《控制系统》综合实验
任务书
一、目的与要求
本综合实验是自动化专业的实践环节。

通过本实践环节，使学生对实际控制系统的结构、系统中各环节的关系、数字控制器的应用和控制系统的整定等建立起完整的概念。

培养学生利用所学理论知识分析、解决实际问题的能力。

1. 了解单容水箱水位控制系统的实际结构及各环节之间的关系。

2. 学会数字控制器组态方法。

3. 掌握控制系统整定方法，熟悉工程整定的全部内容。

二、主要内容
1．熟悉紧凑型过程控制系统，并将系统调整为水位控制状态。

2．对数字控制器组态。

3．求取对象动态特性。

4．计算调节器参数。

5．调节器参数整定。

6．做扰动实验，验证整定结果。

7．写出实验报告。

三、进度计划
四、实验成果要求
完成实验报告，实验报告包括：
1．实验目的
2．实验设备
3．实验内容，必须写出参数整定过程，并分析控制器各参数的作用，总结出一般工程整定的步骤。

4．实验总结，此次实验的收获。

以上内容以打印报告形式提交。

五、考核方式
根据实验时的表现、及实验报告确定成绩。

一、综合实验的目的与要求
通过本实践环节，使学生对实际控制系统的结构、系统中各环节的关系、数字控制器的应用和控制系统的整定等建立起完整的概念。

培养学生利用所学理论知识分析、解决实际问题的能力。

1. 了解单容水箱水位控制系统的实际结构及各环节之间的关系。

2. 学会数字控制器组态方法。

3. 掌握控制系统整定方法，熟悉工程整定的全部内容。

二、实验正文
1． 实验设备：
1.1 紧凑型过程控制系统 1.2 上位机 2． 实验内容及步骤：
2.1 使过程控制系统工作在液位控制状态打开手动阀2#和4#，其他手动阀关闭。

检查各阀门状态。

2.2 数字控制器组态
（1）打开控制电源，等待约10S ，控制器处于正常状态
（2）控制器组态：同时按住控制器“选择”和“确认”键持续5S ，控制器进入组态界面，显示组态菜单。

若显示“Serial ”，则说明控制器正在由上位机控制，需通过“选择”键选择“Local ”项并确认，显示屏幕才显示主菜单的“StruMenu ”项，如果进入组态界面时，液晶显示屏显示主菜单的“StruMenu ”项，可直接进行组态。

具体组态内容按照实验指导书上的表格进行，表格中未提及的项不可随意乱动。

2.3 求取对象动态特性
（1）打开上位机，进入到InTouch 过程控制系统测量监控界面。

（2）手动状态时，设执行器输出Y=55%，观察水位输出曲线。

（3）当水位趋势平稳时（可能会有小的波动），加入幅度为15%的阶跃扰动，观察水位输出曲线。

（4）待水位趋势平稳后，电机“历史趋势”按钮，转至历史趋势画面。

点击“刷新”按钮显示整个过程曲线。

（5）将阶跃扰动下的上升曲线按点描绘在坐标纸上。

用两点法求取对象动态特性参数（K 、T 、τ）
在坐标纸上画出对象动态特性曲线，描出关键点。

由两点法求得K=
μ
∆∞
y ，T=2(t 2-t 1)，τ=2t 1-t 2 2.4 按照工程整定法，求出调节器的初设参数
根据上述求得的对象传递函数，由Z-N 公式得到用PI 控制器控制对象参数求取公式：δ=1.1ετ、T I =3.3τ（其中ε=K/T ），将上述参数代入相应公式得到控制器比例带为0.063（即比例系数
K P=15.88），积分时间T I=0.066
2.5 调节器参数整定
（1）在监控画面点击“配置”，设置控制器参数。

（2）点击“过程”，手动状态下设定执行器输出Y=60%。

（3）待水位趋势平稳后，点击自动，设置给定值=130，使系统投入自动状态，观察水位变化情况。

（4）观察阶跃响应曲线，本组结果在初始参数下是没有振荡的，但是调节时间太长，故我们对调节器参数做了适当修改，发现当参数为：比例系数K P=5.7、积分时间T I=6.6时，得到的曲线比较好，不仅能快速跟踪给定值并且超调量只有3%。

（5）调节过程满足要求，记录下对应参数并记录曲线，求出超调量、过渡过程时间和最大动态偏差。

2.6 验证
（1)给水阀门扰动试验
整定好的系统，设定SP=100，投自动待达到稳态，点击“手动”，使执行器输出在现有基础上增加20%。

系统再次投入自动状态，带调节过程结束后，记录输出曲线，求出超调量和调节时间。

（2）随机扰动试验
整定好的系统在平衡状态下（自动），将4#手动关闭5S再打开，观察调节系统的抗干扰能力。

记录下调节曲线。

3．总结一般工程整定的步骤：
（1）求取对象飞升曲线，并用两点法或者切线法求取对象在本工况下的传递函数；
（2）利用Z-N公式和对象参数求取控制器初始参数；
（3）在对象的稳定工况下，切自动并且加入适当的给定值扰动，观察输出曲线是否满足控制指标要求，若满足要求，则参数整定完毕，若不满足要求，则适当改变控制器参数，知道输出曲线满足要求位为止。

（4）在闭环系统下，某稳定工况时加入调节量扰动，观察输出曲线，若其满足控制指标（能很快消除扰动），则说明3）整定的参数合格，否则还得对参数做进一步的调整。

4．实验结果：
4.1 求取对象动态特性
当水位处于稳定情况时，将执行器开度增大15%后得到水位输出曲线如下左图所示：将其进行标幺处理，处理后所得图形如下图所示：
已知对象模型为：G P （S ）=
，根据两点法求取对象模型的位置参数K ，T ，。

在标
幺曲线中取Y 1*(t 1)=0.39,Y 2*(t 2)=0.63在坐标图上读出对应时间：t 1=43.7，t 2=91.1；由两点法求得K=
μ
∆∞
y =271，T=2(t 2-t 1)=94.7，τ=2t 1-t 2=0.02。

综上所述，水箱水位对象在此工况下的传递函数为：G P （S ）=s e s 02.01
7.94271
-+
4.2 整定控制器参数
本题我们的要求是要系统稳态误差，且本对象的容积迟延并不大且存在诸多噪声，故选择PI 调节器最佳，根据Z-N 公式可知PI 调节器的参数求取经验公式为
δ=1.1ετ、T I =3.3τ（其中ε=K/T ），将上述对象参数代入方程可求得控制器初始参数比例带为0.063（即比例系数K P =15.88），积分时间T I =0.066，将此参数应用于闭环系统中发现水位输出曲线无超调但调节时间太长，故调整控制器参数，我们发现当控制器参数为：比例系数K P =5.7、积分时间T I =6.6时，得到的曲线比较好。

画出此时输出曲线如下：
此时30
130
86.130-=
σ⨯100%=3%,S T =41.2965s
4.3 验证（扰动实验）
为了更好的模拟实际情况，检验控制器参数是否整定合适，这里我们加入了常发生的执行器扰动和阀门扰动试验。

4.3.1执行器扰动
执行器扰动试验为在系统处于自动方式下运行到某稳定工况时手动加入20%的执行器扰动，过一定时间，切回自动，观察水位输出，具体输出曲线见下图
我们发现，执行器扰动加入后，即手动将执行器开度加大20%，水位先爬升，到一定水位时稳定，这体现处对象是自衡对象；当切回自动后，水位会慢慢回到初始的设定值，且超调量较小，调节时间也较快，可基本达到稳态无差，即系统的抗干扰能力较强。

4.3.2阀门扰动
在系统处于自动方式下运行到某稳定工况使，手动将4#阀门关闭约5S时间再打开，观察水位输出曲线，具体曲线见下图：
可以看出，在阀门关闭的瞬间水位有一个小的回升作用，紧接着因无水源造成水位下降，打开阀门后则经过小幅度的波动再次回到最初的稳态，说明控制器对阀门的扰动也有很好地抗扰能力。

三、综合实验总结或结论
本次实验是以单容水箱为控制对象，对单容水箱水位进行控制系统进行实际控制调节；通过本次实验我们了解单容水箱水位控制系统的实际结构及各环节之间的关系、学会了数字控制器组态方法、掌握了控制系统整定方法，熟悉工程整定的全部内容；刚开始犹豫我们组的实验器材不是很好，所以做出的曲线和理想的相差较大，所以我们有点不知道从何下手了，后面再牛老师的帮助下，我们比较顺利的做完了实验，并且看到了现实的自动化系统的调整及运行。

我们在实验过程中感受到工程整定只是大概的方向与范围，有时还需要很大程度上去调整参数，这都需要我们根据具体实际情况进行调节，才会获得最佳的结果。

通过本次试验，我们综合了过程控制以及自动控制原理的知识，将所学的内容融会贯通，在实验过程中更好的理解了课堂上老师讲过的内容，和同学之间的合作，使得我们收获颇丰，为我们今后的学习和工作打下了坚实的基础。

四、参考文献
[1] 金以慧 过程控制. 清华大学出版社, 第一版. 1993.4。