过程计算机控制系统实验报告.docx
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过程计算机控制系统实验报告
实验一过程控制系统简介及过程控制演示
一、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。
二、主要仪器与设备
1、计算机
2、接口模块USB-4711A
USB-4711A是即插即用数据采集模块，它通过USB端口与计算机相连，为数据测量与系统控制提供了便利。
USB-4711A通过USB端口获得所需电源，该模块包含了所有的数据采集功能，如：
16路AI，2路AO，8路DI，8路DO，1路32位计数器，其中A/D数据采集及D/A输出为12位。
USB-4711A模块如图1.1所示。
图1.2为USB-4711A模块上五个I/O接口的针脚定义。
图1.1USB-4711A模块
图1.2I/O接口针脚定义
3、水箱：
水箱如图1.3所示，技术参数见表1.1。
表1.1水箱参数
工作温度
最大：
+65
外部尺寸
宽度
深度
高度
240mm
190mm
385mm
材质
塑料
图1.3水箱
4、流量传感器
流量传感器如图1.4所示，主要技术参数见表1.2。
表1.2流量传感器技术参数
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1.4流量传感器
5、比例阀1094-PMR
比例阀如图1.5所示，主要技术指标见表1.3。
表1.3比例阀性能指标
工作电压
24VDC
控制电压
0—10VDC
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1.5比例阀
1094-PMR比例阀接口如图1.6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1.61094-PMR比例阀接口
6、液位传感器
主要技术参数见表1.4。
表1.4液位传感器技术参数
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温度传感器技术参数
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1.7所示。
系统所有部件的连接都是直接插拔，非常方便。
图1.7管路、接头等
实验二传感器、执行器实验
一、实验目的
了解传感器的工作原理，掌握常用传感器、USB-4711A接口模块在控制过程中的使用方法。
二、实验要求
⑴掌握传感器、执行器的接线方法；
⑵通过编程实现对液位、温度、流量等过程变量的数据采集及模拟量输出的功能；
⑶掌握过程变量测量误差的修正方法。
三、实验步骤
1、液位传感器的测试
按表中要求在水箱内注入不同高度的纯净水，利用万用表和USB-4711A模块的AI口分别测出液位传感器的输出电压，并在计算机内将电压转换成对应的高度。
如测量液位高度误差较大，需采取合适的方法进行修正。
将相关数据填入下表。
高度
输出
250mm
200mm
150mm
100mm
50mm
万用表测量值（伏）
3.09
2.47
1.84
1.22
0.6
A/D口测量值（伏）
3.105469
2.470703
1.865234
1.235352
0.615234
机内转换高度（mm）
248.43752
197.65624
149.21872
98.82816
49.21872
相对误差（%）
0.625%
1.172%
0.521%
1.172%
1.563%
修正后的高度（mm）
249.43
198.66
150.22
98.83
50.22
2、温度传感器的测试
用温度计测量出水温，同时利用万用表和USB-4711A模块的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）
万用表测量值
（伏）
A/D口测量电压（伏）
机内转换温度（度）
相对误差（%）
20.2
1.01
1.025391
20.50782
1.524%
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USB-4711A模块的EVT-IN口测量流量传感器单位时间内输出的脉冲数，并在计算机内转换成对应的流量。
将测量结果填入下表。
脉冲数（个/秒）
190
114
171
27
37
流量（l/min）
2.662
1.734
2.43
0.671
0.793
4、AO口输出测试
通过USB-4711A模块的AO口输出不同电压，比较机内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
2.01
4.43
6.93
9.4
相对误差（%）
0
19.6%
11.4%
7.6%
6%
四、思考题
1、液位传感器测量的准确性如何？
分析误差产生的原因，说明你在实验中采取的修正方法。
答：
准确性：
液位传感器测量存在一定误差，且液位越低传感器精度越低。
误差原因：
传感器结构本身存在系统误差，当液位为零时传感器读书不为零，导致存在零位误差。
且测量精度方面、系统老化灵敏度下降、操作上的误差、各类随机误差都有影响。
解决方法：
采用零位补偿法，即在用传感器计算液位时在原结果基础上加上零位误差值。
实验三单容水箱动态特性的测试
一、实验目的
学习单容水箱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按图3.1搭建测试系统。
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测试原理
对于液位系统，根据动态物料平衡关系有
（3.1）
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（3.2）
由式（3.1）、式（3.2），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：
（3.3）
⑶测试步骤
关闭出水阀，向水箱内注水至260mm左右，将出水阀调整至适当开度（整个测量过程中保持出水阀开度不变，出水管路畅通），测量指定液位高度所对应的出口流量，填入下表。
根据式（3.3）计算对象的数学模型。
h（mm）
120
160
200
240
（l/min）
1.954
2.039
2.125
2.210
（min/dm^2）
4.71
4.65
4.71
（min/dm^2）
4.69
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：
（1）.建模方法存在简化，实际中液阻和液位之间关系不是严格线性的。
（2）.液位与流量传感器测量不准确。
（3）.水管流通性不好，出水断续。
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
掌握液位单回路控制系统的设计方法及PID调节器参数整定的方法。
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，并对控制器参数进行整定。
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，搭建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为：
0.5s。
4、软件功能及正确性测试
断开执行器控制信号，对液位单回路控制系统软件进行如下测试：
⑴在水箱内注入一定量的水（10cm左右），取设定液位大于该实际液位，运行控制软件，观察并测量AO口控制电压是否逐渐增加到10V，并最终稳定在10V；
⑵取设定液位小于该实际液位，运行控制软件，观察并测量AO口控制电压是否稳定在0V；
⑶软件是否包含运行退出功能？
程序运行结束，AO口控制电压是否稳定在0V。
5、运用经验法确定数字PID调节器的参数。
选择PID调节器参数、、的初始值，观察控制效果。
根据经验调整各参数，记录不同参数情况下的控制效果，进而获得较为满意的调节器参数。
实验次数
调节器参数
性能指标
1
3
1
0.1
11.43%
220
2
3
1
0
11.76%
244
3
2
1
0
17.65%
273
4
3
1.6
0
16.28%
200
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？
答：
液位传感器测量不是很准，最后稳定的位置不是在设定的位置。
解决方法：
对液位传感器的零位进行了校正，通过零位补偿的方法将液位传感器的误差减小。
2、为了提高控制效果，你在控制算法上采取了哪些改进措施？
答：
在算法上采用了增量式PID算法，同时进行过限削弱控制，当控制电压大于10V时，用10V控制，当控制电压小于0V时，采用0V控制。
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
掌握流量单回路控制系统的设计方法及PID调节器参数整定的方法。
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。
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
设定流量值
液位
2、画出流量单回路控制系统方框图。
3、根据流量对象的特点，选择系统的采样控制周期为：
0.5s。
4、选择PID调节器参数、、的初始值，观察控制效果。
根据经验调整各参数，记录不同参数情况下的控制效果，进而获得较为满意的调节器参数。
控制器
实验次数
PID
1
1
1
0
10.9
28.5
2
1
0.8
0
19.5
26.5
3
1
1.2
0
6.5
26.5
4
1.5
1.2
0
10.9
21.5
四、
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