1、工业生产过程控制实验报告分析解析学生姓名：费梦娟南 昌 大 学 实 验 报 告 学号： 6100310059 专业班级： 自动化 102 班实验类型： 验证 综合 设计 创新 实验日期：实验成绩：实验一单容自衡水箱液位特性测试实验一、实验目的1掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线；2根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征 参数 K、T 和传递函数；3掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。二、实验设备1实验对象及控制屏、SA-11 挂件一个、SA-13 挂件一个、SA-14 挂件一 个、计算机一台（DCS 需两台计算机）、万用表一个；2SA-12
2、 挂件一个、RS485/232 转换器一个、通讯线一根；3SA-21 挂件一个、SA-22 挂件一个、SA-23 挂件一个；4SA-31 挂件一个、SA-32 挂件一个、SA-33 挂件一个、主控单元一个、 数据交换器两个，网线四根；5SA-41 挂件一个、CP5611 专用网卡及网线；6SA-42 挂件一个、PC/PPI 通讯电缆一根。三、实验原理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。 图 2-1 所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门 F1-1、F1-2 和 F1-8全开，设下水箱流入量
3、为 Q1，改变电动调节阀 V1的开度可以改变 Q1的大小，下水箱的流出量为 Q2，改变出水阀 F1-11 的开度可以改变 Q2。液位 h 的变化反映了 Q1与 Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将 Q1作为被控过程的输入变量，h 为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是 h 与 Q 达式。根据动态物料平衡关系有1之间的数学表Q1-Q2=Adhdt(2-1)将式(2-1)表示为增量形式Q1-Q2=Ad hdt(2-2)式中：Q1，Q2，h分别为偏离某一平衡状态的增量；A水箱截面积。dh在平衡时，Q1=Q2， 0；当 Qdt1发生变化时，液位 h 随之变化，水箱出 口处的静压也随之变化，Q2
4、 也发生变化图 2-1 单容自衡水箱特性测试系统 （a）结构图 （b）方框图。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位 h 与流量之间为非线性关系。但-t/T-1为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为 Q2 与 h 成正比关系，而与阀 F1- 11 的阻力 R 成反比，即Q2= hR或R= h Q2(2-3)式中：R阀 F1-11 的阻力，称为液阻。将式(2-2)、式(2-3)经拉氏变换并消去中间变量 Q2，即可得到单容水箱的数 学模型为W0（s）H ( s ) Q1( s )R =RCs 1KTs 1(2-4)式中 T 为水箱的时间常数，TRC；K 为放大系数，KR；C 为水箱的容量系数。若
5、令 Q1（s）作阶跃扰动，即 Q1（s）=x 0s，x0=常数，则式(2-4)可改写为H（s）= =K -1 s sT对上式取拉氏反变换得Kx 0s Th(t)=Kx0(1-e ) (2-5)当 t时，h（）-h（0）=Kx0，因而有K=h（ ） h（0） 输出稳态值x 0 阶跃输入(2-6)当 t=T 时，则有h(T)=Kx0(1-e)=0.632Kx0=0.632h() (2-7)式（2-5）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图 2- 2（a）所示，该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
6、 所对应的时间 就是该时间常数 T，由响应曲线求得 K 和 T 后，就能求得单容水箱的传递函数。图 2-2单容水箱的阶跃响应曲线如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图 2-2（b），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 ，BC 为对象的时间常数 T，所得的传递函数为：H(S)=Ke1 Ts(2-8)四、实验内容与步骤本实验选择下水箱作为被测对象（也可选择上水箱或中水箱）。实验之前先 将储水箱中贮足水量，然后将阀门 F1-1、F1-2、F1-8 全开，将下水箱出水阀门 F1-11 开至适当开度，其余阀门
7、均关闭。具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购 的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。（一）、智能仪表控制1将“SA-12 智能调节仪控制” 挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头 插入屏内 RS485 通讯口上，将控制屏右侧 RS485 通讯线通过 RS485/232 转换器 连接到计算机串口 2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT3 下 水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。图 2-3仪表控制单容水箱特性测试实验接线图2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开 24V 开关电源，给压力变送器 上电，按下启动按钮，合上单相、单相空气开关，给智能仪表及电动调节
8、阀上电。3打开上位机 MCGS 组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后 进入 MCGS 运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试” ，进入实验一的监控界面。4在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”控制，并将输出值设置为一个合适的值，此操作需通过调节仪表实现。5合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪 表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液 位值。6待下水箱液位平衡后，突增（或突减）智能仪表输出量的大小，使其输 出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，以免水 箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原
9、平衡状态，经过一段时间后，水箱液位 进入新的平衡状态，记录下此时的仪表输出值和液位值，液位的响应过程曲线 将如图 2-4 所示。图 2-4单容下水箱液位阶跃响应曲线7根据前面记录的液位值和仪表输出值，按公式（2-6）计算 K 值，再根 据图 2-2 中的实验曲线求得 T 值，写出对象的传递函数。（二）、远程数据采集控制1将“SA-22 远程数据采集模拟量输出模块”、“SA-23 远程数据采集模拟 量输入模块”挂件挂到屏上，并将挂件上的通讯线插头插入屏内 RS485 通讯口 上，将控制屏右侧 RS485 通讯线通过 RS485/232 转换器连接到计算机串口 2， 并按照下面的控制屏接线图连接实
10、验系统。将“LT3 下水箱液位”钮子开关拨 到“ON”的位置。2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开 24V 开关电源，给智能采集模 块及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相空气开关，给电动调节阀上 电。3打开上位机 MCGS 组态环境，打开“远程数据采集系统”工程，然后 进入 MCGS 运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试” ，进入实验一的监控界面。4以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤 47。图 2-5远程数据采集控制单容水箱特性测试实验接线图（三）、S7-300PLC 控制1将“SA-41 S7-300PLC 控制”挂件挂到屏上，并用 MPI 通讯电缆线将
11、 S7-300PLC 连接到计算机 CP5611 专用网卡，并按照下面的控制屏接线图连接 实验系统。将“LT3 下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开 24V 开关电源，给 S7-300PLC 及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相空气开关，给电动调节阀上电。3打开 Step 7 软件，打开“S7-300”程序进行下载，然后将 S7-300PLC 置于运行状态，然后运行 WinCC 组态软件，打开“S7-300PLC 控制系统”工 程，然后激活 WinCC 运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象 特性测试”，进入实验一的监控界面。4以下步骤请
12、参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤 47。图 2-8 S7-300PLC 控制单容水箱特性测试实验接线图 五、实验报告要求1画出单容水箱液位特性测试实验的结构框图。（a）是结构图；（b）是方框图2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。实验过程中的某个时间段的图形：截取该过程中的一段，表示单容水箱自衡达到稳定液位的过程：-t/T-1根据上图可知：入水流量到液位的过程在平衡点处近似为一阶惯性环节：W0（s）H ( s ) Q1( s ) =RCs 1KTs 1式中 T 为水箱时间常数，TRC；K 为放大系数，KR；C 为水箱的容量系 数h(t)=Kx0(1-e
13、 )当t时，h（）-h（0）=Kx0，因而有K=h（ ） h（0）x 0输出稳态值 阶跃输入当 t=T 时，则有 ：h(T)=Kx0(1-e )=0.632Kx0=0.632h()由图可知，原来的稳定值为 12cm，因此该系统的阶跃输入为 12.0cm当达到稳态时 h()=100cm ，因此 K=100/12=8.3 当液面达到 63.2cm 时，由图上可知，所需的时间约为 28s，则 T=28因此，该环节模型为 W（s）= 六、思考题8.328s 11做本实验时，为什么不能任意改变出水阀 F1-11 开度的大小？答：出水阀 F1-11 的开度是改变出水量 Q2 的，改变水箱泄水的过程。在 此
14、实验中是先将出水阀 F1-11 开至适当的开度。之后在单容水箱在稳定的过程 中，此阀门是不能任意改变的，因为一改变就会对系统带来干扰，造成系统不 稳定，不能正确反映实验特性。只有当系统稳定时，要研究输出量对系统的稳 定特性影响时才改变出水阀 F1-11。2用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？答：应曲线可能与实验工作电压的波动，执行器的不稳定性，和系统的控 制参数比例度、积分时间、微分时间及测量值的波动都可能带来一定的误差， 造成精度下降，同时还跟压力传感器的精度，阀门开度，测试软件都有关系。3如果采用中水箱做实验，其响应曲线与下水箱的曲线有什么异同？并分析差异原因。答：若采
15、用中水箱做实验，它的响应曲线要比下水箱变化到的快。原因：因为中水箱的截面积比下水箱的截面积要小，上升相同的液位 高度，下水箱要更长的时间。7、实验总结通过本次实验了解了实验的装置设备，熟悉了 MCGS 运行环境。通过实验让自 己了解到试验参数的设定的重要性。也知道了实验精度与传感器的灵敏度，执行器的 不稳定性，系统的控制参数比例度、积分时间、微分时间及测量值的波动都可能有关， 因此我们要通过分析综合因素来分析实验曲线的形成过程。同时，通过实验让自己对 工业生产过程的实验系统也有了进一步的了解，收获颇多。学生姓名：南 昌 大 学 实 验 报 告 费梦娟 学号： 6100310059 专业班级：自
16、动化 102 班实验类型： 验证 综合 设计 创新 实验日期：实验成绩：实验三水箱液位串级控制系统一、实验目的1通过实验了解水箱液位串级控制系统组成原理。2掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。3了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。 4掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。2、实验设备（同前）3、实验原理本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。主 控回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主 控制量。副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象， 中水箱的液位为系统的副控制量。主调节器的
17、输出作为副调节器的给定，因而 副控回路是一个随动控制系统。副调节器的的输出直接驱动电动调节阀，从而 达到控制下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无 静差控制，系统的主调节器应为 PI 或 PID 控制。由于副控回路的输出要求能快 速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无 特殊的要求，因而副调节器可采用 P 调节器。本实验系统结构图和方框图如图 5-2 所示。图 5-2 水箱液位串级控制系统(a)结构图 (b)方框图四、实验内容与步骤本实验选择中水箱和下水箱串联作为被控对象（也可选择上水箱和中水箱）。 实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门 F
18、1-1、F1-2、F1-7 全开，将中水 箱出水阀门 F1-10、下水箱出水阀门 F1-11 开至适当开度（要求阀 F1-10 稍大于 阀 F1-11），其余阀门均关闭。具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购 的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。（一）、智能仪表控制1将两个 SA-12 挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内 RS485 通讯口上，将控制屏右侧 RS485 通讯线通过 RS485/232 转换器连接到计算机串 口 2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT2 中水箱液位”钮子 开关拨到“OFF”的位置，将“LT3 下水箱液位”钮子开关
19、拨到“ON”的位置。图 5-3智能仪表控制水箱液位串级控制实验接线图2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开 24V 开关电源，给压力变送器 上电，按下启动按钮，合上单相、单相空气开关，给智能仪表 1 及电动调 节阀上电。3打开上位机 MCGS 组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后 进入 MCGS 运行环境，在主菜单中点击“实验十、水箱液位串级控制系统”， 进入实验十的监控界面。4在上位机监控界面中点击“启动仪表 1”、“启动仪表 2”。将主控仪表设 置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。5合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少主调节 器的
20、输出量，使下水箱的液位平衡于设定值，且中水箱液位也稳定于某一值 （此值一般为 35cm，以免超调过大，水箱断流或溢流）。6按本章第一节中任一种整定方法整定调节器参数，并按整定得到的参数 进行调节器设定。7待液位稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待液位平衡后， 通过以下几种方式加干扰：（1） 突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增 量的变化；（1）打开阀门 F2-1、F2-4（或 F2-5），用变频器支路以较小频率给中水箱(或下水箱)打水。（干扰作用在主对象或副对象）（3）将阀 F1-5、F1-13 开至适当开度（改变负载）；（4）将电动调节阀的旁路阀 F1-3 或
21、 F1-4（同电磁阀）开至适当开度； 以上几种干扰均要求扰动量为控制量的 515，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过 一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（后面三种干扰方法仍稳定在原 设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，下水箱液位的响 应过程曲线将如图 5-4 所示。图 5-4下水箱液位阶跃响应曲线8适量改变主、副控调节仪的 PID 参数，重复步骤 7，用计算机记录不同 参数时系统的响应曲线。（二）、远程数据采集控制1将挂件 SA-22 远程数据采集模拟量输出模块、SA-23 远程数据采集模拟 量输入模块挂到屏上，并将
22、挂件上的通讯线插头插入屏内 RS485 通讯口上，将 控制屏右侧 RS485 通讯线通过 RS485/232 转换器连接到计算机串口 2，并按照 下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT2 中水箱液位”、“LT3 下水箱液位” 钮子开关均拨到“ON”的位置。图 5-5远程数据采集控制水箱液位串级控制实验接线图2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开 24V 开关电源，给智能采集模 块及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相空气开关，给电动调节阀上 电。3打开上位机 MCGS 组态环境，打开“远程数据采集系统”工程，然后进入 MCGS 运行环境，在主菜单中点击“实验十、水箱液位串级控制”，进入 实验
23、十的监控界面。4以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤 48。（三）、S7-300PLC 控制1将挂件 SA-41 S7-300PLC 控制挂件挂到屏上，并用 MPI 通讯电缆线将 S7-300PLC 连接到计算机 CP5611 专用网卡，并按照下面的控制屏接线图连接 实验系统。将“LT2 中水箱液位”、“LT3 下水箱液位”钮子开关均拨到“ON” 的位置。2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开 24V 开关电源，给 S7-300PLC 及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相空气开关，给电动调节阀上电。3打开 Step 7 软件，打开“S7-300”程序进行下载，然后运行 WinCC
24、组 态软件，打开“S7-300PLC 控制系统”工程，然后激活 WinCC 运行环境，在主 菜单中点击“实验十、水箱液位串级控制”，进入实验十的监控界面。4以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤 48。图 5-8 S7-300PLC 控制水箱液位串级控制实验接线图 五、实验报告要求1画出水箱液位串级控制系统的结构框图。2用实验方法确定调节器的相关参数，并写出整定过程。设定主副调节器的 PID 参数：主调节器参数设定：参数KpTiTd数值300.020.00.0副调节器参数设定：参数KpTiTd数值150.00.00.0分析：实验中上水箱作为主调节器，中水箱作为副调节器，由串级控制系统的
25、 特点知道：上水箱的输出作为中水箱的输入，由系统响应曲线可知，在系统稳 定，系统为纯比例作用的情况下，副调节器的比例放大系数按经验选取为 150，积分时间和微分时间都为 0，并将其设置在副调节器上；然后按照单回路 控制系统的任一种参数整定方法整定主调节器的参数，改变给定值，根据主调 节器放大系数和副调节器的放大系数的匹配原理，适当调整调节器的参数，使 得主参数品质最佳；如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度和 增大积分时间即可改善系统性能。实验中主调节器的比例系数设定为 300，积 分时间 20，由图可知设定了积分时间，减少了振荡，是系统更稳定。3根据扰动分别作用于主、副对象时系统输
26、出的响应曲线，分析系统在阶 跃扰动作用下的静、动态性能。由曲线可知：系统在受到阶跃扰动的情况下，若增大系统的比例放大系数， 则会缩短振荡周期，能够快速消除干扰，使系统趋于稳定，但是此时系统的静 态误差将会变大。若增大积分时间常数，也可以起到快速消除干扰的作用，使得系统稳定性增强，此时若增加微分环节，则会使得系统的动态误差和静态误 差减小，但是增加微分后的系统抗干扰的能力会下降。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。主调节器：P 的大小与对上水箱的控制作用和对主环扰动作用的响应有 着直接的作用，P 越大，当上水箱即主环受到扰动时能快速消除对它的扰动；I 是主调节器的积分
27、时间常数，积分时间常数越大，对于主环的抗干扰能力就越 强，调节时间也就越短，D 是主环的微分时间常数，增大它可以减小主环的静 态误差和动态误差，但是会降低主环的抗干扰能力。副调节器：P 越大对副环即中水箱的控制作用和抗干扰能力就越强，是 系统达到稳定的时间越短，I 是副调节器的积分时间常数，I 越大，对副环的抗 干扰能力就越强，调节时间也越短，副调节器可不用 D 控制作用。六、思考题1试述串级控制系统为什么对主扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力？ 如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时，二次扰动对主控制量 的影响是否仍很小，为什么？答：答：当扰动进入副回路后，首先，副被控变量检测到扰
28、动的影响，并 通过副回路的定值控制作用，及时调节操纵变量，使副被控变量回副到设定值， 也使扰动对主被控变量的影响减少。即副回路对扰动进行粗调，主回路对扰动 进行细调，因此串级控制系统对进入副环扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能 力。如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时将很有可能发生共 振现象，使得副环的工作频率处于谐振频率，其相角接近 180 度，从而使副环 增益为负，形成正反馈，出现共振现象，二次扰动对主控制量的影响将会很大。2当一次扰动作用于主对象时，试问由于副回路的存在，系统的动态性能 比单回路系统的动态性能有何改进？答：当一次扰动作用于主对象时，由于副回路的存在，系统的动态性
29、能比 单回路系统的动态性能改进在于：副被控变量检测到扰动的影响，并通过副回 路的定制控制作用，及时调节操纵变量，使副被控变量恢复到副设定值，也使 扰动对主被控变量的影响减少。即副环回路对扰动进行粗调，主环回路对对扰 动进行细调。因而使系统能更快的趋于稳定，调整时间缩短，并且比较准确的 恢复到最开始的设定值。3串级控制系统投运前需要作好那些准备工作？主、副调节器的正反作用 方向如副控制器为何确定？答：串级控制系统投运前需要作好那些准备工作：串级控制系统投运前需要将主、副控制器的参数整定好，设置好主回路 的设定值，同时要设置好实验装置各个开关的初始状态。主、副调节器的正反作用方向的确定方式：根据安
30、全运行准则，选择控制阀的气开和气关类型2根据工艺条件确定副被控对象的特性。操纵变量增加时，副被控变量增 加，kp2 为正，反之为负3根据负反馈准则，确定副控制器正反作用。4根据工艺条件确定主被控对象的特性。操纵变量增加时，主被控变量增 加，kp2 为正，反之为负5根据负反馈准则，确定主控制器正反作用。6根据负反馈准则，确定在主控方式时主控制器正反作用是否要更换。当 副控制器是反作用控制时，主控制器从串级方式切换到主控方式时，不需要更 换主控制器的作用方式。当副控制器是正作用控制时，主控制器从串级方式切 换到主控方式时，为保证主控制系统为负反馈，应更换为原来的的作用方式。4为什么本实验中的副调节器为比例（P）调节器？答：因为副回路既是随动控制系统又是定值控制系统，对于消除余差没 有要求可不采用 I，所以通常选用大比例度的 P 控制作用。5改变副调节器的比例度，对串级控制系统的动态和抗扰动性能有何影响， 试从理论上给予说明。v 答：一定范围内，副控制器 P 参数增大，副回路输出最大动态偏差增大， 振荡周期和回复周期更短，振荡更剧烈，使得副控制器的输出更有利于及时跟
