《杭電《過(guò)程控制系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)報(bào)告》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《杭電《過(guò)程控制系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)報(bào)告（22頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 5月25號(hào) 序號(hào)： 杭 州 電 子 科 技 大 學(xué)自動(dòng)化學(xué)院實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱： 自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制 實(shí)驗(yàn)名稱： 一階單容上水箱對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)名稱： 上水箱液位PID整定實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)名稱： 上水箱下水箱液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn) 指導(dǎo)教師： 尚群立 學(xué)生姓名： 俞超棟 學(xué)生學(xué)號(hào)：09061821 實(shí)驗(yàn)一、一階單容上水箱對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）熟悉單容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線。（2）根據(jù)由實(shí)際測(cè)得的單容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法分別確定它們的參數(shù)。二實(shí)驗(yàn)設(shè)備AE2000型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置， PC機(jī)，DCS控制系統(tǒng)與監(jiān)控軟件。三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖單容水箱如圖1-1所示：

2、圖1-1、 單容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖四、實(shí)驗(yàn)原理階躍響應(yīng)測(cè)試法是系統(tǒng)在開(kāi)環(huán)運(yùn)行條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過(guò)調(diào)節(jié)器或其他操作器，手動(dòng)改變對(duì)象的輸入信號(hào)（階躍信號(hào)），同時(shí)記錄對(duì)象的輸出數(shù)據(jù)或階躍響應(yīng)曲線。然后根據(jù)已給定對(duì)象模型的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定模型中各參數(shù)。圖解法是確定模型參數(shù)的一種實(shí)用方法。不同的模型結(jié)構(gòu)，有不同的圖解方法。單容水箱對(duì)象模型用一階加時(shí)滯環(huán)節(jié)來(lái)近似描述時(shí)，常可用兩點(diǎn)法直接求取對(duì)象參數(shù)。 如圖1-1所示，設(shè)水箱的進(jìn)水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開(kāi)度值。根據(jù)物料動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)系，求得：在零初始條件下，對(duì)上式求拉氏變換，得： 式中，T為水箱的時(shí)

3、間常數(shù)（注意：閥V2的開(kāi)度大小會(huì)影響到水箱的時(shí)間常數(shù)），T=R2*C，K=R2為單容對(duì)象的放大倍數(shù)，R1、R2分別為V1、V2閥的液阻，C 為水箱的容量系數(shù)。令輸入流量Q1 的階躍變化量為R0，其拉氏變換式為Q1（S）=RO/S，RO為常量，則輸出液位高度的拉氏變換式為：當(dāng)t=T時(shí)，則有：h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h()即 h(t)=KR0(1-e-t/T)當(dāng)t時(shí)，h（）=KR0，因而有K=h（）/R0=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入式（1-2）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖1-2所示。當(dāng)由實(shí)驗(yàn)求得圖1-2所示的 圖1-2、 階躍響應(yīng)曲線階躍響應(yīng)

4、曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對(duì)應(yīng)時(shí)間，就是水箱的時(shí)間常數(shù)T，該時(shí)間常數(shù)T也可以通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn) 所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)T，其理 論依據(jù)是：上式表示h（t）若以在原點(diǎn)時(shí)的速度h（）/T 恒速變化，即只要花T秒時(shí)間就可達(dá)到穩(wěn)態(tài)值h（）。五實(shí)驗(yàn)內(nèi)容步驟1)對(duì)象的連接和檢查：(1)將AE2000 實(shí)驗(yàn)對(duì)象的儲(chǔ)水箱灌滿水（至最高高度）。(2)打開(kāi)以水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、孔板流量計(jì)組成的動(dòng)力支路至上水箱的出水閥門.關(guān)閉動(dòng)力支路上通往其他對(duì)象的切換閥門。(3)打開(kāi)上水箱的出水閥至適當(dāng)開(kāi)度。2） 實(shí)驗(yàn)步驟(1)打開(kāi)控制柜中水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電源開(kāi)關(guān)。(2)啟動(dòng)DCS上位機(jī)組

5、態(tài)軟件，進(jìn)入主畫(huà)面，然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)一畫(huà)面。(3)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊調(diào)出PID窗體框，然后在“MV”欄中設(shè)定電動(dòng)調(diào)節(jié)閥一個(gè)適當(dāng)開(kāi)度。（此實(shí)驗(yàn)必須在手動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行）（4）、觀察系統(tǒng)的被調(diào)量：上水箱的水位是否趨于平衡狀態(tài)。若已平衡，應(yīng)記錄系統(tǒng)輸出值，以及水箱水位的高度h1和上位機(jī)的測(cè)量顯示值并填入下表。原始平衡狀態(tài)：系統(tǒng)輸出值水箱水位高度h1上位機(jī)顯示值0100cmcm40%4.54.0從40%到50%階躍數(shù)據(jù)：T（秒）102030405060水箱水位h1(cm)4.54.955.25.55.7上位機(jī)讀數(shù)(cm)4.85.15.45.45.86.1T（秒）708090100110120水箱水位h1(cm)5.

6、75.555.15.76上位機(jī)讀數(shù)(cm)6.56.36.35.85.76.2T（秒）130140150160170180水箱水位h1(cm)5.95.55.55.85.85.7上位機(jī)讀數(shù)(cm)6.76.76.36.26.46.4T（秒）190200210220230240水箱水位h1(cm)5.45.75.35.665.9上位機(jī)讀數(shù)(cm)6.36.26.36.16.36.8T（秒）250260270280290300水箱水位h1(cm)5.95.965.95.75.7上位機(jī)讀數(shù)(cm)6.86.76.76.76.36.7平衡狀態(tài)1：系統(tǒng)輸出值水箱水位高度h1上位機(jī)顯示值0100cmcm4

7、5%5.76.7從45%到50%階躍數(shù)據(jù)：T（秒）102030405060水箱水位h1(cm)6.15.85.96.25.86.3上位機(jī)讀數(shù)(cm)6.56.96.56.66.86.6T（秒）708090100110120水箱水位h1(cm)6.46.46.56.56.46上位機(jī)讀數(shù)(cm)77.27.16.97.26.9T（秒）130140150160170180水箱水位h1(cm)6.16.46.56.56.46上位機(jī)讀數(shù)(cm)6.76.56.97.27.26.8T（秒）190200210220230240水箱水位h1(cm)5.96.56.676.86.4上位機(jī)讀數(shù)(cm)6.46.7

8、77.37.87.6T（秒）250260270280290300水箱水位h1(cm)6.776.96.46.66.5上位機(jī)讀數(shù)(cm)77.27.77.67.17.3平衡狀態(tài)2：系統(tǒng)輸出值水箱水位高度h1上位機(jī)顯示值0100cmcm50%6.57.3從50%到55%階躍數(shù)據(jù)：T（秒）102030405060水箱水位h1(cm)77.47.87.67.77.4上位機(jī)讀數(shù)(cm)6.87.48.68.48.28.4T（秒）708090100110120水箱水位h1(cm)7.47.37.67.987.8上位機(jī)讀數(shù)(cm)8.287.888.78.8T（秒）130140150160170180水箱水

9、位h1(cm)7.97.87.97.87.98.3上位機(jī)讀數(shù)(cm)8.98.78.88.48.58.3T（秒）190200210220230240水箱水位h1(cm)87.87.77.97.77.5上位機(jī)讀數(shù)(cm)9.48.88.48.48.48.3T（秒）250260270280290300水箱水位h1(cm)7.988.17.97.57.9上位機(jī)讀數(shù)(cm)8.38.78.98.88.78.6平衡狀態(tài)3：系統(tǒng)輸出值水箱水位高度h1上位機(jī)顯示值0100cmcm55%7.98.6從55%到60%階躍數(shù)據(jù)：T（秒）102030405060水箱水位h1(cm)8.38.48.28.48.68.

10、6上位機(jī)讀數(shù)(cm)8.698.98.99.19.8T（秒）708090100110120水箱水位h1(cm)8.78.78.998.98.7上位機(jī)讀數(shù)(cm)9.59.89.510.1109.7T（秒）130140150160170180水箱水位h1(cm)998.88.88.98.7上位機(jī)讀數(shù)(cm)9.69.7109.79.79.9T（秒）190200210220230240水箱水位h1(cm)8.68.998.898.9上位機(jī)讀數(shù)(cm)9.69.59.49.69.29.7T（秒）250260270280290300水箱水位h1(cm)8.68.68.78.79.19.2上位機(jī)讀數(shù)(c

11、m)9.89.49.19.19.310平衡狀態(tài)4：系統(tǒng)輸出值水箱水位高度h1上位機(jī)顯示值0100cmcm60%9.210六、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求（1）作出一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。從40%到45%的階躍響應(yīng)曲線：從45%到50%的階躍響應(yīng)曲線：從50%到55%的階躍響應(yīng)曲線：從55%到60%的階躍響應(yīng)曲線：（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中所述的方法，求出一階環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)。 答：從40%到45%從45%到50%從50%到55%從55%到60%平均值K*R01.71920.96431.1361.0581.097T31.8042100.676229.303434.690433.2473根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)可求得時(shí)間常數(shù)T=

12、33.2473，K*R0=1.097。七、注意事項(xiàng)（1）本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，出水閥不得任意改變開(kāi)度大小。（2）階躍信號(hào)不能取得太大，以免影響正常運(yùn)行；但也不能過(guò)小，以防止因讀數(shù)誤差和其他隨機(jī)干擾影響對(duì)象特性參數(shù)的精確度。一般階躍信號(hào)取正常輸入信號(hào)的5%15%。(3)在輸入階躍信號(hào)前，過(guò)程必須處于平衡狀態(tài)。八、思考題（1）在做本實(shí)驗(yàn)時(shí)，為什么不能任意變化上水箱出水閥的開(kāi)度大?。看穑阂?yàn)門為水箱的時(shí)間常數(shù)，T=R2*C，K=R2為單容對(duì)象的放大倍數(shù)， R2為V2閥的液阻，C 為水箱的容量系數(shù)。當(dāng)改變水箱出水閥的開(kāi)度大小時(shí)，R2會(huì)改變，那么G(s)也會(huì)改變，那樣的話就不會(huì)測(cè)出G(s)中的參數(shù)了，因?yàn)槊看味?/p>

13、不一樣。(2)用兩點(diǎn)法和用切線對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，它們各有什么特點(diǎn)?答：兩點(diǎn)法：從理論上來(lái)說(shuō)兩點(diǎn)就可以確定參數(shù)，但是在實(shí)際測(cè)量中，測(cè)量點(diǎn)總是在基準(zhǔn)線附近不停地波動(dòng)，這樣很可能會(huì)造成測(cè)量的不準(zhǔn)確，但是兩點(diǎn)法只需要測(cè)兩個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，相對(duì)切線法來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單多了。切線法：和兩點(diǎn)法相比，切線法隨機(jī)性小一點(diǎn)，可以近似地測(cè)量和計(jì)算出對(duì)象的特性參數(shù)，但是切線法需要側(cè)大量的數(shù)據(jù)，用來(lái)近似地描繪出對(duì)象的特性曲線。實(shí)驗(yàn)四、上水箱液位PID整定實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）、通過(guò)實(shí)驗(yàn)熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理。2）、分析分別用P、PI和PID調(diào)節(jié)時(shí)的過(guò)程圖形曲線。3）、定性地研究P、PI和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能

14、的影響。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備AE2000型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置， PC機(jī), DCS控制系統(tǒng)，DCS監(jiān)控軟件。三、實(shí)驗(yàn)原理擾動(dòng)液位給定上 水 箱電動(dòng)調(diào)節(jié)閥PID控制器+液位變送器圖4-1、實(shí)驗(yàn)原理圖圖4-1為單回路上水箱液位控制系統(tǒng)。單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象上用一個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)保持一個(gè)參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個(gè)測(cè)量信號(hào)，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制上水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個(gè)閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用DCS系統(tǒng)控制。當(dāng)調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來(lái)就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，一個(gè)單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控

15、制器參數(shù)選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來(lái)滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會(huì)使控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期效果。一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好以后，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個(gè)有差系統(tǒng)，比例度的大小不僅會(huì)影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)余差，而且只要參數(shù)，Ti調(diào)節(jié)合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無(wú)余差存在，又能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。但是，并不是所有單回路控制系

16、統(tǒng)在加入微分作用后都能改善系統(tǒng)品質(zhì)，對(duì)于容量滯后不大，微分作用的效果并不明顯，而對(duì)噪聲敏感的流量系統(tǒng)，加入微分作用后，反而使流量品質(zhì)變壞。對(duì)于我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在單位階躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖4-2中的曲線、所示。 圖4-2、P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1)設(shè)備的連接和檢查：(1)將AE2000 實(shí)驗(yàn)對(duì)象的儲(chǔ)水箱灌滿水（至最高高度）。(2)打開(kāi)以水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、孔板流量計(jì)組成的動(dòng)力支路至上水箱的出水閥，關(guān)閉動(dòng)力支路上通往其他對(duì)象的切換閥門。(3)打開(kāi)上水箱的出水閥至適當(dāng)開(kāi)度。2）實(shí)驗(yàn)步驟1）啟動(dòng)動(dòng)力支路電源。2） 啟動(dòng)DCS上位機(jī)組態(tài)軟件，進(jìn)

17、入主畫(huà)面，然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)四畫(huà)面。3) 在上位機(jī)軟件界面用鼠標(biāo)點(diǎn)擊調(diào)出PID窗體框，用鼠標(biāo)按下自動(dòng)按鈕，在“設(shè)定值”欄中輸入設(shè)定的上水箱液位。4) 比例調(diào)節(jié)控制（1）設(shè)定給定值，調(diào)整P參數(shù)。（2）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對(duì)系統(tǒng)加擾動(dòng)信號(hào)（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動(dòng)，一般可通過(guò)改變?cè)O(shè)定值實(shí)現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過(guò)幾次波動(dòng)穩(wěn)定下來(lái)后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。（3）、減小P重復(fù)步驟4，觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，并記錄余差大小。（4）、增大P重復(fù)步驟4，觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，并記錄余差大小。（5）、選擇合適的P，可以得到較滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線。改變?cè)O(shè)定值（如設(shè)定值由50變?yōu)?0），同樣可以得到一條過(guò)渡過(guò)程曲線。(6)、注意：每

18、當(dāng)做完一次試驗(yàn)后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次試驗(yàn)。5) 比例積分調(diào)節(jié)器（PI）控制(1）、在比例調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加入積分作用，即在界面上設(shè)置I參數(shù)不為0，觀察被控制量是否能回到設(shè)定值，以驗(yàn)證PI控制下，系統(tǒng)對(duì)階躍擾動(dòng)無(wú)余差存在。(2）、固定比例P值，改變PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)值Ti，然后觀察加階躍擾動(dòng)后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同Ti值時(shí)的超調(diào)量p。 表一、不同Ti時(shí)的超調(diào)量p積分時(shí)間常數(shù)Ti大中小超調(diào)量p0%10%50%(3）、固定I于某一中間值，然后改變P的大小，觀察加擾動(dòng)后被調(diào)量輸出的動(dòng)態(tài)波形，據(jù)此列表記錄不同值P下的超調(diào)量p。 表二、不同值下的p比例P大中小超調(diào)量p50%33%20

19、%(4）、選擇合適的P和Ti值，使系統(tǒng)對(duì)階躍輸入擾動(dòng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過(guò)程曲線。此曲線可通過(guò)改變?cè)O(shè)定值（如設(shè)定值由50%變?yōu)?0%）來(lái)獲得。6) 比例積分微分調(diào)節(jié)（PID）控制(1)、在PI調(diào)節(jié)器控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即把軟件界面上設(shè)置D參數(shù)，然后加上與前面實(shí)驗(yàn)幅值完全相等的擾動(dòng)，記錄系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動(dòng)態(tài)曲線，并與實(shí)驗(yàn)（二）PI控制下的曲線相比較，由此可看到微分D對(duì)系統(tǒng)性能的影響。(2)、選擇合適的P、Ti和Td，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線（階躍輸入可由給定值從50%突變至60%來(lái)實(shí)現(xiàn)）。(3)、在歷史曲線中選擇一條較滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線進(jìn)行記錄。五、

20、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1）、作出P調(diào)節(jié)器控制時(shí)，不同P值下的階躍響應(yīng)曲線。當(dāng)P為30%時(shí)的階躍響應(yīng)曲線：當(dāng)P為40%的階躍響應(yīng)曲線：當(dāng)P為50%的階躍響應(yīng)曲線：2）、作出PI調(diào)節(jié)器控制時(shí)，不同P和Ti值時(shí)的階躍響應(yīng)曲線。當(dāng)P為20%、I為0.05的階躍響應(yīng)曲線：當(dāng)P為30%、I為0.05的階躍響應(yīng)曲線：當(dāng)P為40%、I為0.05的階躍響應(yīng)曲線：3）、比較P、PI和PID三種調(diào)節(jié)器對(duì)系統(tǒng)無(wú)差度和動(dòng)態(tài)性能的影響。答：（1）從動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái)說(shuō)PID調(diào)節(jié)器由于有D的作用響應(yīng)最快，調(diào)節(jié)時(shí)間最短，然后是PI調(diào)節(jié)器，P調(diào)節(jié)器由于無(wú)超調(diào)量雖然響應(yīng)曲線波動(dòng)不大但響應(yīng)最慢。（2）從無(wú)差度來(lái)說(shuō)，PI與PID調(diào)節(jié)器由于有I的作用所

21、以無(wú)靜差，而P有靜差。六、 思考題1）、試定性地分析三種調(diào)節(jié)器的參數(shù)P、（P、Ti）和（P、Ti和Td）的變化對(duì)控制過(guò)程各產(chǎn)生什么影響？答：P調(diào)節(jié)器：P與穩(wěn)態(tài)誤差有關(guān)，P越大穩(wěn)態(tài)誤差越小，但是P不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，P越大響應(yīng)越快，甚至有可能使系統(tǒng)震蕩。PI調(diào)節(jié)器：I可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但是I太小了，會(huì)使系統(tǒng)的震蕩增加，甚至使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，I會(huì)減慢系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程，同樣的P與PI調(diào)節(jié)器，當(dāng)參數(shù)P的值相同時(shí)，PI調(diào)節(jié)時(shí)間要更長(zhǎng)一點(diǎn)，所以要適當(dāng)?shù)倪x擇參數(shù)P與I的值。PID調(diào)節(jié)器：D會(huì)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，但是對(duì)于容量之后不大的系統(tǒng)積分作用不明顯，而且當(dāng)D作用很強(qiáng)時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)震蕩活不穩(wěn)定。由于

22、有I的作用所以穩(wěn)態(tài)誤差為0。2）、如何實(shí)現(xiàn)減小或消除余差？純比例控制能否消除余差？答：適當(dāng)?shù)募尤敕e分作用可以消除誤差，增大比例系數(shù)也可以減小誤差。但是純比例控制不能消除誤差。實(shí)驗(yàn)十、上水箱下水箱液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的基本概念和組成。(2) 掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)與參數(shù)整定方法。(3) 研究階躍擾動(dòng)分別作用在副對(duì)象和主對(duì)象時(shí)對(duì)系統(tǒng)主被控量的影響。一、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備AE2000型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置， PC機(jī)， DCS控制系統(tǒng)，DCS監(jiān)控軟件。 三、實(shí)驗(yàn)原理上水箱液位作為副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象，下水箱液位做為主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象?？刂瓶驁D如圖10-1所示：10-1、上水箱下水箱液位

23、串級(jí)控制框圖1、串級(jí)控制系統(tǒng)的組成圖10-1為液位串級(jí)控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有2個(gè)調(diào)節(jié)器、2 個(gè)閉合回路和兩個(gè)執(zhí)行對(duì)象。2個(gè)調(diào)節(jié)器分別設(shè)置在主、副回路中，設(shè)在主回路的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，設(shè)在副回路的調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器。兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)連接，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副回路的給定量，主、副調(diào)節(jié)器的輸出分別去控制二個(gè)執(zhí)行元件。主對(duì)象的輸出為系統(tǒng)的被控制量鍋爐夾套溫度，副對(duì)象的輸出是一個(gè)輔助控制變量。2、串級(jí)系統(tǒng)的抗干擾能力串級(jí)系統(tǒng)由于增加了副回路，對(duì)于進(jìn)入副環(huán)內(nèi)的干擾具有很強(qiáng)的抑制作用，因此作用于副環(huán)的干擾對(duì)主被控量的影響就比較小。系統(tǒng)的主回路是定值控制，而副回環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)控制。在設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)時(shí)，要求系統(tǒng)副

24、對(duì)象的時(shí)間常數(shù)要遠(yuǎn)小于主對(duì)象。此外，為了指示系統(tǒng)的控制精度，一般主調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI或PID調(diào)節(jié)器，而副調(diào)節(jié)器一般設(shè)計(jì)為比例P控制，以提高副回路的快速響應(yīng)。在搭實(shí)驗(yàn)線路時(shí)，要注意到兩個(gè)調(diào)節(jié)器的極性（目的是保證主、副回路都是負(fù)反饋控制）。 3、串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路的控制系統(tǒng)相比 串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的存在，改善了對(duì)象的特性，使等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，控制及時(shí)。同時(shí)，由于串級(jí)系統(tǒng)具有主副兩只控制器，總放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)的擾干擾能力增強(qiáng)。因此，它的控制質(zhì)量要比單回路控制系統(tǒng)高。4、串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)和整定有一步整定法，也有兩步整定法，即先整

25、定副回路，后整定主回路。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1)設(shè)備的連接和檢查：(1)將AE2000 實(shí)驗(yàn)對(duì)象的儲(chǔ)水箱灌滿水（至最高高度）。(2)打開(kāi)以水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、孔板流量計(jì)組成的動(dòng)力支路至上水箱的出水閥門，關(guān)閉動(dòng)力支路上通往其他對(duì)象的切換閥門。(3)打開(kāi)上水箱的出水閥，打開(kāi)下水箱出水閥至適當(dāng)開(kāi)度。2）實(shí)驗(yàn)步驟(1) 啟動(dòng)動(dòng)力支路。(2) 啟動(dòng)DCS上位機(jī)組態(tài)軟件，進(jìn)入主畫(huà)面，然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)十畫(huà)面。(3) 用鼠標(biāo)按下“點(diǎn)擊以下框體調(diào)出主控PID參數(shù)”按鈕，在“AEC10_ex”中的“設(shè)定值”欄中輸入設(shè)定的下水箱液位。按下“點(diǎn)擊以下框體調(diào)出副控PID參數(shù)”按鈕。在“副控窗口”中按下“串級(jí)”按鈕。在“AEC1

26、0_in”中的設(shè)定P、I、D參數(shù)。分別在主控參數(shù)和副控參數(shù)窗口中反復(fù)調(diào)整P，I，D三個(gè)參數(shù)，控制下水箱水位，同時(shí)兼顧快速性，穩(wěn)定性，準(zhǔn)確性。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求。分析串級(jí)控制和單回路PID控制不同之處。答：（1）單回路控制對(duì)于時(shí)間常數(shù)較大的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，調(diào)節(jié)效果比較差，而串級(jí)控制對(duì)于主回路來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于把系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)減小了，所以會(huì)有良好的調(diào)節(jié)效果。（2）而且串級(jí)具有兩只控制器使的總放大倍數(shù)較單回路控制增加。（3）串級(jí)控制由于副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，所以它比單回路控制抗干擾能力強(qiáng)，因此，它的控制質(zhì)量要比單回路控制系統(tǒng)高。六、思考題串級(jí)控制相比于單回路控制有什么優(yōu)點(diǎn)?答：串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的存在，改善了對(duì)象的特性，使等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，控制及時(shí)。同時(shí)，由于串級(jí)系統(tǒng)具有主副兩只控制器，總放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)的擾干擾能力增強(qiáng)。因此，它的控制質(zhì)量要比單回路控制系統(tǒng)高。七、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像副回路：P調(diào)節(jié)器，P=30%,主回路：PI調(diào)節(jié)器，P=45%，I=0.5，