本科生实验报告实验课程过程控制学院名称核技术与自动化工程学院专业名称电气工程及其自动化学生姓名袁礼学生学号 3201206050506 指导教师杨小峰实验地点 6C901 实验成绩二〇一五年五二〇一五年六月过程控制实验报告摘要“过程控制”是一门与工业生产过程联系十分密切的课程。
随着科学技术的飞速发展，过程控制也在日新月异的发展。
它不仅在传统工业改造中起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且正在成为新建的规模大、结构复杂的工业生产过程中不可或缺的组成部分。
本次实验便是初步了解过程控制。
关键词：水箱；串级；控制实验一 单容水箱液位控制实验单容水箱液位定值(随动)控制实验，定性分析P,PI 、PD 控制器特性。
控制逻辑如图1所示：1水流入量Qi 由调节阀u 控制，流出量Qo 则由用户通过负载阀R 来改变。
被调量为水位H 。
使用P,PI , PID 控制，看控制效果，进行比较。
2、控制策略使用PI 、PD 、PID调节。
3、实验步骤1) 使用组态软件进行组态。
数值定义为0～100。
实时曲线时间定义为5～10min 。
图1单容上水箱液位定值(随动)控制实验2)在A3000-FS上，打开手阀JV206、JV201，调节下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。
3)连线：下水箱液位连接到内给定调节仪输入。
内给定调节仪的输出连接到调节阀的控制端。
4)打开A3000电源，打开电动调节阀开关。
5)在A3000-FS上，启动右边水泵（P102），给下水箱V104注水。
6)LT103→控制器→FV101单回路定值以及数学模型的实验。
7)按所学理论操作调节器，分别进行P、PI、PID设定。
简单设定规则：首先把P设定到30，I关闭（调节仪I>3600关闭），D关闭（调节仪D=0关闭）等水位低于40%，然后打开水泵，开始控制。
设定值60%。
一般P越大，则残差越大。
可以减少P，直到出现振荡。
则不出现振荡前的那个最小值就是P。
PI控制首先确认上次的P，我们可以不改变这个P值，也可以增加10%。
然后把I设定为1800。
关闭水泵，等水位低于40%，然后打开水泵，开始控制。
设定值60%。
观察控制曲线的趋势，如果出现恢复非常慢，则可以减少I，直到恢复比较快，而没有出现振荡，超调也不是非常大。
最后逐步增加D，使得控制更快速，一般控制系统有PI控制就可以了。
4、实验结果单容水箱液位控制实验下闸板顶到铁槽顶距离(开度): 卡尺直接量7mm,使用纸板对齐画线测量6.5mm。
比例控制器控制曲线如图所示。
多个P值的控制曲线绘制在同一个图2上：图2 比例控制器控制曲线从图可见P=16时，有振荡趋势，P=24比较好。
残差大约是8%。
PI控制器控制曲线如图3所示。
选择P=24，然后把I从1800逐步减少。
图3 PI控制器控制曲线如图所示，在这里I的大小对控制速度影响已经不大。
从I=5时出现振荡，并且难以稳定了。
I的选择很大，8-100都具有比较好的控制特性，这里从临界条件，选择I=8到20之间。
PID控制器控制曲线如图4所示：图4 PID控制器控制曲线P=24,I=20,D=2或4都具有比较好的效果。
从控制量来看，P=24,I=8,D=2比较好。
ADAM4000模块控制的结果如图5所示。
图5从图可见，P=4，I=8000，D=2000控制效果是最好的。
由上图得：P=30， I=4， D=0时液位比较稳定实验二双容水箱液位控制实验单容双容水箱液位定值(随动)控制实验全部测量点，算法组态一样，不同的是设定值和结果。
1、实验方案水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变。
被调量为下水位H。
使用PID控制，看控制效果。
2、控制策略使用PID调节。
3、实验步骤1)使用组态软件进行组态。
注意实时曲线时间要设定大些，例如15分钟。
因为多容积导致的延迟比较大。
2)在A3000-FS上，打开手阀JV205、JV201，调节中水箱、下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。
3)连线：下水箱液位连接到内给定调节仪输入。
内给定调节仪的输出连接到调节阀的控制端。
4)打开A3000电源。
5)在A3000-FS上，启动右边水泵（P102），给中水箱V103注水。
6)LT104→控制器→FV101单回路定值以及数学模型的实验。
7)按所学理论操作调节器，进行PID设定。
首先还是使用P比例调节，单容实验的P值可以参考。
然后再加I值。
参见实验10。
4、参考结果双容水箱液位控制实验下闸板顶到铁槽顶距离(开度): 卡尺直接量7 mm,使用纸板对齐画线测量6.5mm.。
中闸板顶到铁槽顶距离(开度): 卡尺直接量11 mm,使用纸板对齐画线测量10mm。
从定性分析，中间水箱的出水口应该比下面的大些，否则可能很难控制。
PI控制器控制曲线如图1所示：图1 PI控制器控制曲线PID控制的曲线具有两个波，然后逐步趋于稳定。
由于系统延迟很大，这个稳定时间非常长。
比较好的效果是P=24, I=200，D=2。
如图2所示：图2 PID控制曲线从图可见，增加微分项之后，系统在有10%的扰动下，很快就进入稳定状态。
ADAM模块曲线图：SP=25, P=2, I=200000, D=0由图得当P=10， I=40, D=0 是系统稳定。
实验三三容水箱液位控制实验与双容水箱液位定值(随动)控制实验全部测量点，算法组态一样，不同的是设定值和结果。
1、实验方案水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变。
被调量为下水位H。
使用PID控制，看控制效果。
2、控制策略使用PID调节。
3、实验步骤1)使用组态软件进行组态。
注意实时曲线时间要设定大些，例如15分钟。
因为多容积导致的延迟比较大。
2)在A3000-FS上，打开手动调节阀JV204、JV201，调节上、中、下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。
3)连线：下水箱液位连接到内给定调节仪输入。
内给定调节仪的输出连接到调节阀的控制端。
4)打开A3000电源。
打开电动调节阀开关。
5)在A3000-FS上，启动右边水泵（P102），给上水箱V102注水，同时中水箱V103、下水箱V104分别由上、中水箱注水。
6)LT103→控制器→FV101单回路定值以及数学模型的实验。
7)按所学理论操作调节器，进行PID设定。
首先还是使用P比例调节，单容实验的P值可以参考。
然后再加I值。
参见实验10。
4、参考结果三容水箱液位控制实验下闸板顶到铁槽顶距离(开度): 卡尺直接量7 mm,使用纸板对齐画线测6.5mm。
中闸板顶到铁槽顶距离(开度): 卡尺直接量11 mm,使用纸板对齐画线测量11mm。
上闸板顶到铁槽顶距离(开度): 卡尺直接量11 mm,使用纸板对齐画线测量12mm。
ADAM4000开始，P=2,I=1000秒，D=2秒，PID控制曲线如图1所示。
图1三容控制曲线图从图上可见，该系统的稳定时间非常长，大约1小时。
由图得 当P=20， I=60， D=0 是系统稳定。
实验四 串级控制实验串级试验包括液位串级控制和换热器串级控制实验。
这里介绍液位串级。
液位比温度实验好做得多。
图1 液位串级控制实验第一个动力支给定值串级控制系统框图如图2所示。
图2液位串级控制系统框图各个回路独立调整结束，使得主调节器输出与副调节器给定值相差不是太远。
我们利用前面的实验中的PID数据。
而副控制器只进行P调节。
副回路对V103液位进行控制，这个反应比较快，副回路的控制目的是很快把流量控制回给定值。
可以通过另一个动力支路加入部分液位干扰。
主回路对V104液位进行控制，由于控制经过了V103，时间延迟比较大。
可以在V104中加入主回路干扰，要平衡这个干扰，则需要经过流量调整，通过V103来平衡这个变化。
1、实验方案被调量为调节阀开度，控制目标是水箱V104液位。
首先实现副回路的控制，主要目的获得P参数，通过测量液位，控制调节阀，使得V104保持到给定值。
如果已经进行了V103的单容定值实验，则该步可以不做。
然后实现主回路的控制，通过测量V104液位，然后控制调节阀，从而也使得V104液位尽量保持到给定值。
然后进行两个控制回路的连接，把主回路的输出连接到副回路的给定值。
从而形成串级控制。
注意尽量无扰切换。
2、控制策略使用两个PID调节。
副回路调节器只比例控制。
3、实验步骤：1)在A3000-FS上，打开手动调节阀JV201、JV205，调节中水箱、下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。
2)按照列表进行连线。
或者按如下操作：在A3000-CS上，将中水箱液（LT102）连到内给定调节仪输入端，输出端连接到电动调节阀（FV101）输入端。
3)在A3000-FS上，启动右边水泵（P102），给中水箱V103注水。
4)首先进行副回路比例调节，获得P值。
5)切换至单主回路控制状态：断开中水箱液位与内给定调节仪的连线，将下水箱液位连到内给定调节仪输入端。
调整主控制回路（调节P、I值即可），对主控制器或调节器进行工作量设定。
6)关闭阀门JV205，当中水箱液位降低2cm高度，打开阀门，观察控制曲线。
7)切换到串级控制状态（此时最好无扰动）：将中水箱液位连到外给定调节仪输入端，内给定调节仪输出端连接到外给定调节仪的外给定端子，外给定调节仪的输出连接到调节阀。
重复第6步。
改变给定值，记录控制曲线。
4、参考结果副回路P参数设置：ADAM4000模块P=4主回路PID参数设置：P=3.5，I=100s。
单主回路加扰动后控制曲线如图3所示。
图3 单主回路加扰动后控制曲线系统平衡所需要的时间10分钟。
串级控制曲线如图4所示。
图4串级控制曲线系统平衡所需要的时间不超过3分钟。
可见串级控制对于副回路内的扰动，可以快速平衡。