浙工大过程控制实验报告

P
PI
PID
无差度
稳态有差
稳态无差
稳态无差
动态性能
P越大上升时间越短
I作用越强使得动态品质变差
D作用总是阻止系统被调量的变化
六、思考题
1）、试定性地分析三种调节器的参数P、（P、Ti）和（P、Ti和Td）的变化对控制过程各产生什么影响？
答：P调节器：
P与稳态误差有关，P越大稳态误差越小，但是P不能消除稳态误差，P越大响应越快，甚至有可能使系统震荡。
一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，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调节合理，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）。但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。对于我们的实验系统，在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图4-2中的曲线①、②、③所示。
态软件，进入主画面，然后进入实验四画面。
3) 在上位机软件界面用鼠标点击调出PID窗体框，用鼠标按下自动按钮，在“设定值”栏中输入设定的上水箱液位。
4)比例调节控制（P）
（1）设定给定值，调整P参数。
SV = 10cm
比例度
5
7
4
稳态值
8.0
7.2
8.3
(2)、选择合适的P、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。将过渡过程曲线拷屏。
五、实验报告要求
1）、作出P调节器控制时，不同P值下的阶跃响应曲线。
如上。
2）、作出PI调节器控制时，不同P和Ti值时的阶跃响应曲线。
如上。
3）、比较P、PI和PID三种调节器对系统无差度和动态性能的影响。
有上述机理建模可知，单容液位过程是带有时滞性的一阶惯性环节，电动调节阀的开度op，近似看成与流量Q1成正比，当电动调节阀的开度op为一常量作为阶跃信号时，该单容液位过程的阶跃响应为
需要说明的是表达式（2-3）是初始量为零的情况，如果是在一个稳定的过程下进行的阶跃响应，即输入量是在原来的基础上叠加上op的变化，则输出表达式是对应原来输出值得基础上的增量表达的是，用输出测量值数据做阶跃响应曲线，应减去原来的正常输出值。
5、实验步骤
A、熟悉用MCGS组态的智能仪表过程控制系统
1、设备的连接和检查
（1）检查AE2000实验对象的储水箱，一般应有2/3以上最高水位
（2）打开丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门
（3）打开上水箱的出水阀，阀8调至适当开度
（4）检查电源开关是否关闭
（5）检查RS-232转换器的RS232端是否接到计算机的串口1、RS485端通过串口线连接到AE2000高级过程控制实验装置的串口端
在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：
式中，T为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R2*C，K=R2为单容对象的放大倍数，R1、R2分别为V1、V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。
阶跃响应曲线法是指通过调节过程的调节阀，使过程的控制输入产生一个阶跃变化，将被控量随时间变化的阶跃响应曲线记录下来，再根据测试记录的响应曲线求取输入输出之间的数学模型。本实验中输入为电动调节阀的开度给定值OP，通过改变电动调节阀的开度给定单容过程以阶跃变化的信号，输出为上水箱的液位高度h。电动调节阀的开度op通过组态软件界面有计算机传给智能仪表，有智能仪表输出范围为：0~100%。水箱液位高度有由传感变送器检测转换为4~20mA的标准信号，在经过智能仪表将该信号上传到计算机的组态中，由组态直接换算成高度值，在计算机窗口中显示。因此，单容液位被控对象的传递函数，是包含了由执行结构到检测装置的所有液位单回路物理关系模型
图4-2、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
四、实验内容和步骤
1)设备的连接和检查：
(1)将AE2000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。
(2)打开以水泵、电动调节阀、孔板流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。
(3)打开上水箱的出水阀至适当开度。
2）实验步骤
（2）操作软件中各个工具，学习并熟悉组态软件的一般应用。
（3）在文件菜单中选择打开工程选项，打开已经组好AE2000实验系统工程软件。
（4）按F5进入运行环境，点击进入仪表过程控制实验系统，熟悉实验内容，进入每个实验，观看各项功能。
B、测定单溶液过程的数学模型
1、硬件连接及上电操作
（1）将I/O信号接口板上的上水箱液位的开关打到1~5V位置
1.
2.T1=144*2-284=4
T2=125*2-245=5
实验二、单回路仪表控制系统
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）、学会整定调节器参数的方法。
3）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
二、实验设备
AE2000型过程控制实验装置， PC机, DCS控制系统，DCS监控软件。
仪表输出值
水箱水位高度
仪表显示值
50%
29.9
29.7
6迅速将仪表输出值调回到步骤4的位置。
7 读取第二个过程的数值。计算第二个过程上升至稳态值39%和63%时的高度，双击实时曲线读取对应的实验值。
高度
时间
初始值
5.7
8:21
上升至39%时
15.08
10：45
上升至63%时
20.9
13：05
8观察第三个过程，直到水位进入新的平衡状态。再次记录平衡时的下列数据。
2 用阶跃响应曲线测定单容液位过程的数学模型。
三 实验设备
1 AE2000B型过程控制实验装置。
2 计算机，万用表各一台。
3 RS232-485转换器1只，串口线1根，实验连接线若干。
四 实验原理
如图1-1所示，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：
实验一：系统认识及对象特性测试
一 实验目的
1了解实验装置结构和组成及组态软件的组成使用。
2 熟悉智能仪表的使用及实验装置和软件的操作。
3熟悉单容液位过程的数学模型及阶跃响应曲线的实验方法。
4学会有实际测的得单容液位过程的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数，辨识过程的数学模型。
二 实验内容
1 熟悉用MCGS组态的智能仪表过程控制系统。
PI调节器：
I可以消除稳态误差，但是TI太小了，会使系统的震荡增加，甚至使系统变得不稳定，I会减慢系统的调节过程，同样的P与PI调节器，当参数P的值相同时，PI调节时间要更长一点，所以要适当的选择参数P与I的值。
PID调节器：
D会加快系统的动态响应，减小调节时间，但是对于容量滞后不大的系统积分作用不明显，而且当D作用很强时，会使系统震荡活不稳定。由于有I的作用所以稳态误差为0。
三、实验原理
图4-1为单回路上水箱液位控制系统。单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用DCS系统控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，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，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。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。
(2）、固定比例P值，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和过度过程时间。将过渡过程曲线拷屏。
SV = 15，d = 10
积分时间常数
50
15
10
超调量
7%
11%
过渡过程时间
120s
128s
112s
拷屏结果如下：从左至右积分时间常数依次为50、15、10
因为T为水箱的时间常数，T=R2*C，K=R2为单容对象的放大倍数， R2为V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。
当改变水箱出水阀的开度大小时，R2会改变，那么G(s)也会改变，那样的话就不会测出G(s)中的参数了，因为每次都不一样。
2、用两点法和用切线法对同一对象进行参数测试，他们各有什么特点？
两点法：从理论上来说两点就可以确定参数，但是在实际测量中，测量点总是在基准线附近不停地波动，这样很可能会造成测量的不准确，但是两点法只需要测两个点的数据，相对切线法来说简单多了。
2）、如何实现减小或消除余差？纯比例控制能否消除余差？
答：适当的加入积分作用可以消除误差，增大比例系数也可以减小误差。但是纯比例控制不能消除误差。
（2）按图2-4所示连线
（3）启动实验装置，打开总电源漏电保护空气开关，电压表指示220V，电源指示灯亮，按下电源总开关，开启实验装置电源。
（4）开启电动调节阀电源、智能调节仪电源
（5）检查并调整好智能仪表各项参数
2、启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验界面。
3、双击设定输出按钮，设定输出值的大小，一般初次设定值新装置——30~35%。开启单项泵电源开关，启动电力支路，观察系统的被调量：上水箱的水位是否趋于平衡状态。待液位稳定后，读取液位高度，该液位高度为液位初始值，应为5CM左右。