过程控制原理与应用技术实验报告
实验一 对象特性分析与过程控制系统结构设计
一.实验目的
1. 掌握工业过程系统典型被控对象的动态特性分析和测试方法；
2. 掌握检测仪表、执行机构、PLC控制器的使用方法；
3. 掌握基于PLC的过程控制系统的软硬件设计。
二.实验设备
实验设备包括：
SIMATIC S7-300通用型控制器
安装有TIA Portal软件的计算机
单容水箱系统与相应的装置。设备整体由两个水箱、一个压力变送器、一个电磁阀、一个液位变送器、变频磁力齿轮泵及若干手动阀组成。
三.实验内容及数据
实验内容如下：
1. 设计以水箱为典型对象构建过程控制硬件系统；
2. 完成包括检测仪表、执行机构、PLC控制器的控制系统通道；
3. 测试和理解对象的动态特性。下面分别介绍硬件系统的搭建、被控对象动态特性的分析、PID控制器的原理以及控制系统的设计。
1. 过程控制硬件系统搭建
水箱是储水箱，系统通过阀门与泵的共同作用，调整上面水箱中的液位保持稳定。模型如图1所示。
图1水箱硬件模型
2. 水箱动态特性分析
在单容水箱液位 PID控制系统中，以液位为被控量。其中，测量电路主要功能是测量对象的液位并对其进行归一化等处理：PID 控制器是整个控制系统的核心，它根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节，从而控制水箱的液位达到期望的设定值。
单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求，只有在单回路调节系统不能满足生产更高要求的情况下，才采用复杂的调节系统。
该系统主要是自衡的非振荡过程，即在外部阶跃输入信号作用下，过程原有的平衡状态被破坏，并在外部信号作用下自动的非震荡地稳定到一个新的稳态，这一大类是在工业生产过程中最常见的过程。确定过程的输入变量和输出变量。
流入水箱的流量是由进料阀来控制的；流出水箱的流量取决于水箱液位和出料阀的开度，而出料阀的开库是随用户的需要而改变的。这里，液位是被控变量（即输出变量），进料阀为控制系统中的控制阀，它所控制的进料流量是过程的控制输入（即操纵量），出料流量是外部抚动。本设计以进料流量作为输入变量。
单容水箱模型如图2所示。
图 2 单容水箱模型
根据动态物料平衡关系，即：贮罐中液体贮存量的变化率=单位时间内液体流入量-单位时间内液体流出量。
当 q1发生变化时，液位h随之改变，使贮罐出口处的静压发生变化，q2也发生相应变化。假设q2与h近似呈线性正比关系，与阀门2处的液阻R2（近似为常量）呈反比关系。
由此可知，被控对象可看作一个一阶惯性环节,求出传递函数。
上面通过给定阶跃信号得出系统的响应曲线来辨识系统参数。通过给定阶跃信号，记录下的系统响应曲线如图3所示。
图3 系统响应曲线
由此辨识出的系统参数为
即系统可近似为如下一阶惯性环节：
3. PID 控制器原理
工程实际中，应用最广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制。它的优点是结构简单、稳定性好、不依赖精确的数学模型。当控制理论的其他技术难以实施时，系统控制器的结构与参数就依赖于现场调试与经验，PID 在这样的情况下应用十分简单可靠。当对一个系统不完全了解，或是不能通过有效的测量手段对系统参数进行测量时，PID 控制技术是最适合使用的。PID 控制器就是利用系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。
比例环节用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。KP 越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是随之而来的是超调量增大，甚至导致系统不稳定。KP 过小，会降低调节精度，使响应速度变慢，从而延长调节时间，使系统特性被破坏。积分环节主要用来消除静差，TI 越小，系统的静差消除越快，但是TI 过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的超调量较大。如果TI 过大，系统的静差将难以消除，会影响系统的调节精度。微分环节能改善系统的动态特性，可以在响应过程中抑制偏差的变化，对偏差的变化有提前预报的能力。但是TD过大，会使响应过程提前停止，从而延长调节时间，降低系统的抗干扰性能。
系统分析
单回路
单回路控系统最制中最简单的一种形式，用一个调节器，也有一个闭环。能满足大对数的工艺生产要求，因此，它是一种最基本的、使用最广泛的控制系统它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方使等优点，故在工业生产中已被广泛应用。本实验中，被控对象为下水箱液位，控制对象为进水量，因此，选择单回路控制即可满足要求。单回路的系统框图如图1.2所示。
图 4单回路控制系统
系统的最终设计目标是稳定水箱液位。
分析有：
1. 控制量是液体流量，被控量是液位高度。
2.可用的传感器有水箱中的液位变送器、运输通道中的压力变送器。可用的执行器有抽水泵与磁力阀。
3. 执行器选择抽水泵控制流体流量，最终使得水箱液位稳定。
这里分为两个阶段，第一阶段考虑使用单级 PID 控制器通过液位数据的反馈来控制液位稳定。此部分的系统框图如图4所示。
图 5单回路PID控制系统
双回路
只使用单闭环 PID 控制器来控制液位的稳定，面临着运输管道内流体压力不稳定的问题。为了解决这一问题，第二阶段我们考虑使用压力变送器进行副回路设计，通过内环控制器来迅速抑制运输通道内压力变化对系统产生的干扰，最终构成串级控制系统来对系统进行更加精准的控制。系统框图如图5所示。
图 SEQ 图表 \* ARABIC 6 串级PID控制系统
四.实验结论
系统控制器的设计部分结束，我运用了在解决问题时应该首先分析系统的工艺流程，再明确被控对象是什么，可用的控制手段有什么，最后再将各个部分联系在一起，设计适合控制目标的控制系统。
通过这次水箱液位控制系统的设计，我运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次水箱液位控制系统的设计工作的实际训练，培养和提高了学习工作能力，巩固与扩充了自动控制原理和过程控制系统及仪表等课程所学的内容，掌握水箱液位控制系统设计的方法和步骤，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。在此过程中，我对被控对象的特性做出了分析，辨识出系统参数，熟悉了整个水箱的液位控制过程。通过水箱中液位变送器的实时反馈数据来得到偏差值，通过偏差来对系统进行控制，使得水箱液位保持稳定。
实验二PID 控制器设计与参数整定
一.实验目的
掌握单回路系统分析与设计方法；
掌握PID控制器各参数的控制作用与整定方式；
3. 理解对象和控制器的变化对控制效果的影响。
二.实验设备
实验设备包括：
SIMATIC S7-300 通用型控制器。
安装有TIA Portal 软件的计算机。
单容水箱系统与相应的装置。设备整体由一个储水水箱、一个液位水箱、一个压力变送器、一个电磁阀、一个液位变送器、变频器及若干手动阀组成。
三.实验内容及数据
实验内容：
以水箱为对象，设计 PID 单回路控制系统；
整定 PID 参数，理解各参数的作用；
分析和对比不同水箱，不同 PID 参数的控制效果。
PID控制器简介
PID 控制器广泛应用于工业过程控制。工业自动化领域大约 95% 的闭环操作使用 PID 控制器。
PID控制通过积分作用消除误差，而微分控制可缩小超调量，加快反应，是综合了PI控制与PD控制长处，并消除其短处。从频域角度看，PID控制通过积分作用于系统的低频段，以提高系统的稳定性，而微分作用于系统的中频段，以改善系统的动态性能。
比例(P)控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大．会引起系统的不稳定。积分(I)控制的作用是：只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分(D)控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度．减小调整时间，从而改善系统的动态性能。
PID整定方式
下面介绍两种常用的 PID 参数整定方式，分别为临界比例度法与衰减曲线法。
临界比例度法
先将控制器的积分时间 TI 置于最大，微分时间 TD 置零，比例带系数 KP 置为较大的数值，使系统投入闭环运行。
等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃扰动，并减小 KP 直到系统出现等幅振荡为止。记录此时的 KP 与等幅振荡周期 TK。根据记录的数据与经验公式计算出控制器参数。
图 7临界比例度整定参数
衰减曲线法
衰减曲线法与临界比例度法类似，不同的是衰减曲线法不需要出现等幅振荡过程。
先将控制器的积分时间 TI 置于最大，微分时间 TD 置零，比例带系数 KP 置为较大的数值，使系统投入闭环运行。
等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃扰动，然后观察系统的响应。若响应震荡衰减太快，就减小比例带系数；反之则增大比例带系数。如此反复，直至系统出现衰减比为 n = 4 : 1 或 n = 10 : 1 的震荡过程，记录此时的比例带系数 Ks，以及相应的衰减震荡周期 Ts 或者输出响应的上升时间 Tp。
图8衰减曲线法整定参数
数据记录
单回路参数整定
本次我们采用课程要求的衰减曲线法整定参数。
第一次我们只采用P控制器对系统进行控制，P给定为200
图 9 单P控制器
显然，只使用P控制器，系统的静态误差较大，容易出现等幅震荡。
为了使系统稳定，我们采用衰减曲线法整定参数。即给定无穷大TI，Td给0，调节P使之出现4：1的衰减比。实际得到Ks,Ts值为：
系统的响应曲线如图所示:
图10单回路系统响应曲线
可以看到，在多次改变系统的目标值之后，系统均呈现出衰减比为 4：1 的响应曲线，表明控制器参数整定结果较为可靠。
可以看到系统在受到干扰后，很快就可以恢复到原来的稳定状态。表明系统的抗干扰能力较强。再通过多次改变系统的目标值来对系统进行测试，系统的响应曲线如图11所示。
图 11扰动后的系统响应曲线
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