过程控制选做实验.docx

1、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-

2、02 GK-03 GK-04 GK-072、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，

3、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-

4、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

5、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h1LT1显示值HZvcmcm6、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

6、衡状态后，再记录测量数据，并填入下表：变频器输出频率fPID输出Vo水箱水位高度h1LT1显示值HZvcmcm7、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

7、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

8、(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

9、，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，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

10、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、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

11、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，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。8）、增大，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

12、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p。表二、值不变、不同Ti时的超调量p积分时间常数Ti大中小超调量p3）、固定积分时间T i于某一中间值，然后改变的大小，观察加扰动后

13、被调量输出的动态波形，并列表记录不同值下的超调量p。表三、Ti值不变、不同值下的p比例度大中小超调量p4）、选择合适的和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、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

14、%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、（、Ti）和（、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，作出不同值下的阶跃响应曲线。4、PI调节时，分别作出Ti不变、不同值时的阶跃响应曲线和不变、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