《2017現(xiàn)代控制系統(tǒng)實驗報告》

1、1020實驗成績西安電子科技大學現(xiàn)代過程控制課程實驗報告實驗名稱單容水箱對象特性測試雙容水箱特性的測試上水箱液位PID整定實驗串接雙容水箱液位PID整定實驗鍋爐內膽水溫PID控制實驗水箱液位串級控制系統(tǒng)學院班級學號姓名任課教師學期實驗一單容水箱特性的測試一、實驗目的掌握單容水箱的階躍響應的測試方法，并記錄相應液位的響應曲線。根據(jù)實驗得到的液位階躍響應曲線，用相關的方法確定被測對象的特征參數(shù)T和傳遞函數(shù)。二、實驗設備THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置計算機及相關軟件萬用電表一只三、實驗原理由圖1-1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Q，手動閥V和V2的開度都為

2、定值，Q2為水箱中流出的流量。根據(jù)物料平衡關系，在平衡狀態(tài)時(1)(2)動態(tài)時，則有Q1-Q2dVdt式中V為水箱的貯水容積，dV為水貯存量的變化率，它與H的關系dt(3)為：dV=Adh，即卩dV=AdhdtdtA為水箱的底面積。由上式得(4)基于Q2=RS1,R為閥V的液阻，則上式可改寫為2ARdh+h=KQsdt或寫作H(s)K帀TS+1式中T=AR，它與水箱的底積A和V的R有關；K=R。2ss(5)s式(5)就是單容水箱的傳遞函數(shù)。若令Q(s)=R則式可改為KTRH(s)=xS+-TRKRxO=K00SSS+丄T對上式取拉氏反變換得h(t)=KR(1-e-Tt)(6)0當tTa時，h(

3、g)=KR，因而有K=h(g)/R=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入00當t=T時，則有h(T)=KR(1-e-i)=0.632KR=0.632h(x)00式(6)表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應曲線是一單調上升的指數(shù)函數(shù)，如圖1-2所示。圖1-2單容水箱的單調上升指數(shù)曲線當由實驗求得圖1-2所示的階躍響應曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對應的時間，就是水箱的時間常數(shù)T。該時間常數(shù)T也可以通過坐標原點對響應曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點所對應的時間就是時間常數(shù)T,由響應曲線求得K和T后，就能求得單容水箱的傳遞函數(shù)。如果對象的階躍響應曲線為圖1-3，則在此曲線的拐點D處作一切線，它與時間軸交于B點，與響應穩(wěn)態(tài)值的漸

4、近線交于A點。圖中0B即為對象的滯后時間t，BC為對象的時間常數(shù)T,所得的傳遞函數(shù)為:H(s)二Kes1+TS圖1-3單容水箱的階躍響應曲線四、實驗內容與步驟按圖1-1接好實驗線路，并把閥VI和V2開至某一開度，且使V1的開度大于V2的開度。2接通總電源和相關的儀表電源，并啟動磁力驅動泵。3把調節(jié)器設置于手動操作位置，通過調節(jié)器增/減的操作改變其輸出量的大小，使水箱的液位處于某一平衡位置。4手動操作調節(jié)器，使其輸出有一個正的（或負的）階躍增量的變化（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)過一定的調節(jié)時間后，水箱的液位進入新的平衡狀態(tài)，如圖1-4所示。圖1-4單容

5、箱特性響應曲線5啟動計算機記下水箱液位的歷史曲線和階躍響應曲線。6把由實驗曲線所得的結果填入表中。五、實驗報告要求掌握單容水箱階躍響應測試方法，并記錄相應液位的響應曲線。根據(jù)實驗得到的液位階躍響應曲線，用相關的方法確定被測對象的特征參數(shù)T和傳遞函數(shù)。曲線如下所示：負階躍時截圖：初始時：液位為84.83，時間為5:24:26定(R甘時問13X)000.弔200G00輸出信C0P)Ir-M43D毎f-orip-yibjrllteff-ii14$fftffli上*汰越救於定11_厲史初圾1裁據(jù)推裹1識回主菜單1甘岀下踐達到穩(wěn)態(tài)值的63%時：液位為60.82，時間為5:25:48，T=82誼回主菜單穩(wěn)

6、態(tài)時：液位為45.74，時間為5:29:01足Q00軸岀下便制軌PV)IBOOOO勢敵證定近回主菓車那啊址200W044ffiffi歷史曲舞教詰烈表輪出值COP)TrunQasbhrpw4jt3Jibsltsfg-iil8箝出Jt隈1TOm正階躍時截圖：初始時：液位為53.28，時間為5:16:46輸出(op)達到穩(wěn)態(tài)值63%時：液位為70.42，時間為5:18:03，T=772J陽定羯恆FV)輸出記(0P)15COOOO20000J0詛回45?單比倒愛侃I祝仔時問福岀下睦0J0051*IFW5ItWPMtiettfM呂州lbf-wip-mJr3耳*3燈?5i-mi-EL*-E55-眄E?5B

7、Oi沖海l&M/llWII1雖儻ml704生爸斥怡們I穩(wěn)態(tài)時：液位為80.68，時間為5:19:53筍出悄(OP)ITmiI氐IIOS啊Ki岀砒OjOO正向輸入到達平衡狀態(tài)時傳遞函數(shù)為H(s)_K_3Q(s廠TS+1_77S+1當為負向輸入時其傳遞函數(shù)為：H(s)_K_3Q1(s廠TS+1_82S+1由實驗曲線所得的結果如下表所示：參數(shù)值測量值放大系數(shù)K周期T液位h(變化)正階躍輸入37727.4負階躍輸入38239.09平均值379.533.245六、思考題在輸入階躍信號前，為什么過程必須處于平衡狀態(tài)？如果在系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的過程中改變階躍信號的大小，會出現(xiàn)怎樣的現(xiàn)象？答：平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的，如果

8、不處于平衡狀態(tài)，就不能計算T,T,將無法確定其傳遞函數(shù)。如果在系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的過程中改變階躍信號的大小，系統(tǒng)將不能趨于原來的穩(wěn)定狀態(tài)，將會根據(jù)改變后的階躍信號，趨于穩(wěn)定或者不穩(wěn)定。在本實驗中階躍信號是否可以任意選取，為什么？答：階躍信號不能任意選取，因為階躍信號取得太大，會影響系統(tǒng)正常運行；取得太小，會因讀數(shù)誤差和其他隨機干擾影響對象特性參數(shù)的精確度。一般取正常輸入信號的5%15%。水箱液位達到動態(tài)平衡后，改變氣動調節(jié)閥開度使進水量發(fā)生改變，而出水閥開度沒有變化，液位為什么能夠再次達到動態(tài)平衡？答：系統(tǒng)的自平衡能力強，對于同樣大小的進水閥開度變化，也位置改變一點就能恢復平衡。PID參數(shù)的調節(jié)就是

9、為了使系統(tǒng)能夠動態(tài)平衡。實驗二雙容水箱特性的測試一、實驗目的熟悉雙容水箱的數(shù)學模型及其階躍響應曲線。根據(jù)由實際測得雙容液位的階躍響應曲線，確定其傳遞函數(shù)二、實驗設備1THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)裝置2計算機、上位機MCGS組態(tài)軟件、RS232-485轉換器1只、接口線1根3萬用表1只三、實驗原理卷能調節(jié)器手動出電劭K節(jié)同VIlfll_Lhl4圖2-5雙容水箱對象特性結構圖由圖2-5所示，被控對象由兩個水箱相串聯(lián)連接，由于有兩個貯水的容積，故稱其為雙容對象。被控制量是下水箱的液位，當輸入量有一階躍增量變化時，兩水箱的液位變化曲線如圖2-6所示。由圖2-6可見，上水箱液位的響應曲線為一單調的指數(shù)函

10、數(shù)(圖2-6(a),而下水箱液位的響應曲線則呈S形狀(圖2-6(b)。顯然，多了一個水箱，液位響應就更加滯后。由S形曲線的拐點P處作一切線，它與時間軸的交點為A，OA則表示了對象響應的滯后時間。至于雙容對象兩個慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)可按下述方法來確定。圖2-6雙容液位階躍響應曲線圖2-7雙容液位階躍響應曲線在圖2-7所示的階躍響應曲線上求取：h2(t)|t=tl=0.4h2(s)時曲線上的點B和對應的時間t1；h2(t)|t=t2=0.8h2(s)時曲線上的點C和對應的時間t2。然后，利用下面的近似公式計算式K=址()=輸入穩(wěn)態(tài)值階躍輸入量Ti+T“172.16仃):aI1-74-55)0.32t

11、.-.0,46由上述兩式中解出T1和T2,于是求得雙容（二階）對象的傳遞函數(shù)為一一G=gJ+1燼+1）四、實驗內容與步驟1、接通總電源和相關儀表的電源。2、接好實驗線路,打開手動閥,并使它們的開度滿足下列關系VI的開度V2的開度V3的開度3、把調節(jié)器設置于手動位置,按調節(jié)器的增/減,改變其手動輸出值,使下水箱的液位處于某一平衡位置（一般為水箱的中間位置）。4、按調節(jié)器的增/減按鈕,突增/減調節(jié)器的手動輸出量,使下水箱的液位由原平衡狀態(tài)開始變化,經(jīng)過一定的調節(jié)時間后,液位h2進入另一個平衡狀態(tài)。5、上述實驗用計算機實時記錄h2的歷史曲線和在階躍擾動后的響應曲線。實驗數(shù)據(jù)記錄1.初始值：輸出值為5

12、0%穩(wěn)態(tài)時：液位為107.6mm,流速為541L/h,時間為5:46:262.負階躍25%時：給一個正的負階躍增量（25%），輸出值為25%初始時：測量值為107.6mm,時間為5:46:26數(shù)上水箱用3.01開1用1開朗0端力呃動泵整定斤江天煌科技實業(yè)有限公司ELIB193.0121.897.9實時曲線測量值（PVO輸出值（OP）150000.020000.0氣動調節(jié)閥100.00死區(qū)0.00輸岀上限輸岀下限0.00參數(shù)整定數(shù)據(jù)報表返回主菜單實驗二、二階雙容水箱對象特性測試實驗VT-7實時曲域I液位測量值1.076e+002i.20065:46:26.：實時曲線

13、169.61457-74.0i5111比制度微嚮間積閤間歷史曲線|lreiLdintheforeground_pvlUpdategtopped!43rnm25.0%|Trend|TagConnection|Value|Date/Time26.2J01.-CC/OB5:46:00FM5:48:00FM5:50:00PM5:52:00FM/-j-浙江天煌科技實業(yè)有限公司I進TEL2)0.4h(g)時：液位為69mm,時間為5:49:25(3)0.8h(g)時：液位為94.79mm,時間為5:47:473.01開:用1開1氣動調節(jié)閥死區(qū)380滴力驅動泵參數(shù)整定笑冒隹Qw

14、25.0F1-10實時曲線39rnrn上水箱測量值(P輸出值(OP)150000.0T問迢|T砂Connection20000.0100.000.00輸岀上限輸岀下限0.00參數(shù)整定歷史曲線數(shù)據(jù)報表返回主菜單實驗二S二階雙容水箱對象特性測試實驗實時曲線193.0fl實時曲銭液位測量值9.479e+00120065:47:47.!茁水箱121.897.9169.6145.774.050.1撒滬積幣間Value|Date/Time|Trendintheforeground_pvlUpdatestopped!26.2-空J01/02/065:46:00PM5:48:00PM5:50:00FM5:52

15、:00Fh.-1/-7-浙江天煌科技實業(yè)有限公司電Z7TEL態(tài)時：液位為45.41mm,流速為432L/h,時間為5:52:163.正階躍25%時：此時輸出值為50%。初始時：測量值為39.31mm,時間為5:55:59LT23.011用1開氣動調節(jié)閥死區(qū)整定參數(shù)50.0LT1中水箱測量值（PV）輸出值（OP）150000.0Trend|T眄ConnMionValueDateZTime20000.0100.000.00輸岀上限輸岀下限0.00380血力馳動泵實驗二、二階雙容水箱對象特性測試實驗實時曲線192.5168.7144.6120.5112rnrn實時曲銭I

16、液位測量佰3.931e+00120065:55:59.；噌）度微鬻間積營間TrendintheforegroiandpvlUpdatestopped!上水箱LLLIjE,.01/IJ2/065:56:00FM5:58:00FM6:00:00F*M6:02:00FM1參數(shù)整定ra歷史曲線數(shù)據(jù)報表返回主菜單浙江天煌科技實業(yè)有限公司I蘭少TEL2)0.4h(8)時：測量值為70.27mm,時間為5:58:41(3)0.8h(8)時：測量值為95.2mm,時間為6:00:57數(shù)LT1中水箱3.01開:用1開:用1開吒動調節(jié)閥380加力呃動泵整定48.224.1LT2測量值

17、(PV)輸出值(OP)150000.0TagConn總ction20000.0100.00死區(qū)0.00輸岀上限輸出下限0.00參數(shù)整定歷史曲線數(shù)據(jù)報表返回主菜單實驗二、二階雙容水箱對象特性測試實驗實時曲線192.5168.7144.6120.5液位測量值9.520e+00120066:00:57.1諸水箱嚅度Value|D呂館/Time積滬微滬上水鉅F二TrendintheforegroundpvlUpdatestopped!111mm50.0%T舊rd|0,0J!,.01Z02Z065:56:00PM5:58:00FM6:00:00PM6:02:00PM(4)穩(wěn)態(tài)時：測量值為106.6mm,

18、時間為6:02:58,流速為541L/h歷史曲線浙江天煌科技實業(yè)有限公司TEL實驗數(shù)據(jù)記錄于下表中：階段初始值(mm)輸出值(%)穩(wěn)態(tài)值(mm)0.4h(g)(mm)08h(8)(mm)流速(L/h)值時間值值時間值時間值時間調整50%107.65:46:26541負階躍107.65:46:2625%45.415:52:16695:49:2594.795:47:47432正階躍39.315:55:5950%106.66:02:5870.275:58:4195.26:00:575416、把由計算機作用的實驗曲線進行分析處理,并把結果填表入下表中：參數(shù)值液位h測量值K

19、T1T2T正向輸入0.62負向輸入0.57平均值0.595五、實驗報告要求：根據(jù)實驗測得的數(shù)據(jù)和曲線，分析并計算出雙容水箱液位對象時的參數(shù)和傳遞函數(shù)。六、思考題：做本實驗時，為什么不能任意改變兩個出水閥門開度的大小？答：當閥門改變時，水箱出水速度改變，影響水箱的時間常數(shù)，從而打破了原來系統(tǒng)的平衡，需要重新調整控制器參數(shù)以達到新的平衡。引起雙容對象滯后的因素主要有哪些？答：雙容水箱的控制是通過控制上水箱的平衡已達到上水箱穩(wěn)定的出水量與中水箱出水量的動態(tài)平衡，引起雙容水箱滯后的因素主要有傳感器的靈敏度，氣動閥門的靈敏度以及水泵的響應快慢等因素。試分析雙容水箱對象特性與單容水箱對象特性有什么區(qū)別？答

20、：單容水箱的階躍響應曲線是呈指數(shù)增長的，沒有滯后環(huán)節(jié)；雙容水箱的階躍響應曲線呈S型，有明顯的滯后環(huán)節(jié)。實驗三上水箱液位PID整定實驗二、實驗目的1了解單閉環(huán)液位控制系統(tǒng)的結構與組成。2掌握單閉環(huán)液位控制系統(tǒng)調節(jié)器參數(shù)的整定。3研究調節(jié)器相關參數(shù)的變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。二、實驗設備1THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)裝置2計算機、上位機MCGS組態(tài)軟件、RS232-485轉換器1只、接口線1根3萬用表1只三、實驗原理本實驗系統(tǒng)的被控對象為上水箱，其液位高度作為系統(tǒng)的被控制上水幫芋二pPl-HiliJt水箱圖3-1上水箱液位定值控制結構圖量。系統(tǒng)的給定信號為一定值，它要求被控制量上水箱的液位在穩(wěn)態(tài)時

21、等于給定值。由反饋控制的原理可知，應把上水箱的液位經(jīng)傳感器檢測后的信號作為反饋信號。圖3-1為本實驗系統(tǒng)的結構圖，圖3-2為控制系統(tǒng)的方框圖。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下無靜差，系統(tǒng)的調節(jié)器應為PI或PID。圖3-2上水箱液位定值控制方框圖四、實驗內容與步驟1按圖3-1要求，完成系統(tǒng)的接線。2接通總電源和相關儀表的電源。3.打開閥Fl-1、Fl-2、F1-6和F1-9,且把F1-9控制在適當?shù)拈_度。4選用單回路控制系統(tǒng)實驗中所述的某種調節(jié)器參數(shù)的整定方法整定好調節(jié)器的相關參數(shù)。5設置好系統(tǒng)的給定值后，用手動操作調節(jié)器的輸出，使電動調節(jié)閥給上水箱打水，待其液位達到給定量所要求的值，且基

22、本穩(wěn)定不變時，把調節(jié)器切換為自動，使系統(tǒng)投入自動運行狀態(tài)。6.啟動計算機，運行MCGS組態(tài)軟件軟件，并進行下列實驗：1）當系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，突加階躍擾動（將給定量增加5%15%）,觀察并記錄系統(tǒng)的輸出響應曲線。2）待系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后，適量改變閥F1-6的開度，以作為系統(tǒng)的擾動，觀察并記錄在階躍擾動作用下液位的變化過程。7適量改變PI的參數(shù)，用計算機記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的響應曲線。實驗數(shù)據(jù)記錄和截圖：P=6時：50rnrn45rnm30.5%實驗流程參數(shù)整定數(shù)據(jù)報表返回主菜單P=8時：80mm75mmP=8，I=150000時：實驗三、上水箱液位PID整定實驗歷史曲線聲冒炬Q%37A-9o12R-r.

23、jr-1.3-8.3cd11_un-_y98更時曲線輸出上限浙江天煌科技實業(yè)有限公司TEL鬧間50mm50mrn150000.020000.0輸出下限33.4%歷史曲線P=6，I=150000時：浙江天煌科技實業(yè)有限公司TEL:0571-8522316080mm80mm43.1%設定值（SVP=6，D=20000時：50rnrn45rnm25.9%P=8，D=20000時：80mm75mm47.9%實驗流程參數(shù)整定歷史曲線數(shù)據(jù)報表返回主菜單P=7，I=150000，D=200001開1:用1開:數(shù)據(jù)報表數(shù)整定設定值(SV)測量值23比例度(K)150000.020

24、000.0100.00死區(qū)0.00輸出上限輸出下限0.00實驗流程參數(shù)整定返回主菜單實驗三“上水箱液位PID整定實驗歷史曲線8:39:00PM8:40:00FM8:41:00PM更時曲線浙江天煌科技實業(yè)有限譽司TEL滬積滬130.1fl126.51121.01115.51no.oJ104.5139.0193.5188.0177,0I71.5166.01J55.0j49.5144.0133.0j27.5122.0J16.5j11.05.5101/02/068:38:00PM自動手動五、實驗報告要求：50rnrn50mm29.3%輸出值(OP)實驗數(shù)據(jù)和曲線,分析系統(tǒng)

25、在階躍擾動作用下的動、靜態(tài)性能。整理數(shù)據(jù)如下表：PID參數(shù)超調量CT(%)調節(jié)時間t(s)穩(wěn)態(tài)誤差e(mm)P=63.7218P=82.0155P=6,I=1500000590.5P=8,I=15000011.31715P=6,D=80001.52511P=8,D=200003.52912P=7,I=150000,D=2000010.7350.3分析：系統(tǒng)在階躍擾動作用下，P增大時，穩(wěn)態(tài)誤差減小，系統(tǒng)響應速度加快，超調量減小。加入積分控制后，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差明顯減小，(理論上)積分時間常數(shù)越大，超調量越小，系統(tǒng)的響應速度大幅度變慢。加入微分控制后，微分時間常數(shù)會增加系統(tǒng)的阻尼比，其值越大，系統(tǒng)的

26、超調量越小，調節(jié)時間和穩(wěn)態(tài)誤差幾乎不變。比較不同PID參數(shù)對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。答：不同的PID參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響：比例作用可以加快使系統(tǒng)的響應速度，但是會使振蕩次數(shù)變多，調節(jié)時間變長，適當?shù)丶哟蟊壤刂?，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度；積分作用可以減小系統(tǒng)的超調量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是會降低系統(tǒng)的快速性；微分作用可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，如減小超調量，縮短調節(jié)時間等，但微分作用有可能會放大系統(tǒng)的噪聲，降低系統(tǒng)的抗干擾能力。對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的影響：加大比例作用可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差；積分作用有助于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)控制精度，但積分作用過大時，系統(tǒng)可能產(chǎn)生振蕩，不利

27、于系統(tǒng)的穩(wěn)定性；微分環(huán)節(jié)，可以在誤差出現(xiàn)或變化的瞬間，按偏差變化的趨向進行控制，它引入了一個早期的修正作用，有助于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。分析P、PI、PD、PID四種控制規(guī)律對本實驗系統(tǒng)的作用。答:P：比例是最基本的控制作用，比例調節(jié)的優(yōu)點是可以對控制作用和擾動作用很快做出響應，缺點是無法消除余差。PI：PI調節(jié)器中的P調節(jié)可以快速抵消干擾的影響，而I作用具有消除余差的能力，但是會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PD：由于微分的超前作用，可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使振蕩周期變短，減小誤差，但是微分作用抗干擾性差，并且當微分作用過大時，容易導致系統(tǒng)變化緩慢。PID：是一種常見的性能最好的調節(jié)器，具有各類調節(jié)器的優(yōu)點，

28、能夠提高系統(tǒng)的質量，對動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都有很大的改善和提高。六、思考題：改變比例度6和積分時間Ti對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生什么影響？答：改變比例度6可以使偏差減小，比例度6越大，偏差越小，但不能消除偏差，而且比例度6太大會使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性；Ti可以把余差全部累加起來，從而消除誤差，提高系統(tǒng)的無差度，時間常數(shù)Ti越大，積分作用越弱，反之越強，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也隨之降低。如采用下水箱做實驗，其響應曲線與中水箱或者上水箱的曲線有什么異同？試分析差異原因。答：如果采用下水箱做實驗，響應曲線中滯后時間會更短。原因：因為水的回路變得更短，所以響應曲線會上升的更快。上位機所顯示的響應曲線可能會出現(xiàn)幅度

29、不等的毛刺，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是什么？答：有毛刺出現(xiàn)時很常見的情況，毛刺出現(xiàn)的原因有很多種，可能是儀器設備老化，需要檢修。也有可能是上位機系統(tǒng)檢出的測量值的有一定的誤差，也有可能是實物控制系統(tǒng)突然的不穩(wěn)定，水流速度有偶然性的突變。毛刺和周圍的環(huán)境也有一定的關系，可能是人在設備旁邊走動，碰到了設備，大聲叫喊等等原因。實驗四串接雙容水箱液位PID整定實驗一、實驗目的根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動作用下的動、靜態(tài)性能。比較不同PID參數(shù)對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。分析P、PI、PD、PID四種控制規(guī)律對本實驗系統(tǒng)的作用。二、實驗設備1THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)裝置。2計算機、上位機MCGS組態(tài)

30、軟件、RS232-485轉換器1只、串口線1根3萬用表一只三、實驗原理圖4-1雙容對象控制系統(tǒng)結構圖本實驗系統(tǒng)以中水箱與下水箱為被控對象，下水箱的液位高度為系統(tǒng)的被控制量。基于系統(tǒng)的給定量是一定值，要求被控制量在穩(wěn)態(tài)時等于給定量所要求的值，所以調節(jié)器的控制規(guī)律為PI或PID。本系統(tǒng)的執(zhí)行元件既可采用電動調節(jié)閥，也可用變頻調速磁力泵。如果采用電動調節(jié)閥作執(zhí)行元件，則變頻調速磁力泵支路中的手控閥F2-4或F2-5打開時可分別作為中水箱或下水箱的擾動。圖4-1為實驗系統(tǒng)的結構圖，圖4-2為控制系統(tǒng)的方框圖。圖4-2雙容液位定值控制系統(tǒng)方框圖四、實驗內容與步驟1圖3-9所示，完成實驗系統(tǒng)的接線。2接通

31、總電源和相關儀表的電源。3.打開閥FIT、Fl-2、Fl-7、F1T0和F1T1,且使F1T0的開度大于F1-11的開度。4用本章第一節(jié)實驗中所述的臨界比例度法或4：1衰減振蕩法整定調節(jié)器的相關參數(shù)。5設置系統(tǒng)的給定值后，用手動操作調節(jié)器的輸出，控制電動調節(jié)閥給中水箱打水，待中水箱液位基本穩(wěn)定不變且下水箱的液位等于給定值時，把調節(jié)器切換為自動，使系統(tǒng)投入自動運行狀態(tài)。6啟動計算機，運行MCGS組態(tài)軟件軟件，并進行下列實驗：1）當系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，突加階躍擾動（給定量增加5%15%）,觀察并記錄系統(tǒng)的輸出響應曲線。2）待系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后，啟運變頻器調速的磁力泵支路，分別適量改變閥F2-4或閥F2-5

32、的開度（加擾動），觀察并記錄被控制量液位的變化過程。7.通過反復多次調節(jié)PI的參數(shù)，使系統(tǒng)具有較滿意的動態(tài)性能指標。用計算機記錄此時系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線。1）僅有P作用：初始數(shù)據(jù)：P=2.0，設定值為60mm的變化曲線：3比殛0數(shù)據(jù)報表返回主菜單參數(shù)整定Trndinthfrb*dTrendinth*for.houndcpl積娜|1800000積簇用輸出上限10000死區(qū)_|手動設定值（sv）MS（F/輸出值OP實驗四串接雙容水箱液位PID整定實驗25.；12Z02/173:3400PM33500PMW丄叢III702/33173318&nPK331.00PMl3300Ptatlkforcrono

33、dsplt刃CcryecgcFraMilhfor*(rou*dtf1圖4-688.284.079.875.667.263.058.850.442.037.833.629.4500.016.812.6375.0250.00.0187.512.W173:34:00PM3:35:00PM125.062.570.000000ggjgggg99.49E.621.012/02/173:23:00PM3:3O:OCiPNG:32:00PI43:34:00PM3:36:00PM比1比例度GO2.01死區(qū)輸出下限0.00TrendValueDate/Time實驗四、串接雙容水箱液位PID整定實驗歷史曲線實時曲線

34、歷史曲域參數(shù)整定設定值(sv)180000.020000.0100.00輸出上限Trend,in.theforegroundsplTagConnection返回主菜單ProcessValuarchivessp!Pioces知dueArchivepv1微簇用中水箱港位設定值中水箱液位測量值積瀘I|手動|測量值(PV)輸出值(OP)flIILL人枉啊倨沃Fll公司TEL02/20173:34:09.927圖4-7將比例P改為4.0時響應曲線：實驗四、串接雙容水箱液位PID整定實驗設定值（SV稱匕値(OP)90mn比驅（K）|40|比篠用|叫護|偵0000枳簇埔I0傲讀

35、間|20000.0微銭用|6j0%9OO0CCO0中*帝液位股罡佰輸出Ml13死區(qū)輸岀下限000圖4-8數(shù)據(jù)報表I返回主菜單I曲司圖4-9圖4- 歷史曲銭中水箱液位設定值中水箱液位測量值ProcessValu&rchivBspI90.00000043.438705/02/20173:39:24.394F02/20173:39:24.394F圖4-10圖4-122）同時有P和I作用：初始數(shù)據(jù)為：P=2.0,1=180000.0,設定值為60mm的變化曲線：圖4-13圖4- 圖4-14圖4- 圖4-163)P=2.0,1=1500000：設定值為60mm的變化曲線:圖4- 圖4-18自動手動2.0

36、110參數(shù)整定繆I鷲I鹽|Q俯30.0250.063.054.045.036.027.060rnm設定值sv)測量值(PV)輸出值(OP)比例度(K)150000020000.0100.00死區(qū)0.00輸出上限輸出下限0.00TrendTagConnectionValueDate/Time數(shù)據(jù)報表Trendintheforegroundspl實驗四、串接雙容水箱液位PID整定實驗歷史曲線198.0189.0180.033.081.072.0500.018.0187.52:57:00PI3:58:00PH:59:00PhJOOOOPfi3:01:00Pt8:02:00Pig：03:00Pb3:0

37、4:00PI3:05：a0Pta：06:00PM歷史曲銭/02/20173:05:53.370F02/20173:05:53.370F60.00000060.322315171.0162.0153.0144.0135.0126.0117.0108.0214.6207.0ProcessV.alue.rchivBspIFrocessValuaiiJchivel.pv1437.51375.01312.51中水箱液位設定值中水箱液位測量值9.00.012/02/17陀間比聲集用積制間UlLL人農(nóng)頭2U?冃誠公司EL：0571-85223160125.0162.51LU,12/02/172:58:00P

38、M3:00:00FM3:02:Q0PM3:04:00PM3:06:00PM實時曲線圖4- 圖4-20圖4-224）同時有PID作用：初始數(shù)據(jù)為：P=2.0,D=20000.0,1=150000.0設定值為60mm的變化曲線：自動手動2.0111TrendTagConnectionValueDate/Time參數(shù)整定ELI鹽|QITI39.286.880.674.468.255.824.8250.0歷史曲銭6.20.060rnm設定值sv)測量值(PV)輸出值(OP)比例度(K)150000020000.0100.00死區(qū)0.00輸出上限輸出下限0.00數(shù)據(jù)報表Tr

39、endintheforegroundspl實驗四、串接雙容水箱液位PID整定實驗136.4117.8111.6105.462.049.6實時曲線31.0500.018.6187.512702/172:44:00PN2:45:00PI:46:00Fh:47:00FW:4&00Fh，E：49:00PN2:50:00FkE:51:00PN&52:血PM?:53:00FM147.0142.6/02/20172:44:12.880F02/20172:44:12.880F130.2124.060.00000038.484367ProcessV.alue.rchivBspIFrocessValuaiiJch

40、ivel.pv1歷史曲線437.51375.01312.51中水箱液位設定值中水箱液位測量值陀間比聲集用積制間125.0162.51一LUI.,.12/02/172:44:00Ph它4&0QPh:48:00PhC50:00Pb42:52:00PM圖4-23圖4- 圖4-24自動手動2.0111TrendTagConnectionValueDate/Time參數(shù)整定鷲I鹽|QIT39.286.880.674.468.255.824.8250.0歷史曲銭6.20.060rnm設定值sv)測量值(PV)輸出值(OP)比例度(K)150000020000.0100.00死區(qū)0.00輸出上限輸出下限0.

41、00數(shù)據(jù)報表Trendintheforegroundspl實驗四、串接雙容水箱液位PID整定實驗歷史曲線136.4117.8111.6105.462.049.6實時曲線31.0500.018.6187.512702/172:44:00PN2:45:00PI:46:00Fh:47:00FW:4&00Fh，E：49:00PN2:50:00FkE:51:00PN&52:血PM?:53:00FM147.0142.660.00000059.753685/02/20172:45:26.869F.W20172:45:26.869f130.2124.0ProcessV.alue.rchivBspIFroces

42、sValuaiiJchivel.pv1437.51375.01312.51中水箱液位設定值中水箱液位測量值陀間比聲集用積制間UlLL人農(nóng)頭2U?冃誠公司EL：0571-85223160125.0162.51LU,12/02/172:44:00Pk2:46:00PNe：48:00Ptv2:50:00Pf:52:00PM圖4-26自動手動2.0111TrendTagConnectionValueDate/Time參數(shù)整定鷲I鹽|QIT39.286.880.674.468.255.824.8250.0歷史曲銭6.20.060rnm60rnm設定值SV)測量值(PV)輸出值(OP)比例度(K)1500

43、00020000.0100.00死區(qū)0.00輸出上限輸出下限0.00數(shù)據(jù)報表Trendintheforegroundspl實驗四、串接雙容水箱液位PID整定實驗136.4117.8111.6105.462.049.6實時曲線31.0500.018.6187.512702/172:44:00PN2:45:00PI:46:00Fh:47:00FW:4&00Fh，E：49:00PN2:50:00FkE:51:00PN&52:血PM?:53:00FM147.0142.6/02/20172:51:50.684F02/20172:51:50.684F130.2124.060.00000062.251122

44、歷史曲線ProcessV.alue.rchivBspIFrocessValuaiiJchivel.pv1437.51375.01312.51中水箱液位設定值中水箱液位測量值陀間比聲集用積制間UlLL人農(nóng)頭2U?冃誠公司EL：0571-85223160125.0162.51“LU,12/02/172:45:00PM2:47:00PE:49:00PM2:51:00PhC:53:00PM圖4-27五、實驗分析根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線分析系統(tǒng)在階躍擾動作用下的動、靜態(tài)性能。答：本實驗對象是雙容對象，在階躍擾動作用下系統(tǒng)的響應曲線不會立即變化，從前面的圖中可以看出系統(tǒng)響應曲線的變化也不會太強烈，經(jīng)過一定的調節(jié)

45、時間后能達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，不過此時的穩(wěn)態(tài)誤差較大。雙容對象可看作是單容對象加上一個慣性環(huán)節(jié)，慣性環(huán)節(jié)相當于一個低通濾波環(huán)節(jié)可以慮掉一些低頻干擾。比較不同PID參數(shù)對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。答：P取兩個不同值時，比例較大時系統(tǒng)響應較快；在比例大小保持不變時，積分時間越小積分作用越強，系統(tǒng)響應越快；在比例大小保持不變時，微分時間越大微分作用越強；在將PID都加上時系統(tǒng)響應曲線能取得各個調節(jié)的優(yōu)勢達到較為滿意的狀態(tài)。分析P、PI、PD、PID四種控制規(guī)律對本實驗系統(tǒng)的作用。答：P控制可以加快系統(tǒng)響應，本實驗有滯后因選較大的比例作用。PI可以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無誤差，在本實驗中還是有較小的穩(wěn)態(tài)誤差存在，但比純比例

46、作用系統(tǒng)響應要好的多。PD控制可以加快只有比例作用的系統(tǒng)響應，結合PID中各參數(shù)的作用選擇合適的PID參數(shù)對本實驗至關重要，在圖4-14中可以看到PID作用下系統(tǒng)的響應曲線較為理想能達到預期的實驗目的。六、思考題：你能說出下水箱的時間常數(shù)比中水箱時間常數(shù)大的原因嗎？答：下水箱的輸入是中水箱的輸出，因此下水箱響應系統(tǒng)輸入時的速度比中水箱更慢，相當于在中水箱的基礎上又加了一個慣性環(huán)節(jié)。為什么雙容液位控制系統(tǒng)比單容液位控制系統(tǒng)難于穩(wěn)定？答:雙容液位控制系統(tǒng)有較大滯后環(huán)節(jié)，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定，甚至引起系統(tǒng)的振蕩，比起單容液位控制系統(tǒng)來說更難控制。比較實驗圖像，分析在不同的PI參數(shù)下系統(tǒng)的動態(tài)性能變化趨勢并

47、根據(jù)控制理論做出相應解釋。答：P控制可以加快系統(tǒng)響應，本實驗有滯后因選較大的比例作用。PI可以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無誤差，在本實驗中還是有較小的穩(wěn)態(tài)誤差存在，但比純比例作用系統(tǒng)響應要好的多。PD控制可以加快只有比例作用的系統(tǒng)響應，結合PID中各參數(shù)的作用選擇合適的PID參數(shù)對本實驗至關重要，在圖4-14中可以看到PID作用下系統(tǒng)的響應曲線較為理想能達到預期的實驗目的。實驗五鍋爐內膽水溫PID控制實驗一、實驗目的1了解單回路溫度控制系統(tǒng)的組成與工作原理2研究P、PI、PD和PID四種調節(jié)器分別對溫度系統(tǒng)的控制作用3了解PID參數(shù)自整定的方法及參數(shù)整定在整個系統(tǒng)中的重要性二、實驗設備1THJ-2型高級過程控制

48、系統(tǒng)實驗裝置2計算機、上位機MCGS組態(tài)軟件、RS232-485轉換器1只、串口線1根3萬用表1只三、實驗原理圖5-1鍋爐內膽靜態(tài)水溫控制系統(tǒng)的結構示意圖圖5-1為鍋爐內膽水溫定值控制系統(tǒng)的結構示意圖。模擬鍋爐的內膽主要是模擬工業(yè)生產(chǎn)過程中的實際鍋爐的加熱容器，其控制任務就是在電加熱絲不斷加熱的過程中保持鍋爐內膽的水溫不變，即控制鍋爐內膽水溫等于給定值，但實驗進行前必須先通過電動調節(jié)閥支路給鍋爐內膽打水,當水位上升至適當高度才開始加熱，并在加熱過程中不再加水。系統(tǒng)采用的調節(jié)器為工業(yè)上常用AI智能調節(jié)儀。鍋爐內膽水溫的定值控制系統(tǒng)中，其參數(shù)的整定方法與其它單回路控制系統(tǒng)一樣，但由于加熱過程容量時

49、延較大，所以其控制過渡時間也較長。圖5-2鍋爐內膽靜態(tài)水溫控制系統(tǒng)的方框圖四、實驗內容與步驟1按圖5-1要求，完成實驗系統(tǒng)的接線。2接通總電源和相關儀表的電源。打開閥Fl-1、Fl-2、F1-5和F1-13,關閉其它所有與本實驗無關的閥,用電動調節(jié)閥支路給鍋爐內膽打水至2/3最大容量左右時,停止打水。按階躍響應曲線法，確定PI調節(jié)器的參數(shù)（5和”，并整定之。5設置好溫度的給定值，先用手操作調節(jié)器的輸出，通過三相移相調壓模塊給鍋爐內膽加熱,等鍋爐水溫趨于給定值且不變后，把調節(jié)器由手動切換為自動，使系統(tǒng)進入自動運行狀態(tài)。打開計算機，運行MCGS組態(tài)軟件，并進行如下的實驗：當系統(tǒng)穩(wěn)定運彳丁后，突加階

50、躍擾動（將給定量增加5%15%），觀察并記錄系統(tǒng)的輸出響應曲線。通過反復多次調節(jié)PI的參數(shù)，使系統(tǒng)具有較滿意的動態(tài)性能指標。用計算機記錄此時系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線。實驗數(shù)據(jù)和截圖如下：P=3時：P=3，I=150000時：25.01C23.1C5.7%35.0C34.7C2,4%P=3，I=250000，D=11000時：實驗六、鍋爐內膽水溫PID控制實驗浙江天埋科技實業(yè)有限發(fā)司TEL:0571-8522316030.01C30.5C3.8%五、實驗報告要求：1據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線,分析系統(tǒng)在階躍擾動作用下的動、靜態(tài)性能。PID參數(shù)超調量O（%）調節(jié)時間t（s）s穩(wěn)態(tài)誤差e（C）P=301542.5P

51、=3，I=150000-463-P=3，I=250000，D=11000-621-2.不同PID參數(shù)對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。答：（1）比例控制（P）是最簡單的控制方式，它決定了系統(tǒng)的響應速度，在一個系統(tǒng)中如果只使用比例控制，會存在穩(wěn)態(tài)誤差。增大比例系數(shù)P，會使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。比例系數(shù)偏大時，振蕩次數(shù)加大，調節(jié)時間變大。比例系數(shù)太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定，而比例系數(shù)太小又會使系統(tǒng)的動作緩慢。（2）在積分（I）控制中，積分的作用是使系統(tǒng)穩(wěn)定后沒有靜差。積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，T太小會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，i提高系統(tǒng)的控制精度。（3）在微分（D）控制中，微分作用

52、可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，T偏大時超調量大，調節(jié)時間短；T偏小時超調量dd和調節(jié)時間都較長。對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。3.P、PI、PD、PID四種控制規(guī)律對本實驗系統(tǒng)的作用。答：（1）比例調節(jié)P使系統(tǒng)響應快但會帶來余差。（2）PI調節(jié)器中P調節(jié)可以快速抵消干擾的影響，積分調節(jié)消除余差，但會使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。（3）PD控制中由于微分的超前作用，可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，使振蕩周期變短，減小誤差，但是微分作用抗干擾能力差，且微分過大，易導致調節(jié)閥動作向兩端飽和。（4）PID控制具有各類調節(jié)器的優(yōu)點。六、思考題：1溫度控制系統(tǒng)中，為什么用PD

53、和PID控制，系統(tǒng)的性能并不比用PI控制有明顯地改善？答：目前溫度傳感器采用熱電偶或熱電阻有零點幾秒到十幾秒的延遲，在控制中必須增加微分作用D提前產(chǎn)生作用。在實際運用中會與工況變化不相符，往往是超調嚴重而調亂PID參數(shù)。需要仔細觀察動作變化結果，合理調節(jié)PID的參數(shù)。2.在階躍擾動作用下，用PD調節(jié)器控制時，系統(tǒng)有沒有余差存在？為什么？答:系統(tǒng)有余差存在，因為微分并不能消除余差，只有積分能在比例的基礎上消除系統(tǒng)的余差。3.實驗過程中鍋爐溫度降低速度較慢，如想加速溫度降低能采取什么辦法？答：在停止加熱的前提下，可以在鍋爐中加入冷水。用水冷壁的方法，可以快速降溫?；蛘邔⒅車鷾囟冉档?，將冰冷的物體靠

54、在鍋爐壁上，用熱傳遞的方法降溫。實驗六水箱液位串級控制系統(tǒng)一、實驗目的1熟悉串級控制系統(tǒng)的結構與特點2掌握串級控制系統(tǒng)的投運與參數(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、實驗設備1.町-2型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置2計算機、上位機MCGS組態(tài)軟件、RS232-485轉換器1只、串口線1根3.萬用表1只三、實驗原理每一個回路中都有一個屬于自己的調節(jié)器和控制對象，即主回路中的調節(jié)器稱主調節(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。副回路中的調節(jié)器稱副調節(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)控制的目的不

55、僅使系統(tǒng)的輸出響應具有良好的動態(tài)性能，且在穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)的被控制量等于給定值，實現(xiàn)無差調節(jié)。當有擾動出現(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)，因而當被控制量（下水箱的液位）未作出反映時，副回路已作出快速響應，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)的響應速度，改善了動態(tài)性能。圖5-2為實驗系統(tǒng)的結構圖，圖5-3為相應控制系統(tǒng)的方框圖。修卷賣峯）UaSS帆家）一H料疋輩叫*mvr!中hH下2捌町旌社石|郭址土筑威H圖6-2液位串級控制系統(tǒng)的方框圖四、實驗內容與實驗步驟1按圖6-1要求，完成實驗系統(tǒng)的接

56、線。2接通總電源和相關儀表的電源。3.打開閥Fl-1、Fl-2、Fl-7、Fl-10、F1-11，且使閥F1-10的開度略大于F1-11。4按經(jīng)驗數(shù)據(jù)預先設置好副調節(jié)器的比例度。5調節(jié)主調節(jié)器的比例度，使系統(tǒng)的輸出響應出現(xiàn)4：1的衰減度，記下此時的比例度6和周期T。據(jù)此，按經(jīng)驗表查得PI的參數(shù)對SS主調節(jié)器進行參數(shù)整定。6手動操作主調節(jié)器的輸出，以控制電動調節(jié)閥支路給中水箱送水的大小，等中、下水箱的液位相對穩(wěn)定，且下水箱的液位趨于給定值時，把主調節(jié)器切換為自動。7.打開計算機，運行MCGS組態(tài)軟件，并進行如下的實驗：1）當系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，突加階躍擾動（將給定量增/減5%15%），觀察并記錄系統(tǒng)

57、的輸出響應曲線。2）適量打開閥F2-4，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）的響應過程。3）將閥F2-4關閉，去除副對象的階躍擾動，且待系統(tǒng)再次穩(wěn)定后，再適量打開閥F2-5,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。8通過反復對主、副調節(jié)器參數(shù)的調節(jié)，使系統(tǒng)具有較滿意的動、靜態(tài)性能。用計算機記錄此時系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線。實驗數(shù)據(jù)和截圖如下：主調節(jié)器:P=3時副調節(jié)器：P=2,1=100000,主調節(jié)器：P=3,1=150000,D=11000實驗十、水箱液位串級控制實驗主那IZ比I參數(shù)整定TB委QO播匍佝110000哼卿箱岀下FR000rt4ib4fr.口1實臉潦程數(shù)據(jù)報表歷丈線實XH：850671254104502005500剛5600則018048您38恥288蹴UOOBtDOOPM-1200FW11400PM1600P*1800FW12000FW實驗十、水箱液位串級控制實驗現(xiàn)&名設仙力王ttm)叫腫110000r簇用輸岀上憶5EE輸出TFR