过程控制实验

对象特性的求取方法通常有二种：一种是从工艺过程的变化机理出发，写出各种有关的平衡方程（如物料平衡方程、能量平衡方程等），进而推倒出被控对象的数学模型，得出其参数，再结合实际进行理论分析，这就是数学方法；另一种是通过被控对象的实验求出其特性参数，即实验飞升曲线测定法。对于此法较简单，因而在过程控制中得到了广泛的应用。 一、实验目的

1、掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并纪录相应液位的响应曲线。 2、根据实验得到的阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象特征参数K，T和传递函数。 二、实验原理

对象的被控制量为上（下）水箱的液位H，控制量（输入量）为上（下）水箱进水阀流量Q1，上（下）水箱出水阀输出量为Q2，改变进水阀和出水阀的 开度可以改变Q1、Q2的大小。根据动态物料平衡关系

Q1—Q2=dV/dt （1）

式中 V——水箱内水的贮水容积； dV/dt——水贮存量的变化率。

设水箱的横截面积为A，而A是一个常数，则因为

V=A*H

所以

dV/dt= A*(dH/dt) （2）

在静态时，dV/dt =0，Q1=Q2，当Q1发生变化时，液位H也将随之变化，水槽出水口的液压也变化，流出量Q2也发生变化。假设变化量很小，可近似认为Q2=（H/RS），RS为阀V2的水阻，则（1）式可改写为

Q1—（H/RS）=A(dH/dt)

即A RS (dH/dt)+H=K Q1 或写作

H（S）/Q（S）=K/（TS+1） （4）

式中T= ARS，K= RS。

式（4）为单容水箱的传递函数。

若另Q1（S）=H1/S，H1为刚开始的稳态值，则式（4）可改写为 H（S）=（K/T）/（S+1/T）*（H1/S）=K（H1/S）—（KH1/（S+1/T）） 对上式取拉氏变换得

H（t）=KH1（1—e-t/T） （5） 当t→∞时，h(∞)= KH1，因而有 K= h(∞)/R0=输出稳态值/阶跃输入 当t=T时，则有

H（T）= KH1（1—e-t/T）=0.632KH1=0.632h(∞)

（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。当由实验得图2—1所示的阶跃响应曲线后，该曲线达到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。有响应曲线求得K和T后，就能求出单容水箱的传递函数。所得的传递函数为：H（S）=（Ke-t/S）/（1+TS）

三、实验步骤

1、设计实验线路并接好，适当打开阀门。 2、开启总电源和相关仪表的电源。

3、上电后，启动计算机，运行MCGS组态软件，进入本实验系统。 4、设置调节器为手动操作状态，通过调节器增/减的操作改变输出量的大小，使水箱的液位最终处于某一平衡位置。

5、待液位处于稳定后，手动操作调节器，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（此增益不宜过大，以免水箱中水溢出），经过一段时间后，水箱的液位进入新的平衡状态。

6、记下水箱的液位的历史曲线和阶跃响应曲线。 7、把试验曲线所得的结果填入下表。 启动时间 13：34：18 0 13：40：09 50 13：37：13 30.1 W（S）=e-ts/TaS

W（S）=8.8S

图一为开始图象（注：无延迟时间）

图二为系统平衡图象

实验三 双容水箱液位数学模型的测试

一.实验目的

1. 熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线.

2. 根据实际测得双容水箱液位的阶跃响应曲线,确定其传递函数.

二.实验原理

被控对象由两个水箱串联连接,谷称其为双容系统.被控制量是下水箱的液位,显然,多了一个水箱,响应时间就滞后.由S形曲线的拐点P处作一切线,它与时间轴的交点为A,OA表示对象响应的滞后时间.至于双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定.

在图所示的阶跃响应曲线上求取:

(1)H2(t)|t=t1 =0.4H2(∞)曲线上的点B和对应的时间t1; (2)H2(t)|t=t2 =0.8H2(∞)时曲线上的点C和对应的时间t2. 然后,利用下面近似公式计算式

K=H2(∞)/R0=输入稳态值/阶跃输入量 T1+T2≈t1+t2/2.16

T1T2/(T1+T2)2≈(1.74t1/t2-0.55) 0.32三.实验步骤

1. 接好实验线路.

2. 开启总电源和相关仪表的电源.

3. 上电后,启动计算机,运行MCGS组态软件,进入本实验系统.

4. 先把调节器设置于手动状态,按调节器的增/减,改变其输出值,使下水箱液位处于某一平衡位置.突增/减调节器的手动输出量,使下水箱的液位由原平衡状态开始变化,经过一段时间后,液位H2进入新平衡状态. 5. 用计算机实时记录H2的历史曲线和在阶跃扰动后的响应曲线. 6. 把由计算机作用的实验曲线进行分析处理,并把结果填入下表: 参数值 液位h K T1 T2 г 测量值 正向输入 57/4 14:10:06 14:11:03 83 启动时间 14:06:26 20.2

滞后 14:07:30 20.3

14:10.06 26 14:11:03 30 W（S）=e-ts/TaS(TS+1)

W（S）=57 e-64s/(4S+332S2)

四、实验数据及报告

图一为启动动后延迟时间图象

图二为系统平衡状态的图象

实验四 单回路定值控制系统

一、概述

图4-1为单回路控制系统方框图的一般形式，它是有调节器、执行器、被控制对象和检测元件及变送器组成。单回路控制系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，因此在工业生产中得到广泛应用。

图4-1 单回路控制系统方框图

二、干扰对系统性能的影响

1、干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后的影响。 干扰通道的放大系数K，会影响干扰和加在系统中的幅值。若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数越大，系统的静差也就越大。我们希望干扰通道的放大系数越小越好。

如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为

，其过渡过程的动态分量被滤

波而幅值变小。则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。则时间常数

越大，则系统的偏差就越小。

通常干扰通道中还会有纯滞后环节，使被调参数的响应时间滞后一个τ值，即(t)=Y(t-上式表明调节过程沿时间轴平移了一个τ道出现有纯滞后，不会影响系统调节质量。 2、干扰进入系统中的不同位置。

的距离，所以干扰通

图4-2 扰动作用于不同位置控制系统

控制理论证明，同一形式的大小相同的扰动出现于系统中的不同的位置所产生的静差是不一样的。对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。

三、控制规律的确定

选择系统调节规律的目的，是使调节器与调节对象能很好的匹配，使组成的控制系统能满足工艺上所提出的动、静态性能指标的要求。 1、比例（P）调节

纯比例调节是一种最简单的调节，它对控制作用和扰动作用的响应都很快速。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。折中调节器的主要缺点是系统有静差存在。

2、比例积分（PI）调节

PI调节的稳定部分能有利于消除偏差，但它又使PI调节的相位滞后量见效，即系统的稳定性变差，其传递函数为 (S)=

(1+

)

这种调节在过程控制中是应用最多的一种调节。 3、比例微分（PD）调节

这种调节器由于有微分的作用，能增加系统的稳定性，比例系数的增大能加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分不能过大，以利于抗高频干扰。PD调节器的传递函数为 (S)=

(1+S)

4、比例微分积分（PID）调节

PID是常规调节中性能能最好的一种调节。由于它具有 各类调节的优点，因而使系统具有更高的控制质量。它的传递函数为： (S)=

(1+

+S)

四、调节器参数的整定方法

调节器参数的整定方法通常分为两大类：一种是理论计算整定法，即根据被控对象的特性，然后通过理论计算来求取调节器的最佳参数。另一种方法是工程整定法，在被控对象运行时，直接在控制系统中，通过改变调节器的参数，观察被控对象的过渡过程，来获得最佳数值。 五、实验目的

1、了解一阶、二阶单回路控制系统的结构与组成。 2、掌握单回路控制系统调节器参数的整定。

3、研究P、PI、PD和PID四种调节器相关参数的变化对系统动态性能的影响。 六、实验内容

1、一阶、二阶单回路液位定值控制系统的实现 2、一阶、二阶单回路压力定值控制系统的实现 3、一阶单回路稳定定值控制系统的实现 七、实验步骤

1、按设计要求完成系统的接线。 2、接通总电源和相关仪表的电源。

3、上电后，启动计算机，运行MCGS组态软件，进入本实验系统。

4、选用单回路控制系统所述的某种调节器参数的整定方法整定好调节器的参

数。

5、先设置系统的给定值SV，再手动操作调节器的输出，使被控量接近给定值且稳定基本不变，把调节器切换成自动，使系统自动运行。 6、进行下列实验：

1）当系统稳定运行后，突入阶跃扰动（将给定量增加5%~15%），观察并纪录系统的输出响应曲线。

2）待系统进入稳态后，适量打开另一个阀，以作为系统的扰动，观察并纪录在阶跃扰动作用下液位的变化过程。

7、适量改变PI参数，用计算机纪录不同参数时系统的响应曲线。 八、实验数据处理

图一为一阶单回路温度定值控制系统图象

图中有系统稳定波段，和干扰后系统再次稳定的图象 初始时间为12:41:56----稳定时间12:51:45

受干扰后初始时间为12:53:10----稳定时间13:02:14

图二为二阶液压单回路系统稳定的图象

二阶为液压的稳定故与图一有所不同,稳定性能更好 起始时间13:11:03----系统第一次稳定时间13:25:23

系统干扰起始时间13:27:45----液压系统再次稳定时间13:31:04

实验五 串级控制系统实验概述

一、串接控制系统的组成

该系统有主，副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中调节器有自己独立的设定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1

二、串级控制系统的特点 a) 改善被控对象的特性 由于反馈原理可知，副回路不仅能改变副对象的结构，而且还能使副对象的放大系数减小，频带变宽，从而使系统的响应速度变快 b) 能及时克服进入副回路的各种二种二次扰动，提高了系统抗扰动能力

串级控制系统由于比单回路控制系统多了一个副回路，当二次扰动进入副回路，由于对象的时间常数，因而当扰动还没有影响到主控参数时，副调节器就开始动作，及时减小或消除扰动对主参数的影响。基于这个特点，在设计串级控制系统时尽可能产生的扰动都纳入到副回路中，以确保主参数的控制质量。至于作用在主对象上的一次扰动对主参数的影响，一般通过主回路的控制来消除 c) 提高了系统的鲁棒性

系统的控制品质对对象特性变化越不灵敏，则系统的鲁棒性越好。由于副回路的存在，它对副对象特性变化的灵敏度降低，即系统的鲁棒性得到提高。 d) 具有一定自适应能力

串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，副回路是一个随动系统。主调节器能按照负荷和操作条件的变化，不断地自动改变副调节器的给定值，使副调节器的给定值能适应负荷和操作条件的变化。

三、串级控制系统的设计原则 （a）主，副回路的设计

1、副回路不仅要包括生产过程中的主要扰动，而且应尽可能包括更多的扰动信号。

2、主，副对象的时间常数要合理匹配。一般要求主，副对象时间常数的匹配能使主，副回路的工作频率之比大于3。为此，要求主，副回路的时间常数之比应该在3——10之间。 (b)主，副调节器控制规律的选择

在串级控制系统中，主，副调节器所起的作用是不同的，主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等子给定值，故一般采用PI调节器。由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速，主调节器起定值故一般宜采用准确

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无特殊的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器。

四、主，副调节器正，反作用方式的选择

如在单回路控制系统设计中所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须采用负反馈。对于串级控制系统来说，主，副调节器的正，反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系统数乘积必须为正值。各环节放大系数极性的正负是这样规定的 a) 调节器的Kc：测量值增加，输出也增加，则Kc为负，反之，Kc为负 b) 调节阀系数Kv：气开式调节阀Kv为正，气关式为负 c) 过程放大系数Ko，当过程的输入增大时，即调节阀开大，输出也大，则 Ko为正，反之，为负

五、串级控制系统的整定方法

在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下两种 (一)两不整定法

两步整定法就是先整定副调节器参数，后整定主调节器参数。整定的具体步骤为 1、在工况稳定，主，副回路闭合，主，副调节器都在纯比例作用下，将主调节器的比例置于100%上，然后用单回路反馈控制系统的整定方法来定副回路。 2、将幅调节器的比例置于所求的δ2s值，且把副回路作为主回路的一个环节，用类同与整定副回路的方法整定主回路。

3、根据所求值，按表所示的经验公式计算主，副调节器的比例度δ，积分时间常数T1和微分时间常数Td的实际值。 4、按“先副后主”，“先比例后积分在微分”的整定顺序，将所求的主，副调节器参数设置在相应的调节器上

5、观察控制过程，并根据具体情况对调节器的参数作适当调整，直到过程品质达到最佳为止。 （二）一步整定法

由于两不整定法要寻求两个人4:1的衰减过程。经过大量的实践，做了很大的简化。提出了一步整定法，所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。一步整定法的理论依据是：串级控制系统可以等价，其等效的总放大系数Kc为主调节器放大系数Kc1与副回路等效的放大系数K02的成积，对于主，副调节器均为比例作用时的串级控制系统，只要满足Kc=Ks

式中：Ks为主回路产生4:1衰减过程时的比例放大系数 具体步骤为：

1、系统稳定后，按单回路整定的经验选取一中间的值作为副调节器的参数。 2、利用单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。

3、改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据Kc1和K02的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主控参数品质为最佳。

4、如果出现振荡现象，只要加大调节器的比例度δ或增大积分时间常数T1，即可消除振荡。

六、实验数据和报告

图一 为二阶单回路系统状态下，两次干扰的图象 超调量 δ%=（51.5-40）/40=28.75%

系统时间 13:14:25----13:20:07

干扰一：阀3关阀4开 启始时间到稳定时间为 13:27:30------13:31:03

干扰一：阀3开阀4开 启始时间到稳定时间为 13:31:16------13:52:16

图二为图一的衔接图象，因系统只能运行半小时，故有图二的出现。