過程控制實驗指導教案

1、過程控制實驗指導書遼寧科技大學電信學院前言過程控制是自動化專業(yè)教學設計中一門重要的專業(yè)課。要完成這門課程的教案任務，就應進行必需的教學設計實驗，以指導學生理論聯(lián)系實質(zhì)，在實驗中加深對過程控制理論的理解。過程控制課程的主要任務是：1經(jīng)過實驗進一步認識和掌握過程控制理論的基本看法，控制系統(tǒng)的分析方法和設計方法。學習和掌握系統(tǒng)控制回路的構(gòu)成和測試技術(shù)。提升應用計算機的能力和水平，這也是應用本實驗系統(tǒng)的特點之一。為提升學生的實驗技術(shù)，聯(lián)合配套的工業(yè)控制組態(tài)軟件不但能進行考據(jù)性、研究型實驗，又增添了綜合性和設計性實驗內(nèi)容。目的是培育學生用理論知識和實驗手段解決科學技術(shù)中實質(zhì)問題的能力。實驗過程中學生可自

2、由組合單元，自主編制程序。充發(fā)散揮學生的主觀能動性和創(chuàng)辦性，為學生項目實踐能力和科學研究能力的提升確定了基礎(chǔ)。2018年3月30日實驗要求1.實驗預習：實驗前一定仔細預習實驗指導書及其相關(guān)的理論知識，作好充分準備。對于設計性實驗和綜合性實驗，學生一定在實驗前取出設計方案，以其達到預期的目標，寫出預習報告。讓指導老師檢查合格的方可進行實驗。2.實驗進行：學生進入實驗室，要保持室內(nèi)整齊寂靜。依照預習報告進行實驗。實驗中需要改接線的，應關(guān)掉電源后才能拆、接線。實驗時應注意觀察，若發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象，應馬上關(guān)掉電源，保持現(xiàn)場并報告指導老師辦理。3.實驗數(shù)據(jù)：實驗過程中應仔細觀察實驗現(xiàn)象，仔細記錄實驗結(jié)果、

3、數(shù)據(jù)、波形。所記錄的實驗結(jié)果經(jīng)指導老師批閱后再拆掉實驗線路。4.實驗報告：要修業(yè)生獨立完成實驗報告，不準剽竊或請人代勞。報告內(nèi)容包含實驗目的、實驗設備、實驗內(nèi)容、實驗電路圖、實驗數(shù)據(jù)及仿真曲線、實驗思慮題等。要求文字書寫整齊潔凈。5.未盡事項由實驗教師和認課教師協(xié)商決定。目錄前言-1實驗要求-2目錄-3實驗一、實驗裝置的基本操作與儀表調(diào)試-4實驗二、智能儀表溫度位式控制系統(tǒng)-6實驗三、單容水箱對象特征的測試-10實驗四、單容水箱液位PID控制系統(tǒng)-14實驗五、流量PID控制系統(tǒng)-17實驗六、雙容水箱液位PID控制系統(tǒng)-20實驗七、上下水箱液位串級控制系統(tǒng)-25附錄、實驗連線參照-28實驗一、實

4、驗裝置的基本操作與儀表調(diào)試一、實驗目的1、認識本實驗裝置的結(jié)構(gòu)與構(gòu)成。2、掌握壓力變送器的使用方法。3、掌握實驗裝置的基本操作與變送器儀表的調(diào)整方法。二、實驗設備1、THKGK-1型過程控制實驗裝置GK-02GK-03GK-04-07GK2、萬用表一只三、實驗裝置的結(jié)構(gòu)框圖圖1-1、液位、壓力、流量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖四、實驗內(nèi)容1、設備組裝與檢查：1）、將GK-02、GK-03、GK-04、GK-07掛箱由右至左挨次掛于實驗屏上。并將掛件的三芯藍插頭插于相應的插座中。2）、先打開空氣開關(guān)再打開鑰匙開關(guān)，此時停止按鈕紅燈亮。3）、按下起動按鈕，此時交流電壓表指示為220V，全部的三芯藍插座得電。4

5、）、關(guān)閉各個掛件的電源進行連線。2、系統(tǒng)接線：1）、交流支路1：將GK-04PID調(diào)理器的自動/手動切換開關(guān)撥到“手動”地點，并將其“輸出”接GK-07變頻器的“2”與“5”兩端注意：2正、5負），GK-07的輸出“A、B、C”接到GK-01面板上三相異步電機的“U1、V1、W1”輸入端；GK-07的“SD”與“STR”短接，使電機驅(qū)動磁力泵取水若此時電機為反轉(zhuǎn)，則“SD”與“STF”短接）。2）、交流支路2：將GK-04PID調(diào)理器的給定“輸出”端接到GK-07變頻器的“2”與“5”兩端注意：2正、5負）；將GK-07變頻器的輸出“A、B、C”接到GK-01面板上三相異步電機的“U2、V2、

6、W2”輸入端；GK-07的“SD”與“STR”短接，使電機正轉(zhuǎn)取水若此時電機為反轉(zhuǎn)，則“SD”與“STF”短接）。3、儀表調(diào)整：儀表的零位與增益調(diào)理）在GK-02掛件上邊有四組傳感器檢測信號輸出：LT1、PT、LT2、FT輸出標準DC05V），它們旁邊分別設有數(shù)字顯示器，以顯示相應水位高度、壓力、流量的值。對象系統(tǒng)左側(cè)支架上有兩只表面為藍色的壓力變送器，當擰開其右側(cè)的蓋子時，它里面有兩個3296型電位器，這兩個電位器用于調(diào)理傳感器的零點和增益的大小。、第一我們在水箱沒水時調(diào)理零位電位器，使其輸出顯示數(shù)值為零。2）、用交流支路1取水也可以用交流支路2取水）：打開閥1、閥3、閥4，關(guān)閉閥5、閥6、

7、閥7，而后開啟GK-07變頻器及GK-04給定啟動三相磁力泵給上、下水箱取水，使其液面均上漲至10cm高度后停止取水。3）、看各自表頭顯示數(shù)值能否與實質(zhì)水箱液位高度相同，假如不相同則要調(diào)理增益電位器使其輸出大小與實質(zhì)水箱液位的高度相同，同法調(diào)理上、下水箱壓力變送器的零位和增益。4）、按上述方法對壓力變送器進行零點和增益的調(diào)理，假如一次不夠可以多調(diào)理幾次，使得實驗成效更佳。五、預習熟讀本書第一部分THKGK-1型過程控制實驗裝置產(chǎn)品使用說明書的相關(guān)內(nèi)容。六、實驗報告自行繪制表格測出壓力變送器的特征。實驗二、智能儀表溫度位式控制系統(tǒng)一、實驗目的1、認識智能儀表的使用及參數(shù)的自整定。2、設計溫度二位

8、控制系統(tǒng)。二、實驗設備1、THKGK-1過程制實驗裝置：GK-02、GK-03、GK-04、GK-072、AI-708智能調(diào)理器GK-01面板上）三、實驗原理1、AI-708智能調(diào)理儀簡介：1）、特點與用途：AI-708型儀表，具備0.2級精度，可編程輸入，經(jīng)過參數(shù)設置即可選擇熱電偶、熱電阻、線性電阻和電壓電流）的輸出，具備位式調(diào)理、AI人工智能調(diào)理、通信、變送和上限、下限、正偏差、負偏差等報警功能，擁有可編程模塊化輸出，支持時間比例繼電器觸點開關(guān)、SSR電壓、可控硅無觸點開關(guān)及單相/三相可控硅過零觸發(fā)信號等）和線性電流：Ctrl=0采,用位式調(diào)理，只適合要求不高的場合。Ctrl=1，采納AI

9、人工智能調(diào)理/PID調(diào)理，該設置下，同意從面板啟動執(zhí)行自整定功能。Ctrl=2，啟動自整定參數(shù)功能，自整定結(jié)束后會自動設置3或4。Ctrl=3，采納AI人工智能調(diào)理，自整定結(jié)束后儀表自動進入該設置，在該設置下不一樣意從面板啟動自整定參數(shù)功能，以防范誤操作重復啟動自整定。Ctrl=4，該方式下與Ctrl=3時基實情同，但其P參數(shù)定義為本來的10倍，即可將P參數(shù)放大10倍，獲取更精良的控制。HIAL(上限報警：丈量值大于HIAL+dF值時，儀表將產(chǎn)生上限報警。丈量值小于HIAL-dF值時，儀表將除掉上限報警。設置HIAL到其最大值：丈量值小于LOAL-dF時產(chǎn)生下限報警，當丈量值大于LOAL+dF

10、時下限報警除掉。設置LOAL到其最小值-1999）可防范產(chǎn)生報警作用。dHAL正偏差報警）：采納AI人工智能調(diào)理時，當正偏差：采納AI人工智能調(diào)理時，當負偏差丈量值PV減給定值SV）大于dLAL+dF產(chǎn)生負偏差報警，當偏差小于dLAL-dF時負偏差報警除掉。設置dLAL=9999時，負偏差報警功能被撤消。dF回差）：回差用于防范因丈量輸入值顛簸而以致位式調(diào)理屢次通斷或報警屢次產(chǎn)生/除掉。其余：Sn輸入規(guī)格）、CF系統(tǒng)功能選擇）、M5保持參數(shù)），P速率參數(shù)）等。詳見AI人工智能工業(yè)調(diào)理器使用說明書）2、溫度二位控制原理與調(diào)試方法：1）、AI-708智能調(diào)理器作為二位調(diào)理器時的參數(shù)設置：控制方式：

11、Ctrl=0輸入規(guī)格：SN=21通信波特率：BAUd=100(10mA運轉(zhuǎn)及上電信號辦理：RUN=1參數(shù)設置操作方法詳見本書第一部分的GK-02裝置結(jié)構(gòu)展現(xiàn)的相關(guān)內(nèi)容）2）、AI-708作為二位調(diào)理器時的工作原理當PV丈量溫度）減小到小于SV-dF設定溫度減回差）時，調(diào)理器輸出DC12V控制電壓；當PV增大到大于SV+dF設定溫度加回差）時，調(diào)理器輸出控制電壓為0；調(diào)理器輸出的電壓直接控制固態(tài)繼電器的通斷，以控制被控對象能否加熱，從而達到控制溫度的目的。由過程控制原理可知，二位控制系統(tǒng)的輸出是一T(.c)個斷續(xù)控制作用下的等幅振蕩過程，如圖5-1所示。1所以不可以用連續(xù)控制作用下的衰減振蕩過程

12、的溫度品質(zhì)指標來衡量，而用振幅和周期作為質(zhì)量的指標。一般要求振幅小，周期長，可是對同一雙位控制系統(tǒng)來說，若要振幅小，則周期必然短；若要周期長，0t(s)則振幅必然大。所以經(jīng)過合理選擇中間區(qū)以使振幅在限制范圍內(nèi)，而又盡可能獲取較長的周期。圖5-1、二位控系統(tǒng)的過程曲線3）、二位控制系統(tǒng)方框圖與結(jié)構(gòu)圖5-2智能儀表溫度控制系統(tǒng)方塊圖四、實驗內(nèi)容與步驟1、按圖5-2所示的方塊圖，完成實驗系統(tǒng)的連線工作。2、按實驗原理中的說明，先對AI-708智能儀表進行參數(shù)和給定值的設置，而后打開GK-01上的加熱開關(guān)，使系統(tǒng)投入自動運轉(zhuǎn)。3、以復合加熱水箱作為被控對象，手動控制交流電機使之恒速來去合加熱水箱內(nèi)套加

13、水。4、用上位機收集及時數(shù)據(jù)并顯示過渡過程曲線：將AI-708的溫度檢測信號輸出端“TT”接單片機控制GK-03的信號輸入端“TT”；設置單片機回路5參數(shù)St=2、CH=100、CL=0參數(shù)設置方法詳見本書第一部分第2章GK-02裝置結(jié)構(gòu)展現(xiàn)中的使用說明）；用串行通信線將GK-03與上位機相連，以便實驗時觀察過程的曲線。5、參如實驗四的步驟，改變設定溫度值，記錄在不一樣溫度下的過程曲線。6、用直流電機驅(qū)動泵向加熱水箱取水作為擾動，并記錄過程曲線。五、注意事項1、實驗線路接好后，一定經(jīng)指導老師檢查認同，方可接通電源開始實驗。2、在老師指導下將計算機接入系統(tǒng)，利用計算機顯示屏作記錄儀使用，并保存每

14、次實驗記錄的數(shù)據(jù)和曲線。六、實驗報告1、記錄控制系統(tǒng)過渡過程曲線。2、畫出加冷卻水時被控量的動向響應曲線，并比較振蕩周期和振蕩幅度大小。3、綜合分析智能儀表溫度位式控制系統(tǒng)的特點。實驗三、單容水箱對象特征的測試一、實驗目的1、認識單容水箱的自衡特征。2、掌握單容水箱的數(shù)學模型及其階躍響應曲線。3、實測單容水箱液位的階躍響應曲線，用相關(guān)的方法分別確定它們的參數(shù)。二、實驗設備1、THKGK-1型過程控制實驗裝置：GK-02GK-03GK-04GK-072、萬用表一只3、計算機及上位機軟件三、實驗原理階躍響應測試法是被控對象在開環(huán)運轉(zhuǎn)情況下，待工況穩(wěn)固后，經(jīng)過調(diào)理器手動改變對象的輸入信號階躍信號）。

15、同時，記錄對象的輸出數(shù)據(jù)和階躍響應曲線，而后依據(jù)給定對象模型的結(jié)構(gòu)形式，對實驗數(shù)據(jù)進行合理的辦理，確定模型中的相關(guān)參數(shù)。圖解法是確定模型參數(shù)的一種適用方法，不一樣的模型結(jié)構(gòu)，有不一樣的圖解方法。單容水箱的數(shù)學模型可用一階慣性環(huán)節(jié)來近似描述，且用下述方法求取對象的特點參數(shù)。單容水箱液位開環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示：圖2-1、單容水箱液位開環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖設水箱的進水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開度值。依據(jù)物料動向均衡的關(guān)系，求得：dhR2ChR2Qdt在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得：式中，T=R2*C為H(s)R2K水G(s)R2CS12-1箱的時間常數(shù)注Q

16、1(s)TS1意：閥V2的開度大小會影響到水箱的時間常數(shù)），K=R2為過程的放大倍數(shù)，也是閥V2的液阻，C為水箱的底面積。令輸入流量Q1S）=RO/S，RO為常量，則輸出液位的高度為：2-2H(S)KR0KR0KR0S(TS1)SS1/T1t2-3即h(t)-KRO(1-eT)當tT時,則有:)KRO.因此有當t時，h(2-4h(T)KR0(1-1輸)出0穩(wěn).632KR態(tài)值00.632h()h()e2(t)K式2-3）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應曲線是hRO階躍輸入h00一單調(diào)上漲的指數(shù)函數(shù)，如圖2-2所示。由式2-2()4）可知該曲線上漲到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所對應的時0.63h2(00)間，就是水

17、箱的時間常數(shù)T。該時間常數(shù)T也可以經(jīng)過坐標原點對響應曲線作切線，此切線與穩(wěn)態(tài)值的交點所對應的時間就是時間常數(shù)T。0Tt圖2-2階躍響應曲線其理論依照是：dh(t)KR0e1tt0KR0h()t0T(2-5)dtTTT上式表示ht）若以在原點時的速度h）/T恒速變化，即只要花T秒時間即可達到穩(wěn)態(tài)值h）。式/R0=輸入穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入四、實驗內(nèi)容與步驟1、按實驗一的要乞降步驟，對上、下水箱液位傳感器進行零點與增益的調(diào)整。2、依照圖2-1的結(jié)構(gòu)框圖，完成系統(tǒng)的接線接線參如實驗1），并把PID調(diào)理器的“手動/自動”開關(guān)置于“手動”地點，此時系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)。3、將單片機控制掛箱GK-03的輸入信號端“

18、LT1、LT2”分別與GK-02的傳感器輸出端“LT1、LT2”相連；用配套RS232通信線將GK-03的“串行通信口”與計算機的COM1連接；打開全部電源開關(guān)用單片機進行液位及時監(jiān)測；而后用上位機控制監(jiān)控軟件對液位進行督查并記錄過程曲線。4、利用PID調(diào)理器的手動旋鈕調(diào)理輸出，將被控參數(shù)液位控制在4cm左右。5、觀察系統(tǒng)的被調(diào)量水箱的水位能否趨于均衡狀態(tài)。若已均衡，記錄此時調(diào)理器手動輸出值VO以及水箱水位的高度h1和顯示儀表LT1的讀數(shù)值并填入下表。變頻器輸出頻率f手動輸出Vo水箱水位高度h1LT1顯示值HZvcmcm6、迅速增調(diào)“手動調(diào)理”電位器，使PID的輸出突加10%，利用上位機監(jiān)控軟

19、件記下由此惹起的階躍響應的過程曲線，并依據(jù)所得曲線填寫下表。tLT1讀數(shù)(cm等到進入新的均衡狀態(tài)后，再記錄丈量數(shù)據(jù)，并填入下表：變頻器輸出頻率fPID輸出Vo水箱水位高度h1LT1顯示值HZvcmcm7、將“手動調(diào)理”電位器回調(diào)到步驟5）前的地點，再用秒表和數(shù)字表記錄由此惹起的階躍響應過程參數(shù)與曲線。填入下表：tLT1讀數(shù)(cm8、重復上述實驗步驟。五、注意事項1、做本實驗過程中，閥V1和V2不得任意改變開度大小；2、階躍信號不可以獲得太大，免得影響系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)；但也不可以過小，以防范對象特征的不真實性。一般階躍信號取正常輸入信號的5%15%。3、在輸入階躍信號前，過程一定處于均衡狀態(tài)4、在

20、老師的幫助下，啟動計算機系統(tǒng)和單片機控制屏。六、實驗報告要求1、作出一階環(huán)節(jié)的階躍響應曲線。2、依據(jù)實驗原理中所述的方法，求出被測一階環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)K和T。實驗四、單容水箱液位PID控制系統(tǒng)一、實驗目的1、經(jīng)過實驗熟習單回路反響控制系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理。2、研究系統(tǒng)分別用P、PI和PID調(diào)理器時的階躍響應。3、研究系統(tǒng)分別用P、PI和PID調(diào)理器時的抗擾動作用。4、定性地分析P、PI和PID調(diào)理器的參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。二、實驗設備1、THKGK-1型過程控制實驗裝置：GK-02、GK-03、GK-04、GK-07(2臺2、萬用表一只3、計算機系統(tǒng)三、實驗原理1、單容水箱液位控制系統(tǒng)圖7-

21、1、單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖圖7-1為單容水箱液位控制系統(tǒng)。這是一個單回路反響控制系統(tǒng)，它的控制任務是使水箱液位等于給定值所要求的高度；并減小或除掉來自系統(tǒng)內(nèi)部或外面擾動的影響。單回路控制系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單、投資省、操作方便、且能滿足一般生產(chǎn)過程的要求，故它在過程控制中獲取廣泛地應用。當一個單回路系統(tǒng)設計安裝就緒以后，控制質(zhì)量的利害與控制器參數(shù)的選擇有著很大的關(guān)系。適合的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制成效。反之，控制器參數(shù)選擇得不適合，則會以致控制質(zhì)量變壞，甚至會使系統(tǒng)不可以正常工作。所以，當一個單回路系統(tǒng)構(gòu)成此后，如何整定好控制器的參數(shù)是一個很重要的實質(zhì)問題。一個控制系統(tǒng)設計好此后，系統(tǒng)的投

22、運和參數(shù)整定是十分重要的工作。圖7-2單容液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)由本來的手動操作切換到自動操作時，一定為無擾動，這就要求調(diào)理器的輸出量能及時地追蹤手動的輸出值，并且在切換時應使丈量值與給定值無偏差存在。一般言之，擁有比率P）調(diào)理器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比率度的大小不但會影響到余差的大小，并且也與系統(tǒng)的動向性能親近相關(guān)。比率積分PI）調(diào)理器，由于積分的作用，不但能實現(xiàn)系統(tǒng)無余差，并且只要參數(shù)，Ti.2T(c)選擇合理，也能使系統(tǒng)擁有優(yōu)異的動向性能。31ess10t(s)比率積分微分PID）調(diào)理器是在PI調(diào)理器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能改進系統(tǒng)的動向性能迅速性、穩(wěn)固性

23、等）。在單位階躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應分別如圖7-3中的曲線、所示。圖7-3、P、PI和PID調(diào)理的階躍響應曲線四、驗內(nèi)容與步驟1、比率P）調(diào)理器控制1）、按圖7-1所示，將系統(tǒng)接成單回路反響系統(tǒng)接線參如實驗一）。此中被控對象是上水箱，被控制量是該水箱的液位高度h1。2）、啟動工藝流程并開啟相關(guān)的儀器，調(diào)整傳感器輸出的零點與增益。3）、在老師的指導下，接通單片機控制屏，并啟動計算機監(jiān)控系統(tǒng)，為記錄過渡過程曲線作好準備。4）、在開環(huán)狀態(tài)下，利用調(diào)理器的手動操作開關(guān)把被控制量“手動”調(diào)到等于給定值一般把液位高度控制在水箱高度的50%點處）。5）、觀察計算機顯示屏上的曲線，待被調(diào)

24、參數(shù)基本達到給定值后，即可將調(diào)理器切換到純比率自動工作狀態(tài)積分時間常數(shù)設置于最大，積分、微分作用的開關(guān)都處于“關(guān)”的地點，比率度設置于某一中間值，“正-反”開關(guān)拔到“反”的地點，調(diào)理器的“手動”開關(guān)撥到“自動”地點），讓系統(tǒng)投入閉環(huán)運轉(zhuǎn)。6）、待系統(tǒng)穩(wěn)固后，對系統(tǒng)加擾動信號在純比率的基礎(chǔ)上加擾動，一般可經(jīng)過改變設定值實現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次顛簸穩(wěn)固下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)偏差，并記錄余差大小。7）、減小，重復步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。8）、增大，重復步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。9）、選擇適合的值就可以獲取比較滿意的過程控制曲線。10）、注意：每當成完一次實驗后，一定待

25、系統(tǒng)穩(wěn)固后再做另一次實驗。2、比率積分調(diào)理器PI）控制1）、在比率調(diào)理實驗的基礎(chǔ)上，加入積分作用即把積分器“I”由最大處“關(guān)”旋至中間某一地點，并把積分開關(guān)置于“開”的地點），觀察被控制量能否能回到設定值，以考據(jù)在PI控制下，系統(tǒng)對階躍擾動無余差存在。2）、固定比率度值中等大?。?，改變PI調(diào)理器的積分時間常數(shù)值Ti，而后觀察加階躍擾動后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不一樣Ti值時的超調(diào)量p。表二、值不變、不一樣Ti時的超調(diào)量p積分時間常數(shù)Ti大中小超調(diào)量p3）、固定積分時間Ti于某一中間值，而后改變的大小，觀察加擾動后被調(diào)量輸出的動向波形，并列表記錄不一樣值下的超調(diào)量p。表三、Ti值不變、不一樣值下

26、的p比率度大中小超調(diào)量p4）、選擇適合的和Ti值，使系統(tǒng)對階躍輸入擾動的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線。此曲線可經(jīng)過改變設定值如設定值由50%變?yōu)?0%）來獲取。3、比率積分微分調(diào)理PID）控制1）、在PI調(diào)理器控制實驗的基礎(chǔ)上，再引入適當?shù)奈⒎肿饔茫窗袲打開。而后加上與前面實驗幅值完整相等的擾動，記錄系統(tǒng)被控制量響應的動向曲線，并與實驗步驟二）所得的曲線對比較，由此可看到微分D對系統(tǒng)性能的影響。2）、選擇適合的、Ti和Td，使系統(tǒng)的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線階躍輸入可由給定值從50%突變至60%來實現(xiàn)）。3）、用計算機記錄實驗時全部的過渡過程及時曲線，并進行分析。五、注意事項1

27、、實驗線路接好后，一定經(jīng)指導老師檢查認同后才能接通電源。2、一定在老師的指導下，啟動計算機系統(tǒng)和單片機控制屏。3、若參數(shù)設置不妥，可能以致系統(tǒng)失控，不可以達到設定值。六、實驗報告要求1、繪制單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖。2、用接好線路的單回路系統(tǒng)進行投運練習，并表達無擾動切換的方法。3、P調(diào)理時，作出不一樣值下的階躍響應曲線。4、PI調(diào)理時，分別作出Ti不變、不一樣值時的階躍響應曲線和不變、不一樣Ti值時的階躍響應曲線。5、畫出PID控制時的階躍響應曲線，并分析微分D的作用。6、比較P、PI和PID三種調(diào)理器對系統(tǒng)余差和動向性能的影響。實驗五、流量PID控制系統(tǒng)一、實驗目的1、認識流量計的結(jié)構(gòu)

28、及其使用方法。2、熟習單回路流量控制系統(tǒng)的構(gòu)成。3、研究P、PI和PID調(diào)理器對系統(tǒng)的控制成效。4、改變P、PI和PID調(diào)理器的參數(shù)，觀察它們對系統(tǒng)性能所產(chǎn)生的影響。二、實驗設備1、THKGK-1型過程控制實驗裝置：GK-02、GK-03、GK-04、GK-072、萬用表一只3、計算機系統(tǒng)三、實驗原理1、渦輪番量計的結(jié)構(gòu)與工作原理簡介渦輪番量傳感器的結(jié)構(gòu)如圖9-1所示，它主要由殼體、前導向架、葉輪、后導向架、壓緊圈和帶放大器的磁電感覺變換器等構(gòu)成。當被測流體流經(jīng)傳感器時，傳感器的葉輪借助于流體的動能而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，葉輪周期性的改變磁電感覺系數(shù)中的磁阻值，從而使經(jīng)過線圈的磁通量周期性的發(fā)生變化而產(chǎn)生

29、電脈沖信號，并經(jīng)放大器放大后傳遞至相應的流量積算儀表，進行量或總量的計量。2、渦輪番量計型號與技術(shù)指標型號：WGYL-4圖9-1、LWGY渦輪番量傳感器結(jié)構(gòu)圖技術(shù)指標：1）、供電電源：+5+24VDC2）、流量范圍：00.25m3/h3）、環(huán)境溫度：-25+55度4）、流體溫度：-20+120度5）、相對濕度：不大于85%6）、精度：1%7）、輸出信號：010mADC或05VDC）3、流量單回路控制系統(tǒng)負反響控制系統(tǒng)的一個主要長處是輸出量被控制量）經(jīng)檢測元件檢測后反響到系統(tǒng)的輸入端與給定值對比較，所得的偏差信號經(jīng)調(diào)理器辦理后變?yōu)橐粋€對被控過程控制的信號，從而實現(xiàn)被控制量除掉系統(tǒng)內(nèi)外擾動的影響而

30、保持基本不變的目的。圖所示的流量控制系統(tǒng)就是這樣一種系統(tǒng)。該系統(tǒng)的輸出跟著給定量的大小而變化。流量控制系統(tǒng)與液位控制系統(tǒng)相同，它的控制質(zhì)量完整取決于所用調(diào)理器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。比例調(diào)理器是調(diào)理比率度來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。一般言之，越小，系統(tǒng)的余差也越小，但超調(diào)量等動向性能指標變差。反之，越大，系統(tǒng)的余差也越大，系統(tǒng)的動向過程緩慢，超調(diào)量變小。比率積分PI）調(diào)理器產(chǎn)生的控制作用有2個部分：與偏差成比率部分和偏差的積分部分。由于積分的作用，可使系統(tǒng)無余差產(chǎn)生，但積分時間常數(shù)不可以太小，不然會使系統(tǒng)的動向性能變差，甚至會不穩(wěn)固。比率積分微分PID）調(diào)理器既可以實現(xiàn)系統(tǒng)無余差，圖9-3流量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖又能

31、改進系統(tǒng)的穩(wěn)固度和響應的迅速性，其可調(diào)參數(shù)有3個：、Ti和Td。四、實驗內(nèi)容與步驟1、比率調(diào)理器2、萬用表一只3、計算機系統(tǒng)三、實驗原理圖8-1、雙容水箱液位控制系統(tǒng)的方框圖圖8-1為雙容水箱液位控制系統(tǒng)。這是一個單回路控制系統(tǒng)，它與實驗六不一樣的是有兩個水箱相串通，控制的目的既要使下水箱的液位高度等于給定值所希望的值，又要擁有減少或除掉來自系統(tǒng)內(nèi)部或外面擾動的影響。明顯，這類反響控制系統(tǒng)的性能主要取決于調(diào)理器GK-04的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的合理選擇。由于雙容水箱的數(shù)學模型是二階的，故它的穩(wěn)固性不如單容液位控制系統(tǒng)。對于階躍輸入包含階躍擾動），這類系統(tǒng)用比率P）調(diào)理器去控制，系統(tǒng)有余差，且與比率度近似

32、成正比，若用比率積分PI）調(diào)理器去控制，不但可實現(xiàn)無余差，并且只要調(diào)理器的參數(shù)和Ti選擇得合理，也能使系統(tǒng)擁有優(yōu)異的動向性能。圖8-2、雙容水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖比率積分微分PID）調(diào)理器是在PI調(diào)理器的基礎(chǔ)上再引入微分D的控制作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又使其動向性能獲取進一步改進。四、實驗內(nèi)容與步驟1、比率P）調(diào)理器控制1）、按圖8-1所示，將系統(tǒng)接成單回路反響控制系統(tǒng)接線參如實驗一）。此中被控對象是下水箱，被控制量是下水箱的液位高度h2。2）、啟動工藝流程并開啟相關(guān)的儀器，調(diào)整傳感器輸出的零點與增益。3）、在老師的指導下，接通單片機控制屏，并啟動計算機監(jiān)控系統(tǒng)，為記錄過渡過程曲線作好準備。

33、4）、在開環(huán)狀態(tài)下，利用調(diào)理器的手動操作開關(guān)把被控制量調(diào)到等于給定值一般把液位高度控制在水箱高度的50%點處）。5）、觀察計算機顯示屏上的曲線，待被調(diào)參數(shù)基本達到給定值后，即可將調(diào)理器切換到純比率自動工作狀態(tài)積分時間常數(shù)設置于最大，積分、微分作用的開關(guān)都處于“關(guān)”的地點，比率度設置于某一中間值，“正-反”開關(guān)拔到“反”的地點，調(diào)理器的“手動”開關(guān)撥到“自動”地點），讓系統(tǒng)投入閉環(huán)運轉(zhuǎn)。6）、待系統(tǒng)穩(wěn)固后，對系統(tǒng)加擾動信號在純比率的基礎(chǔ)上加擾動，一般可經(jīng)過改變設定值實現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次顛簸穩(wěn)固下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)偏差，并記錄余差大小。7）、減小，重復步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。

34、8）、增大，重復步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。9）、選擇適合的值就可以獲取比較滿意的過程控制曲線。10）、注意：每當成完一次實驗后，一定待系統(tǒng)穩(wěn)固后再做另一次實驗。表一、不一樣時的超調(diào)量p比率度大中小超調(diào)量p2、比率積分調(diào)理器PI）控制1）、在比率調(diào)理實驗的基礎(chǔ)上，加入積分作用即把積分器“I”由最大處旋至中間某一地點，并把積分開關(guān)置于“開”的地點），觀察被控制量能否能回到設定值，以考據(jù)在PI控制下，系統(tǒng)對階躍擾動無余差存在。2）、固定比率度值中等大小），改變PI調(diào)理器的積分時間常數(shù)值Ti，而后觀察加階躍擾動后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不一樣Ti值時的超調(diào)量p。表二、值不變、不一樣Ti

35、時的超調(diào)量p積分時間常數(shù)Ti大中小超調(diào)量p3）、固定積分時間Ti于某一中間值，而后改變的大小，觀察加擾動后被調(diào)量輸出的動向波形，并列表記錄不一樣值下的超調(diào)量p。表三、Ti值不變、不一樣值下的p比率度大中小超調(diào)量p4）、選擇適合的和Ti值，使系統(tǒng)對階躍輸入擾動的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線。此曲線可經(jīng)過增大設定值如設定值由50%變?yōu)?0%）來獲取。3、比率積分微分調(diào)理器PID）控制1）、在PI調(diào)理器控制實驗的基礎(chǔ)上，再引入適當?shù)奈⒎肿饔?，即把D打開。而后加上與前面實驗幅值完整相等的擾動，記錄系統(tǒng)被控制量響應的動向曲線，并與實驗步驟二）所得的曲線對比較，由此可看到微分D對系統(tǒng)性能的影響。2）

36、、選擇適合的、Ti和Td，使系統(tǒng)的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線Td(S調(diào)理器名稱0P2ktPI2.2kTk/1.2PID1.6k0.5Tk0.125Tk3）、一定指出，表格中給出的參數(shù)值是對調(diào)理器參數(shù)的一個初略設計，由于它是依據(jù)大批實驗而得出的結(jié)論。若要獲取更滿意的動向過程比方：在階躍作用下，被調(diào)參量作4：1地衰減振蕩），則要在表格給出參數(shù)的基礎(chǔ)上，對、Ti或Td）作適合調(diào)整。5、用衰減曲線法整定調(diào)理器的參數(shù)：與臨界比率度法近似，不一樣的是本方法先依據(jù)由實驗所得的阻尼振蕩衰減曲線為:1），求得相應的比率度s和曲線的振蕩周期Ts，而后按表五給出的經(jīng)驗公式，確定調(diào)理器的相關(guān)參數(shù)。獲取系統(tǒng)的輸

37、出響應曲線按4:1衰減的詳盡步驟以下：1）、置調(diào)理器積分時間Ti到最大值，比率度為較大值，讓系統(tǒng)投入閉環(huán)運轉(zhuǎn)。2）、待系統(tǒng)穩(wěn)固后，作設定值階躍擾動，并觀Tsy0t(s)察系統(tǒng)的響應。若系統(tǒng)響應衰減太快，則增大比率度；反之，系統(tǒng)響應衰減過慢，應減小比例度。這樣頻頻直到系統(tǒng)出現(xiàn)如圖8-5所示4:1的衰減振蕩過程。圖8-5、4：1衰減響應曲線記下此時的比率度s和振蕩周期Ts的數(shù)值。3）、利用s和Ts值，按表五給出的經(jīng)驗公式，求調(diào)理器參數(shù)、Ti和Td數(shù)值。表五4:1衰減曲線法整定計算公式調(diào)理器參數(shù)調(diào)理器名稱PPIPIDTiTds1.2s0.5Ts0.8s0.3Ts0.1Ts五、注意事項1、實驗線路接好

38、后，一定經(jīng)指導老師檢查認同后方可接通電源。2、水泵啟動前，出水閥門應關(guān)閉，待水泵啟動后，再逐漸開啟出水閥，直至某一適合開度。3、在老師的指導下，開啟單片機控制屏和計算機系統(tǒng)。六、實驗報告要求1、畫出雙容水箱液位控制實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。2、按圖8-2要求接好實驗線路，經(jīng)老師檢查無誤后投入運轉(zhuǎn)。3、用臨界比率度法和衰減曲線法分別計算P、PI、PID調(diào)理的參數(shù)，并分別列出系統(tǒng)在這三種方式下的余差和超調(diào)量。4、作出P調(diào)理器控制時，不一樣值下的階躍響應曲線。5、作出PI調(diào)理器控制時，不一樣和Ti值時的階躍響應曲線。6、畫出PID控制時的階躍響應曲線，并分析微分D對系統(tǒng)性能的影響。7、綜合議論P、PI、和P

39、ID三種調(diào)理器對系統(tǒng)性能的影響。實驗七、上下水箱液位串級控制系統(tǒng)一、實驗目的1、認識計算機控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成；2、掌握MATLAB的基本指令和編程；3、認識串級控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法；4、認識增量式PID算法的編程；5、掌握串級PID參數(shù)整定方法。二、實驗設備1、計算機、上位機監(jiān)控軟件、MATLAB5.3版。2、THKGK-1型過程控制實驗系統(tǒng)裝置二階水位對象。三、實驗原理本實驗的構(gòu)成原理以以下圖。Pidc.m程序傳感液位1PID1PID2單片機D/A水泵上水槽下水槽器和液位2傳感+器分別將檢測+-到的上水槽液單片機A/D液位傳感器1位信號和下水槽液位信號經(jīng)過單片機通信接口傳遞到計算機，使其分別與

40、兩個PID調(diào)理器的設定值比較，單片機A/D液位傳感器2判斷有無偏差存在或計算偏差大小。上位計算機調(diào)用MATLAB的pidc*算法程序，該程序包含了兩個PID運算程序。第一將系統(tǒng)設定值與下水槽液位信號有液位傳感器2給出的信號）進行比較，獲取的偏差作為PID1的輸入信號；PID1對該偏差進行運算后的輸出信號，作為上水槽液位對象的設定值。將該設定值與下水槽液位信號kp1=0.。2td1=0.005。ti1=2。t=1。kp2=0.。2td2=0.005。ti2=2。pid1algorithmE1=s(3-v(3。e0(3=E1。u(1=u0(1+kp1*e0(3-e0(2+kp1*t/ti1*e0(

41、3+kp1*td1/t*e0(3-2*e0(2+e0(1。e0(1=e0(2。e0(2=e0(3。pid2algorithmE2=u(1-v(1。e0(6=E2。u(2=u0(2+kp2*e0(6-e0(5+kp2*t/ti2*e0(6+kp2*td2/t*e0(6-2*e0(5+e0(4。e0(4=e0(5。e0(5=e0(6。ifu(1102u(1=102。elseifu(1=-102。end說明：1）在第一句functionu,s,e0=pidc*(v,s,e0,u0中，輸入變量v是含5個元素的向量，表示5個丈量參數(shù)，它們分別是：v(1=上層水槽液位，v(2=進水壓力，v(3=中層水槽液

42、位，v(4=進水流量，v(5=基層水槽溫度。2）輸入變量s是含3個元素的向量，此中s(3表示被控對象的設定值，這里是指下水槽液位的設定值，s(1、s(2備用。3）輸入變量e0是含6個元素的向量，此中e0(1、eo(2和e0(3用于存放PID1的第(k-2、(k-1和(k次的偏差，e0(4、e0(5和eo(6于存放PID2的第(k-2、(k-1和(k次的偏差。4）輸入變量u0是含2個元素的向量，此中u0(1表示前一周期PID2的輸出控制量，u(2表示本周期PID2的輸出控制量。5）kp1、td1和ti1和kp2、td2和ti2分別表示PID1和PID2的比率偏差放大）系數(shù)、微分時間和積分時間；t

43、表示采樣時間。2、將計算機串行口COM1與GK-03的RS232口連接好，并設置單片機采樣周期T等于1秒或2秒。3、雙擊桌面上“過程控制實驗”圖標，進入控制界面。點擊登錄按鈕，進入用戶登錄狀態(tài)以以下圖。按提示填寫“用戶名稱”與“個人代號”，而后按“確定”鍵，完成登錄，進入控制界面，即可進入實驗操作。4、點擊“丈量”按鈕，進入丈量狀態(tài)，界面上顯示相應參數(shù)值。5、點擊“控制參數(shù)”按鈕，彈出“控制參數(shù)設置”選擇框：在選擇框下部選擇“液位2”；點擊“算法”的下拉菜單，選擇“自定義算法”；在“自定義算法”下拉菜單中再選擇“pidc*.m”程序；在“控制值”旁設定給定值30；按“返回”按鈕返回。6、點擊“

44、液位2”按鈕，實現(xiàn)計算機對“液位2”的及時檢測數(shù)據(jù)采樣作圖）。7、點擊“及時參數(shù)”按鈕，在彈出的菜單中選中“手動控制”，再選擇“液位2”，調(diào)整相應的“控制值”，使“液位2”基本穩(wěn)固到30左右；8、點擊“及時參數(shù)”按鈕，在下拉菜單中去掉“手動控制”，計算機即調(diào)用MATLAB，運轉(zhuǎn)main1.m程序，實現(xiàn)用pidc*.m運算對液位2的計算機控制。9、依據(jù)液位2的運轉(zhuǎn)曲線，依如實驗十一的參數(shù)整定方法，打開pidc*.m文件，調(diào)整參數(shù)kp1、kd1、ki1和kp2、kd2和ki2的值，直至液位2的運轉(zhuǎn)曲線達到滿意的動向和穩(wěn)態(tài)結(jié)果。五、注意事項1、實驗線路連好，需經(jīng)指導老師檢查認同后方可接通電源。2、實驗前一定熟練掛件和軟件的使用說明。六、實驗報告要求1、寫出用MATLAB編制的pidc*.m程序與本指導書供給的近似）。2、打印出整個實驗中液位2的曲線圖，并標出每一段曲線的kp1,ti1,td1、kp2,ti2,td2和t的值。3、分析kp1,ti1,t