过程控制系统虚拟实验

实验一：单回路液位控制系统实验一、实验目的1．通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和原理；2．定性分析研究PID控制器参数对系统性能的影响；3．分析对象参数对控制效果的影响；4．分别从供水侧和出水侧施加扰动，研究PID控制器的扰动抑制能力。二、实验设备安装Kingview组态软件和KingACT软逻辑软件的计算机一台。三、实验原理进行单容水箱对象液位定值控制系统实验的系统如图1-1所示。水箱系统由给水泵供水，负载阀决定出水量，同时增加一干扰水源，用以施加供水干扰，用户的用水量改变的扰动可通过调整负载阀开度进行模拟。图1-1单容水箱液位定值系统增加干扰水源相应的组态项目，干扰水源的模拟可在入水量上叠加一个较小的水量信号，并通过开关控制其是否有效。因此增加两个变量，如下表。h水泵负载阀HTHC干扰水源表1-1单回路水箱控制系统增加的仿真变量表参数变量名称变量类型单位下限上限初始值干扰水源干扰水源DoubleL/s00.010.0001干扰水源开关干扰开关BoolFalse四、实验方法与步骤1．启动KingACT编程系统，打开“单回路水箱液位控制（干扰）”工程文件。在对象组态图中增加扰动水源组态。在原组态的基础上增加一个加法器和选择开关模块，并进行变量连接，如图所示。2．启动组态王工程管理器，打开“单回路水箱液位控制（干扰）”工程文件，在数据词典中增加两个变量，分别为“干扰开关”和“干扰水量”，并建立与OPC服务器的通道连接。调入仿真主画面，增加干扰水源控制阀和干扰水量数值指示，分别与“干扰开关”和“干扰水量”进行动画连接，如图所示。3．启动KingACT运行系统，装入“单回路水箱液位控制（干扰）”工程文件。4．启动KingACTOPC服务器，装入“单回路水箱液位控制（干扰）.plc”文件，并置于运行状态。5．在组态王工程管理器中，将“单回路水箱液位控制（干扰）”切换至运行状态。6．为调节器设置PID参数。7．启动给水泵，调节器置于手操状态，为水泵提供一控制电压，并将出水阀置于50%开度，等待液位达到平衡状态。8．改变水位设定值，将调节器置于自动状态，观察液位变化情况。9．通过打开干扰阀门和改变出水阀开度，分别施加进水和出水扰动，观察液位变化情况。10．调整PID参数，直到获得较为满意的结果。11．通过参数设置改变水箱对象的面积，重新进行上述实验。五、实验报告要求1．通过抓图拷屏的方法提交获得的实验曲线。2．根据实验过程填写下表，并分析水箱面积变化对调节器参数的影响。表1-2单回路水箱液位控制系统实验记录表水箱面积(cm2)比例系数积分时间(ms)微分时间(ms)超调量(%)过渡过程时间3．分析PID定值调节和扰动抑制特性。4．实验报告。六、思考题1．如果要增加变化的干扰水源应如何增加?2．如果减少单容水箱对象的容积，积分时间应该增大还是减少。实验二：电加热水箱温度与流量前馈-反馈控制实验一、实验目的1．掌握前馈控制系统的基本概念和组成。2．掌握前馈-反馈控制系统的投运与参数整定方法。3．研究在阶跃扰动作用下前馈控制对系统被控量的影响。二、实验设备安装Kingview组态软件和KingACT软逻辑软件的计算机一台。三、实验内容本试验以电加热水箱温度为反馈控制调节对象，入水流量为前馈控制调节对象，形成电加热水箱温度反馈与水流量前馈控制系统，系统框图如图所示。在该系统中的主要扰动是给水流量的变化，采用前馈控制方法时，将入水流量信号送到前馈控制器。前馈控制器按照一定的算法产生控制作用，控制电加热器的功率进行相应改变，可及时消除由于进水量变化带来的温度的变化。在本仿真试验中入水流量作为对象的一个参数已经通过计算得出，所需要做的工作是根据该入水流量信号计算出前馈信号。四、实验方法与步骤1．启动KingACT编程系统，打开“电热水箱前馈反馈控制”工程文件。在控制器组态图中增加前馈控制组态。增加一个前馈控制作用允许开关，便于在实验中进行对比。并与PID控制器的输出相加作为交流调功器的控制电压，如图所示。PID控制器设定值+交流调功器++前馈补偿器扰动温度水箱对象GoxGof-2．启动KingACT运行系统，装入“电热水箱前馈反馈控制”工程文件。并置于运行状态。3．启动KingACTOPC服务器，装入装入“电热水箱前馈反馈控制.PLC”文件，并置于通信联机状态。4．启动组态王工程管理器，打开“电热水箱前馈反馈控制”工程，在数据词典中增加“前馈输出”和“前馈允许”变量，并与KingACTOPC服务器进行相应通道的连接。为历史曲线和实时趋势曲线增加PID控制器输出、前馈控制器输出、入水流量显示，观察控制器输出作用。打开主画面，在画面上增加前馈控制器和反馈控制器输出指示，并切换至运行状态，如图所示。5．通过参数设置界面，将加热器功率（最大）设置为1000KW，进水温度设为0。打开出水阀，打开给水泵开关和交流调功器开关，并为水泵提供一较小的初始控制电压，关闭前馈控制器，PID调节器置自动状态，进行水箱温度设定值控制参数整定。改变给水泵控制电压，施加入水流量扰动，观察并记录未投入前馈控制器时系统的温度响应特性。6．设定值参数整定完成后，投入前馈控制器，等待系统稳定。在系统输出稳定后，改变给水泵控制电压，施加入水流量扰动，观察并记录投入前馈控制器后系统的温度响应特性。五、实验报告要求1．通过抓图拷屏的方法提交获得的实验曲线。2．分析前馈控制器对入水流量扰动的抑制特性。3．分析前馈反馈温度控制系统的定值跟踪特性。4．总结温度控制系统中前馈控制器设计方法。5．写出实验报告。实验三：双容水箱液位串级控制系统实验一、实验目的1．掌握串级控制系统的基本概念和组成。2．掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。3．研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。二、实验设备安装Kingview组态软件和KingACT软逻辑软件的计算机一台。三、实验内容本试验以水箱1的液位为副调节器调节对象，水箱2的液位为主调节器调节对象，构成水箱液位串级控制系统，系统框图如图所示。四、实验方法与步骤1．启动KingACT运行系统，调入“串级双容水箱液位控制”工程文件。并置于运行状态。2．启动KingACTOPC服务器，装入“串级双容水箱液位控制.PLC”工程文件，并置于运行状态。3．启动组态王工程管理器，打开“串级双容水箱液位控制”工程，并切换至运行状态，如图所示。主调节器副调节器给水泵水箱1液位水箱2液位副回路主回路+-+-设定值液位扰动扰动4．启动水泵，连通阀CV1的开度为100%，出水阀CV2至某一开度。主、副调节器置手动，采用手动操作使液位达到某一平衡状态。5．采用逐步逼近法进行主、副调节器参数整定。6．采用两步整定法进行主、副调节器参数整定。7．在主对象水箱2上施加扰动信号，观察液位响应曲线。8．在副对象水箱1上施加扰动信号，观察液位响应曲线。9．练习串级系统投运操作。五、实验报告要求1．通过抓图拷屏的方法提交获得的实验曲线。1．画出双容水箱液位串级控制系统的结构框图。2．写出调节器参数整定过程。3．根据扰动分别作用于主、副对象时系统输出的响应曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。4．分析主、副调节器采用不同PID参数时对系统性能产生的影响。5．总结串级系统投运过程。实验四：双比环流量比值控制系统实验一、实验目的1．了解比值控制的特点，学习双闭环比值控制原理。2．掌握双闭环比值控制系统设计方法。3．掌握双闭环比值控制系统参数整定方法。二、实验设备安装Kingview组态软件和KingACT软逻辑软件的计算机一台。三、实验内容本试验由热水箱、冷水箱和混合水箱组成，要求冷、热水箱中的水以一定的流量比例进入混合水箱，以满足负载水流量和温度的要求。根据上述要求设计双闭环水量控制系统，实现冷水流量按照比例要求跟随热水流量的变化。双闭环流量控制系统原理框图如图所示。四、实验方法与步骤1．启动KingACT运行系统，调入“冷热水比值控制”工程文件。并置于运行状态。2．启动KingACTOPC服务器，装入“冷热水比值控制.PLC”工程文件，并置于运行状态。3．启动组态王工程管理器，打开“冷热水比值控制”工程，并切换至运行状态，如图所示。主调节器调节器K热水冷水热水流量冷水流量4．在无扰动的情况下，利用切投开关断开从流量对象的比值控制给定，分别整定热水和冷水控制回路，使其响应速度快而又没有超调。整定完成后，根据所需要的温度计算比值系数，投入比值控制。5．修改主流量控制器的设定值，观察比值系统的响应特性。6．分别为冷、热水增加扰动，观察控制系统响应特性。7．为热水箱施加温度扰动，观察混合后液体的温度变化情况。五、实验报告要求1．通过抓图拷屏的方法提交获得的实验曲线。2．给出比值控制系统中不同K值时的阶跃响应曲线。3．写出调节器参数整定过程。4．根据扰动分别作用于主、从对象时系统输出的响应曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。5．分析PI调节器控制时，不同P和I值对系统性能的影响。