《过程控制系统》实验指导书(修改)

《过程控制系统》实验指导书

实验设备简介

A3000对象系统包含三个水箱，一个大的蓄水箱，一个锅炉，一个工业用板式换热器，两个水泵，大功率加热棒，滞后系统以及加热联锁保护系统。传感器和执行器包含5个温度、3个液位、1个压力、1个电磁流量计，1个涡轮流量计,1个电动调节阀，2个电磁阀，以及2个锅炉液位开关。

结构工艺图如下图0-1所示：、

图0-1 A3000高级过程控制系统结构工艺图

实验一单容自衡水箱液位比例控制实验

一．实验目的：

⑴通过实验了解单回路控制系统的原理及采用纯比例控制时的特点；

⑵分析比例控制时，比例系数改变时对系统稳态指标和静态指标的影响；二．实验设备：

A3000高级过程控制实验设备，计算机监控系统。

三．实验原理

实验原理图如下：

四．实验内容与步骤：

1．系统连接

⑴在A-3000设备上，打开手动调节阀JV201、JV206，其余阀门关闭。

⑵将下水箱液位变送器输出连接到PLC的输入端子AI0，PLC的输出端子AO0

连接到电动调节阀上控制信号端(注意红黑线不要接错)。

⑶打开A3000设备电源，启动右边水泵。

⑷启动计算机组态软件，进入实验系统，选择“单容液位定值控制实验”。2．P控制

⑴调节下水箱出口闸板开度到某一刻度（如下闸板顶到槽顶距离（开度）5mm）；

⑵设定一个液位给定值SP（例如30），将比例系数设定为某一个较小的值，并

设定积分时间常数为最大，微分时间常数为0，启动系统。

⑶待系统达到稳态时，用抓图的方法记录所得的响应曲线；

⑷按电脑监控界面的停止按钮，停止系统。将出水闸板开度加大，将水箱水放

掉，待水放完之后，重新将出水闸板开度设定为5mm。

⑸仍然设定为纯比例控制下（设定方法见步骤⑵），增大比例系数，重新做步骤

⑵和⑶。

⑹ 重复上述步骤⑸，重新记录响应曲线，上述响应曲线至少测得3组，包括单调曲线2组、衰减振荡曲线1组。

注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。

五．实验报告要求：

⑴ 抓取不同比利系数时所得到的响应曲线，打印出来并附在实验报告上。 ⑵ 根据所获得3组响应曲线，计算稳态误差ss e 、超调量(%)σ和调整时间s t 。 ⑶ 回答思考题。

六．思考题：

分析随着比例系数的增大，对系统的稳态指标（稳态误差ss e ）和动态指标（超调量(%)σ和调整时间s t ）有什么影响？

实验二单容自衡水箱液位PID控制实验

一．实验目的：

⑴通过实验了解单回路控制系统的原理及采用P、PI、PID控制时的特点；

⑵分析PI控制时，积分时间常数及微分时间常数改变时对系统稳态指标和静态

指标的影响；

二．实验设备：

A3000高级过程控制实验设备，计算机监控系统。

三．实验原理

实验原理图如下：

四．实验内容与步骤：

1．系统连接

⑴在A-3000设备上，打开手动调节阀JV201、JV206，其余阀门关闭。

⑵将下水箱液位变送器输出连接到PLC的输入端子AI0，PLC的输出端子AO0

连接到电动调节阀上控制信号端(注意红黑线不要接错)。

⑶打开A3000设备电源，启动右边水泵。

⑷启动计算机组态软件，进入实验系统，选择“单容液位定值控制实验”。

2．PI控制

⑴调节下水箱出口闸板开度到某一刻度（如下闸板顶到槽顶距离（开度）5mm）；

⑵在实验一比例调节测试的基础上（在计算机监控画面中设定P值为某个数值

如2或3），加入积分作用。即在计算机监控界面上设置I参数为不是特别大的数。固定比例P值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后给定值加阶跃扰动，观察给定值加阶跃扰动后被调量的输出波形，并抓取

并记录两组不同Ti 值时的输出曲线。

⑶ 通过上一步的实验观察，选择一组合适的P 和Ti 值，使系统对给定值阶跃扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线，记录这条响应曲线。 3． PID 控制

⑴ 在获得上述满意的PI 控制器参数的基础上，固定此PI 参数，再引入适量的微分作用，即在监控软件界面上设置D 参数，然后加上与前面PI 调节时幅值完全相等的给定值扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线。

⑵ 逐渐增大Td 和反复试凑，选择合适的Td ，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线，并抓取记录此响应曲线。

（注意：按上述步骤，本实验至少应记录3条响应曲线：PI 控制2-3条，PID 控制至少1条） 五．实验报告要求：

⑴ 在上述的给定值加阶跃扰动条件下，将抓取的2组不同Ti 值时的输出曲线（在同一比例系数P 值下）打印出来并附在实验报告上。 ⑵ 计算这2条曲线的超调量(%) 和调整时间s t 。

⑶ 将实验中获得的较为满意的PI 和PID 控制下的输出曲线打印出来并附在实验报告上。 ⑷ 回答思考题。

六．思考题：

1. 积分的引入对闭环控制有何影响？积分作用过强和过弱有何不同？

2. 微分控制一般应用在什么场合？微分的引入会对闭环系统产生什么影响？微分过强与过弱有何不同？

（以上思考题从闭环系统的动态和静态特性方面回答）

实验三 电动调节阀流量特性测量实验

一．实验目的：

⑴ 通过实验验证直线型调节阀的理想流量特性，并加深理解； ⑵ 理解影响调节阀流量的因素；

⑶ 通过控制电动调节阀的阀前压力，熟悉和掌握管道压力的单回路调节原理。

二．实验设备：

A3000高级过程控制实验设备，计算机监控系统。

三、实验原理：

本实验通过控制电动调节阀的阀前压力来控制电动调节阀两端的压力为恒定值（由于电动调节阀的阀后压力基本等于大气压），从而来测定电动调节阀的理想流量特性。

由调节阀理想流量的关系式，

max v v q l f q L ⎛⎫

= ⎪⎝⎭

，其中max v q 是对应于调节阀处

于全开（控制电流等于20mA 时，电动调节阀处于全开）时流过调节阀的流量，

max v q 通过实验可测得。实验中，使用智能调节仪表分别手动给电动调节阀的控制输入端输入4～20mA 的直流电流信号即可使电动调节阀处于某个稳定的开度上。并可由输入的电流值算出相对开度。测出此相对开度下的相对流量值，反复测出几组相对开度对应的相对流量与的值，绘制成理想流量特性曲线，进而得到电动调节阀的理想流量特性。

实验原理图如下图3.1