《过程控制系统》实验指导书(修改)

时间：2025-07-14

《过程控制系统》实验指导书

实验设备简介

A3000对象系统包含三个水箱，一个大的蓄水箱，一个锅炉，一个工业用板式换热器，两个水泵，大功率加热棒，滞后系统以及加热联锁保护系统。传感器和执行器包含5个温度、3个液位、1个压力、1个电磁流量计，1个涡轮流量计,1个电动调节阀，2个电磁阀，以及2个锅炉液位开关。

结构工艺图如下图0-1所示：、

图0-1 A3000高级过程控制系统结构工艺图

实验一单容自衡水箱液位比例控制实验

一．实验目的：

⑴ 通过实验了解单回路控制系统的原理及采用纯比例控制时的特点； ⑵ 分析比例控制时，比例系数改变时对系统稳态指标和静态指标的影响；二．实验设备：

A3000高级过程控制实验设备，计算机监控系统。三．实验原理实验原理图如下：

四．实验内容与步骤： 1．系统连接

⑴ 在A-3000设备上，打开手动调节阀JV201、JV206，其余阀门关闭。 ⑵ 将下水箱液位变送器输出连接到PLC的输入端子AI0，PLC的输出端子AO0连接到电动调节阀上控制信号端(注意红黑线不要接错)。 ⑶ 打开A3000设备电源，启动右边水泵。

⑷ 启动计算机组态软件，进入实验系统，选择“单容液位定值控制实验”。 2．P控制

⑴ 调节下水箱出口闸板开度到某一刻度（如下闸板顶到槽顶距离（开度）5mm）； ⑵ 设定一个液位给定值SP（例如30），将比例系数设定为某一个较小的值，并设定积分时间常数为最大，微分时间常数为0，启动系统。 ⑶ 待系统达到稳态时，用抓图的方法记录所得的响应曲线；

⑷ 按电脑监控界面的停止按钮，停止系统。将出水闸板开度加大，将水箱水放掉，待水放完之后，重新将出水闸板开度设定为5mm。

⑸ 仍然设定为纯比例控制下（设定方法见步骤⑵），增大比例系数，重新做步骤⑵和⑶。

⑹ 重复上述步骤⑸，重新记录响应曲线，上述响应曲线至少测得3组，包括单调曲线2组、衰减振荡曲线1组。

注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。

五．实验报告要求：

⑴ 抓取不同比利系数时所得到的响应曲线，打印出来并附在实验报告上。 ⑵ 根据所获得3组响应曲线，计算稳态误差ess、超调量 (%)和调整时间ts。 ⑶ 回答思考题。

六．思考题：

分析随着比例系数的增大，对系统的稳态指标（稳态误差ess）和动态指标（超调量 (%)和调整时间ts）有什么影响？

实验二单容自衡水箱液位PID控制实验

一．实验目的：

⑴ 通过实验了解单回路控制系统的原理及采用P、PI、PID控制时的特点； ⑵ 分析PI控制时，积分时间常数及微分时间常数改变时对系统稳态指标和静态

指标的影响；二．实验设备：

A3000高级过程控制实验设备，计算机监控系统。三．实验原理实验原理图如下：

四．实验内容与步骤： 1．系统连接

⑷ 启动计算机组态软件，进入实验系统，选择“单容液位定值控制实验”。

2． PI控制

⑴ 调节下水箱出口闸板开度到某一刻度（如下闸板顶到槽顶距离（开度）5mm）； ⑵ 在实验一比例调节测试的基础上（在计算机监控画面中设定P值为某个数值如2或3），加入积分作用。即在计算机监控界面上设置I参数为不是特别大的数。固定比例P值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后给定值加阶跃扰动，观察给定值加阶跃扰动后被调量的输出波形，并抓取

并记录两组不同Ti值时的输出曲线。

⑶ 通过上一步的实验观察，选择一组合适的P和Ti值，使系统对给定值阶跃扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线，记录这条响应曲线。 3． PID控制

⑴ 在获得上述满意的PI控制器参数的基础上，固定此PI参数，再引入适量的微分作用，即在监控软件界面上设置D参数，然后加上与前面PI调节时幅值完全相等的给定值扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线。

⑵ 逐渐增大Td和反复试凑，选择合适的Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线，并抓取记录此响应曲线。

（注意：按上述步骤，本实验至少应记录3条响应曲线：PI控制2-3条，PID控制至少1条）五．实验报告要求：

⑴ 在上述的给定值加阶跃扰动条件下，将抓取的2组不同Ti值时的输出曲线（在同一比例系数P值下）打印出来并附在实验报告上。 ⑵ 计算这2条曲线的超调量 (%)和调整时间ts。

⑶ 将实验中获得的较为满意的PI和PID控制下的输出曲线打印出来并附在实验报告上。 ⑷ 回答思考题。

六．思考题：

1. 积分的引入对闭环控制有何影响？积分作用过强和过弱有何不同？ 2. 微分控制一般应用在什么场合？微分的引入会对闭环系统产生什么影响？微分过强与过弱有何不同？

（以上思考题从闭环系统的动态和静态特性方面回答）

实验三电动调节阀流量特性测量实验

一．实验目的：