《过程控制系统》实验报告(最新版)

实验一、单容水箱特性的测试

一、实验目的

1. 掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，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，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。

二、实验设备

1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置 2. 计算机及相关软件 3. 万用电表一只

三、实验原理

图2-1单容水箱特性测试结构图

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由图2-1可知，对象的被控制量为水箱的液位H，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1，手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时 Q1-Q2=0 (1) 动态时，则有

Q1-Q2=dv/dt (2) 式中 V 为水箱的贮水容积，dV/dt为水贮存量的变化率，它与 H 的关系为

dV=Adh ,即dV/dt=Adh/dt (3) A 为水箱的底面积。把式(3)代入式(2)得

Q1-Q2=Adh/dt (4) 基于Q2=h/RS，RS为阀V2的液阻,则上式可改写为 Q1-h/RS=Adh/dt 即

ARsdh/dt+h=KQ1 或写作

H(s)K/Q1(s)=K/(TS+1) (5) 式中T=ARs,它与水箱的底积A和V2的Rs有关:K=Rs。 式(5)就是单容水箱的传递函数。

对上式取拉氏反变换得

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(6)

当t—>∞时,h(∞)=KR0 ,因而有K=h(∞)/R0=输出稳态值/阶跃输入 当 t=T 时，则有

h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞)

式(6)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 所示。当由实验求得图2-2所示的阶跃响应曲线后,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。该时间常数

T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数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。如果对象的阶跃响应曲线为图2-3,则在此曲线的拐点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τ,BC为对象的时间常数T,所得的传递函数为：

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四、实验内容与步骤

1．按图2-1接好实验线路,并把阀V1和V2开至某一开度,且使V1的开度大于V2的开度。

2．接通总电源和相关的仪表电源,并启动磁力驱动泵。

3．把调节器设置于手动操作位置，通过调节器增/减的操作改变其输出量的大小，使水箱的液位处于某一平衡位置。

4．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 量不宜过大,以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一定的调节时间后，水箱的液位进入新的平衡状态，如图 2-4 所示。

5．启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。

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正向输入曲线

负向输入曲线

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6．实验数据计算 （1）、正向输入:

T=t12-t1= 1：53：55 - 1:52:18=1:37=97(s)

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h(∞)= h2(∞)- h1(∞)= 74.71mm-26.81mm=49.7mm R0=Q2-Q1=459.8L/h-397.9L/h=61.9L/h K=h(∞)/R0=49.7/61.9=0.8029

H（S）=

R0KR049.749.7K/TR0×=K-==- 1S1SSS0.0103SSTT

（2）、负向输入:

T=t23-t2= 1:57:24 - 1:56:06=1:18=78(s)

h(∞)= h2(∞)- h3(∞)= 74.71mm-37.44mm =37.27mm R0=Q2-Q1=459.8L/h-388.0L/h=71.8L/h K=h(∞)/R0=37.27/71.8=0.5191

H（S）=

R0KR037.2737.27K/TR0×=K-==- 1S1SSS0.0128SSTT7．实验曲线所得的结果填入下表。

参数值 测量值 正阶跃输入 负阶跃输入 平均值

放大系数K 0.8029 0.5191 0.6610 周期T 97(s) 78(s) 87.5 五、思考题

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1.在实验进行过程中，为什么不能任意改变出水口阀开度的大小？

答：因为在实验过程中，任意改变出水口阀开度会影响出水流量的大小。在入水量不变的情况下，这样会使实验记录的数据和图形与实际相差较远。

2.用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与哪些因素有关？

答：因为系统用到了仪表，因此与仪表的精度有关，同时与出水阀开度的大小有关。并和放大系数K、时间常数T以及纯滞后时间有关。

另外，也会受实验室电压的波动与测试软件的影响。

3.如果采用中水箱做实验，其响应曲线与上水箱的曲线有什么异同？试分析差异原因。

答：若采用中水箱做实验，它的响应曲线要比上水箱变化的慢。

原因：因为中水箱的回路比上水箱的回路要长，上升相同的液位高度，中水箱要更长的时间。

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实验三、上水箱液位PID整定实验

一、实验目的

1. 根据实验数据和曲线,分析系统在阶跃扰动作用下的动、静态性能。

2. 比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。

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3. 分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。

二、实验设备

1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置 2. 计算机及相关软件 3. 万用电表一只

三、实验原理

图3-2-1 上水箱单容液位定值控制系统

(a)结构图 (b)方框图

本实验系统结构图和方框图如图3-2-1所示。被控量为上水箱（也可采用中水箱或下水箱）的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到的上水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。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，系统的调节器应为PI或PID控制。

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四、实验内容与步骤

1.先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F1-10、F1-11全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度（50%左右），其余阀门均关闭。

2.接通控制柜总电源，打开漏电保护器及各空气开关，接通空压机电源，并将三相磁力泵、三相电加热管、控制站的各旋钮开关打到开的位置。控制柜无需接线。

3.在上位机监控界面中点击“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过设定值或输出值旁边相应的滚动条或输出输入框来实现。

4.启动磁力驱动泵，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少输出量，使上水箱的液位平衡于设定值。

5.按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定PI调节器的参数，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。

6.分别适量改变调节器的P参数，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。

7.分别用PI、PD、PID三种控制规律重复步骤3～6，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。

8.水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。 （1）、P调节： K=5

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K=7

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（2）、PI K=7 I=20000

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K=5 I=2000

（3）、PD K=5 D=10000

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K=5 D=5000

（4）、PID

K=5 I=20000 D=5000

9.计算 （1）、P调节

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K=5时:

上升时间为：tr=t2-t1=2:50:22-2:50:04=18(s) 稳态误差=60mm- h(∞)=60mm-53.35mm=6.65mm K=7时:

上升时间为：tr=t2-t1=2:50:41-2:50:21=20(s) 稳态误差=60mm- h(∞)=60mm-55.41mm=4.59mm （2）、PI调节 K=7，I=20000 时:

上升时间：tr=t1-t0=3:08:04-3：07：35=29(s) 峰值时间：tp=t2-t0=3:08:09-3：07：35= 34(s) 调节时间：ts=t3-t0=3:08:36-3：07：35=61(s) 超调量=[hmax- h(∞)]/ [h(∞)-h(0)]*100%=6.8% 稳态误差= h(∞)-60mm=0.69mm（可以忽略不计） K=5 ，I=20000时 :

上升时间：tr =3:22:58-3：22：31=27(s) 峰值时间：tp= 3:23:06-3：22：31= 35(s) 调节时间：ts= 3:23:30-3：22：31=59(s) 超调量=[hmax- h(∞)]/ [h(∞)-h(0)]*100%=10.9% 稳态误差= h(∞)-60mm=0.11mm（可以忽略不计）

（3）、PD调节

K=5,D=10000时:

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上升时间为t=t2-t1=4:25:57-4:25:36=21(s)

稳态误差=60mm- h(∞)=60mm-52.98mm=7.02mm K=5,D=5000时:

上升时间为t=t2-t1=4:30:51-4:30:31=20(s)

稳态误差=60mm- h(∞)=60mm-52.81mm=7.19mm （4）、PID

K=5 ,I=20000 ,D=5000时：

上升时间：tr =4：35：50-4：35：19=31(s) 峰值时间：tp= 4：35：57-4：35：19= 38(s) 调节时间：ts= 4：36：02-4：35：19=43(s) 超调量=[hmax- h(∞)]/ [h(∞)-h(0)]*100%=11.1% 稳态误差= 60mm- h(∞)=0.23mm（可以忽略不计）

10.分析

（1）、根据实验数据和曲线,分析系统在阶跃扰动作用下的动、静态性能。

分析：系统在阶跃扰动作用下，当比例系数较大时，系统的静态误差也较大，这是因为比例系数会加大幅值；在加入微分环节以后，系统的动态误差明显减小，但调节时间却延长，这是因为微分具有超前的作用，可以增加系统的稳定度。

（2）、比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。

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Ti：为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而增大，他推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，知道为零，由于积分项的存在会使调节时间增大。因此，PI控制器可使系统在进入稳太后无稳态误差。

Kp:放大误差的幅值，快速抵消干扰的影响，使系统上升时间降低，如果仅有比例环节，系统会存在稳态误差。

Td：自动控制系统在克服误差的调解过程中可能会出现振荡甚至失稳，在控制器中仅引入“比例P”往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，他能预测误差的变化趋势。这样具有比例加微分的控制器，就能够提前十抑制误差的的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重失调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，PD控制器能改善系统在调解过程的动态特性。

（3）、分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。

P:是基本的控制作用，比例调节对控制作用和扰动作用的响应都很快但会带来余差。

PI: PI调节中P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但是I调节会降低系统的稳定性。

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PD:由于微分的超前作用，能增加系统的稳定度，震荡周期变短，减小了误差，但是微风抗干扰能力差，且微分过大易导致调节阀动作向两端饱和。

PID:常规调节器中性能最好的一种调节器，具有各类调节器的优点，具有更高的控制质量。

五、思考题

1. 改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？ 答：改变比例度δ会是调节器的参数改变，这可能让系统的稳定性受一定的影响，增大比例度会使其超调量增大，使系统变得不稳定。

改变积分时间TI 会使系统的精度提高，但也可能造成积分饱和。

2. 如采用下水箱做实验，其响应曲线与中水箱或者上水箱的曲线有什么异同？试分析差异原因。

答：采用下水箱做实验，其滞后时间会更短。

原因：因为水的回路变得更短，弃响应曲线会上升的更快。

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实验五、锅炉内胆水温PID控制实验

一、实验目的

1.根据实验数据和曲线,分析系统在阶跃扰动作用下的动、静态性 能。

2.比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。

3.分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。

二、实验设备

1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置 2. 计算机及相关软件 3. 万用电表一只

三、实验原理

本实验以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。本实验要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻TT1检测到的锅炉内胆温度信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。在锅炉内胆水温的定值控

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制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于加热过程容量时延较大，所以其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。本实验系统结构图和方框图如图3-5-1所示。

图3-5-1 锅炉内胆温度特性测试系统 (a)结构图 (b)方框图

可以采用两种方案对锅炉内胆的水温进行控制： （一） 锅炉夹套不加冷却水（静态） （二） 锅炉夹套加冷却水（动态）

显然，两种方案的控制效果是不一样的，后者比前者的升温过程稍慢，降温过程稍快。无论操作者采用静态控制或者动态控制，本实验的上位监控界面操作都是一样的。

四、实验内容与步骤

1.先将储水箱贮足水量，将阀门F1-1、F1-4、F1-5、F1-13全开，打开电磁阀开关，其余阀门关闭，启动380伏交流磁力泵，给锅炉内胆贮存一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的红线位置），

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然后关闭阀F1-13、F1-4及电磁阀，打开阀F1-12，为给锅炉夹套供冷水做好准备。

2.接通控制系统电源，打开用作上位监控的的PC机，进入的实验主界面,在实验主界面中选择本实验项即“锅炉内胆水温PID控制实验”。

3.合上三相电源空气开关，三相电加热管通电加热，适当增加/减少输出量，使锅炉内胆的水温稳定于设定值。

4.按指导书第二章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PID控制规律，并按整定后的PID参数进行调节器参数设置。

5.待锅炉内胆水温稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，然后记录曲线。

6.开始往锅炉夹套打冷水，重复步骤3～5，观察实验的过程曲线与前面不加冷水的过程有何不同。

7.分别采用P、PI、PD控制规律，重复上述实验，观察在不同的PID参数值下，系统的阶跃响应曲线。

8. 上述实验用计算机实时记录的响应曲线。 （1）、P

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（2）、PI

（3）、PD

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（4）、PID

9.计算 （1）、P

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稳态误差=30℃-29.37℃=0.63℃ 上升时间：tr=5:48:27-5:47:23=64(s) （2）、PI

峰值时间：tp=6:22:25-6:19:26=2:59=179(s) 超调量=(44.25-35)/ (35-2.528)*100%=28.5% （3）、PD

稳态误差=35℃-34.04℃=0.86℃ 上升时间：tr=6:49:25-6:48:10=75(s) （4）、PID

上升时间：tr=7:05:50-7:04:40=70(s) 峰值时间：tp=7:07:30-7:04:40=170(s) 超调量=(44.15-35)/ (35-2.626)*100%=28.3% 10.分析

（1）、根据实验数据和曲线,分析系统在阶跃扰动作用下的动、静态性能。

分析：系统在阶跃扰动作用下，当比例系数较大时，系统的静态误差也较大，这是因为比例系数会加大幅值；在加入微分环节以后，系统的动态误差明显减小，但调节时间却延长，这是因为微分具有超前的作用，可以增加系统的稳定度。

（2）、比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。

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Ti：为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而增大，他推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，知道为零，由于积分项的存在会使调节时间增大。因此，PI控制器可使系统在进入稳太后无稳态误差。

Kp:放大误差的幅值，快速抵消干扰的影响，使系统上升时间降低，如果仅有比例环节，系统会存在稳态误差。

Td：自动控制系统在克服误差的调解过程中可能会出现振荡甚至失稳，在控制器中仅引入“比例P”往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，他能预测误差的变化趋势。这样具有比例加微分的控制器，就能够提前十抑制误差的的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重失调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，PD控制器能改善系统在调解过程的动态特性。

（3）、分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。

P:是基本的控制作用，比例调节对控制作用和扰动作用的响应都很快但会带来余差。

PI: PI调节中P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但是I调节会降低系统的稳定性。

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PD:由于微分的超前作用，能增加系统的稳定度，震荡周期变短，减小了误差，但是微风抗干扰能力差，且微分过大易导致调节阀动作向两端饱和。

PID:常规调节器中性能最好的一种调节器，具有各类调节器的优点，具有更高的控制质量。

五、思考题

1. 在温度控制系统中，为什么用 PD 和 PID 控制，系统的性能并不比用PI 控制有明显地改善？

答：目前温度传感器采用热电偶或热电阻有零点几秒到十几秒的延迟，在控制中必须加微分D做提前产生作用。在实际运用中会觉得与工况变化不相符，往往是觉得超调严重而调乱PID参数。 2. 为什么内胆动态水的温度控制比静态水时的温度控制更容易稳定，动态性能更好？

答：内胆是一个封闭的空间，几乎就不向外界散热，使用传感器测温时，测的是某一点的温度，内胆其它地方的温度可能与测量点的温度并不完全一致，静态水不流动，无法快速进行热传递，而动态水却因为它是流动的，使水温保持均匀，当然也就更容易控制。

3. 如果要消除系统的余差为什么采用 PI 调节器，而不采用纯积分器？

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答：因为比例积分适用于滞后比较小，负荷变化不大，不允许有余差的控制系统。而纯积分器会使系统稳定性变差。积分能在比例的基础上消除系统的余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。

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