过程控制实验指导书.docx

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过程控制实验指导书

过程控制实验指导书

实验一：

对象动态特性

实验目的：

1、学习被控对象动态特性的工程测试方法。

2、掌握被控对象动态特性特征参数的求取方法。

实验要求：

1、预习被控对象有关章节；安排好实验计划；作好前期准备。

2、依据实验曲线求取被控对象动态特性的特征参数。

实验内容：

1、对象的动态特性：

下图为单位阶跃时输入系统输出测试曲线：

曲线1.1

曲线1.2

曲线1.3

实验报告：

⑴依据曲线1.1、1.2和1.3求取对象动态特性的特征参数（K、T、τ）。

由此确定闭环系统模型。

⑵分别确定系统开环传递函数，并分别画出单位负反馈时系统动态结构图。

⑶用SIMULINK构建系统，比较仿真曲线与输出测试曲线。

⑷比较曲线1.1、1.2和1.3，说明不同系统的动态特性在运动形态、特征参数等方面的异同。

实验二：

调节器控制规律

实验目的：

1、熟悉SIMULINK调节器模块的使用方法。

2、掌握调节器控制规律特征参数的整定方法。

实验要求：

1、预习调节器有关章节；安排好实验计划；作好前期准备。

2、用工程测试法绘制调节器的输出特性，求取PID参数。

实验内容：

被控对象分别为

和

分别对以上系统，构建下述调节器，研究调节器对输出特性的影响：

1、比例调节器的输出特性：

⑴用SIMULINK构建比例控制系统。

⑵设定值为单位阶跃信号，改变比例调节器的大小，观察对系统的影响。

2、比例积分调节器的输出特性：

⑴用SIMULINK构建比例积分控制系统。

⑵设定值为单位阶跃信号，改变比例积分调节器的大小，观察对系统的影响。

注意调节器的整定顺序。

3、比例微分调节器的输出特性：

⑴用SIMULINK构建比例微分控制系统。

⑵改变比例微分调节器的大小，观察对系统的影响。

注意调节器的整定顺序。

4、比例积分微分调节器的输出特性：

⑴用SIMULINK构建比例积分微分控制系统。

⑵改变比例积分微分调节器的大小，观察对系统的影响。

注意调节器的整定顺序。

实验报告：

1、数据整理：

⑴比较上述四种调节器对输出特性的影响规律。

⑵比较和总结比例调节器与比例积分调节器输出特性的差异；说明积分时间的概念以及对输出特性的影响规律。

⑶比较和总结比例调节器与比例微分调节器输出特性的差异；

说明微分时间的概念以及对输出特性的影响规律。

实验三：

单回路控制系统

实验目的：

1、学习单回路控制系统的工程整定方法。

2、了解调节器参数对控制过程动态品质指标的影响规律。

3、了解各类扰动对控制过程动态品质指标影响的差异。

实验要求：

被控系统为三容对象，如下所示：

1、用两种不同的工程整定方法（其中一种为衰减曲线法）整定同一个被控对象。

2、保持最佳参数，改变扰动的形式和位置，观察、记录各类扰动对控制过程的影响。

3、“看曲线，调参数”，将三容对象的控制过程调整为最佳。

实验内容：

1、临界比例度法：

⑴用SIMULINK构建三容对象的控制系统。

⑵调整比例参数K，使系统输出为临界振荡。

确定相应参数。

⑶确定P、PI、PID调节时的调节器参数。

⑷运行SIMULINK，观察响应曲线。

⑸系统稳定后，在不同位置加入扰动信号，观察对输出的影响；改变调节器或调节器参数，使输出曲线达到最佳，观察、记录响应曲线。

2、衰减曲线法：

⑴调整比例参数K，使系统输出为4:

1衰减。

确定相应参数。

⑵确定P、PI、PID调节时的调节器参数。

⑶运行SIMULINK，观察响应曲线。

⑷系统稳定后，在不同位置加入扰动信号，观察对输出的影响；改变调节器或调节器参数，使输出曲线达到最佳，观察、记录响应曲

线。

实验报告：

1、绘制曲线

⑴由临界比例度法计算参数求得的PI控制规律过程曲线；

⑵由衰减曲线法计算参数求得的PI控制规律过程曲线；

⑶经过调整PI参数求得的最佳PI控制规律过程曲线；

⑷增加微分作用并作适当调整后求得的PID控制规律过程曲线；

⑸在第1传递函数后加扰动求得的PID控制规律过程曲线；

⑹在第3传递函数后加扰动求得的PID控制规律过程曲线；

⑺用上述任何一种工程整定方法求得的最佳P控制规律过程曲线。

2、数据整理：

⑴比较两种工程整定法使用的方便程度和准确程度。

⑵用P系统曲线与相应PI系统曲线比较两种控制规律的特点和应用范围。

⑶用比较微分控制规律对控制过程动态品质指标的影响。

⑷比较同类型、不同位置扰动对控制过程动态品质指标的影响规律。

⑸比较不类型扰动对控制过程动态品质指标的影响规律。

实验四：

串级控制系统

实验目的：

1、学习串级控制系统的工程整定方法。

2、了解主、副调节器参数对控制过程动态品质指标的影响规律。

3、了解串级控制系统对各类扰动控制过程动态品质指标影响的差异。

实验要求：

1、预习串级控制系统有关章节；安排好实验计划；作好前期准备。

2、以第三水柱液位作主参数、第一水柱液位作副参数，组成串级控制系统。

3、用一步整定法整定被控对象。

4、改变扰动的形式和位置，观察、记录各类扰动对控制过程的影响。

实验内容：

被控系统为三容对象，如下所示：

1、一步整定法：

⑴第3水柱的液位保持在100cm。

⑵调节器：

纯比例、手动。

调整主调节器的手动输出，使第3水柱的液位稳定在50％左右）。

⑶用衰减曲线法整定主调节器（将副回路视作一部分对象，只整定主调节器参数）。

⑸系统稳定后，将主调节器设定值阶跃增20％，观察、记录主参数的控制过程。

2、两步整定法：

⑴求取副调节器的δ2S和T2S（闭合主、副回路，两个调节器都置于纯比例、自动；置δ1＝100％；用衰减曲线法求取副调节器的δ2S和T2S）。

⑵求取主调节器的δ1S和T1S（闭合主、副回路，两个调节器都置于纯比例、自动；置δ2＝δ2S；用衰减曲线法求取主调节器的δ1S和T1S）。

⑶计算调节器参数（依据以上求得的δ1S、T1S和δ2、T2S；主、副调节器的选型以及衰减曲线法相关公式，求取主、副调节器的相关参数）。

⑷将计算参数置于调节器；将副调节器置串级，主调节器投自动。

⑸系统稳定后，将主调节器设定值阶跃增20％，观察、记录主参数的控制过程。

3、变换扰动位置，记录控制过程：

⑴为第1水柱加扰动（系统稳定下，在第1水柱上加阶跃扰动，幅值为20cm。

）。

⑵记录主参数的控制过程和副参数的控制过程。

⑶为第3水柱加扰动（系统稳定下，在第3水柱上加阶跃扰动，幅值为20cm。

）。

⑷记录主参数的控制过程和副参数的控制过程。

实验数据：

1、绘制曲线：

⑴由一步整定法求得的控制过程曲线；

⑵由两步整定法求得的控制过程曲线；

⑶在第1水柱处加扰动求得的主参数控制过程和副参数的控制过程；

⑷在第3水柱处加扰动求得的主参数控制过程和副参数的控制过程。

2、记录参数：

认真记录对应上述各曲线的实验条件和调节器参数。

实验报告：

1、数据整理：

⑴比较两种工程整定法使用的方便程度和准确程度。

⑵与单回路控制系统比较，说明两种控制系统对设定值扰动的控制过程动态品质指标。

2、心得体会：

实验五：

前馈控制系统

实验目的：

1、学习前馈控制系统工程整定方法。

2、研究前馈补偿器参数对控制过程的影响规律。

3、掌握前馈－反馈控制系统的特点和整定、投运方法。

实验要求：

1、预习前馈控制系统有关章节；安排好实验计划；作好前期准备。

2、以第三水柱液位作被控参数、第一水柱液位作前馈信号，搭建前馈－反馈控制系统。

3、用超前－滞后环节作前馈补偿器，组成静态前馈和动态前馈补偿模型。

4、观察、记录单纯前馈和前馈－反馈系统的控制过程。

实验内容：

加干扰的被控系统为如下所示：

1、静态前馈补偿：

⑴第3水柱的液位保持在100cm。

⑵建立初稳态（干扰输入为0时；反馈调节器：

比例积分、手动。

调整反馈调节器的手动输出，使第三水柱的液位稳定）。

⑶设置扰动量（干扰输入为幅值为10cm的阶跃信号。

）。

⑷整定静态前馈（调整前馈补偿器增益K，使第三水柱液位恢复，记录曲线）。

⑸改变K，观察、记录静态补偿第三水柱液位的控制过程（欠补偿；过补偿）。

2、动态前馈补偿：

⑴建立初稳态（沿袭静态前馈实验的初稳态、扰动量和静态前馈补偿增益K）。

⑵初定动态补偿（保持静态增益K；将3容液位对象的时间常数赋予超前时间T1；单容液位对象的时间常数赋予滞后时间T2），记录第三水柱液位的控制过程。

⑶改变动态参数，观察、记录第三水柱液位的控制过程（欠补偿；过补偿）。

3、静态前馈－反馈系统：

⑴建立初稳态（沿袭静态前馈实验的初稳态、扰动量和静态前馈补偿增益K）。

⑵观察、记录前馈－反馈控制系统第三水柱液位的控制过程（将实验四单回路控制系统的调节器参数赋予反馈调节器），记录静态前馈－反馈控制曲线。

4、动态前馈－反馈系统：

⑴建立初稳态（沿袭动态前馈实验的初稳态、扰动量和前馈补偿器参数）。

⑵观察、记录前馈－反馈控制系统第三水柱液位的控制过程（将实验四单回路控制系统的调节器参数赋予反馈调节器），记录动态前馈－反馈控制曲线。

实验数据：

1、绘制曲线：

⑴静态前馈完全补偿曲线6.1；

⑵静态前馈欠补偿曲线6.2；

⑶静态前馈过补偿曲线6.3；

⑷动态前馈完全补偿曲线6.4；

⑸动态前馈欠补偿曲线6.5；

⑹动态前馈过补偿曲线6.6；

⑺静态前馈－反馈控制曲线6.7；

⑻动态前馈－反馈控制曲线6.8。

2、记录参数：

认真记录对应上述各曲线的实验条件和调节器参数。

实验报告：

1、数据整理：

⑴将6.1、6.2和6.3作比较，总结静态前馈补偿器增益K对控制过程的影响规律。

⑵将曲线6.4、6.5和6.6作比较，总结动态前馈补偿器超前时间T1和滞后时间T2对控制过程的影响规律。

⑶将6.1与6.7作比较，说明单纯静态前馈和前馈－反馈系统控制过程动态品质指标。

⑷将6.4与6.8作比较，说明单纯动态前馈和前馈－反馈系统控制过程动态品质指标。

⑸将6.7和6.8与单回路控制曲线4.6比较，说明单纯反馈和前馈－反馈控制系统控制过程的动态品质指标。

2、思考题：

⑴对静态前馈补偿器和动态前馈补偿器的整定，哪个需要精细些？

哪个可以粗略点儿？

⑵说明超前－滞后环节参数与被控对象调节通道、扰动通道动态特性参数之间的关系。

⑶单纯前馈在实际应用中存在什么问题？

怎么解决？

⑷可以直接将前馈和反馈复合成前馈－反馈系统的依据是什么？

3、心得体会：

实验六大纯滞后控制系统