过程控制选做实验.docx

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过程控制选做实验

过程控制实验内容

实验一、单容水箱对象特性的测试

实验二、单容水箱液位PID控制系统

实验三、流量PID控制系统

实验四、PLC单/双容液位控制

——利用西门子CP5611接口卡、MPI通讯模式、

PROTOOL-CS监控软

实验五、PLC单/双容液位控制

——应用PPI/PC通讯电缆、MCGS组态软件（DEMO

实验六、基于MATLAB的单回路PID控制

实验一、单容水箱对象特性的测试

一、实验目的

1、了解单容水箱的自衡特性。

2、掌握单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

3、实测单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。

二、实验设备

1、THKGK-1型过程控制实验装置：

GK-02GK-03GK-04GK-07

2、万用表一只

3、计算机及上位机软件

三、实验原理

阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节器手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。

同时，记录对象的输出数据和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理的处理，确定模型中的相关参数。

图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。

单容水箱的数学模型可用一阶惯性环节来近似描述，且用下述方法求取对象的特征参数。

单容水箱液位开环控制结构图如图2-1所示：

图1-1、单容水箱液位开环控制结构图

设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。

根据物料动态平衡的关系，求得：

在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

式中，T=R2*C为水箱的时间常数（注意：

阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数，也是阀V2的液阻，C为水箱的底面积。

令输入流量Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位的高度为：

2-2

2-3

2-4

式（2-3）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示。

由式（2-4）可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时

间，就是水箱的时间常数T。

该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳

态值的交点所对应的时间就是时间常数T。

图1-2阶跃响应曲线

其理论依据是：

上式表示h（t）若以在原点时的速度h（∞）/T恒速变化，即只要花T秒时间就可达到稳态值h（∞）。

式（2-2）中的K值由下式求取：

K=h（∞）/R0=输入稳态值/阶跃输入

四、实验内容与步骤

1、按实验一的要求和步骤，对上、下水箱液位传感器进行零点与增益的调整。

2、按照图2-1的结构框图，完成系统的接线（接线参照实验1），并把PID调节器的“手动/自动”开关置于“手动”位置，此时系统处于开环状态。

3、将单片机控制挂箱GK-03的输入信号端“LT1、LT2”分别与GK-02的传感器输出端“LT1、LT2”相连；用配套RS232通讯线将GK-03的“串行通信口”与计算机的COM1连接；打开所有电源开关用单片机进行液位实时监测；然后用上位机控制监控软件对液位进行监视并记录过程曲线。

4、利用PID调节器的手动旋钮调节输出，将被控参数液位控制在4cm左右。

5、观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。

若已平衡，记录此时调节器手动输出值VO以及水箱水位的高度h1和显示仪表LT1的读数值并填入下表。

变频器输出频率f

手动输出Vo

水箱水位高度h1

LT1显示值

HZ

v

cm

cm

6、迅速增调“手动调节”电位器，使PID的输出突加10%，利用上位机监控软件记下由此引起的阶跃响应的过程曲线，并根据所得曲线填写下表。

t（s）

水箱水位

h1（cm）

LT1读数

（cm）

等到进入新的平衡状态后，再记录测量数据，并填入下表：

变频器输出频率f

PID输出Vo

水箱水位高度h1

LT1显示值

HZ

v

cm

cm

7、将“手动调节”电位器回调到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。

填入下表：

t（s）

水箱水位

h1（cm）

LT1读数

（cm）

8、重复上述实验步骤。

五、思考题

1、在做本实验时，为什么不能任意变化阀V1或V2的开度大小？

2、用两点法和用切线法对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点？

六、注意事项

1、做本实验过程中，阀V1和V2不得任意改变开度大小；

2、阶跃信号不能取得太大，以免影响系统正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。

一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。

3、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。

4、在老师的帮助下，启动计算机系统和单片机控制屏。

七、实验报告要求

1、作出一阶环节的阶跃响应曲线。

2、根据实验原理中所述的方法，求出被测一阶环节的相关参数K和T。

实验二、单容水箱液位PID控制系统

一、实验目的

1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。

2、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的阶跃响应。

3、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的抗扰动作用。

4、定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响。

二、实验设备

1、THKGK-1型过程控制实验装置：

GK-02、GK-03、GK-04、GK-07（2台）

2、万用表一只

3、计算机系统

三、实验原理

1、单容水箱液位控制系统

图2-1、单容水箱液位控制系统的方块图

图7-1为单容水箱液位控制系统。

这是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。

单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。

当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。

合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。

反之，控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。

因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。

一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。

图7-2单容液位控制系统结构图

系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定值无偏差存在。

一般言之，具有比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。

比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。

比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。

在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图7-3中的曲线①、②、③所示。

图7-3、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线

四、验内容与步骤

1、比例（P）调节器控制

1）、按图7-1所示，将系统接成单回路反馈系统（接线参照实验一）。

其中被控对象是上水箱，被控制量是该水箱的液位高度h1。

2）、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。

3）、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好准备。

4）、在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调到等于给定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处）。

5）、观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可将调节器切换到纯比例自动工作状态（积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关”的位置，比例度设置于某一中间值，“正-反”开关拔到“反”的位置，调节器的“手动”开关拨到“自动”位置），让系统投入闭环运行。

6）、待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现）。

记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。

7）、减小δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

8）、增大δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

9）、选择合适的δ值就可以得到比较满意的过程控制曲线。

10）、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。

2、比例积分调节器（PI）控制

1）、在比例调节实验的基础上，加入积分作用（即把积分器“I”由最大处“关”旋至中间某一位置，并把积分开关置于“开”的位置），观察被控制量是否能回到设定值，以验证在PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。

2）、固定比例度δ值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp。

表二、δ值不变、不同Ti时的超调量σp

积分时间常数Ti

大

中

小

超调量σp

3）、固定积分时间Ti于某一中间值，然后改变δ的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同δ值下的超调量σp。

表三、Ti值不变、不同δ值下的σp

比例度δ

大

中

小

超调量σp

4）、选择合适的δ和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。

此曲线可通过改变设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。

3、比例积分微分调节（PID）控制

1）、在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把D打开。

然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与实验步骤

（二）所得的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。

2）、选择合适的δ、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现）。

3）、用计算机记录实验时所有的过渡过程实时曲线，并进行分析。

五、思考问题

1、如何实现减小或消除余差？

纯比例控制能否消除余差？

2、试定性地分析三种调节器的参数δ、（δ、Ti）和（δ、Ti和Td）的变化对控制过程各产生什么影响？

六、注意事项

1、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后才能接通电源。

2、必须在老师的指导下，启动计算机系统和单片机控制屏。

3、若参数设置不当，可能导致系统失控，不能达到设定值。

七、实验报告要求

1、绘制单容水箱液位控制系统的方块图。

2、用接好线路的单回路系统进行投运练习，并叙述无扰动切换的方法。

3、P调节时，作出不同δ值下的阶跃响应曲线。

4、PI调节时，分别作出Ti不变、不同δ值时的阶跃响应曲线和δ不变、不同Ti值时的阶跃响应曲线。

5、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。

6、比较P、PI和PID三种调节器对系统余差和动态性