过控实验报告1

过程控制工程实验报告

实验一单回路控制系统

一、实验目的

1、掌握A3000过程试验装置的结构和管路流程，掌握SUPCON DCS的操作使用方法。

2、掌握对象特性测试方法。

2、了解单回路控制的特点和调节品质，掌握PID参数对控制性能的影响。

3、学会分析执行器风开风关特性的选择及调节器正反作用的确定。

4、初步掌握单回路控制系统的投运步骤以及单回路控制器参数调整方法。

二、实验设备

A3000过程对象的下水箱V103，SUPCON DCS，支路系统1，支路系统2。

三、实验原理和流程

（一）实验原理

1．单容自衡对象动态特性测试

所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。如图1.1，水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板开度来改变。被调量为水位H。

图1.1单容水箱液位数学模型的测定

通过物料平衡推导出的公式：

u k Q H k Q u i O ==,，则 )(1H u k A dt dH u α-=，其中，A 是水槽横截面积，u k 是

调节阀系数，α为流量系数，在工作点处进行线性化和增量化，得：

u R k H dt H d RA u ∆=∆+∆，其中，

α02H R =就是水阻。 进行拉普拉斯变换，得该系统的传递函数数学模型为：

1

)()()(+=∆∆=TS K s U s H S G 如果对象具有滞后特性时，传递函数为：

s e TS K s U s H S G τ-+=∆∆=1

)()()( 模型中τ、、T K 分别为对象增益、时间常数、纯滞后时间，这三个参数可以根据对象的阶跃相应曲线进行求取，如图1.2，一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T ，也可由坐标原点对响应曲线作切线OA ，切线与稳态值交点A 所对应的时间就是该时间常数T 。如果对象具有滞后特性时，在此曲线的拐点D 处作一切线，它与时间轴交于B 点，与响应稳态值的渐近线交于A 点。图中OB 即为对象的滞后时间τ，BC 为对象的时间常数T 。

图1.2 利用响应曲线求模型参数

2． 单回路控制系统

图1.3 单回路控制系统方框图

图1.3为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。

控制器采用PID 控制规律，其传递函数为)11()(S T S T K s G d i c c ++

=。常用的控制规律有比例(P)调节 、比例积分(PI)调节、比例微分(PD)调节 、比例积分微分(PID)调节。

调节器参数的整定一般有两种方法：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程实验整定法有临界振荡法、衰减振荡法、动态特性参数法。

（1） 临界振荡法

将0,=∞→d i T T 调整δ置较大值，逐渐减小δ，直至出现等幅

振荡，记下r δ (临界比例带)，根据r r T ,δ查表得

d r T T ,,δ，见下表

临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。

（2） 衰减振荡法

将,0,=∞→d i T T 调(使被控量达4：1或10：1；对应

',s s δδ

根据s s T ,δ选d i T T ,,δ

3 动态特性参数法

所谓动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数（K 、T 、τ等），利用下表所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：1时调节器的相关参数。如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（4：1衰减）就有难度，此时应采用动态特性参数法进行整定。

（二）实验流程

以第1套实验装置为例，在A3000高级过程控制实验系统中，如图1.4所示组成单回路控制系统。

图1.4 单回路控制系统

四、实验内容与步骤

（一）SUPCON DCS 操作熟悉

由教师或学生启动操作站上的SUPCON DCS监控画面，注意各组只启动自己的小组画面，不要乱动其他组的装置，所有一切操作都在DCS上有记录。进入画面后，要求学生首先熟悉DCS操作，逐项熟悉下面的内容：

监控画面上工具条按钮的意义与用法；

如何进行画面切换与翻页；

如何切换到流程画面和趋势画面；

流程图画面熟悉，与实际系统的对应；

在流程画面上的操作，包括：电磁阀开关面板的弹出、调节器面板的弹出、手操器面板的弹出；

熟悉开关面板的操作；

熟悉调节器面板的操作，包括给定值、阀位、手自动切换等；

熟悉手操器面板的操作；

熟悉如何通过调节器面板切换到PID整定画面；

熟悉PID整定面板上各个内容的操作，包括：熟悉怎样设置PID调节器的正反作用、PID参数、手自动、给定、阀位、曲线倍率选择等。

（二）单容自衡水箱对象动态特性测试

首先将装置上的手阀全部关闭，然后仅打开画面上显示的手阀，具体操作为：

打开QV-115、QV-106、QV-102，QV-116

关闭QV-105、QV-111

调节各装置水箱闸板到适当位置(开度0.6~0.8CM)；