1、廣西科技大學過程控制工程實驗報告姓名： 凌加平班級： 測控161學號：201600304002指與老師：麥雪鳳實驗1單容水箱液位定值控制實驗、實驗目的1、通過實驗熟悉單回路反饋控制系統的組成和工作原理。2、分析分別用P、PI和PID調節時的過程圖形曲線。3、定性地研究P、PI和PID調節器的參數對系統性能的影響。、實驗設備A3000現場系統，任何一個控制系統，萬用表三、實驗原理1、控制系統結構單容水箱液位定值（隨動）控制實驗，定性分析P, PI,PD控制器特性。控制邏輯如圖5-2-1所示：水流入量Qi由調節閥u控制，流出量 Qo則由用戶通過負載閥 R來改變。被調量為水位H。使用P,PI , P

2、ID控制，看控制效果，進行比較。控制策略使用PI、PD、PID調節。實際上，可以通過控制連接到水泵上的變頻器來控制壓力，效果可能更好。2、控制系統接線表測量或控制量測量或控制量稱號使用PLC端口使用ADAM端口下水箱液位LT103AI0AI0調節閥FV101AO0AO0四、實驗內容與步驟及結果1、系統連接(1)在A3000-FS上，打開手動調節閥 JV201、JV206 ,調節下水箱閘板開度(可以稍 微大一些)，其余閥門關閉。(2)在A3000-CS上，將電磁流量計輸出連接到AI0 , AO0輸出連到電動調節閥上。(3)打開A3000電源。在 A3000-FS上，啟動右邊水泵。(4)啟動計算機

3、組態軟件，進入實驗系統選擇相應的實驗。啟動調節器，設置各項參數，可將調節器的手動控制切換到自動控制。2、比例調節控制。(1)設置P參數，I參數設置到最大，D=0。觀察計算機顯示屏上的曲線，待被調參數 基本穩定于給定值后，可以開始加干擾實驗。(2)待系統穩定后，對系統加擾動信號(在純比例的基礎上加擾動，一般可通過改變 設定值實現)。記錄曲線在經過幾次波動穩定下來后，系統有穩態誤差，并記錄余差大小。(3)減小P重復步驟1,觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。(4)增大P重復步驟5,觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。(5)選擇合適的P,可以得到較滿意的過渡過程曲線。改變設定值(如設定值由50%變為60

4、%),同樣可以得到一條過渡過程曲線。注意：每當做完一次試驗后，必須待系統穩定后再做另一次試驗。3、比例積分調節器（PI）控制（1）在比例調節實驗的基礎上，加入積分作用，即把“ I” （積分器）由最大處設定到 中間某一個值，觀察被控制量是否能回到設定值，以驗證 PI控制下，系統對階躍擾動無余 差存在。結果如圖 3-2所示圖1-2（2）固定比例P值（中等大小），改變 PI調節器的積分時間常數值Ti,然后觀察加階躍擾動后被調量的輸出波形，并記錄不同Ti值時的超調量op。結果如圖3-3所示表二、不同Ti時的超調量（rp積分時間常數Ti大中小超調里p p（3）固定于某一中間值，然后改變P的大小，觀察加擾

5、動后被調量輸出的動態波形,據此列表記錄不同值 Ti下的超調量op。結果如圖3-4所示表二、不同8值下的（T p中比例P超調量（T P圖1-4（4）選擇合適的P和Ti值，使系統對階躍輸入擾動的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線。此曲線可通過改變設定值（如設定值由50%變為60%）來獲得。4、比例積分微分調節（PID ）控制（1）在PI調節器控制實驗的基礎上，再引入適量的微分作用，即把在儀表上設置并與參數，然后加上與前面實驗幅值完全相等的擾動，記錄系統被控制量響應的動態曲線,實驗（二）PI控制下的曲線相比較，由此可看到微分D對系統性能的影響。025.000.(*41144iij- -11 1j d

6、 J ma i11*， 1Il) . ，一411 IB . * 1|-彳 ii4ridii廠IB LI jl IB T_一卜 1 11HLUII|p-ll UIL SB , 一 - rb ) . . j1T t91 4ii-.一金.戶-一-二一一-T卜-j-1-t 14100. 0Q% Q闞，036:3139:0141:31狷圖1-5(2)選擇合適的P、Ti和Td,使系統的輸出響應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)。(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。圖1-75、用臨界比例度法整定調節器的參數(1)在實現應用中，PID調節器的參數常

7、用下述實驗的方法來確定。用臨界比例度法 去整定PID調節器的參數是既方便又實用的。它的具體做法是：(2)待系統穩定后，逐步減小調節器的比例度8 (即1/P),并且每當減小一次比例度8 ,待被調量回復到平衡狀態后，再手動給系統施加一個 5%15%的階躍擾動，觀察被調量變化的動態過程。若被調量為衰減的振蕩曲線，則應繼續減小比例度 8,直到輸出響應曲線呈現等幅振蕩為止。如果響應曲線出現發散振蕩，則表示比例度調節得過小，應適當增大， 使之出現等幅振蕩。圖 1-8為它的實驗方塊圖。圖1-8具有比例調節器的閉環系統(3)在圖5-2-7所示的系統中，當被調量作等幅蕩時，此時的比例度8就是臨界比例度，用8 k

8、表示之，相應的振蕩周期就是臨界周期Tko據此，按下表可確定 PID調節器的三個參數8、Ti和Td。圖5-2-7具有周期Tk的等幅振蕩表5-2-1用臨界比例度8 k整定PID調節器的參數數調節器名稱8 kTi(S)Td(S)P28 kPI2.2 8 kTk/1.2PID1.6 8 k0.5Tk0.125Tk(4)必須指出，表格中給出的參數值是對調節器參數的一個初略設計，因為它是根據大量實驗而得出的結論。 若要就得更滿意的動態過程 (例如：在階躍作用下，被調參量作4:1地衰減振蕩)，則要在表格給出參數的基礎上，對 8、Ti (或Td)作適當調整。實驗結束后，關閉閥門，關閉水泵。關閉全部電源設備，拆

9、下實驗連接線。五、思考問題分析積分量I與被控系統的響應時間有什么關系。如果減少單容系統的容積，那么對控制系統的I是應該增大還是減少。答：積分作用越強，系統的響應時間越快；反之，積分作用越弱系統響應時間越長。當減少系統被控對象的容積時，控制系統的積分作用應該減少。六、實驗心得通過該實驗的學習，熟悉了單回路反饋控制系統的組成和工作原理及其單回路控制系統 的投運和無擾動切換方法。在該實驗的學習中，學會了定性地研究P、PI和PID調節器的參數對系統性能的影響以及PID參數整定的工程實踐方法一一擴充臨界曲線法。同時，通過該次試驗，了解了水箱液位控制系統的結構及其工作原理。實驗2下水箱液位和進口流量串級控

10、制實驗一、實驗目的1、學習閉環串級控制的原理。2、了解閉環串級控制的特點。3、掌握閉環串級控制的設計。4、初步掌握閉環串級控制器參數調整。二、實驗設備A3000-FS/FBS現場系統，任意控制系統。（該實驗要求中、下水箱均配置液位傳感器）三、實驗原理單回路控制系統解決了工藝生產過程自動化中大量的參數定值問題。但是，隨著現代工業生產的迅速發展，工藝操作條件的要求更加嚴格，對安全運行和經濟性及對控制質量的要 求也更高。但回路控制系統往往不能滿足生產工藝的要求，在這樣的情況下，串級控制系統就應運而生。1、串級控制系統的結構串級控制系統是改善控制質量的有效方法之一，在過程控制中得到廣泛地應用，串級控制

11、系統是指不止采用一個控制器，而是將兩個或幾個控制器相串級，是將一個控制器的輸入作為下一個控制器設定值的控制系統。2、串級控制系統的名詞術語主被控參數：在串級控制系統中起主導作用的那個被控參數。副被控參數：在串級控制系統中為了穩定主被控參數而引入的中間輔助變量。主被控過程：由主參數表征其特性的生產過程，主回路所包含的過程，是整個過程的一部分，其輸入為副被控參數，輸出為主控參數。副被控過程：由副被控參數為輸出的生產過程，副回路所包含的過程， 是整個過程的一部分，其輸入為控制參數。其輸出作為副調節器主調節器：按主參數的測量值與給定值的偏差進行工作的調節器, 的給定值。副調節器：按副參數的測量值與主調

12、節器輸出的偏差進行工作的調節器，其輸出直接控制調節閥動作。副回路：由副調節器、副被控過程、副測量變送器等組成的閉合回路。主回路：由主調節器、副回路、主被控過程及主測量變送器等組成的閉合回路。一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內的擾動。二次擾動：作用在副被控過程上，即包括在副回路范圍內的擾動。當生產過程處于穩定狀態時，它的控制量與被控量都穩定在某一定值。當擾動破壞了平衡工況時，串級控制系統便開始了其控制過程。根據不同擾動，分為三種情況：(1)在副對象上的擾動副對象加上擾動后，副調節就立即發出校正信號，控制執行對象(工程上一般是調節閥 的開度，而本實驗裝置中是泵電機的轉速)動作，

13、以克服擾動對主被控參數的影響。如果擾動量不大，經過副回路的及時控制一般不影響被控量，如果擾動的幅值較大， 雖然經過副回路的及時校正，但還將影響被控量；此時再有主回路的進一步調節，從而使被控量回到平衡時的值。(2)主對象上的擾動主對象加上擾動后， 主回路產生校正作用， 由于副回路的存在加快了校正作用，使擾動對被控量的影響比單回路系統時要小。(3) 一次擾動和二次擾動同時存在如果一、二次擾動的作用使主，副被控參數同時增大或減少時，主、副調節器對調節閥(或泵電機轉速)的控制方向一致的，即大幅度關小或開大閥門(或大幅度地使泵電機加速 或減速)，加強控制作用，使主被控量很快地回到給定值上。如果一、二次擾

14、動的作用使主、副被控參數一個增大，另一個減少，此時主、副調節器控制調節閥的方向是相反的，調節閥的開度只要作較小變動即滿足控制要求。3、串級控制系統的特點綜上分析可知，串級控制系統副調節器具有“粗調”的作用，主調節器具有“細調”的 作用，從而使控制品質得到進一步提高。串級控制系統是改善和提高控制品質的一種極為有效的控制方案。它與單回路反饋控制系統比較，由于在系統結構上多了一個副回路，所以具有以下一些特點：10(1)改善了過程的動態特性它的容量滯后減少了， 過程串級控制系統比單回路控制系統在結構上多了 一個副回路。的動態特性得到改善，使系統的響應加快，控制更為及時。(2)提高了系統工作頻率串級系統

15、由于存在一個副回路，改善了過程特性，等效過程的時間常數減小了，從而提高了系統的工作頻率，使振蕩周期縮短，改善了系統的控制質量。(3)具有較強的抗擾動能力在串級控制系統中，主、副調節器放大系數的乘積愈大，則系統的抗擾動能力愈強，控制質量愈好。串級控制系統由于存在副回路， 只要擾動由副回路引入，不等它影響到主參數， 副回路立即進行調節， 這樣，該擾動對主參數的影響就會大大地減小，從而提高了主參數控制質量，所以說串級控制系統具有較強抗擾動能力。(4)具有一定的自適應能力串級控制系統，就其主回路來看是一個定值控制系統， 而副回路則是一個隨動系統， 主 調節器的輸出能按照負荷和操作條件的變化而變化， 從

16、而不斷改變副調節器的給定值， 使副 回路調節器的給定值適應負荷并隨操作條件而變化，即具有一定的自適應能力。正確合理地設計一個串級控制系統是要其能充分發揮如上所述系統的各種特點。在系統設計時應包括主、副回路的設計，主、副調節器控制規律的選擇及正、反作用方式的確定。4、主、副回路的設計串級控制系統的主回路是一個定值控制系統。串級控制系統的設計主要是副參數的選擇和副回路的設計以及主、副回路關系的考慮。下面介紹設計原則。(1)主參數的選擇和主回路的設計串級控制系統由主回路和副回路組成。主回路是一個定值控制系統。對于主參數的選擇和主回路的設計，基本上可以按照單回路控制系統的設計原則進行。凡直接或間接與生

17、產過程運行性能密切相關并可直接測量的工藝參數均可選擇作主參數。若條件許可，可以選用質量指標作為主參數，因為它最直接也最有效。否則應選用一個與產品質量有單值函數關系的 參數作為主參數。另外，對于選用的主參數必須具有足夠的靈敏度，并符合工藝過程的合理性。11(2)副參數的選擇和副回路的設計副參數的選擇副參數的選擇應使副回路的時間常數小，時延小，控制通道短，這樣可使等效過程的時間常數大大減小，從而加快需要的工作頻率，提高響應速度，縮短過渡過程時間， 改善系統的控制品質。總之，為了充分發揮副回路的超前、快速作用，在擾動影響主參數之前就加以克服，必須設法選擇一個可測的、反映靈敏的參數作為副參數。副回路應

18、包括生產過程中變化劇烈、頻繁而且幅度大的主要擾動，并盡可能多地包括一些擾動。由上所述，串級控制系統副回路具有調節速度快、抑制擾動能力強的特點。 在副回路設計時，要充分發揮這一特點，把生產過程中的主要擾動(并可能多的把其它一些擾動)包括在副回路中，以盡量減少對主參數的影響，提高主參數的控制質量。 如此次實驗就是以下水箱的水位為主參數與上水箱的水位為副參數的串級控制系統。在選擇副參數進行副回路設計時，必須注意主、副過程時間常數的匹配問題。因為它是串級控制系統正常運行的主要條件，是保證安全生產、防止共振的根本措施。如果副過程的時間常數比主過程小得多，這時副回路反應靈敏，控制作用快，但此時副回路包含的

19、擾動少，對于過程特性的改善也就少了；相反，如果副過程的時間常數大于或接近于主過程的時間常數， 這時副回路對于改善過程特性的效果較明顯。但是，副回路反應較遲鈍，不能及時有效地克服擾動， 并將明顯地影響參數。如果主、副過程的時間常數較接近， 這時主副回路間的動態聯系十分密切，當一個參數發生振蕩時，會使另一個參數也發生振蕩，這就是所謂的 共振”，它不利于生產的正常進行。 串級控制系統主、副過程時間常數的匹配 是一個比較復雜的問題。原則上，主副過程時間常數之比應是3到10范圍內。在工程上，應根據具體過程的實際情況與控制要求來定。若設置串級控制系統主要是利用副回路能迅速克服主要擾動的話，則副回路的時間常

20、數以小一點為好，只要將主要擾動包括在副回路中即可，若設置串級控制系統，是由于副回路過程時間常數過大，為了改善過程特性， 則副過程時間常數可以適當取大一些。但是，副過程的時間常數均不宜過大和過小。(3)副回路設計應考慮工藝上的合理性：過程控制系統是為工業生產服務的，設計串級控制系統，應考慮和滿足生產工藝要求， 注意系統的控制參數必定是先影響副參數，再去影響主參數的這種串聯對應關系，然后再考慮其它因素。副回路的設計還應考慮經濟性的原則。12（4）串級控制系統參數的選擇對控制參數的選擇，一般可考慮： 1）、選擇可控性良好的參數作為控制參數。 2）、所選擇的控制參數必須使控制通道有足夠大的系數，并應保

21、證大于主要 擾動通道的放大系數，以實現對主要擾動進行有效控制并提高控制質量。 3）、所選控制參數應同時考慮經濟性與工藝上的合理性。5、主、副調節器控制規律的選擇在串級控制系統中， 主、副調節器所起的作用是不同的。主調節器起定值控制作用，副調節器起隨動控制作用，這是選擇控制規律的基本出發點。主參數是工藝操作的主要指標，允許波動的范圍很小，一般要求無余差，因此，主調節器應選PI或PID控制規律。副參數的設置是為了保證主參數的控制質量，允許在一定范圍 內變化，允許有余差，因此副調節器只要選P控制規律就可以了。一般不引入積分控制規律。因為副參數允許有余差，而且副調節器的放大系數較大，控制作用強，余差小

22、，若采用 積分規律，會延長控制過程，減弱副回路的快速作用。一般也不引入微分控制規律，因為副 回路本身起著快速作用，再引入微分規律會使調節閥動作過大，對控制不利。6、主、副調節器正、反作用方式的選擇為了滿足生產工藝的要求，確保串級控制系統正常運行，主、副調節器正、反作用方式必須正確選擇。根據生產工藝條件和調節閥形式確定副調節器的正反作用方式；最后再根據主、副參數的關系，決定主、副調節器的正、反作用方式。在單回路控制系統設計中所述， 要使一個過程控制系統能正常工作，系統必須為負反 饋。對于串級控制系統來說，主、副調節器正、 反作用方式的選擇原則是使整個控制系統構 成負反饋系統，即其主通道各環節放大

23、系數極性乘積必須為正值。7、串級控制系統主、副調節器正、反作用方式的確定為了滿足生產工藝指標的要求，為了確保串級控制系統的正常運行，主、副調節器正、 反作用方式必須正確的選擇。在具體選擇時，是在調節閥氣開、氣關型式已經選定的基礎上 進行的。首先根據工藝生產安全等原則選擇調節器的氣開、氣關形式；然后根據生產工藝條件和調節閥形式確定副調節器的正、反作用方式；最后再根據主、副參數的關系，決定主調節器的正、反作用方式。如在單回路控制系統設計中所述，要使一個過程控制系統能正常工作，系統必須采用負反饋。對于串級控制系統來說， 主、副調節器的正、反作用方式的選擇原則是使整個系統構13成負反饋系統，即其主通道

24、各環節放大系統系數極性乘積必須為正值。各環節放大系數極性的正負是這樣規定的：對于調節器的Kc,當測量值增加，調節器的輸出也增加，則 KC為負（即正作用調節器）；反之，Kc為正（即反作用調節器）。調節器為氣開，則Kv為正，氣關則Kv為負。過程放大系數極性是：當過程的輸入增大時，即調節閥開大，其輸出也增 大，則Ko為正；反之 Ko為負。串級控制系統由于增加了副回路，對于進入副回路的干擾 有較強的克服能力。定性來看，串級控制系統的副回路是一個隨動控制系統，而主回路是一個定值系統。當主對象時間常數較大時，可認為1: 1的比例環節，從而使副回路中原來應屬于主對象的那部分環節的影響消除，它使系統的振蕩頻率

25、提高，加快了系統的響應，改善了控制品質。串級控制系統由于副環具有快速抗干擾功能，對于進入副環的干擾具有很強的抑制作用。因此，對于同樣大小的干擾作用于主、副環，對主變量的影響是不同的。 作用于副環的干擾，由于受到副環的抑制作用，結果對于主變量的影響就比較小；而作用于主環的干擾，由于此時副環的快速抗干擾能力未能得到發揮，因此干擾對主變量的影響就比較大。8、液位流量串級控制設計在A3000高級過程控制實驗系統中，能夠完成多個串級試驗，除了雙容液位可以組成串級實驗之外，單容的液位和流量也可以組成串級實驗，如圖2-1所示。實驗以串級控制系統來控制下水箱液位，以第二支路流量為副對象，右邊水泵直接向下水箱注

26、水，流量變動的時間常數小、時延小，控制通道短，從而可加快提高響應速度，縮短過渡過程時間，符合副回路選擇的超前，快速、反應靈敏等要求。14下水箱為主對象，流量的改變需要經過一定時間才能反應到液位，時間常數比較大，時延大。如圖所示，設計好下水箱和流量串級控制系統。將主調節器的輸出送到副調節器的給定，而副調節器的輸出控制執行器。由上分析副調節器選純比例控制，正作用，自動。主調 節器選用比例控制或比例積分控制，反作用，自動。反復調試，使第二支路的流量快速穩定在給定值上，這時給定值應與副反饋值相同。待流量穩定后，通過變頻器快速改變流量，加入擾動。若參數比較理想，且擾動較小，經過副回路的及時控制校正，不影

27、響下水箱的液位。如果擾動比較大或參數并不理想，則經過副回路的校正，還將影響主回路的溫度，此時再由主回路進一步調節，從而完全克服上述擾動，使液位調回到給定值上。當使用第一動力支路把擾動加在下水箱時，擾動使液位發生變化，主回路產生校正作用， 克服擾動對液位的影響。 由于副回路的存在加快了校正作用，使擾動對主回路的液位影響較小。串級控制系統框圖如圖 2-2所示。（圖中電磁流量計可能為渦輪流量計）圖2-2液位流量串級控制系統框圖各個回路獨立調整結束，使得主調節器輸出與副調節器給定值相差不是太遠。我們利用前面的實驗中的 PID數據。而副控制器只進行 P調節。副回路對FT102進行控制，這個反應比較快，副

28、回路的控制目的是很快把流量控制回給定值。可以通過另一個動力支路加入部分液位干擾。主回路對下水箱液位進行控制。可以在下水箱中加入主回路干擾，要平衡這個干擾， 則需要經過流量調整，通過 FT102來平衡這個變化。9、串級控制設計測量或控制量測量或控制量標號使用控制器端口電磁流量計FT102AI1下水箱液位LT103AI0調節閥FV101AO01510、控制效果控制曲線如圖2-3所示。在系統穩定后，副回路增加的擾動，從圖上可見這個擾動對系 統影響很小。圖2-3液位流量串級四、實驗內容與步驟1、在A3000-FS上，打開手動調節閥JV201、JV206 ,調節下水箱閘板具有一定開度，其余閥門關閉。2、

29、按照列表進行連線。或者按如下操作：在 A3000-CS上，將電磁流量計（FT102）連 到控制器AI0輸入端，下水箱液位（LT103）連到控制器AI1輸入端，電動調節閥（FV101） 連到控制器AO0端。3、在A3000-FS上，啟動右邊水泵，給中水箱注水。4、首先進行副回路比例調節，獲得 P值。5、切換至單主回路控制。斷開電磁流量計與AI0的連線，將下水箱液位連到AI0o調整主控制回路（調節 P、I值即可），對主控制器或調節器進行工作量設定。6、關閉閥門JV205 ,當中水箱液位降低 2cm高度，打開閥門，觀察控制曲線，等待穩 定。7、切換到串級控制狀態 （此時最好無擾動）：將電磁流量計連到

30、副調節器輸入端AI1 ,主調節器輸出端連接到副調節器給定端，副調節器的輸出連接到調節閥。8、正確設置PID調節器：副調節器：純比例（P）控制，正作用，自動，Kc2 （副回路的開環增益）較大。主調節器：比例積分（PI）控制，反作用，自動，Kci KC2 （ Kci主回路開環增益）。9、待系統穩定后，類同于單回路控制系統那樣，對系統加擾動信號，擾動的大小與單16回路時相同。10、通過反復對副調節器和主調節器參數的調節，使系統具有較滿意的動態響應和較高的控制精度。17廣西科技大學過程控制工程實驗報告姓名： 凌加平班級： 測控161學號：201600304002指與老師：麥雪鳳18圖2-4圖2-519

31、圖2-6六、實驗心得通過該實驗的學習，熟悉了閉環串級控制系統的組成和工作原理及其閉環串級控制系統 的投運和無擾動切換方法。在該實驗的學習中，進一步掌握了P、PI和PID調節器的參數對系統性能的影響。同時，通過該次實驗，不僅掌握了閉環串級控制系統的設計方法，還了解了閉環串級控制的特點。 閉環串級控制可以改善被控過程的動態特性、大大增強對二次擾動的客服能力、對一次擾動有較好的克服能力以及對副回路參數變化具有一定的自適應能 力。實驗3單閉環流量比值控制系統實驗、實驗目的1、學習比值控制的原理。2、了解比值控制的特點。3、掌握閉環比值單回路控制的設計。20、實驗設備A3000-FS/FBS現場系統，任意控制系統。三、實驗原理1、控制原理電磁流量計流量與渦輪流量計比值控制實驗，可以與“隨動系統”和“串級系統”進行比較。如圖3-1所示。若支路2安裝的是渦輪流量計，則是兩個渦輪流量計進行比值控制。被調量為調節閥開度， 控制目標是水流量， 通過兩個流量不同比例下的比較，然后輸出控制值到調節閥。實行 PID控制，看控制效果，