过程控制实验报告5(上水箱液位和流量串级系统)
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单容水箱特性的测试 双容水箱特性的测试 水箱液位定值控制系统 水箱液位串级控制系统 水箱液位与流量串级控制系统 单闭环流量比值控制系统
第一节 单容水箱特性测试(THJ-2) 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、上位机MCGS组态软件 三、实验原理
图4-1单容水箱特性测试结构图 由图4-1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 Q10-Q20=0 （1） 动态时，则有 Q1-Q2=dtdV （2） 1
式中V为水箱的贮水容积，dtdV为水贮存量的变化率，它与H的关系为 AdhdV，即dtdV= Adtdh （3） A为水箱的底面积。把式（3）代入式（2）得 Q1-Q2=A dtdh （4）
基于Q2=SRh，RS为阀V2的液阻，则上式可改写为 Q1-SRh= A dtdh 即 ARSdtdh+h=KQ1 或写作
)()(1sQsH=1TSK （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。 若令Q1（S）=SR0，R0=常数，则式（5）可改为
H（S）=TSTK1/×SR0=KSR0-TSKR10
对上式取拉氏反变换得 h(t)=KR0(1-e-t/T) （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4-2所示。当由实验求得图4-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%
实验五、单容水箱液位PID控制实验(DCS)
实验五、单容水箱液位PID控制实验(DCS)一、实验目的1）、熟悉单容水箱液位反馈PID控制系统硬件配置和工作原理。
2）、熟悉用P、PI和PID控制规律时的过渡过程曲线。
3）、定性分析不同PID控制器参数对单容系统控制性能的影响。
二、实验设备CS4000型过程控制实验装置，DCS系统、 PC机，监控软件。
三、实验原理一阶单容水箱PID控制方框图图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EPA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下图中的曲线①、②、③所示。
P、PI和PID 调节的阶跃响应曲线四、实验步骤(1)关闭出水阀,将CS4000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。
过程控制系统总结报告
过程控制系统综合设计总结报告班级：姓名：学号：学期：一、实验过程记录1.1 实验步骤(1)老师讲解实验内容、注意事项及规章制度；(2)学习智能仪表P909参数调节及操作；(3)对控制系统进行工程建模；(4)根据实接线图进行各实验的实验装置接线；(5)进入组态软件进行相关参数的设定；(6)参数设定完成后进行PID参数调节，观察示组态软件中的输出波形。
(7)根据输出波形的进行理论描述和分析；分析不同的PID参数对系统性能的影响。
(8)对实验过程中遇到的问题和错误进行分析。
1.2实验过程1）实物系统的接线。
根据接线图进行实物系统的接线，具体接线图如下：图1 纯滞后水箱实验接线图DDC控制3000仪表控制图2 流量比值控制实验接线图DDC控制图3 串级控制流量比值控制实验接线图DDC控制图4 前馈反馈控制流量比值控制实验接线图DDC控制图5 解耦控制流量比值控制实验接线图2）打开仿真软件，进行实验的相关参数设计。
（以前馈反馈控制为例） 1.单击实验菜单，进入前馈反馈控制实验界面，如下图所示：图6 前馈反馈控制界面图2.选择控制回路图7 控制回路选择界面3.PID控制器参数设置界面图8 PID控制器参数设置界面4.设置输入控制器的模型参数图9 前馈控制器参数设置界面二、实验结果处理与分析2.1流量比值控制实验数据处理与分析通过“实时趋势”和“历史趋势”窗体查看曲线趋势。
并通过曲线趋势分析不同的PID参数下对流量比值系统的控制效果。
通过分析系统的控制效果来确定合适的PID参数。
以下为比值控制实验趋势图：图10 7.3,2.1,5.2===d i p T T K ；SV=10图11 3.2,1.2,2.1===d i p T T K ；SV=5通过以上趋势图可以看出，PID 参数为7.3,2.1,5.2===d i p T T K 时，系统的输出响应曲线的动态特性良好，超调量12.7%，调节时间72S ，衰减比大致为4:1，故选择PID 参数为7.3,2.1,5.2===d i p T T K 。
水箱液位串级控制系统
水箱液位串级控制系统一、实验目的1．通过实验了解水箱液位串级控制系统组成原理。
2．掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3．了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。
4．掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验设备三、实验原理本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。
主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主控制量。
副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，中水箱的液位为系统的副控制量。
主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。
副调节器的的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制下水箱液位的目的。
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，系统的主调节器应为PI或PID控制。
由于副控回路的输出要求能快速、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差无特殊的要求，因而副调节器可采用P调节器。
本实验系统结构图和方框图如图2所示。
图2 水箱液位串级控制系统(a)结构图 (b)方框图四、实验内容与步骤本实验选择中水箱和下水箱串联作为被控对象（也可选择上水箱和中水箱）。
实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。
具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。
（一）、智能仪表控制1．将两个SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。
将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“OFF”的位置，将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
《过程控制系统》实验报告
《过程控制系统》实验报告一、实验目的过程控制系统实验旨在通过实际操作和观察，深入理解过程控制系统的组成、工作原理和性能特点，掌握常见的控制算法和参数整定方法，培养学生的工程实践能力和解决实际问题的能力。
二、实验设备1、过程控制实验装置包括水箱、水泵、调节阀、传感器（液位传感器、温度传感器等）、控制器（可编程控制器 PLC 或工业控制计算机）等。
2、计算机及相关软件用于编程、监控和数据采集分析。
三、实验原理过程控制系统是指对工业生产过程中的某个物理量（如温度、压力、液位、流量等）进行自动控制，使其保持在期望的设定值附近。
其基本原理是通过传感器检测被控量的实际值，将其与设定值进行比较，产生偏差信号，控制器根据偏差信号按照一定的控制算法计算出控制量，通过执行机构（如调节阀、电机等）作用于被控对象，从而实现对被控量的控制。
常见的控制算法包括比例（P）控制、积分（I）控制、微分（D）控制及其组合（如 PID 控制）。
四、实验内容及步骤1、单回路液位控制系统实验（1）系统组成及连接将液位传感器安装在水箱上，调节阀与水泵相连，控制器与传感器和调节阀连接，计算机与控制器通信。
（2）参数设置在控制器中设置液位设定值、控制算法（如 PID）的参数等。
（3）系统运行启动水泵，观察液位的变化，通过控制器的调节使液位稳定在设定值附近。
（4）数据采集与分析利用计算机采集液位的实际值和控制量的数据，绘制曲线，分析系统的稳定性、快速性和准确性。
2、温度控制系统实验（1）系统组成与连接类似液位控制系统，将温度传感器安装在加热装置上，调节阀控制加热功率。
设置温度设定值和控制算法参数。
（3）运行与数据采集分析启动加热装置，观察温度变化，采集数据并分析。
五、实验数据及结果分析1、单回路液位控制系统（1）实验数据记录不同时刻的液位实际值和控制量。
（2）结果分析稳定性分析：观察液位是否在设定值附近波动，波动范围是否在允许范围内。
快速性分析：计算液位达到设定值所需的时间。
实验4：串级控制20110526
实验四：上水箱液位和流量串级实验实验目的：(1) 掌握串级控制系统的基本概念及组成结构(2) 掌握串级控制系统的特点和设计方法，掌握串级控制主、副回路的选择(3) 掌握串级控制系统参数整定方法，以及串级控制系统参数的设置实验仪器：水泵、压力变送器、变频器、调节器（708型）、上水箱、上水箱液位变送器、调节器（708型）、主回路流量计、主回路流量变送器、主回路调节阀、调节器（888型）、牛顿模块（输入、输出）实验内容：调节器控制实验系统的流程图如下所示：上水箱液位和流量串级控制实验（调节器控制）系统框图液位和流量串级控制实验（调节器）接线图①恒压供水回路②液位和流量串级控制计算机控制实验系统的流程图如下所示：上水箱液位和流量串级控制实验（计算机控制）系统框图实验步骤；调节器控制：1、选择控制系统的方案，上水箱液位和主回路流量。
2、选择主被控参数、副被控参数，打开上水箱进水电磁阀V3、上水箱排水电磁阀、中水箱手动排水阀。
3、主副调节器，在恒压供水条件下工作，将上水箱和流量组成串级实验所用设备，按系统框图接好实验导线。
4、实验参数的整定，先自整定副回路流量系统。
待系统稳定后再整定主回路液位系统，最后串在一起整定。
待系统稳定后，上水箱液位给定值加个阶跃（幅度不要太大），观察流量和液位变化，并绘制曲线。
5、稳定后，分别在主副回路加一个干扰信号，然后观察流量和液位的变化。
计算机控制：1、打开计算机组态王软件的工程管理器，选中“串级实验”，点击运行，进入串级实验界面。
2、点击“自动/手动”按钮，使系统在自动状态，点击“PID设定按钮”，调出PID设定界面。
PID设定1框图是副回路流量参数，PID设定2框图是主回路液位参数。
3、投入参数，观察液位和流量的曲线，调整参数观察计算机控制的效果。
待系统稳定后，给定加个阶跃信号，观察其液位的变化曲线。
4、再等系统稳定后，给系统下水箱加干扰信号，观察上水箱液位变化曲线。
1、根据试验结果编写实验报告。
双容水箱串级PID控制实验液位
双容水箱液位串级PID控制实验一、实验目的1、进一步熟悉PID调节规律2、学习串级PID控制系统的组成和原理3、学习串级PID控制系统投运和参数整定二、实验设备1、四水箱实验系统DDC实验软件2、PC机（Window 2000 Professional 操作系统）三、实验原理1、控制系统的组成及原理一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器称为“串级”控制器。
两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给被控对象，这样组成的系统称为串级控制系统。
本仿真系统的双容水箱串级控制系统如下图所示：图17－1 本仿真系统的双容水箱串级控制系统框图串级控制器术语说明主变量：y1称主变量。
使它保持平稳使控制的主要目的副变量：y2称副变量。
它是被控制过程中引出的中间变量副对象：上水箱主对象：下水箱主控制器：PID控制器1，它接受的是主变量的偏差e1，其输出是去改变副控制器的设定值副控制器：PID控制器2，它接受的是副变量的偏差e2，其输出去控制阀门副回路：处于串级控制系统内部的，由PID控制器2和上水箱组成的回路主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出r2为输入，以副变量y2为输出的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，即主回路。
串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。
但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。
串级控制系统的主要优点有：1）副回路的干扰抑制作用发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正2）主回路响应速度的改善副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的相应速度3）鲁棒性的增强串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性4）副回路控制的作用副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制由此可见，串级控制是改善调节过程极为有效的方法，因此得到了广泛的应用。
单容水箱液位过程控制实验报告
单容水箱液位过程控制实验报告一、实验目的1、了解单容水箱液位控制系统的结构与组成。
2、掌握单容水箱液位控制系统调节器参数的整定方法。
3、研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。
4、了解PID调节器对液位、水压控制的作用。
二、单容水箱系统模型图12.1液位控制的实现本实验采用计算机PID算法控制。
首先由差压传感器检测出水箱水位，水位实际值通过A/D转换，变成数字信号后，被输入计算机中，最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值经过D/A模块转换成模拟信号，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。
2.2 被控对象本实验是单容水箱的液位控制。
被控对象为图1中的上水箱，控制量为流入水箱的流量，执行机构为调节阀。
由图1所示可以知道，单容水箱的流量特性：水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。
这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。
所以，若阀开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。
由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。
三、电动调节阀流量特性物理模型电动调节阀包括执行机构和阀两个部分，它是过程控制系统中的一个重要环节。
电动调节阀接受调节器输出4～20mADC的信号，并将其转换为相应输出轴的角位移，以改变阀节流面积S的大小。
图2为电动调节阀与管道的连接图。
图2图中：u----来自调节器的控制信号（4～20mADC）θ----阀的相对开度s----阀的截流面积q----液体的流量由过程控制仪表的原理可知，阀的开度θ与控制信号的静态关系是线性的，而开度θ与流量Q的关系是非线性的。
四、单容水箱系统PID控制规律及整定方法数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在液位控制系统中也有着极其重要的控制作用。
本章主要介绍PID控制的基本原理，液位控制系统中用到的数字PID控制算法及其具体应用。
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嘉应学院电子信息工程学院学生实验报告
班级：082班 座号： 姓名 成绩：
课程名称：过程控制工程 实验项目：上水箱液位和流量串级系统
一、实验目的：
通过实验掌握串级控制系统的基本概念，掌握串级控制系统的组成结构，即主被控参数、
副被控参数、主调节器、副调节器、主回路、副回路。
通过实验掌握串级控制系统的特点、串级控制系统的设计，掌握串级控制主、副控制回
路的选择。掌握串级控制系统参数整定方法，并将串级控制系统参数投运到实验中。
二、实验设备：
水泵Ⅰ、压力变送器、变频器、牛顿模块（输入、输出）、上水箱液位变送器、流量计、
调节阀。
图5-4- b 上水箱液位和流量串级控制系统框图(计算机控制)
图5-4-a 上水箱液位和流量串级控制（计算机）流程
水箱
IV
外控
Q
计算机
内控
水箱
H
水箱
V3
SP
液位变送器
调节阀
PID设定1
PV
PV
2
流量变送器
PID设定2
主参数
流量
Q
H
液位
D
1
D
2
嘉应学院电子信息工程学院学生实验报告
三、实验步骤：
1、打开计算机组态王软件的工程管理器，选中“串级实验”，点击运行，进入串级实验
界面。
2、点击“自动/手动”按钮，使系统在自动状态，点击“PID设定按钮”，调出PID设
定界面。
PID设定1框图是副回路流量参数，PID设定2框图是主回路液位参数。
3、投入参数，观察液位和流量的曲线，调整参数观察计算机控制的效果。待系统稳定
后，给定加个阶跃信号，观察其液位的变化曲线。
4、再等系统稳定后，给系统下水箱加干扰信号，观察下水箱液位变化的曲线。
四、计算机控制的参数设置:
PID设定1主调 PID设定2副调
Kp1 10 Kp2 15
Ti1 999 Ti2 300
Td1 0 Td2 0
SP2 液位给定值
PV2 液位检测值
五、实验报告：
1、根据试验结果编写实验报告。
2、按5-2衰减曲线调节器参数计算表填写表格中的数据
5-2 衰减曲线调节器参数计算表
数据
调节器
实验数据 查表计算值 最终整定法
δS / % Ts / min δ / % Ti / min δ终/ % Ti终/ min
主调节器
副调节器
3、整理并附上记录仪的下列过渡过程曲线：
（1）整定副调节器时得到的4:1衰减曲线。
（2）整定主调节器时得到的4:1衰减曲线。
（3）主副调节器参数整定后，干扰作用于上水箱中，主变量H1的过渡过程曲线。
（4）主副调节器参数整定后，干扰作用于流量中，主变量H1的过渡过程曲线。
4、列表比较控制质量：
表5-3 串级控制系统控制质量的比较表
干扰的位置 最大偏差 过渡时间（min） 评价质量并简析原因
干扰加入上水箱
干扰加入流量中
嘉应学院电子信息工程学院学生实验报告
表5-4 串级和简单控制系统控制质量的比较表
干扰位置 自控系统类型 最大偏差 过渡时间（min） 评价质量并简析原因
干扰加入
上水箱中
简单控制系统
（PID）
串级控制系统