。圖中OB即為對象的滯后時間，BC為對象的時間常數(shù)T，所得的傳遞函數(shù)為：四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1. 智能儀表的測量值輸入端AI0可任意選擇上、中、下水箱中的一個水箱連接，操作值輸出端AO0接電動調(diào)節(jié)閥。2. 接通控制系統(tǒng)柜的電源開關(guān)和現(xiàn)場系統(tǒng)單項(xiàng)電源開關(guān)，啟動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。3

4、. 打開上位機(jī)“組態(tài)王”的工程管理器，選擇 “智能儀表過程控制實(shí)驗(yàn)組態(tài)”工程，進(jìn)入“A3000高級過程控制實(shí)驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)”運(yùn)行環(huán)境，點(diǎn)擊“進(jìn)入系統(tǒng)”按鈕進(jìn)入主畫面A3000 高級過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)_智能儀表 ，在實(shí)驗(yàn)?zāi)夸浿羞x擇“單容自衡水箱對象特性測試”工程，進(jìn)入本實(shí)驗(yàn)的監(jiān)控界面。4. 在上位機(jī)監(jiān)控界面中將智能儀表設(shè)置為“手動”控制，并將輸出值設(shè)置為一個合適的值，即給電動調(diào)節(jié)閥設(shè)置一個合適的開度，此操作須通過調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)。5. 打開現(xiàn)場系統(tǒng)面板上的“水泵2#”開關(guān)，給2#水泵上電打水。通過適當(dāng)增/減智能儀表的輸出量，使水箱液位處于某一平衡位置，記錄此時的儀表輸出值和液位值。6. 改變電動調(diào)節(jié)閥的開

5、度，使其輸出有一個正（或負(fù)）階躍量的變化（此增量不宜過大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一定的調(diào)節(jié)時間后，水箱的液位進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，記錄此時的儀表輸出值和液位值。液位的響應(yīng)過程曲線如圖2.4所示。圖2.4 單容箱特性響應(yīng)曲線 參數(shù)值測量值液位hKT正向輸入94min2.1負(fù)向輸入85min2.2平均值8.54.5min2.157. 根據(jù)前面記錄的液位值和儀表輸出值，按公式（6）計(jì)算K值，再根據(jù)圖2.3中的實(shí)驗(yàn)曲線求得T值，把所得的結(jié)果填入下表。寫出對象的傳遞函數(shù)。 五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 寫出常規(guī)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容。2. 分析用上述方法建立對象的數(shù)學(xué)模型有什么局限性？六、思考

6、題1. 做本實(shí)驗(yàn)時，為什么不能任意改變出水口閘板開度的大??？因?yàn)槿绻婚_始進(jìn)水閥開度就小于出水閥開度的話，系統(tǒng)永遠(yuǎn)無法達(dá)到平衡。同時出水閥也決定了液位達(dá)到設(shè)定值所需的時間長短，所以要調(diào)好開度大小，才能快速達(dá)到平衡。任意改變出水閥開度大小會對響應(yīng)曲線造成干擾，從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差變大。2. 用響應(yīng)曲線法確定對象的數(shù)學(xué)模型時，其精度與那些因素有關(guān)？因?yàn)橄到y(tǒng)用到了儀表，因此與儀表的精度有關(guān)，同時與誰水閥的開度大小有關(guān)。并且和放大系數(shù)時間常數(shù)純滯后時間有關(guān)。第二節(jié) 單容水箱液位定值控制系統(tǒng)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈫稳菀何欢ㄖ悼刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成。掌握單容液位定值控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定和投運(yùn)方法。研究調(diào)節(jié)器

7、相關(guān)參數(shù)的變化對系統(tǒng)靜、動態(tài)性能的影響。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. A3000高級過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)2. 計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件三、 實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的被控對象為下水箱，其液位高度作為系統(tǒng)的被控制量。系統(tǒng)的給定信號為一定值，它要求被控制量下水箱液位的穩(wěn)態(tài)值等于給定值。由反饋控制的原理可知，應(yīng)把下水箱的液位經(jīng)傳感器檢測后的信號作為反饋信號。QV116V104V103hhQV105QV102P102LT103LICA103FV101MQ1Q2圖3.5 下水箱液位定值控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖3.6 上水箱液位定值控制系統(tǒng)方框圖圖3.5為本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖3.6為控制系統(tǒng)的方框圖。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下

8、無靜差，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID。四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1. 本實(shí)驗(yàn)選擇下水箱作為被控對象（也可選擇中水箱或上水箱）。實(shí)驗(yàn)之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門QV102、QV105全開，將下水箱出水閘板QV116開至適當(dāng)開度（5-10mm）。2. 智能儀表的測量值輸入端AI0與下水箱液位輸出端連接，操作值輸出端AO0接電動調(diào)節(jié)閥。3. 打開上位機(jī)“組態(tài)王”的工程管理器，選擇 “智能儀表過程控制實(shí)驗(yàn)組態(tài)”工程，進(jìn)入“A3000高級過程控制實(shí)驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)”運(yùn)行環(huán)境，點(diǎn)擊“進(jìn)入系統(tǒng)”按鈕進(jìn)入主畫面A3000 高級過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)_智能儀表 ，在實(shí)驗(yàn)?zāi)夸浿羞x擇“單容水箱液位定值控制系統(tǒng)”工程，進(jìn)入本實(shí)

9、驗(yàn)的監(jiān)控界面。4. 選用單回路控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中所述的某種調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法整定好調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，并設(shè)置好系統(tǒng)的給定值后，在上位機(jī)監(jiān)控界面中將智能儀表設(shè)置為“手動”控制。5. 接通控制系統(tǒng)柜的電源開關(guān)和現(xiàn)場系統(tǒng)單相電源開關(guān)，打開現(xiàn)場系統(tǒng)面板上的“水泵2#”開關(guān)，給2#水泵上電打水。6. 待下水箱液位達(dá)到給定值且基本穩(wěn)定不變時，把調(diào)節(jié)器切換為自動，使系統(tǒng)投入自動運(yùn)行狀態(tài)。7. 突加階躍擾動（將給定量增加5%15%），觀察并記錄系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線。穩(wěn)態(tài)誤差超調(diào)量超調(diào)時間調(diào)整時間01.67%7min12min8. 待系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，適量改變閥QV105的開度（作為系統(tǒng)的擾動），觀察并記錄在階躍擾動作

10、用下液位的變化過程。系統(tǒng)輸出不斷下降，短時間內(nèi)無法恢復(fù)9. 適量改變PI的參數(shù)，用計(jì)算機(jī)記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。P改為50 I改為100五、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 用實(shí)驗(yàn)方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。2. 列表記錄，在上述參數(shù)下求得階躍響應(yīng)的動、靜態(tài)性能指標(biāo)。3. 列表記錄，在上述參數(shù)下求得系統(tǒng)在階躍擾動作用下響應(yīng)曲線的動、靜態(tài)性能指標(biāo)。4. 改變比例度和積分時間TI對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生什么影響？改變比例度會給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來一定影響，增大改變比例度會使超調(diào)量增加，系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定。而改變積分時間TI對系統(tǒng)的快速性有一定影響，當(dāng)增加積分時間時，曲線上升速度會來得比較緩，那么調(diào)節(jié)時間會變長。 第

11、二節(jié) 水箱液位串級控制系統(tǒng)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)2. 掌握串級控制系統(tǒng)的投運(yùn)與參數(shù)的整定方法3. 研究階躍擾動分別作用于副對象和主對象時對系統(tǒng)主控制量的影響二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. A3000高級過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)2. 計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件三、 實(shí)驗(yàn)原理QV108Q1LT102QV107V102FV101MLICA102m11QV118QV106Q2LT103V103變頻器U101LICA103P101QV116QV115RQ3P102V104QV102圖4.2水箱液位串級控制結(jié)構(gòu)圖圖4.3 液位串級控制系統(tǒng)的方框圖圖4.2為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖4.3為相應(yīng)控制系統(tǒng)的方框圖。本實(shí)

12、驗(yàn)為水箱液位的串級控制系統(tǒng)，它是由主、副兩個回路組成，每一個回路中都有一個屬于自己的調(diào)節(jié)器和控制對象。即主回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對象為下水箱。作為系統(tǒng)的被控對象，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對象為中水箱，又稱副對象，它的輸出是一個輔助的控制變量。本系統(tǒng)控制的目的是既要使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)具有良好的動態(tài)性能，又要使系統(tǒng)的被控制量在穩(wěn)態(tài)時等于給定值，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。當(dāng)有擾動出現(xiàn)于副回路時，由于主對象的時間常數(shù)大于副對象的時間常數(shù)，因而當(dāng)被控制量（下水箱的液位）未做出反映時，副回路已做出快速響應(yīng)，及時地消除了擾動對被控制量的影響。此外，如果擾動作用于主對象，由于副

13、回路的存在，使副對象的時間常數(shù)大大減小，從而加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，改善了動態(tài)性能。四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)步驟1. 將儲水箱中貯足水量，然后將閥門QV102、QV107全開，將中水箱和下水箱的出水閘板QV118、QV116開至適當(dāng)開度（QV118開度>QV116開度），其余閥門均關(guān)閉。2. 智能儀表1的測量值輸入端AI0與下水箱液位輸出端連接，操作值輸出端AO0與智能儀表2的測量值輸入端AI1連接，智能儀表2的操作值輸出端AO1接電動調(diào)節(jié)閥的控制信號輸入端。3. 打開上位機(jī)“組態(tài)王”的工程管理器，選擇 “智能儀表過程控制實(shí)驗(yàn)組態(tài)”工程，進(jìn)入“A3000高級過程控制實(shí)驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)”運(yùn)行環(huán)境，點(diǎn)擊

14、“進(jìn)入系統(tǒng)”按鈕進(jìn)入主畫面A3000 高級過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)_智能儀表 ，在實(shí)驗(yàn)?zāi)夸浿羞x擇“水箱液位串級控制系統(tǒng)”工程，進(jìn)入本實(shí)驗(yàn)的監(jiān)控界面。4. 接通現(xiàn)場電器控制屏和控制柜上的單相電源，開啟水泵2#的開關(guān)，給智能儀表和電動調(diào)節(jié)閥上電。5. 按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)先設(shè)置好副調(diào)節(jié)器的比例度。6. 調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié)器的比例度，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)出現(xiàn)4：1的衰減度，記下此時的比例度S和周期TS。據(jù)此，按經(jīng)驗(yàn)表查得PI的參數(shù)對主調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定。7. 手動操作主調(diào)節(jié)器的輸出，控制電動調(diào)節(jié)閥支路給中水箱打水，待下水箱的液位趨于給定值，且中水箱的液位相對穩(wěn)定（此值一般為3-5cm，避免超調(diào)過大造成水箱斷流或溢流）時，把主調(diào)

15、節(jié)器切換為自動運(yùn)行狀態(tài)。8. 在計(jì)算機(jī)的“水箱液位串級控制系統(tǒng)”的監(jiān)控界面上作如下實(shí)驗(yàn)：1) 當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，突加階躍擾動（將給定量增/減5%15%），觀察并記錄系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線。2) 打開閥QV108，開啟水泵1#的開關(guān)，手動設(shè)置變頻器的頻率為一合適值（20Hz左右），給副對象中水箱加擾動，觀察并記錄階躍擾動作用于副對象（中水箱）時，系統(tǒng)被控制量（下水箱液位）的響應(yīng)過程。3) 關(guān)閉閥QV108，去除副對象的階躍擾動，且待系統(tǒng)再次穩(wěn)定后，再打開閥QV106，給主對象下水箱加擾動，觀察并記錄階躍擾動作用于主對象時對系統(tǒng)被控制量的影響。9. 通過反復(fù)對主、副調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較滿意的

16、動、靜態(tài)性能。用計(jì)算機(jī)記錄此時系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線。五、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 通過實(shí)驗(yàn)求出輸出響應(yīng)呈4：1衰減時的主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。P =40 I=802. 根據(jù)擾動分別作用于主、副對象時系統(tǒng)輸出的響應(yīng)曲線，對此做出評述。3. 觀察并分析副調(diào)節(jié)器的比例度大小對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。比例度變大負(fù)調(diào)節(jié)器震蕩過程會變長，更不易穩(wěn)定和抗干擾。4. 觀察并分析主調(diào)節(jié)器比例度和積分時間常數(shù)Ti的改變對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。比例度越小，主環(huán)的擾動能更快速消除，積分常數(shù)越大，主環(huán)抗干擾能力越強(qiáng)。六、 思考題1. 試述串級控制系統(tǒng)為什么對主擾動（二次擾動）具有很強(qiáng)的抗擾能力？如果副對象的時間常數(shù)與主對象的時間常數(shù)大小接近

17、時，二次擾動對主控制量是否仍很小，為什么？當(dāng)擾動進(jìn)入副回路之后，副回路首先檢測到擾動，通過副回路的定值控制作用及時反饋調(diào)節(jié)操縱變量，使得副控制變量回到設(shè)定值，是擾動對主控制變量影響減小。副回路對擾動進(jìn)行粗調(diào)，主回路細(xì)調(diào)。如果主副對象時間常數(shù)接近很有可能發(fā)生共振，副環(huán)工作在諧振頻率，相角接近180度，從而使得副環(huán)增益為負(fù)，形成正反饋，出現(xiàn)共振現(xiàn)象，使得二次擾動對主控制量的影響變大。2. 當(dāng)一次擾動作用于主對象時，試問由于副回路的存在，系統(tǒng)的動態(tài)性能比單回路系統(tǒng)的動態(tài)性能有何改進(jìn)？當(dāng)一次擾動作用于主對象時，由于副回路的存在，系統(tǒng)的動態(tài)性能和單回路系統(tǒng)相比，優(yōu)勢在于:副被控變量因擾動變化時，能通過副

18、回路的定值控制作用，及時調(diào)節(jié)操縱變量，使得副變量恢復(fù)到設(shè)定值，也使擾動對主控變量的影響減小。這樣能使得系統(tǒng)更快速恢復(fù)穩(wěn)定，調(diào)整時間快。3. 一步整定法的依據(jù)是什么？將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)按經(jīng)驗(yàn)直接確定，只整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。這種投運(yùn)方法運(yùn)用于副變量允許波動較大的場合。4. 串級控制系統(tǒng)投運(yùn)前需要作好那些準(zhǔn)備工作？主、副調(diào)節(jié)器的正反作用方向如何確定？1 根據(jù)工藝及安全需要選擇控制閥氣開氣關(guān)2 根據(jù)工藝特性確定副被控對象的特性3 根據(jù)反饋準(zhǔn)則確定富控制器正反作用4 根據(jù)工藝特性確定主被控對象的特性5 根據(jù)反饋準(zhǔn)則確定主控制器正反作用6 根據(jù)反饋準(zhǔn)則確定在主控制方式時候控制器正反作用是否要切換。當(dāng)副控制器是反作用控制器時候，主控制器從串級方式切換到主控制方式時，不需要切換主控制器作用方式。副控制器是正作用，從串級控制切換到主控制方式時，為保證控制系統(tǒng)為負(fù)反饋，應(yīng)更換作用方式。5. 為什么本實(shí)驗(yàn)中的副調(diào)節(jié)器為比例（P）調(diào)節(jié)器？副回路是一個隨動控制系統(tǒng)，副控制器主要起隨動控制作用。為了能夠快速跟蹤，副控制器一般不引進(jìn)積分作用。只有對副變量有控制要求或要求副變量精確跟隨主控制器輸出變化時候，才適當(dāng)引入積分作用。6. 改變副調(diào)節(jié)器的比例度，對串級控制系統(tǒng)的動態(tài)和抗擾性能有何影響？試從理論上給予說明。一定范圍內(nèi)，副控制器參數(shù)P越大，副回路最大動態(tài)偏差最大