工业过程检测与过程控制

工业过程检测与过程控制

实

验

报

告

学院：************

专业：电气工程

学号：***********

姓名：***

苏州大学机电工程学院二零一三年五月

实验一锅炉液位控制系统实验

一、实验目的

1 了解锅炉液位控制系统的组成。

2 建立液位控制数学模型（阶跃响应曲线）。

3 计算系统各参数下的性能指标。

4 分析PID参数对控制系统性能指标的影响。

二、实验步骤

1 出水流量控制系统置于“手操”，即开环方式，设定OUTL=60%。

2 令δ=20%、 Ti=80（s）、Td=10(s)，设置到液位控制器中。

3 液位控制系统置于“自动”，即闭环方式，设定SV=200mm，等待稳定下来。

4 将液位控制器的“自动”输出阶跃变化100mm，即设定SV=300mm，同步记录

液位的PV值（间隔30秒记录一次，约20分钟）。

5 改变比例带：令δ=10%、 Ti=80（s）、Td=10(s)，设置到液位控制器中，重

复步骤3和步骤4。

6 改变积分时间：δ=20%、 Ti=40（s）、Td=10(s)，设置到液位控制器中，重

复步骤3和步骤4。

7 改变微分时间：δ=20%、 Ti=40（s）、Td=20(s)，设置到液位控制器中，重

复步骤3和步骤4。

三、实验数据

表1-1 锅炉液位控制系统实验记录表

四、 阶跃响应曲线

五、 实验数据处理

1、由实验数据和阶跃响应曲线计算四组PID 参数下系统性能指标：衰减率Ψ、衰减比η、超调量σ（%）、调节时间t s (min)。

%100)

(y y 1

1y y y 1

s s 11

⨯∞=

-=-=ψ=σηη超调量衰减率衰减比s

y y 调节时间t s ：一般是当被控量进入其稳态值的±5%范围内时所需的 时间。

图1 锅炉液位控制系统液位调节曲线

表1-2 系统各性能指标

2、分析δ（比例带）、T i（积分时间）、T d（微分时间）对系统性能的影响。

（1）比例带：当δ减小时，引起ω变大；ζ减小Ψ减小，稳定性变差。

（2）积分时间：当T i减小时，引起ω变大；ζ减小Ψ减小，稳定性变差。

（3）微分时间：引入T d，可提高快速性，提高系统的工作频率；T d太大或太小，都会破坏系统的稳定性。

实验二锅炉温度控制系统实验

一、实验目的

1 了解锅炉温度控制系统的组成。

2 建立被控对象的数学模型：掌握用动态特性参数法辨识被控对象模型（一阶

加滞后）的特性参数。

3 掌握整定PID参数的计算过程。

4 计算温度控制系统闭环状态下的性能指标。

5 总结对过程控制系统实验的心得体会。

二、实验步骤

1 液位控制系统置于“自动”，即闭环方式，设定SV=300mm。

2 出水流量控制系统置于“手操”，即开环方式，大约使PV=40L/H。

3 温度控制系统置于“手操”，设定OUTL=10%~15%。

4 等待液位、出水流量和温度稳定下来。

5 将温度控制器的“手操”输出阶跃变化5%~10%，即设定OUTL=15%~20%，

同步记录温度的PV值（间隔一分钟记录一次，大约45分钟）。

6 根据开环实验数据，在实验计算机记录温度开环阶跃响应曲线上，计算机被

控对象参数K、τ和T。然后按教材第83页的表4.1（另一教材第168页的表3-6）计算PID参数δ、Ti、Td。

7 温度控制系统置于“自动”，即闭环方式没设定SV=30℃~40℃，把第六步得

到的δ、Ti、Td设置到控制器中，等待稳定下来。

8 将温度控制器的“自动”输出阶跃变化5℃~10℃，即设定SV=30℃~50℃，同

步记录温度的PV值（间隔30秒记录一次，约20分钟）。

9 根据温度闭环实验曲线，在直角坐标纸上绘制温度控制系统的阶跃响应曲线，

由曲线计算系统性能指标；衰减率ψ、衰减比η、超调量σ、调节时间ts。

三、实验数据

表2-1温度开环实验数据记录表

表2-2温度闭环实验数据记录表

四、 阶跃响应曲线

五、实验数据处理

31.9℃-21.2℃=10.7℃ 10.7×0.39+21.2=25.4℃ 10.7×0.63+21.2=27.9℃ t 1=320s

t 2=687s （不合适） 取t 2=571s

T 0=2（t 2-t 1）=2×﹙571-320）=502s τ=2t 1-t 2=2×320-571=69s

713.015

7

.101

1501007.10min

max min max ==

=

=

-∆∆x y ρ

图2-1 锅炉温度控制系统温度调节曲线

13745.0502

69

==

T

τ

%.....T

τ

ρ.δ334808334013745071308501850==⨯⨯=∙⨯

= T i =2τ=2×69=138s

T d =0.5τ=0.5×69=34.5s ≈34s

%

8.4%100)(y y

4.011y y y 1

67.13.05.01s s 11=⨯∞==-=-=ψ===

σηη超调量衰减率衰减比s y y 调节时间t s =7.0min

实验心得

1、这个实验包括锅炉液位控制和锅炉温度控制，实验过程十分缓慢，一次实验需要20~45分钟的计时时间，需要耐心的进行实验，认真读取数据并将数据记录下来。

2、实验中采用了PID 控制原理，是系统的控制更加精确。

3、实验中PID 参数的选择也非常的重要，比例带、积分时间、微分时间都在控制中起着不同的作用。

4、改变PID 参数中的一项，控制系统达到稳定所需的时间也有所不同，系统的稳定性能也有所不同。

5、在锅炉温度控制系统实验中，与开环控制系统相比，闭环控制系统体现了它的优越性：准确，快速，稳定。