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SUPCONDCS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，SUPCONDCS，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。通过物料平衡推导出的公式：LT103图1.1单容水箱液位数学模型的测定QohQiFV101ukQHkQuiO,，则)(1HukAdtdHu，其中，A是水槽横截面积，uk是调节阀系数，为流量系数，在工作点处进行线性化和增量化，得：uRkHdtHdRAu，其中，02HR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)()()(TSKsUsHSG如果对象具有滞后特性时，传递函数为：seTSKsUsHSG1)()()(模型中、、TK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()(STSTKsGdicc。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,diTT调整置较大值，逐渐减小，直至出现等幅振荡，记下r(临界比例带)，根据rrT,查表得drTT,,，见下表整定参数调节规律TiTdP2rPI2．2r0．85TrPID1．67r0．50Tr0．125Tr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,diTT调(使被控量达4：1或10：1；对应',ss根据ssT,选diTT,,整定参数调节规律TiTdPsPI1.2s0.5TsPID0.8s0.3Ts0.1Ts3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。整定参数调节规律TiTdP%100TKPI%1001.1TK3.3PID%10085.0TK25.0（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）SUPCONDCS操作熟悉由教师或学生启动操作站上的SUPCONDCS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)；在DCS操作站上通过用鼠标点击画面上的LIC1003框调出LIC1003调节面板，用鼠标左键点击LIC1003调节面板上的按钮，将该调节器切至手动，将调节器LIC1003的阀位输出置为0；将手操器HIC1002的阀位输出置为0，然后打开手阀QV-105；由教师正确打开A3000现场系统的面板开关；在DCS操作站上将电磁阀XV-101置于开的状态；在DCS上，使LIC1003处于手动状态，给该调节器输出一定的开度，使水箱开始加水到一定高度（50％以下），并稳定下来，记录下此时阀位的开度和液位的高度。给阀位一个正向阶跃，幅值不宜太大，然后观察液位响应曲线，等到液位稳定后记下此时的阀位开度和液位高度，根据DCS记录的响应曲线和图1.2计算水箱的模型。将液位恢复到初始的工作点，给阀位一个反向阶跃，求出此时的水箱模型。比较两次求取的数学模型是否一致？（三）单回路控制系统正确投用单回路控制回路，在此过程中考虑DCS是如何实现无扰切换的，具体如下：在DCS操作站上通过用鼠标点击画面上的LIC1003框调出LIC1003调节面板，用鼠标左键点击LIC1003调节面板上的按钮，将该调节器切至手动，变频器可以认为具有风开特性，正确设置调节器的正反作用，由学生自行判断与设置。1、内容一：PI控制在DCS上，使LIC1003处于手动状态，给该调节器输出一定的开度，使水箱开始加水到一定高度（50％以下），并稳定下来，设置LIC1003控制器为PI控制，然后在LIC1003的调节面板上用鼠标左键点击面板上的按钮，将LIC1003切入自动，在相同液位工作点下，对该液位控制系统的液位给定值做一个阶跃（范围不要太大，5％～15％之间，正向或负向），观察不同比例度和积分时间下的控制效果，分析比例度和积分时间对控制效果的影响。对PI控制器进行工程整定，并将整定后的参数置入控制器，然后对对该液位控制系统的液位给定值做一个阶跃，观察控制效果。在A3000装置上打开QV-105，在DCS上调出HIC1002手操器面板，给该手操器输出一个开度（比如10％），对液位控制系统施加干扰，观察控制系统对干扰的抑制效果。2、内容二：PID控制采用PID控制，重复上面内容一的实验。五、思考题1.如果要测二阶对象的数学模型，在A3000装置上如何搭建出流程来？画出具体流程图。2、分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。答：P：是基本控制作用，比例调节对控制作用和扰动作用的响应都很快但会带来余差。PI：其中P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但是I会降低系统的稳定性。PD：由于微分的超前作用，能增加系统的稳定度，震荡周期变短，减小了误差，但是由于微分抗干扰能力差，且微分过大会导致调节阀动作向两边饱和。PID：常规调节器中性能最好的一种调节器，具有各类调节器的优点，具有更高的控制质量。3、二阶水箱液位控制系统流程如何搭建？答：先控制好上水箱出口流量，用作下水箱的输入流量，然后搭建一阶水箱模型，进行PID参数调试与控制。4、分析一下简单控制系统的投用步骤，DCS的数字PID算法是如何实现无扰切换的？答：投用步骤:在DCS操作站上通过用鼠标点击画面上的LIC1003框调出LIC1003调节面板，用鼠标左键点击LIC1003调节面板上的按钮，将该调节器切至手动，变频器可以认为具有风开特性。然后进行PI和PID控制操作。5、通过单击与来实现无扰切换。答：手动模式下，PID控制器输出可写作如下算式：u（t-）=up（t-）+ui（t-）+ud（t-）；切换到自动之后，u（t+）=up（t+）+ui（t+）+ud（t+）；若实现u（t-）=u(t+)。可以通过更新积分部分状态或微分状态来实现。六、实验结果提交1、画出单容水箱液位特性测试实验的结构框图。答：2、画出单容自衡对象特性测试时的响应曲线，根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出单容水箱液位对象的参数及传递函数。3、画出单容水箱液位定值控制实验的结构框图。4、绘制出PI控制时的各种响应曲线，并分析比例度和积分时间对控制效果的影响。答：LT103单容水箱液位数学模型的测定QohQiFV101比例度减小，一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生震荡，使稳定性变坏。Ti增大，有利于减小超调，减小震荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除随之减慢5、绘制出PI控制时整定之后的控制效果曲线及对干扰的抑制曲线。6、绘制出PID控制时的各种响应曲线，并分析比例度和积分时间、微分时间对控制效果的影响。答：Kp增大，一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生震荡，使稳定性变坏。Ti增大，有利于减小超调，减小震荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除随之减慢Td增大，有利于加快系统响应，使超调减小，稳定性增加，但对高频扰动有较敏感的响应。7、绘制出PID控制时整定之后的控制效果曲线及对干扰的抑制曲线。六、实验总结通过本次试验，我掌握了A3000过程控制系统的结构和管路流程，学习并掌握了SUPCONDCS的操作使用方法。同时学习了对象特性测试方法，了解了单回路控制的特点和调节品质，巩固并深刻认识到PID参数对控制性能的影响；学习了分析执行器风开风关特性的选择、调节器正反作用的确定等；初步掌握了单回路控制系统的投运步骤和单回路控制器参数调整方法。可以运用二阶水箱实际操作，进行相应参数调试和控制，了解到实际操作与理论有所差别，需要我们结合理论指导，实际去调试。实验二串级控制系统一、实验目的1、学习闭环串级控制的原理。2、了解闭环串级控制的特点。3、掌握闭环串级控制的设计。4、初步掌握串级控制系统的投运步骤以及闭环串级控制器参数调整。二、实验设备A3000过程对象的下水箱V103，SUPCONDCS，支路系统1，支路系统2三、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2.1所示组成单容的液位流量串级控制系统。图2.1液位串级控制实验实验以串级控制系统来控制下水箱液位，以第1支路流量为副对象，左边水泵经变频控制直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，