2+《过程控制工程》实验讲义15-16+修改
过程控制实验讲义
对象特性测试实验对象特性是指对象在输入的作用下，其输出的变量（即被控变量）随时间变化的特性。
对象特性测试实验的目的：通过实验掌握单、双容对象特性曲线的测量方法，根据曲线和先验知识确定对象模型结构和模型参数。
测量时应注意的问题：液位对象是自衡对象，单个水槽是一阶对象，上水槽与下水槽可以组成二阶对象，下水箱形状为长方体，其横截面积为：。
对象参数的求取：一、传递函数的求取1、一阶对象在0.632倍的稳态值处求取时间常数T0。
2、一阶加纯滞后的对象对于有纯滞后的一阶对象，如图2所示，当阶跃响应曲线在t=0时，斜率为0；随着t 的增加，其斜率逐渐增大；当到达拐点后斜率又慢慢减小，可见该曲线的形状为S 形，可用一阶惯性加时延环节来近似。
确定K 0、T 0和τ的方法如下：00/)]0()([1)(x y y K s T K s W o -∞=+=/)]0()([01)(0x y y K e s T K S W so -∞=+=-τ在阶跃响应的拐点（即斜率的最大处）作一切线并与时间坐标轴交与C 点，则OC 段的值即为纯滞后时间τ，而与CB 段的值即为时间常数T0。
3、二阶或高阶对象二阶过程的阶跃响应曲线，其传递函数可表示为式中的K 0、T 1、T 2需从阶跃响应曲线上求出。
先在阶跃响应曲线上取（1） y （t ）稳态值的渐近线y （∞）；（2） y （t1）=0.4 y （∞）时曲线上的点y1和相应的时间t1； （3） y （t2）=0.8 y （∞）时曲线上的点y2和相应的时间t2； 然后，利用如下近似公式计算T 1、T 2。
（4）（5） 对于二阶过程，0.32<t1/t2<0.46。
当t1/t2=0.32时，为一阶环节（此时，时间常数T0=（t1+t2）2.12）；当t1/t2=0.46时，过程的传递函数W （s ）=K 0/（T 0S+1）（T 0S+1）（此时，T1=T2=T0=（t1+t2）/2×2.18）；当t1/t2>0.46时，应用高于二阶环节来近似。
过程控制讲义课件(全套)
29
1.4 过程控制系统的分类
6. 按给定信号的特点分类 ： 定值控制系统 程序控制系统 随动控制系统
（1）定值控制系统：就是系统被控量的给定值保持在规定 值不变，或在小范围附近不变。定值控制系统是过程控 制中应用最多的一种控制系统，因为在工业生产过程中 大多要求系统被控量的给定值保持在某一定值，或在某 很小范围内不变。 例如过热蒸汽温度控制系统、转炉供氧量控制系统 均为一个定值控制系统。
30
1.4 过程控制系统的分类
（2）程序控制系统：它是被控量的给定值按预定的时 间程序变化工作的。控制的目的就是使系统被控量按 工艺要求规定的程序自动变化。 例如同期作业的加热设备(机械、冶金工业中的热 处理炉)，一般工艺要求加热升温、保温和逐次降温 等程序，给定值就按此程序自动地变化，控制系统按 此给定程序自动工作，达到程序控制的目的。
4. 按被控制量的多少分类：
单变量控制系统 多变量控制系统
25
1.4 过程控制系统的分类
5. 按系统的结构分类：
反馈控制系统 前馈控制系统 复合控制系统 单回路控制系统 串级控制系统
26
1.4 过程控制系统的分类
（1）反馈控制系统
它是过程控制系统中的一种最基本的控制结构形 式。反馈控制系统是根据系统被控量的偏差进行工作 的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差 的目的。如过热蒸汽温度控制系统就是一个反馈控制 系统。另外，反馈信号也可能有多个，从而可以构成 多个闭合回路，称其为多回路控制系统。
23
1.4 过程控制系统的分类
1. 按被控量分类 ：
温度控制系统 压力控制系统 流量控制系统 液位控制系统等
2. 按完成的功能分类：
过程控制工程实验教学大纲
课程编号：0701103课程名称：化工过程控制工程总学时：48Process-Control Engineer总学分：3课程性质：本课程是生产过程自动化专业的一门重要的专业课。
开设学期学时分配：第七学期,48学时适用专业及层次：自动化、测控技术等工科本、专科先行、后继课程情况：先行课《化工原理》、《控制原理》、《自动控制装置》后继课无紧密相关课程参考书：《化工过程控制工程》祝和运浙江大学《过程控制工程》蒋尉孙华东理工大学《过程控制》金以慧清华大学出版社《CONTROL SYSTEM DESIGN 》Graham C.Goodwm 清华大学出版社一、课程的目的与要求：本课程是自动化专业的一门重要的专业课通过学习使学生能够运用控制理论，结合工艺过程机理和控制装置(仪表和计算机)的硬件与软件知识，进行生产过程控制系统的分析、设计、运行和开发工作。
使学生在科研能力、设计能力和工程实际处理能力等方面受到初步而严格的训练。
使学生掌握化工过程控制的基本分析方法、设计方法和研究方法，具有独立的分析问题和解决问题的能力。
同时，本课程不仅担负着培养过程控制工程师的基本训练任务，而且为新技术的开发和应用打下必要的工程理论基础。
二、课程内容及学时分配：上篇过程控制系统第一章简单控制系统（12学时）（一）单回路系统的结构组成及控制指标单回路系统的典型结构，单回路系统的控制指标。
（二）过程特性与动态模型建立过程特性的类型， K、T、τ对控制指标的影响，过程动态机理模型的列写方法过程动态机理模型建立的辨识方法。
（三）测量、变送装置对控制系统的影响及选择测量信号性能，测量信号传送滞后影响与克服。
（四）调节阀的选用气动调节阀的结构，调节阀的流量系数，调节阀的流量特性，气动调节阀的选型。
（五）连续P、I、D控制及其调节过程基本概念，比例调节，积分调节，比例积分调节，比例积分微分调节。
（六）单回路系统的投运和整定控制系统的投运，控制系统的工程整定方法。
过程控制实验讲义
高级过程控制综合系统的认识和实践第一章过程控制工程实践的目的和任务一、实践目的：1、认识实际工业生产现场过程控制系统的结构与组成。
2、熟悉过程控制综合系统的各种自动化仪表的使用。
3、掌握单闭环液位控制系统的结构和组成以及调节器参数整定的方法。
4、研究调节器相关参数的整定的方法和对系统动态性能的影响。
二、实践所需设备及附件：1)THJ-2型高级过程控制系统装置。
2)计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根。
3) 万用表1只。
三、预习要求：学习过程控制工程和相关专业课程的有关知识和内容。
四、实践报告：第二章高级过程控制系统的认识一、系统简介“THJ-2型高级过程控制系统实验装置”是基于工业过程的物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置，该装置是根据自动化及其它相关专业教学的特点，吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出了一套全新的实验装置，该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈—反馈控制，比值控制，解耦控制等多种控制形式。
本装置还可根据用户的需要设计构成DDC，DCS，PLC，FCS 等多种控制系统。
该实验装置既可作为本科，专科，高职过程控制课程的实验装置，也可为研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供物理模拟对象和实验手段。
二、系统组成本实验装置由被控对象和控制仪表两部分组成。
系统动力支路分两路：一路由三（380V 交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。
1、被控对象由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接有机玻璃圆筒形水箱、4.5千瓦电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管道组成。
过程控制15讲
10
3.1.5 系统的性能指标
（1）偏差绝对值积分(IAE)
J = ∫ | e(t ) | dt → min
0 ∞
运算方便简单
（2）偏差绝对值与时间乘积的积分(ITAE)
J = ∫ t | e(t ) | dt → min
0 ∞
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
抑制过渡过程时间， 突出快速性
（3）偏差平方值积分(ISE)
J = ∫ e2 | e(t ) | dt → min
16
3.2 选择被控量与控制量
这样，塔顶馏出物(或塔底残液)的浓度应选作被控参 数，因为它最直接地反映了产品的质量。但是，目前对 成分的测量尚有一定的困难，于是一般采用塔顶(或塔 底)温度代替浓度作为被控参数。 3.间接变量对控制作用的反应必须有足够的灵敏度。 4.生产工艺的全局性，合理性。
17
0 ∞
抑制大误差
11
3.1.5 系统的性能指标
（4）时间乘偏差平方积分(ITSE)
J = ∫ te2 | e(t ) | dt → min
0
∞
t小；抑制大误差
不同的积分指标对动态的过渡过程的要求侧重点不同， ISE着重于抑制过渡过程中的大误差，而ITAE和ITSE则着 重惩罚过渡过程拖得太长，其中ITSE兼顾抑制过程中的大 误差。
1.系统阶跃响应性能指标（适用于衰减震荡过程） （1）余差(静态偏差) 、残差(残余偏差)C——准确度 余差C是指系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳 态值之差。它是一个重要的静态指标，一般要求余 差不超过预定值或接近零。
定值系统阶跃扰动的响应曲线
4
3.1.5 系统的性能指标
随动系统阶跃给定的响应曲线
1
《过程控制工程》课件
反馈控制原理基于负反馈机制，通过传感器检测系统输出，并将其与期望输出进行比较，产生一个误差信号。控 制器根据误差信号调整系统输入，以减小实际输出与期望输出之间的偏差。这种控制方式具有快速响应、抗干扰 能力强等优点。
前馈控制原理
总结词
前馈控制原理是一种开环控制系统，通过预先对扰动因素进行补偿，来减小其 对系统输出的影响。
执行器分为电动、气动和液压等类型，根据被控对象的特性选择合适的执行器， 以实现精确的控制效果。
传感器
传感器是过程控制系统中的测量元件，用于检测被控对象的 参数并将其转换为电信号或数字信号。
传感器的类型包括温度传感器、压力传感器、流量传感器等 ，它们的选择直接影响系统的测量精度和控制效果。
过程单元
系统仿真
总结词
系统仿真是在计算机上模拟实际生产过 程，用于评估和比较不同控制策略的效 果。
VS
详细描述
系统仿真通过模拟生产过程中各个工艺变 量的变化，可以预测系统在不同控制策略 下的行为。通过比较不同控制策略的效果 ，可以找到最优的控制方案。系统仿真还 可以用于培训操作人员，提高其对系统的 理解和操作能力。
02
过程控制系统的基本组 成
控制器
控制器是过程控制系统的核心，用于 接收来自传感器的输入信号，并根据 设定值与实际值的偏差产生控制输出 。
控制器的类型包括比例控制器、积分 控制器和微分控制器等，它们通过不 同的控制算法来调整执行器的输出， 以实现系统的稳定和优化。
执行器
执行器是过程控制系统的执行机构，根据控制器的输出信号来调节被控对象的参 数。
详细描述
集成化控制系统将生产过程中的各种设备和系统进行集成，实现数据共享、信息交互和协同工作，提高生产过程 的整体协调性和效率。同时，集成化控制系统还有助于降低能源消耗和减少环境污染，促进可持续发展。
过程控制工程_第二版_(王树青_著)_化工出版社_课后答案
过程控制工程课后习题答案第一章1-1自动控制系统由被控对象、测量变送器、执行器（控制阀）和控制器组成。
被控对象是指被控制的生产设备或装置。
测量变送器用于测量被控变量，并按一定的规律将其转换为标准信号作为输出。
执行器常用的是控制阀，接受来自控制器的命令信号，用于自动改变控制阀的开度。
控制器它将被控变量的测量值与设定值进行比较，得出偏差信号e(t)，并按一定规律给出控制信号u（t）1-21）直接数字控制它的特点：计算灵活，它不仅能实现典型的PID 控制规律，还可以分时处理多个控制回路。
2）集中型计算机控制系统它的特点：可以实现解耦控制、联锁控制等各种更复杂的控制功能；信息集中，便于实现操作管理与优化生产；灵活性大，控制回路的增减、控制方案的改变可由软件来方便实现；人机交互好，操作方便3）集散控制系统它的特点：同时适应管理与控制两方面的需要：一方面使用若干个控制器完成系统的控制任务，每个控制器实现一定的控制目标，可以独立完成数据采集、信号处理、算法实现与控制输出等功能；另一方面，强调管理的集中性。
1-3spPC51P m PT51P2uP1P：被控变量储罐：被控对象U：控制变量进气流量：操纵变量P1，P2，出气流量：扰动变量被控变量：被控对象需要维持在其理想值的工艺变量，也是测量变松的输入。
控制变量：控制器的输出电信号。
操作变量：执行器的操作对象，对被控变量有影响。
扰动变量：影响被控变量的变量（除了操作变量）。
干扰 通道P sp +E(t)_压力制器进 气 控制阀控制对 象++P （t ） P m (t )压力 1-4给定值+ 液位控制器控制阀水槽测量液位变送器假设控制阀为气闭式、控制器为反作用，定义偏差为测量值与给定值之差。
首先假设在 干扰发生之前系统处于平衡状态，即流入量等于流出量，液位等于给定值。
当有干扰发生， 平衡状态将被破坏，液位开始变化，于是控制系统开始动作。
1）假定在平衡状态下流入量 Q1 突然变大。
《过程控制工程》课程教学大纲资料精
《过程控制工程》课程教学大纲课程代码：课程名称：过程控制工程英文名称： Process Control Engineering课程总学时：60（其中理论课 48 学时，实验12 学时）学分：4课程类别：必修课程性质：专业课先修课程：电路、电子技术、微机原理、自控原理面向专业：生产过程自动化技术、检测技术及应用开课单位：电气工程系一、课程的性质、地位和任务《过程控制工程》是生产过程自动化技术、检测技术及应用等专业的专业课。
本课程的目的是使学生在掌握过程控制基本理论和常用控制仪表选用的基础上，能熟练地安装、校验与维护常用控制仪表，能熟练地正确调试简单控制系统及常用复杂控制系统，较熟练地掌握简单控制系统的开发与组织实施能力。
二、课程的教学目标（一）理论、知识方面1.能够读懂、并能规范地绘制常用带控制点的工艺流程图。
2.能根据仪表技术说明书的要求正确使用常用检测仪表，能对变送器实施正确地调零、零点迁移、量程扩展操作；能根据工艺和控制要求，合理设置智能PID控制器的相关参数。
3.能根据仪表技术说明书的维护要求，能对仪表的常见故障和线路故障合理分析，并加以排除。
4.能够根据工艺与控制要求合理选择常用的温度、压力、流量和物位检测仪表。
5.能够根据工艺要求，综合运用知识和各种方法，设计出简单控制系统并加以实施。
6.能够根据被控参数和系统特点，运用临界比例度法、衰减曲线法两种工程整定方法，对简单控制、串级控制等控制系统，实施正确地调试，使系统在稳定性、准确性和快速性的三项指标基本优化，满足工艺要求。
（二）能力、技能方面1.掌握常用工业过程控制系统的组成原理与性能特点，熟悉其适用场合。
理解被控参数、调节参数对系统性能的影响，掌握被控参数与调节参数的合理确定方法。
2.掌握常用过程检测仪表的结构与测量原理；理解各种PID控制规律对系统的作用，掌握其使用方法。
三、课程教学内容与要求（一）绪论（4学时）1. 教学内容及基本要求了解过程控制发展概况和过程控制的特点（1学时）；掌握过程控制系统的组成及其分类（2学时）；了解“过程控制工程”课程的性质和任务（1学时）。
过程控制工程实验指导书
过程控制实验指导书（DCS篇）曾慧敏自动化教研室自动化与电子信息学院自动化教研室2015年12月5日前言本实验指导书是根据求是实验室设备-和利时DCS实验装置和A3000过程控制系统的相关内容编写的，可满足《DCS与现场总线》、《过程控制》、《过程控制与仪表》、《计算机控制》、《自动化仪表》等相关课程的实验教学要求。
过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。
和利时DCS实验装置根据现行教材教学的要求，设置了压力、流量、液位、温度等单回路、串级、比值及前馈等实验。
实验指导书叙述了实验装置的各个仪表的原理、工作情况，实验项目及实验原理。
并讲述了系统的一些硬件的特点和技术指标。
本书试图通过对各实验原理的认识到对实验的实践，使学生对和利时DCS实验装置和系统原理有一个较为深刻的认识。
同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、设计性过程控制系统实验的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的能力。
若有疏漏，恳请批评指正！目录主要内容 (4)第一部分 A3000设备简介 (6)第二部分基础学习 (9)和利时DCS的应用系统设计内容及步骤 (9)第三部分实验内容 (43)实验一水箱液位控制系统 (43)实验二液位和进口流量串级控制系统 (55)主要内容1、实验总体目标通过实验，巩固掌握DCS课程的讲授内容，使学生对过程控制系统的基本理论及分析方法有一个感性认识和更好地理解，使学生在分析问题与解决问题的能力及实践技能方面有所提高。
2、适用专业自动化和电气自动化专业本科生、研究生3、先修课程控制装置、自动化仪表、计算机控制系统、过程控制系统及DCS与现场总线4、实验课时分配实验环境:和利时MACS和A3000过程控制系统6、实验总体要求（1)、掌握单回路控制系统原理和参数整定方法；(2)、掌握串级控制系统原理和参数整定方法。
过程控制工程实验指导书(2015版)4.12
t t T 2 1 M1 M 2 t M t M 2 1 1 2 M1 M 2
其中， M 1 ln(1 实验要求： 1) 2) 3) 对一个一阶对象进行动态特性测试； 对一个高阶对象进行动态特性测试； 画出对象的标准响应曲线，与测试曲线进行比较。
y1 y ) ， M 2 ln(1 2 ) 。 Kr Kr
结果分析： 被测对象
K1 T1 S 1
K1 = T1= 正向阶跃 反向阶跃 K1 = K2 = K3 =
K1 K 2 K 3 (T1 S 1)(T2 S 1)(T3 S 1)
T1= T2= T3= 正向阶跃 反向阶跃
实际 设置值
阶跃响应 曲线 参数估计 K1 = T1= K1= T1= K1*K2*K3= T= τ= K1*K2*K3= T= τ=
思考问题： 1．采用两点法进行图解时，为什么通常取 y1 、 y 2 在 0.284 至 0.865 间的值？ 2．除了阶跃响应法测试对象特性外，还可以用哪些方法？
6
华东理工大学信息学院 2015 年 4 月
2
目
录
2014～2015 学年第 2 学期实验安排...........................................................................4 实 验 要 求..................................................................................................................5 实验 1 实验 2 实验 3 实验 4 实验 5 实验 6 实验 7 实验 8 实验 9 对象动态特性测试.........................................................................................5 控制器参数对控制质量的影响.....................................................................7 用曲线拟合法估计模型参数.........................................................................8 干扰位置对控制质量的影响.......................................................................10 前馈控制系统...............................................................................................11 串级控制系统...............................................................................................13 DELTAV DCS 控制系统的三容压力对象特性的测试...............................14 DELTAV DCS 系统控制器的参数整定（三阶对象）...............................15 DELTAV DCS 系统基于现场总线设备的三阶液位对象控制...................16
过程控制系统及工程课件(PPT 45张)
d/dt T2C 减温水 T1C
T 1 1 0 1 T Gc Gc 1 1 i 1 1 1 1 1 K F 2 Gc 2 2 T 1 1 0 T Gc Gc 1 2i 1 1 1 1 1 K F 2 G 2c 2
16.2
换热器的特性
T1o --G2 ： T1o --G1 ：
16.3.2 蒸汽加热器的控制
② 控制冷凝液排量 热载体的出口控制，通过改变F控制 控制阀控制液体，口径可以小些，液体 控制平稳， 缺点：滞后 蒸汽G2
G1 TC FC 凝液
图16-14 前馈-反馈控制系统
16.3.3 冷凝冷却器的控制
热载体为液态冷却剂，通过在换热器内蒸发，带走介质热量
① 控制载热体流量
U
GmF
GPD
I0
GC1
IF
IC ∑
I
I’F
GC2
GP2
GPC
I0
L
GmF
Gm
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
① 加法器系数C 根据给水流量变化W=蒸汽流量变化 （前馈补偿）
C
D m ax
W m ax
对于I0，正常负荷时 I0与IC抵消
CI F IF
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
q=KFΔ T
T T 1 1 0 1 i T T Gc 1 Gc 2i 1 i 1 1 1 1 1 K F 2 Gc 2 2
单程、逆流管式换热器静态特性基本表达式
16.2
换热器的特性
热交换过程的传热速率方程
qK F T m m
K 为传热系数；Fm 为传热面积； ΔTm 为传热壁两侧流体的平均温差.
过程控制工程课件
过程控制工程注重生产过程的安全性和环境保 护，减少对人员和环境的风险。
过程控制工程的定义和作用
定义
过程控制工程是一种综合应用工程学科，旨在通过 优化和自动化控制系统，实现生产过程的稳定运行 和优化控制。
作用
过程控制工程可以提高生产效率、保证产品质量、 降低成本、确保产品一致性和安全性。
过程控制工程的基本原理
2 控制器和执行器
控制器和执行器用于根据监测到的数据，调 整生产过程中的参数，以实现控制目标。
3 数据分析和优化
通过对生产过程数据的分析和优化，过程控 制工程可以改进系统的效率和质量。
4 自动化控制系统
自动化控制系统是过程控制工程的核心，用 于监控和调整生产过程中的各种参数。
过程控制工程的挑战和发展趋势
1
反馈控制
通过监测和比较实际输出与期望输出，
前馈控制
2
反馈控制可以自动调整输入参数，保持 系统的稳定性。
前馈控制根据预测未来需求，提前调整
输入参数，以预防系统出现偏差。
3
模型预测控制
利用数学模型对系统进行建模和预测， 以实现更精确和灵活的控制。
过程控制工程的应用领域
石油炼制
过程控制工程在石油炼制领域中起着关键作用，确 保炼油过程的安全性和产品质量。
3 确保产品一致性和安全性
过程控制工程有助于确保产品的一致性，并防止生产过程中的人为和自然灾害导致的事 故。
要点
自动化控制系统
过程控制工程依赖于自动化控制系统来监控和 调整生产过程中的各种参数。
数据分析和优化
通过数据分析和优化技术，过程控制工程可以 改进生产过程的效率和质量。
传感器和仪表
传感器和仪表是过程控制工程中的关键技术， 用于测量和监测生产过程中的各种物理量。
过程控制实验指导书讲解
过程控制实验指导书授课学时：16课时授课专业：自动化授课教师：姜倩倩目录过程控制实验项目一览表 ............................................................................................ - 1 - 实验一：一阶系统数学模型的建立 ............................................................................ - 2 - 实验二：PID控制器参数自整定............................................................................... - 4 - 实验三水箱液位PID控制........................................................................................ - 8 - 实验四水箱压力的PID调节控制 .......................................................................... - 14 - 实验五串级水位控制系统设计 ............................................................................ - 17 - 实验六前馈-反馈控制系统仿真实验 .................................................................... - 19 - 实验七单片机液位控制系统 .................................................................................. - 22 - 实验八单容液位PLC控制 ...................................................................................... - 25 -过程控制实验项目一览表实验参考书：GK-1型操作说明书.实验指导书实验一：一阶系统数学模型的建立一、实验目的1．熟悉利用计算法建立系统一阶惯性环节加纯迟延的近似数学模型的方法；2．学会利用MATLAB/Simulink对系统建模的方法。
过程控制16讲
3.2 选择被控量与控制量
乳液 被控量：奶粉水含量 温度 干燥 空气 奶粉
热气
牛奶的干燥过程流程图
控制量？
2
3.2 选择被控量与控制量
¾ 控制通道：操纵量对被控量作用的通道。 ¾ 扰动通道：扰动量对被控量作用的通道。 ¾ 控制通道放大系数K0：被控变量的变化量与操纵变量 的变化量在时间趋于无穷大时之比 。 ¾ 扰动通道放大系数Kf：过程受到阶跃扰动，过程从原有 稳定值达到新的稳态时，被控量的变化量与扰动幅度之 比。
6
3.2 选择被控量与控制量
Y (∞) = lim Y (t ) =
t →∞
Kf 1+K 0 K c
¾ 因此，确定控制参数时，使控制通道的放大系数K0大 于扰动通道的放大系数Kf，是合理的。当这一要求不 能满足时，可通过调节K0的值来补偿，使K0Kc值远大 于Kf 。
7
3.2 选择被控量与控制量
3.2 选择被控量与控制量
被控量Y(s)对扰动的传函：
(T0 s + 1) K f Y (s) = F ( s ) (T0 s + 1)(Tf s + 1) + K 0 K c (Tf s + 1)
在单位阶跃扰动下：（稳态值—终值定理）
Wf ( s) Y (s) = F ( s ) 1 + Wc ( s )W0 ( s )
Y (∞) = lim Y (t )
t →∞
= lim s
s →0
K f (T0 s + 1) s[(T0 s + 1)(Tf s + 1) + K 0 K c (Tf s + 1)]
ห้องสมุดไป่ตู้
过程控制工程试验
积分时间常数Ti 大
中
小
超调量σp
《过程控制工程》
实验项目一 单回路控制系统设计实验
(3)固定积分时间于某一中间值，然后改变比例系数的大小，
观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同 值Ti下的超调量σp。
比例系数K 大
中
小
超Hale Waihona Puke 量σp(4)选择合适的K和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应
为一条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值 （如设定值由50%变为60%）来获得。
《过程控制工程》
实验项目一 单回路控制系统设计实验
6. 比例积分微分调节（PID）控制 (1)在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，
即把软件界面上设置微分时间（Td）参数，然后加上与 前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应 的动态曲线，并与PI控制下的曲线相比较，由此可看到 微分时间（Td）对系统性能的影响。 (2)选择合适的K、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满 意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从50%突变至 60%来实现）。 (3)在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录。
《过程控制工程》
(2) 将上水箱液位+（正极）接到一号智能调节仪的1端（即 RSV的正极），将上水箱液位－（负极）接到智能调节 仪的2端（即RSV的负极）。
(3) 将智能调节仪的4~20mA输出端的7端（即正极）接至调 节阀的4~20mA输入端的+端（即正极），将智能调节仪 的4~20mA输出端的5端（即负极）接至调节阀的4~20mA 输入端的－（即负极）。
《过程控制工程》
实验项目一 单回路控制系统设计实验
三、实验原理
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过程控制实验指导书中国石油大学（北京）信息学院自动化系2012年12月实验一被控对象的动态特性测试1．实验目的掌握被控对象动态特性的一种常用测试方法，并根据测试的响应曲线求出对象的传递函数。
2．实验内容应用阶跃测试法测试被控对象的开环特性，由动态特性曲线求出对象的时间常数、放大倍数、纯滞后时间，根据实验数据写出传递函数。
3．实验设备：KPS-2000智能调节器实验仿真系统4．工艺流程图5．实验步骤(1)进入KPS2000智能调节器仿真实验系统，选择“水槽单回路控制系统实验”，选择“PMK”，点击“开始”进入实验。
(2)保存实验，对液位1（LI101）和液位2（LI102）进行趋势组态和趋势显示，再一次保存实验（如果不先存盘无法进行趋势组态）：(3)单击"实验"菜单中的"开始"命令或点击工具栏上的，开始运行实验。
(4)打开FIC101面板，将调节方式设为手动。
点击SV103，将其开度设为0，点击SV104，将其开度设为100%。
(5)启动泵P102，打开FIC101面板，手动调节调节器的输出，使LI102稳定在30%左右。
(6)给FIC101输出一个阶跃变化，观察并记录液位2（LI102）的变化曲线。
在相同条件下重复做几次，获得比较接近的数据，以减少干扰影响，最终得到单容水槽液位2（LI102）的阶跃响应曲线。
(7)取工作点为40%、60%，重复步骤6，以测取在不同工作点的阶跃响应曲线。
(8)构建双容液位测试流程：点击SV103，将其开度设为100%，点击SV104，将其开度设为0。
参考步骤6、，分别取工作点为40%和60%，进行双容水槽液位的动态特性测试。
6．实验数据记录及数据处理(1)由实验数据及记录曲线计算单容水箱液位和双容水箱液位的模型的K，T，τ三参数。
(2)分别写出单容水箱液位和双容水箱液位对象的数学模型单容水箱液位对象的数学模型(1) 可采用两点法，(2) 或用图示法。
双容水箱液位对象的数学模型(1) 按照二阶对象，含有T1,T2两个时间常数的情况，用两点法。
7．预做报告要求根据本实验的工艺流程图，描述本次实验的工艺流程、其主要组成、包含哪些仪表，预定的实验步骤，要有自己对各实验步骤的作用的理解和分析，在实验室经老师检查合格后方可进行实验。
8．实验报告要求：（1）双容液位控制系统的控制目标，分析双容液位对象和单容液位对象的动态特性，控制系统有哪些扰动。
（2）实验数据及记录曲线（3）利用实验数据计算单容水箱液位和双容水箱液位动态模型（4）思考题：如何在本实验装置利用矩形脉冲响应曲线得到对象的数学模型？在不同工作点实验时，得到的数学模型一样吗？选择控制器输出U和流量作为对象的输入，所获得的对象模型有和区别？实验二单回路控制系统1．实验目的：本实验针对液位单回路控制系统，了解系统投运方法及对调节器参数进行整定训练。
2．实验内容：熟悉工艺流程，掌握单回路调节系统的构成方法。
掌握用4：1衰减比整定调节器参数法及干扰对调节质量的影响。
3．实验设备：A3000过程控制实验系统4．工艺流程图单容水箱液位定值控制实验水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变。
被调量为水位H。
液位控制器采用PID控制策略。
5．实验步骤(1)在A3000-FS上，打开阀门JV201、JV206，调节下水箱闸板开度（可以稍微大一些），其余阀门关闭。
(2)在A3000-CS上，将下水箱液位输出连接到AI0，AO0输出连到电动调节阀上。
(3)打开A3000电源。
在A3000-FS上，启动右边水泵。
(4)启动计算机组态软件，进入实验系统选择“单容水箱液位定值控制实验”。
(5)首先将调节器的调节方式设为手动。
(6)设置控制器的设定值SP，手动调节调节器的输出，使下水箱液位稳定在SP值左右。
(7)将调节器的运行方式切换到自动，观察是否为无扰动切换。
(8)将调节器的微分时间置于零，积分时间置于∞，根据液位调节系统调节器的比例度的大致范围是10～20%，将比例度放在中间偏大的某一数值上。
(9)首先用4：1衰减法整定调节器参数。
每改变一次比例度值，就要改变一次给定值，要求系统从一个稳态到另一个稳态。
方法是：观察在该比例度下过渡曲线的情况，增大或减小调节器的比例度，在每改变一个比例度时，利用改变给定值的方法给系统施加一个干扰，看下水箱液位的过渡曲线变化的情况，直至在某一个比例度时系统出现衰减振荡，曲线振荡两次后基本平稳时可以认为衰减比为4：1，此时衰减比例度为δS，而过渡过程振荡周期即为操作周期T S。
根据下面的经验公式计算出调节器的参数δ，Ti，Td。
将计算出的数值设定到调节器上。
(10)设定完新的PID参数后，改变调节器的给定值（加入设定值干扰）或通过其它方式加入外部干扰，观察液位的变化。
观察过渡过程曲线是否满足控制品质的要求，如不满足，则对PID参数稍作调整，直到满足要求为止。
(11)也可以按照临界比例度法的整定步骤整定调节器的参数。
6．经验公式（1（27. 实验数据记录及数据处理（1）记录参数整定过程每次改变的调节器参数和动态特性曲线。
（2）出现4：1衰减时的比例度δS和Ts，出现临界振荡时的δk和T k。
8．预做报告要求根据本实验的工艺流程图，描述本次实验的工艺流程、其主要组成、包含哪些仪表，预定的实验步骤，要有自己对各实验步骤的作用的理解和分析，在实验室经老师检查合格后方可进行实验。
9．实验报告要求：（1）本实验的工艺流程和工艺指标。
（2）单回路控制系统的控制目标，分析对象的特点、控制系统的扰动。
（3）控制系统的方框图。
（4）控制系统的投运步骤，控制器参数的整定步骤。
（5）相应的实验数据及记录曲线。
实验三串级调节系统1．实验目的：对液位－流量系统按串级控制方案进行控制和参数整定，研究串级调节系统在不同干扰作用下的调节品质，了解串级调节的优点。
系统、参数整定和质量研究2．实验内容：熟悉工艺流程，独立构成一个串级调节系统。
掌握串级调节系统的参数整定方法，进一步熟悉掌握4：1衰减法整定调节器参数，了解不同干扰位置对调节质量的影响。
3．实验设备：KPS-2000智能调节器实验仿真系统4．工艺流程图5．实验步骤：(1) 打开PMK数据设定单元，按照组态数据对PMK进行组态编程。
(2) 单击"实验"菜单中的"开始"命令或点击工具栏上的，开始运行实验。
(3) 启动泵一，单击SV1，弹出"SV1开度"操作面板，将阀门开度置于100%。
(4) 打开数据记录仪，记录液位1（FI101）、液位2（LI102）的变化曲线。
(5) 按照逐步逼进法整定控制器参数（具体步骤见“7参数整定）6．系统投运（1）将主调节器的给定值设定为内给定方式，副调节器的给定值设为外给定方式。
（2）手动调节副控制器输出，控制调节阀开度，使生产处于要求的工况，然后调节主控制器的输出，使得副控制器的偏差为0，然后将副控制器由手动切到自动。
（3） 调节主控制器的手动输出，当主变量接近设定值时，将主调节器切入自动 7． 系统整定逐步逼近法（1）先整定副回路断开主回路，按单回路系统整定方法求取副控制器的整定参数。
先用“手动”使LI102液位到达50％，此时FI101大概为20%左右，然后取流量控制器给定值为22％（内给定，10%干扰）∞=I T ,0=D T ，改变副调节器比例度（流量控制器设定值在20和22之间变化），调整FI101曲线衰减比为10：1（副回路为随动系统），记下此时副控制器比例度和上升时间，用衰减曲线法计算副控制器的比例度和积分时间。
（2）整定主回路将副控制器的参数置于刚整定好的数值上，并保证副回路控制器设定值为20%，此时LI102为50%（对应正常工况），把副回路作为主回路的一个环节，副控制器状态置于“R ”，闭合主回路，主回路设定值在50%和55%或60%之间变化，主控制器为纯比例控制，由大到小改变比例度，得到LI102的近似4：1衰减振荡曲线，记录此时的比例度和工作周期，用衰减曲线法计算主控制器的比例度和积分时间。
（3）再次整定副回路此时主副回路均为闭合，保持主控制器参数不变，观察FI101波形，重新求取副控制器的整定参数，完成一次循环整定。
（4）再次整定主回路，同样是主副回路均为闭合，副控制器置于“R ”状态，保持副控制器参数不变，重新整定主控制器。
（5）若此时控制品质仍不满足要求，则重复步骤（3）（4），直至控制品质达到要求为止。
一般的完成第（3）步甚至只要完成第（2）步就可以达到品质要求了，无需继续进行。
（5）整定后，把FIC101调节器作为干扰，打开泵P102分别在主回路内加入干扰，观察LI102，对照。
两步整定法（1）先整定副环。
在主、副回路均闭合，主、副调节器均为纯比例作用条件下，将主控制器的比例度置为100％，按单回路整定法整定副回路，得到副回路在满足4：1衰减下的副控制器的比例度s 2δ和工作周期s T 2。
（2）在副控制器的比例度为s 2δ的条件下，逐渐减小主控制器的比例度，直到得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度s 1δ和工作周期s T 1（3）根据前面得到的s 1δ、s T 1、s 2δ、s T 2，利用衰减曲线法的计算公式，计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。
（4）将计算出的控制器参数加到控制器上，看是否满足要求，如不满足，则做适当的调整。
一步整定法（1）根据经验，直接将副控制器参数一次设定好，不再变动。
（2）整定主控制器参数。
8. 实验数据记录及数据处理（1） 记录每一步中的整定结果曲线和相应的控制器参数9．预做报告要求根据本实验的工艺流程图，描述本次实验的工艺流程、其主要组成、包含哪些仪表，预定的实验步骤，要有自己对各实验步骤的作用的理解和分析，在实验室经老师检查合格后方可进行实验。
9．实验报告要求：（1）本实验的工艺流程和工艺指标。
（2）串级控制系统的控制目标，分析对象的特点、控制系统的扰动。
（3）串级控制系统的方框图，并说明其各组成部分。
（4）实验中控制系统的投运过程、控制器参数的整定、以及相应的实验数据及记录曲线。
PMK 水槽串级控制系统实验组态数据1． 模块连接图模拟输入端子P V – 副参数L1（F1）的输入 辅助模拟输入端子AI1 – 主参数L2的输入 230C AD 1005OUT 42101415161712122nd PID AD 1406OUT 431518191A1B 2nd 积算AD 1807OUT 44181C 1D 1E1F 2nd 输出AD 694104OUT 101112132nd输入处理00AD 642101OUT 040506071st输入处理04AD 042202OUT 08090A0B 1st PID 08AD 082303OUT 0C 0D 0E0F 1st 积算06060C D5D6AD 1C 08OUT 67042021222310切换AD 2009OUT 67052425262711切换D6D6AD2410OUT 012028292A2B 24PV SV 显示1A11164．控制通道的设定实验四比值调节系统1．实验目的：比值调节的作用是实现两种或两种以上物料维持一定比例关系，使生产获得产品质量要求，同时确保安全生产。