东南大学自动化学院
实验报告
课程名称：过程控制
第二次实验
实验名称：被控过程的建模实验
院（系）：自动化专业：自动化
姓名：学号：
同组人员：实验时间：2017 年 5 月13 日评定成绩：审阅教师：一
一、实验目的
1、了解液位，流量，压力和温度系统的组成结构；
2、掌握用阶跃响应法来实验辨识控制系统的数学模型的特性参数 、0T、0K，并以此计算调节器的P、I T、D T参数；
3、熟练掌握实验法获取被控对象特性的设备操作方法。

二、实验内容
1、对象的配管操作
本实验的实验流程图如图2.1所示，按照实验流程图对实验装置进行配管操作。

图2.1 实验流程图
2、仪表的配线操作
本实验的仪表配线图如图2.2所示，对实验控制台上的2#、3#调节器的输入、输出、电源进行插棒连线（6根弱电，4根强电）。

图2.2 液位飞升实验仪表配线图
3、调节器参数的设置；
4、记录曲线，运用力控组态软件中的历史趋势曲线，曲线下方操作按钮的作用参看附录二。

三、实验步骤
1、了解被控过程的自衡和非自衡特性，操作前，将力控组态软件打开到运行系统，选择相应实验，打开到历史趋势曲线；
2、掌握单容过程和多容过程的典型传递函数；按照实验流程图配管，并完成仪表配线；建模连线图如下：
3、掌握飞升曲线的建模方法系统模型的认识；
为了实现对水箱的建模，应该在断开所有的控制器的情况下让水箱获得自然平衡点。

利用P909手动控制电动阀的开度，保持出水阀的开度不变，手动调节进水阀的开度，使得液位逐渐达到平衡点。

在液位到达第一个平衡点之后保持进水阀和出水阀的开度不变，通过P909手动增大电动阀的开度。

（这里之所以实用电动阀来控制输入量是因为电动阀的是线性的，而进水阀是非线性的，从而电动阀的开度该变量是可以量化的）由于开度的增大，进水
量必然会增大，但是由于液位不断升高，出水量也会随之增大，最终进水量与出水量相等从而液位重新达到平衡点。

这个过程的液位-时间曲线称为飞升曲线。

通过飞升曲线可以估计出水箱的模型结构，并且通过分析该曲线的数据可以得到模型的相关参数。

4、按A/M键将控制器2#切换成手动模式，2#、3#按SET键将LEVEL1功能切换成OUTL，按上下三角设定进出水阀的开度，使液位平衡；
5、当液位平衡后，改变进水阀的开度，一般变化10%左右，等待液位再次平衡，并且记录下改变阀位的时刻。

四、实验现象
1、观察液位控制系统给定（SV）和反馈（PV）的变化曲线，改变SV，观察PV的变化。

图3.1 液位给定值与实际值变化曲线
由图3.1可以看出，SV初始值设为1700，一段实践后，液位与设定值基本一致，存在一定的稳态误差。

改变设定值为500，通过PID的调节作用，液位会缓慢下降，最后在设定值附近波动。

2、利用串口助手与P909通讯，读取或写入SV/PV的值。

打开串口助手，设置参数如下：COM6，波特率4800，奇校验位，十六进制发送。

通过学习P909通讯协议可知，若要读取SV的值，应发送：52 04 00 00 00 00 56；如要读取PV的值，应发送：52 04 00 80 00 00 56；如要写入SV的值，应发送：57 04 00 00 00 7B D6（00 7B 为写入的十六进制数据）。

（1）读取SV的值
发送52 04 00 00 00 00 56，接收到07 4D 00 00 00 03 84 D4，其中0384即为读取的值，转换为10进制是900，与实际值一致。

图3.2 读取SV 的值
（2）读取PV 的值
发送52 04 00 80 00 00 56，接收到00 4D 00 00 00 04 08 59，其中0408即为读取的值，转换为10进制是1032（由于液位在不停的变化，所以未能及时拍到液位为1032的时刻）。

图3.3 读取PV 的值
（3）写入SV 的值
发送57 04 00 00 00 7B D6，设置SV 为007B （16进制），即123。

图3.4 写入SV的值3、通过力控组态软件监控SV和PV变化曲线。

1) 进入力控开发系统，新建窗口
2) 添加实时趋势，定义变量、设置上下限
3) 添加设备（管道、罐等）、添加文本
4) 连接设备后即可观察PV 和SV 的实时曲线
4、分析获得的飞升曲线，求解出系统数学模型的三大特性参数： 、
0T 、0K ，并以此计算调节器的P 、I T 、D T 参数。

在实验中，电磁阀的开度由30%增大到50%，平衡点的液位高度由58.4mm 增高到64.8mm 。

飞升曲线如图2.2。

图2.2 飞升曲线
由图2.2可以看出水箱的模型为一节惯性系统，其传递函数为
K Ts+1
,
其中，K = 64.8−58.4
50−30
=0.32mm/%，T = 4.6min = 276s
所以水箱的传递函数为
0.32 276s+1
五、思考题
1、通过对HGK-1过程控制实验装置的操作，了解自衡与非自衡的特性；
答：自衡过程，指的是系统中存在着对所关注的变量的变化有固定的负反馈作用，该作用总是力图恢复系统的平衡。

在出现扰动后，过程能靠系统自身的能力达到新的平衡状态的性质称为自平衡特性。

自衡过程具有一定范围内的自平衡。

反之，不存在固有反馈作用的且自身无法恢复平衡的过程，为非平衡过程。

2、试从传递函数的角度说明PID的作用。

说明算法（规律）和参数的作用；
答：比例参数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。

随着KP 的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定。

KP取值过小，调节精度降低，响应速度变慢，调节时间加长，使系统的动静态性能变坏。

积分作用参数Ti的一个最主要作用是消除系统的稳态误差。

Ti越大系统的稳态误差消除的越快，但Ti也不能过大，否则在响应过程的初期会产生积分饱和现象。

若Ti 过小，系统的稳态误差将难以消除，影响系统的调节精度。

另外在控制系统的前向通道中只要有积分环节总能做到稳态无静差。

从相位的角度来看一个积分环节就有900 的相位延迟，也许会破坏系统的稳定性。

微分作用参数Td的作用是改善系统的动态性能，其主要作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。

但Ti不能过大，否则会使响应过程提前制动，延长调节时间，并且会降低系统的抗干扰性能。

3、试拟定获取对象固有特性的方案
为了实现对水箱的建模，应该在断开所有的控制器的情况下让水箱获得自然平衡点。

●利用P909手动控制电动阀的开度为20%，保持出水阀的开度不变，手动调节进
水阀的开度，使得液位逐渐达到平衡点；
●在液位到达第一个平衡点之后保持进水阀和出水阀的开度不变，通过P909手动
增大电动阀的开度到40%；（这里之所以实用电动阀来控制输入量是因为电动阀
的是线性的，而进水阀是非线性的，从而电动阀的开度该变量是可以量化的）
●由于开度的增大，进水量必然会增大，但是由于液位不断升高，出水量也会随之
增大，最终进水量与出水量相等从而液位重新达到平衡点；
●变化过程实时记录仪表箱上液位变化值，以及变化时间，直至液位平衡；
●将数据导入力控监控组态软件，自动生成液位-时间变换曲线；
●这个过程的液位-时间曲线称为飞升曲线。

通过飞升曲线可以估计出水箱的模型
结构，并且通过分析该曲线的数据可以得到模型的相关参数。