浙工大过程控制实验报告
浙工大过程控制实验报告
202103120423徐天宇过程控制系统实验报告
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。
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：
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。
五、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
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（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 2、智能仪表的参数设置
给智能仪表上电，设置好以下参数： CtrL 1 P 3 I 500 D 0 Sn 33 dIP 1 dIL 0 dIH 50 oP1 4 oPL 0 oPH 100 CF 0
bAud 9600bit/s Addr 1
3、熟悉组态软件
（1）启动计算机，在显示桌面双击MCGS组态环境图标。打
开AE2000过程控制系统实验装置的组态软件，观察并熟悉组态方
法，熟悉实验内容及掌握组态软件与智能仪表之间的通讯的组态步骤及要求。
（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（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。
4、记录上述步骤调整好的液位初始值。当上水箱的水位处于平衡状态时，记录调节仪输出值，以及水箱水位的高度h和智能仪表的测量显示值并填入下表。
仪表输出值水箱水位高度仪表显示值 39% 6.1 5.8 5、迅速增加仪表手动输出值，增加约10%的输出量，知道水箱水位进入新的平衡状态。再次记录平衡时的下列数据，并填入下表。
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仪表输出值 50% 水箱水位高度 29.9 仪表显示值 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。初始值上升至39%时上升至63%时高度 5.7 15.08 20.9 时间 8:21 10：45 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。仪表输出值 39% 水箱水位高度 5.7 仪表显示值 5.4
9读取第三个过程的数值。计算第三个过程下降至稳态值的39%和63%时的高度，双击实时曲线读取对应的实验值。初始值上升至39%时上升至63%时高度 29.6 20.2 14.4 时间 31：04 33：09 35：09 六、预习思考题
1、在做实验时，为什么不能任意变化阀8的开度大小？
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。
切线法：和两点法相比，切线法随机性小一点，可以近似地测量和计算出对象的特性参数，但是切线法需要侧大量的数据，用来近似地描绘出对象的特性曲线。 3、若要测试二阶双容水箱的对象特性，应如何进行？
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七、实验报告要求
1、整理实验数据，同时附上拷贝的画面。
2、根据实验原理中所述的方法，求出单容液位过程传递函数的相关参数。
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。
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三、实验原理
给定
液位变送器+ ─ PID控制器电动调节阀上水箱扰动液位
图4-1、实验原理图
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。
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。