过控实验报告.docx
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过控实验报告
过程计算机控制系统
实验报告
实验一组合型过程控制系统简介及过程控制演示
一、FESTO紧凑型过程控制系统介绍
FESTO紧凑型过程控制系统如图1-1所示，在这套系统上，我们可以进行液位、温度、压力、流量的控制。
图1-1
二、组合式过程控制系统介绍
结合过程计算机控制系统理论的学习，我们研制了一套组合式过程控制系统，这套系统可以通过灵活、方便的管路组合，实现过程控制中的五种典型控制方式—单回路控制，串级控制、前馈控制、均匀控制和比值控制。
三、主要仪器与设备
1、计算机
2、接口板PCL-812PG
PCL-812PG是一块高性能，高速度的多功能数据采集卡，它适用于IBMPC以及其它兼容机。
PCL-812PG在一块卡上包含了所有的数据采集功能，如：
16路A/D，2路D/A，16路DI，16路DO，1路定时器、计数器通道，其中A/D数据采集为12位。
PCL-812PG板卡的具体布局如图1-2。
图1-2
图中：
SW1：
基地址设定。
（220H）
CN1：
16位数字输出。
CN2：
16位数字输入。
CN3：
模拟输入/输出以及记数器/定时器。
JP1、JP2：
DMA（直接数据传输）通道设定。
（NODMA）
JP3：
中断级别设定。
（5）
JP4：
时钟源设定。
（外部时钟）
JP5：
内/外部触发设定。
（内部触发）
JP6、JP7：
D/A参考电压设定。
（内部参考电压）
JP8：
内部参考电压设定。
（-10V）
JP9：
A/D输入范围设定。
（-10Vto+10V）
CN3接口管脚说明如图1-3所示。
图1-3
3、水箱：
水箱如图1-4所示。
技术参数见
表1-1。
图1-4
表1-1
工作温度
最大：
+65
外部尺寸
宽度
深度
高度
240mm
190mm
385mm
材质
塑料
螺旋接口
15mm直径
4、流量传感器
流量传感器如图1-5，主要技术参数见表1-2。
表1-2
工作电压
5to12VDC
工作电流
6to33mA
输出信号
方波信号，5…12V
频率范围
13to1200HZ
测量范围
0.5to15.0l/min
工作压力
80°Cmax。
6bar
工作温度
0°Cto65°C
接线方式
白：
电源正
绿：
电源负
褐：
输出+
图1-5
5、比例阀1094-PMR
比例阀如图1-6，主要技术指标见表1-3。
表1-3
工作电压
24VDC
功率
8W
工作压力
0to0.5bar
环境温度
Max。
+55°C
媒介
自然媒介，如水、压缩空气
媒体温度
0°Cto+65°C
图1-6
1094-PMR比例阀接口如图1-7所示。
端子2：
+24V，
端子3：
24V地，
端子4：
输出控制信号。
R1：
最小流量调节，
R2：
最大流量调节，
R3：
延迟时间调节。
S1：
（on）：
中频（2832），
S2：
（off）
图1-7
6、液位传感器
主要技术参数见表1-4
表1-4
工作电压
24VDC
测量范围
0－400mm
输出信号
0—5VDC
工作温度
-40—120°C
接线方式
红：
电源正
黑：
电源负
蓝：
输出+
7、温度传感器
主要技术参数见表1-5
表1-5
工作电压
24VDC
测量范围
0－100°C
输出信号
0—5VDC
接线方式
红：
电源正
绿：
电源负
黄：
输出+
8、
管路、接头、手动阀
管路、接头、手动阀如图1-8所示。
系统所有部件的连接都是直接插拔，非常方便。
图1-8
实验二传感器、执行器实验
一、实验目的
了解传感器、执行器的工作原理，掌握它们在实际过程控制中的应用。
二、实验要求
编程实现系统液位、温度、流量等模拟量的数据采集以及比例阀开度的控制。
三、实验步骤
1、液位传感器的测试
在水箱内按要求注入不同高度的纯净水，利用万用表和PCL-812PG板卡的A/D口分别测出液位传感器的输出电压。
并在计算机内将其转换成对应的高度。
将测量数据填入下表。
高度
输出
250mm
200mm
150mm
100mm
50mm
万用表测量值（伏）
3.03
2.47
1.86
1.23
0.61
A/D口测量值（伏）
3.02
2.48
1.86
1.25
0.61
机内转换高度（mm）
247.14
198.05
149.02
99.61
48.63
相对误差（%）
1.14
0.975
0.653
0.39
2.47
2、温度传感器的测试
改变水箱内水的温度，用温度计测量出水温，同时利用万用表和PCL-812PG板卡的A/D口测出温度传感器的输出电压，并在计算机内将其转换成相应的温度。
将测量数据填入下表。
温度计（度）
16.0
16.2
16.2
16.5
16.5
传感器输出电压（伏）
0.80322
0.8251
0.8227
0.8129
0.8300
A/D口测量电压（伏）
0.81
0.81
0.81
0.82
0.82
机内转换温度（度）
16.064
16.5039
16.455
16.2597
16.601563
相对误差（%）
0.4
1.88
1.57
1.46
0.62
3、流量传感器的测试
调节手动阀以改变流量传感器所在管路中的流量，利用PCL-812PG板卡的计数口测量流量传感器单位时间内输出的脉冲数，并转换成对应的流量。
将测量结果填入下表。
脉冲数（个/秒）
0
5
41
83
118
流量（l/min）
0.341196
0.402275
0.842036
1.355097
1.782645
4、比例阀的控制
通过PCL-812PG板卡的D/A口向比例阀输出控制，比较机内控制电压与实际输出电压，并将结果填入下表。
控制量（伏）
0
2.5
5
7.5
10
测量值（伏）
0
2.47
4.95
7.44
9.93
相对误差（%）
0
1.2
1
0.8
0.7
四、思考题
1、用传感器测量过程变量的准确性如何？
如果有误差，可以采取什么方法进行修正？
答：
使用液位传感器时测量误差比较大，温度传感器电压值误差不大，比例阀实验中机内电压和实验输出电压值误差很小，且十分稳定。
如果有误差
（1）可以在计算时进行补偿，比如计算零点高度，相减后作为实际测量高度。
（2）减小出水阀开度，使出水过程平稳，减小波动。
实验三系统动态特性的测试
一、实验目的
学习单容对象动态特性的实验测定方法。
二、实验要求
通过实验的方法建立液位对象的过程数学模型。
三、实验步骤
利用液位对象的液位与输出流量的关系建立其模型
⑴测试系统结构如图3-1所示。
进水
出水
图3-1利用液位—输出流量关系建立模型的实验原理图
⑵原理
对于液位系统，根据动态物料平衡关系有
①
式中：
—输入流量；
—输出流量；
—液位高度；A—水箱截面积；
、
、
分别为偏离某一平衡状态
、
、
的增量。
在静态时，
，
，当
变化时，
、
也将发生变化，由流体力学可知，流体在紊流情况下，
与流量之间为非线性关系，为简化起见，作线性化处理。
近似认为
与
在工作点附近成正比，而与出水阀的阻力
（称为液阻）成反比，即
或
②
由①、②，消去中间变量
，再求拉氏变换得
单容液位过程的传递函数为：
③
⑶关闭所有出水阀，向水箱内注水至260mm左右，然后按图3-1将出水阀旋开至适当位置，测量给定液位高度所对应的流量值，填入下表。
并根据式③求液位对象的模型。
h（mm）
120
160
200
240
（l/min）
1.648273
1.733783
1.819292
1.904802
4.67784.677874.677815
4.67783
其中水箱的截面积
。
四、思考题
1、分析可能造成模型不准确的原因。
答：
原因有：
（1）液位传感器和流量传感器存在误差
（2）出水阀开度选择不恰当，导致实验过程不稳定，存在干扰，误差变大。
（3）为简化计算而作线性化处理，近似为Q和h在工作点附近成正比，与出水阀阻力R2成反比，由此引起误差。
实验四液位单回路控制系统的设计及参数整定
一、实验目的
掌握过程计算机控制系统的单回路控制方式。
二、实验要求
设计单容水箱的液位单回路控制系统，实现液位的定值控制，并对系统进行参数整定。
三、实验内容
1、按照图4-1，在组合式实验装置上通过选择管路，构造液位单回路控制系统。
进水
出水
图4-1液位单回路控制系统原理图
2、画出液位单回路控制系统方框图。
3、根据液位对象的数学模型，选择系统的采样周期
0.5s。
4、运用经验法确定数字调节器的参数
根据经验公式，选择调节器参数
、
和
值。
观察不同参数情况下的控制效果，最终确定较为满意的调节器参数。
实验次数
调节器参数
性能指标
1
1
1
1
1.672%
45.6s
2
1
1
0.5
1.502%
44.5s
3
1
0.5
1
1.250%
46.4s
4
0.5
1
1
0.576%
50.5s
四、思考题
1、在控制过程中遇到了哪些问题，你是如何解决的？
为了提高控制效果，你在控制算法上还采取了哪些措施？
答：
（1）采用增量式PID控制算法
（2）采用过限削弱积分法，防止失控现象
（3）采用控制变量法调整调节器参数
实验五流量单回路控制系统的设计及参数整定
一、实验目的
掌握过程计算机控制系统的一般设计方法。
二、实验要求
根据流量对象的特点，设计流量定值控制系统，并对系统进行参数整定，使系统具有较好的动、静态性能指标和抗干扰能力。
三、实验步骤
1、按照图5-1，在组合式实验装置上通过选择管路，构造流量单回路控制系统。
进水
出水
图5-1流量单回路控制系统原理图
2、画出流量单回路控制系统方框图。
实际流量
流量设定值
管道
执行阀
流量控制器
流量传感器
3、根据流量对象的特点，选择系统的采样控制周期
0.5s。
4、选择调节器参数，进行流量控制，记录控制结果，并就不同参数下的控制效果进行定性讨论。
控制器
实验次数
PID
1
0.1
1
0.5
9.90
16
2
0.1
1
0
13.2
17.5
3
0.5
1
0
9.90
16
4
0.5
0.5
0
11.01
18.5
四、思考题
1、流量对象与液位对象有什么区别？
流量控制系统的参数整定要注意哪些问题？
答：
区别：
（1）液位对象需要同时考虑进水和出水，流量只需要控制进水。
（2）流量对象与液位对象选择的进水回路不同。
（3）液位对象受到的干扰小，流量所受干扰直接来自阀的开度和其他扰动，干扰较大且频繁。
参数整定：
（1）比例系数Kc增大，控制作用增强，响应速度快，但振荡会更频繁，系统不够稳定，所以Kc应该取得较小。
（2）积分系数Ti的控制有利于消除余差，但太大易引起系统振荡。
（3）微分系数To的控制有利于抑制超调，但会放大噪声，降低抗扰能力，不适用于干扰频繁的系统。
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