工业过程控制工程 实验报告及答案)

实验报告配套教材：

书名：工业过程控制工程
作者：王树青
出版社：化学工业出版社

实验报告概述：

实训二 单容水箱液位定值控制系统 一、实训目的 1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。 2．掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。 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P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。 二、实训设备 1．THPFWY-1型 温度压力检测实训模型一台 2．装有V4.0 STEP 7 MicroWIN SP3编程软件的电脑一台 3．S7-200系列PLC一台（带EM235模拟量模块） 4．PC/PPI下载电缆一根 5．实训导线若干 三、实训原理 单容水箱液位定值控制系统 本实训系统结构图和方框图上图所示。被控量为水箱中液位高度，实训要求水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器检测到的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电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。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。 在P,I,D这三种控制作用中，比例部分与误差部分信号在时间上时一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产生与误差成正比例的调节作用，具有调节及时的特点。比例系数越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数的系统来说，比例系数过大，会使系统的输出振荡加剧，稳定性降低。 调节器中的积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化，因此，积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度。但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性代来不良影响，因此很少单独使用。 积分时间常数增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，但是，消除稳态误差的速度减慢。 根据误差变化的速度（即误差的微分），微分部分提前给出较大的调节作用，微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部分具有预测的特点。微分时间常数增大时，超调量减小，动态性能得到改善，但抑制高频干扰的能力下降。如果微分时间常数过大，系统输出量在接近稳态值时上升缓慢。 采样时间按常规来说应越小越好，但是时间间隔过小时，会增加CPU的工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不易将此时间取的过小，另外，假如此项取比运算时间短的时间数值，则系统无法执行。 四、控制要求 水箱要保持一定的水位这样才能使水箱不断水或者水位过高溢出。 本系统中给定值是10cm，而水箱的水以变化的速度流。这就需要有一个水泵以不同的速度给水箱供水，以持水位不变，的水位，过程变量是由液位传感器在面板上LT处输出，输出量是驱动模块的输入电压，最大值不超过3.5v，电压经过驱动模块放大来驱动水泵。 给定值是预先后直接输入回路表中的，过程变量是液位传感器输出的单极性模拟量，回路表输出也是一个单极性模拟量，用来控制水泵速度。 四、实训内容与步骤 1．实训之前先将储水箱中贮足水量，将水箱出水阀门F1-2开至适当开度，然后将阀门F1-1全开。 2．按照下图连接PLC与实训模型。 3．启动PID程序，开始自动控制水位。在系统自身控制的过程中，记录液位的响应过程曲线。如下图所示。 4．待液位平衡后，通过以下方式施加干扰： 突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化。干扰要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值。记录此时的液位的响应过程曲线，如下图所示。 单容水箱液位的阶跃响应曲线 5．分别适量改变P及I参数，重复步骤4，记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。 6．分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤3～5记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。