过程控制实验报告.doc

实验报告

专业：自动化姓名：

学号：

实验一、计算机控制系统实验

一、实验目的

1、了解计算机控制系统的基本构成。

2、掌握本装置计算机实时监控软件的使用

3、熟悉计算机控制算法。

4、掌握计算机控制的参数整定方法。

二、实验设备

1、THKGK-1过程控制实验装置：

GK-02 GK-03 GK-07

2、计算机及上位机监控软件

三、实验原理

与常规仪表控制系统相比，计算机控制系统的最大区别就是用微型机和A/D、D/A转换卡来代替常规的调节器。基本构成框图如下：

计算机根据测量值与设定值的偏差，按程序设定的算法进行运算，并将结果经D/A转换器输出。控制算法有位置式，增量式和速度式。为了使采样时间间隔内，输出保持在相应的数值，在D/A卡上设有零阶保持器。

四、实验步骤

（一）、监控软件的使用及安装说明：

1、计算机硬件要求：

CPU：486以上。

内存：32MB或更多。

硬盘：1GB。

操作系统：Windows98/2000/XP。

显示器：1024×768。

串行口：COM1

2、软件安装安装过程已经在上位机光盘里面。

（二）、登录后选择PID算法对上水箱液位进行控制

1、将计算机与单片机控制屏结合使用，对上水箱液位进行直接数字DDC控制实验。系统连接图自拟。（单片机控制屏仅起A/D、D/A转换的作用）

2、设置适当的作图时间间隔和给定值，调整PID参数K、、Ti、Td、直到得到较好的过程控制实时曲线。

3、对不同PID参数下的实时控制曲线进行比较，分析各参数变化对控制质量的影响。

4、自行选择其他控制算法进行实验，了解不同算法的控制质量。

五、实验小结

1、将上述实验结果整理好，写出参数整定的具体步骤及整定数值，整理出系统的结构图。

Kp=2 Ki=6 K=5 阀门开度为60%

2、简述PID参数对系统性能的影响。

PID调节器分别对应比例、积分和微分作用

1、比例参数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。随着KP的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定。KP取值过小，调节精度降低，响应速度变慢，调节时间加长，使系统的动静态性能变坏。

2、积分作用参数Ti的一个最主要作用是消除系统的稳态误差。Ti越大系统的稳态误差消除的越快，但Ti也不能过大，否则在响应过程的初期会产生积分饱和现象。若Ti过小，系统的稳态误差将难以消除，影响系统的调节精度。另外在控制系统的前向通道中只要有积分环节总能做到稳态无静差。从相位的角度来看一个积分环节就有900 的相位延迟，也许会破坏系统的稳定性。

3、微分作用参数Td的作用是改善系统的动态性能，其主要作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但Ti不能过大，否则会使响应过程提前制动，延长调节时间，并且会降低系统的抗干扰性能。

实验二、单容水箱液位PID 控制系统

一、实验目的

1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。

2、研究系统分别用P 、PI 和PID 调节器时的阶跃响应。

3、研究系统分别用P 、PI 和PID 调节器时的抗扰动作用。

4、定性地分析P 、PI 和PID 调节器的参数变化对系统性能的影响。

二、实验设备

1、THKGK-1型过程控制实验装置：

GK-02、 GK-03、 GK-04、 GK-07(2台)

2、万用表一只

3、计算机系统

三、实验原理

1、单容水箱液位控制系统

图7-1、单容水箱液位控制系统的方块图

图7-1为单容水箱液位控制系统。这是一个单回路反馈控

制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高

度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。单回路控

制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产

过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。

当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与

控制器参数的选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带

来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会导

致控制质量变坏，甚至会使系统不 能正常工作。因此，当 图7-2单容液位控制系统结构图一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是

一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系

统的投运和参数整定是十分重要的工作。

系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为

无踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定值 无偏差存在。

一般言之，具有比例（P ）调节器的系统 图7-3、P 、PI 和PID 调节的阶跃响应曲线

是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切

相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI 调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图7-3中的曲线①、②、③所示。

四、实验内容与步骤

1、比例（P）调节器控制

1）、按图7-1所示，将系统接成单回路反馈系统（接线参照实验一）。其中被控对象是上水箱，被控制量是该水箱的液位高度h1。

2）、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。

3）、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好准备。

4）、在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调到等于给定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处）。

5）、观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可将调节器切换到纯比例自动工作状态（积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关”的位置，比例度设置于某一中间值，“正-反”开关拔到“反”的位置，调节器的“手动”开关拨到“自动”位置），让系统投入闭环运行。

6）、待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现）。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。

7）、减小δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

8）、增大δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

9）、选择合适的δ值就可以得到比较满意的过程控制曲线。

10）、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。

2、比例积分调节器（PI）控制

1）、在比例调节实验的基础上，加入积分作用（即把积分器“I”由最大处“关”旋至中间某一位置，并把积分开关置于“开”的位置），观察被控制量是否能回到设定值，以验证在PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。

2）、固定比例度δ值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp。

3）、固定积分时间T i于某一中间值，然后改变δ的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同δ值下的超调量σp。

4）、选择合适的δ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。