2022年2022年过程控制综合实验指导书 .pdf

1 过程控制综合实验实验指导书东华大学信息科学与技术学院2011.10 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 26 页 - - - - - - - - - 2 第一部分虚拟仪器技术及应用实验一 LabView 基础程序设计1实验目的：熟悉 LabVIEW 软件的基本编程环境。掌握前面板窗口和程序窗口的应用方法，了解图形化程序设计环境下条件、选择、顺序结构的表示和常用数据类型的操作。2实验内容：建立自己的虚拟仪器项目文档（.lvproj 文件），在其中建立两个VI 文档，分别实现任务（ 1） 、 （2） 、 （3）的要求。任务（ 1） ：设计简易计算器，实现“”的计算。在“数值A” 、 “ 数值 B”框中输入实数，点击“运算”按钮同时完成两数的“”运算，并显示结果。点击“退出”按钮结束程序运行。图 1-1 前面板示例提示：利用条件结构实现“运算”功能，利用循环结构控制“退出”。运算由数值函数实现。任务（ 2） ：数组操作利用循环结构， 每 1 秒产生 10 个 10100 间的随机数， 将其填入一个一维数组，显示数组元素的平均值、最大值、最小值，并将数组由大到小重新排列后，重新显示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 26 页 - - - - - - - - - 3 图 1-4 前面板效果提示：用While 循环控制时间，在While 循环控制中嵌套for 循环产生数组的元素值，并在 for 循环中进行元素值的累加。求最大、最小值、排序可通过数组操作控件实现。任务（ 3） ：周期信号的产生和显示设计 VI，产生周期为400ms 的梯形波，波形时序如图1-2 所示，图 1-2 波形要求界面效果可参考图1-3，梯形波的最大幅值可设置，产生的波形用波形图表和数值框显示。图 1-3 梯形波信号发生器前面板提示：梯形波的产生可采用“顺序结构+循环结构”（每个循环用计时控件控制周期时间）实现一个周期的四段不同的曲线。实验报告要求：（1）所设计的子VI 程序窗口的屏幕截图（2）所设计的程序流程的简单说明（3）程序调试中遇到的问题、出现的错误及如何改正。100ms 100ms 100ms 100ms 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 26 页 - - - - - - - - - 4 思考题：任务（ 3）的波形还可以使用LabView 提供的信号处理控件“仿真任意波形”实现（添加图标：函数选板中“信号处理”“波形生成”“仿真任意波形” ） ，你能否用这种控件生成梯形波？如果可以，请给出所设计的子VI 程序窗口的屏幕截图，并说明控件的参数配置。实验二一阶惯性环节的仿真实验目的：了解利用对象数学模型在LabView 环境设计仿真程序的方法。实验要求：创建一个VI 程序，此VI 要设计一个一阶惯性环节的仿真对象，并在阶跃输入情况下显示其的输出响应的波形和实时数据。要求阶跃信号幅度、仿真对象的参数可设置。前面板效果可参考图3-1，图 3-1 前面板效果图提示：（1）将一阶惯性对象的传递函数1)(TSKsG，先转换为差分方程，再利用编程方式实现仿真运算。（2）仿真算法可利用循环结构+数值计算控件实现，或利用公式节点借助类似C 语言的命令语句实现。（3）用波形图表显示两路信号时，可将两路信号对应的数据捆绑为一个簇数据送到波形图标的数据输入端。如图2-2 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 26 页 - - - - - - - - - 5 图 2-2 多路信号在一个波形图坐标系统中的显示实验报告要求：（1）由传递函数推导差分方程的过程（2）所设计的子VI 程序窗口的屏幕截图（3）所设计的程序流程的简单说明（4）程序调试中遇到的问题、出现的错误及如何改正。思考题：如何建立二阶惯性环节的仿真程序？给出你设计的VI 的程序窗口截图， 并做简单说明。实验三信号采集和处理实验目的：了解 NI 公司 DAQ 硬件和 LabView 软件配合进行数据采集（DAQ）操作的基本方法。实验要求：利用 NI-6009 数据采集卡和LabView 软件配合实现交流信号的采集和处理，要求测量交流信号的周期、频率、幅值，显示采集的信号波形和数据，并将数据保存到电子表格中。实验设备和实验系统结构：NI USB-6009 多功能数据采集卡，传感器实验台，PC 机NI USB-6009 多功能数据采集卡具备模拟A/D、D/A ，数字 DI 、DO 和计数器等多种功能，其主要性能如下：8 路模拟输入通道(14 位分辨率 ,48 kS/s) 2 路模拟输出通道(12 位分辨率 , 150 S/s); 12 条数字 I/O 线, 32 分辨率计数器图 3-1 实验系统结构USB接口传感器实验台模拟信号数据 1 数据 2 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 26 页 - - - - - - - - - 6 实验操作的基本步骤：（1）在程序框图中，建立DAQ 通道和 DAQ 任务，对硬件进行配置。在程序窗口的函数选板选中“测量IO” “ DAQmx 数据采集” ，选择“ DAQmx 任务名”图标，在程序窗口中建立图标。右击图标，在弹出的快捷菜单中选择“新建NI-DAQmx任务”“项目” ，打开 NI-DAQ 任务创建窗口图 3-2 NI-DAQ任务创建窗口在右侧项目栏中选择“采集信号”“模拟输入”“电压”，打开通道选择对话框：图 3-3 通道选择在差分输入方式下USB-6009 最多支持4 路模拟输入采样通道ai0ai3，本次实验只采集一路信号，因此只选择一路模拟通道ai0，单击选中后单击“完成”命令按钮。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 26 页 - - - - - - - - - 7 图 3-3 建立任务名称在打开的对话框中输入任务名称（如图所示“交流电压信号采集”） 。然后单击“完成”命令按钮。打开“DAQ 助手”窗口。图 3-4 “DAQ 助手”窗口可设置项目：（1）信号范围；（2）采样模式1 采样、 N 采样、连续采样；（3）采样数和采样频率采样率要求小于或等于采样数。本次实验选择：连续采样，每秒采样10 次（采样率） ，每组采样10 个，信号范围 -5+5V。完成设置后单击“确定”命令按钮，保存任务后窗口关闭，在 DAQmx 任务图标中会显示任名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 26 页 - - - - - - - - - 8 务名。1、 建立采集流程图 3-5 自动生成的流程代码和前面板控件。右击包含DAQ 任务名的DAQmx任务图标，在快捷菜单中选择“生成代码”“范例” ，由 LabView 的自动生成代码功能生成连续采集和数据图形显示的功能的流程程序和前面板。2、 用户界面的设计在前面板窗口添加波形图表控件，和数组控件，数组定义为一维，10 个元素。图 3-6 修改后的前面板窗口。在程序窗口参照图3-7 示例，添加图标和连线， 对程序窗口的数据处理流程作如下修改。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 26 页 - - - - - - - - - 9 图 3-7 修改后的程序面板窗口添加的函数控件图标：“波形图表”图标和一维数组“采样值” 图标由前面板控件产生。“索引数组”图标在函数选板中选择“编程”“数组”“索引数组”图标进行添加。“获取波形成分”图标在函数选板中选择“编程”“波形”“获取波形成分”图标进行添加。3、数据保存的实现在循环中添加文件IO 控件，将采样数据或处理后的采样数据连线到文件IO 图标，实现数据保存到电子表格文件中的功能。方法一：利用函数选版中的“文件IO ”功能的相关图标，保存处理采样数据获得的数组。方法二：利用函数选版中“波形”“波形文件IO ”功能的相关图标，保存波形数据到电子表格。设计完毕后， 利用实验台的交流信号源提供被测信号，调节信号参数（频率、幅度等），观察程序运行时的数据采集结果。实验报告要求：（1）采样 VI 运行时前面板的屏幕截图（2）包含数据存盘功能的子VI 程序窗口的屏幕截图（3）说明保存采样数据到电子表格的功能是如何设计的。（4）程序调试中遇到的问题、出现的错误及如何改正。思考题： 获取波形成分图标和索引数组图标在程序中起什么作用？索引数组图标的参数0表示什么含义？名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 26 页 - - - - - - - - - 10 实验四利用 LabView 创建简单控制系统实验目的：掌握 LabView 的 PID Control 函数的基本使用方法， 学习使用第三方驱动程序在LabView软件中操作其他厂商的数据采集卡的方法。了解控制系统的组成和软件设计方法。实验环境：泓格 Icp 7017 （AD ）,7024（DA ）,7520（串口通信）模块，固态继电器，电加热器。微机，LabView 软件。实验内容：1 参照系统结构原理图，了解设备的线路连接2 设计 VI 文档实现以下要求：1） 测量和显示电加热器的温度；2） 设计操作面板，提供控制器参数设置功能。3） 用设计控制运算，并输出控制信号，实现控制功能；4） 用文件记录被控参数的变化。设计说明：一、系统的硬件结构图 4-1 所示为温度控制系统的硬件组成。利用 ICP7000 系列的数据采集模块完成温度信号采集、加热信号输出。其中7017 A/D 模块将 0100对应的010V 直流电压信号转换为数字信号， 经 RS485 串口输出； 7520 通信转换模块将数字信号经RS485 串口接收后， 再以RS232 串口发送至微机。在微机中运行的控制软件读取信号，并进行控制运算，产生数字量控制信号输出，经RS232 串口送至通信模块7520，再由 7520 通过 RS485 串口将数字量控制信号传送到D/A 模块 7024 ，7024 模块输出 010V 的模拟信号操作加热装置，实现控制功能。图 4-1 控制系统结构名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 26 页 - - - - - - - - - 11 二、利用LabView 编写控制软件本实验要求利用LabView 软件的 PID 函数控件和第三方厂商提供的串口通信子VI 设计微机上运行的数据采集和控制系统软件。设计要包含以下2 个方面1、利用串口通信子VI 实现模块信号的采集和操作量输出建立 VI 文件，切换到程序框图利用函数选板的“选择VI”项打开在IcpDriver文件夹中保存的Uart.llb （Open com.vi ）文件，选择Open_Com.vi 子 vi 和 Close_Com.vi，在程序框图中添加图标。打 开文件Dcon_gen.llb分别选 择(DCON_Read_AI.vi DCON_Write_AO.vi DCON_Read_AO.vi) 三个项目添加图标 . 。这两个文件是第三方厂商为支持LabView 通过串口访问和操作数据采集模块提供的子vi 库。添加的图标的作用和所需的参数如表41 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 26 页 - - - - - - - - - 12 表 4 1 图标作用常用端口参数及设置值建立串口通信Port number （串口号， 整形数据）： 1 （表示 Com1）Baudrate(波特率，整形数据)：9600 结束串口通信Port number （串口号）：1 （表示 Com1）Return （返回信息） ：输出端口，可输出以表示通信状态的整数值。(0正常非零有错误 ) 读取 A/D 模块DCON_Module( 通信参数， 簇数据 ):包含 5 项整形数据。1 ComPort （串口号）：1 2 Address（模块地址） ：根据实际设置确定3 slot（滤波方式设置） ：-1 4 checksum（数据校验）： 0 5 访问超时上限（ms） ：1000 AITotalCh （通道总数，整型数据）AIChannel ( 选用通道，整型数据) Float_AI ( 读取的数据，实型数据) 向 D/A 模块写出DCON_Module( 通信参数， 簇数据 ):包含 5 项整形数据：1 ComPort （串口号）：1 2 Address（模块地址） ：根据实际设置确定3 slot（滤波方式设置） ：-1 4 checksum（数据校验）： 0 5 访问超时上限（ms） ：1000 AO_VAlue( 被输出控制数据，实型数据) AOTotalCh（通道总数，整型数据）AOChannel ( 选用通道，整型数据) 返回 D/A 写出的数据DCON_Module( 通信参数， 簇数据 ):包含 5 项整形数据。1 ComPort （串口号）：1 2 Address（模块地址） ：根据实际设置确定3 slot（滤波方式设置） ：-1 4 checksum（数据校验） ：0 5 访问超时上限（ms） ：1000 AO_VAlue( 读取的被输出数据，实型数据) AOTotalCh（通道总数，整型数据）AOChannel ( 选用通道，整型数据) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 26 页 - - - - - - - - - 13 添加图标后，利用连线组成模块数据采集和输出功能，其工作流程为图 4-2 工作流程程序框图的设计可参考图4-3，其中主流程采用平铺式顺序结构组成，左侧第一帧执行打开串口操作， 并构造了两个簇参数用于后继的A/D 操作图标和 D/A 操作图标。第二帧包含的循环结构执行采样、运算、 输出的主要控制流程，控制流程在循环结果内部同样采用平铺式顺序结构从左向右依次执行，分别完成采样、控制运算、输出控制量的功能，并在 While 循环中反复执行。右侧第三帧在停止控制操作后关闭串口。图 4-4 控制循环流程每一次控制循环也由3 个顺序结构流程组成：左侧第一帧执行采样数据读取；第 2 帧执行控制算法和数据显示，第 3 帧执行数据输出。 其中部分控件图标与前面板中的操作控件有关。参照范例流程设计时请注意它们的对应关系（可根据标签名称查看）。打开串口读取 A/D 模块数据计算控制输出将计算结果输出到D/A 模块监视 D/A 模块输出变化关闭串口停止控制？名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 26 页 - - - - - - - - - 14 图 4-3 程序控件流程设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 26 页 - - - - - - - - - 15 2、控制运算的实现控制算法是实现控制效果的关键，最简单的如两位式开关控制，常见的如PID（比例积分微分）控制等，实现的控制算法的方式主要有以下几种，（1）直接在程序中写出算法：如图4-4 所示为一个利用“公式节点”设计的两位式开关控制算法，其中pv 变量为输入量，表示采样值；sv 变量为输入量表示设定值，auto 变量为输出量，表示控制输出。功能为：采样值pv 比设定值 sv 低 3时，输出为5；采样值pv比设定值sv 高 3时，输出为0. 图 4-5 （2）自己设计算法子VI 并进行调用（3）利用 LabView 附加工具包的PID Control 子 VI 实现控制算法。实验中实现控制算法的方式以及控制算法可自行选择：可参照图4-4 使用位式控制算法，也可改变公式节点中的算法指令，使用其他的控制算法（如PID 控制算法），也用自己设计的子VI 或 PID Control 子 VI 替代公式节点实现控制算法。3、操作界面及功能设计常用的控制器操作界面设计一般包含以下功能部分：a)控制目标设定（调节设定值）b)控制参数设定（报警范围、PID 控制参数值、信号幅度限制等）c)手动/自动功能选择 (手动 -人工操作，自动- 算法控制输出操作) d)人工操作控制输出值设置e)数据显示（采样值、控制输出值、设定值）f)过程曲线显示（采样值、控制输出值、设定值）用户操作面板设计可根据需要自行设计。如图 4-5 所示为简单两位式控制系统设计的操作面板效果图。参照范例设计时，应注意程序框图和前面板中对应控件图标的名称的联系。面板中“模块参数设置” 、 “输入、输出模块地址”选择和“输入、输出通道”选择控件主要针对本实验中特定的通信模块设置，“输入、输出模块地址”和“输入、输出通道选择”采用数值输入控件实现， “模块参数设置”由一个簇包含的若干整型数值输入控件实现。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 26 页 - - - - - - - - - 16 控制操作控件包括各项数据的显示（输入、 输出、 设定值的柱形图和数值显示及波形图表） ；用布尔控件实现的“自动、手动“选择和“停止”开关；用数值输入控件实现“手动输出设定”；用“垂直指针滑动”控件实现“设定值设置”。图 4-5 操作面板设计完毕后，调试并运行VI 程序，进行温度控制，改变控制参数，并观察效果。实验报告要求：（1）采样 VI 运行时前面板的屏幕截图（2）包含数据存盘功能的子VI 程序窗口的屏幕截图（3）说明控制算法和数据存盘功能的设计方案和实现方法。（4）程序调试中遇到的问题、出现的错误及如何改正。思考题： 介绍一下你采用的控制算法的特点。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 26 页 - - - - - - - - - 17 第二部分温度、液位控制实验实验五 过程控制仿真实验实验目的：熟练掌握过程控制系统调节器参数整定的一般方法。实验设备：计算机，仿真软件实验要求：根据给定的对象传递函数设置仿真模型参数，完成单回路、 串级、 前馈控制系统的调节器参数整定，使控制系统调节过程的衰减率约为0.75（衰减比 4：1） 。实验软件和实验过程简介：1启动软件后可利用“系统”菜单选择仿真系统的类型图 5-1 系统菜单图 5-2 对象参数设置2进入系统后，利用图形界面的不同选择区域设置被控对象和执行机构的参数1 将调节器工作方式设置为“手动”，运用“工具”菜单提供的“对象特性”功能测定调节通道的传递函数（以一阶惯性+纯滞后表示） 。 （见图 5-2）图 5-3 “工具”菜单选项对象特性测定窗口如图5-4 所示，可参考右侧说明的操作提示进行对象特性测定操作。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 26 页 - - - - - - - - - 18 图 5-4 对象特性测定对话框4利用测定的对象特性，估算调节器的P、 I、D 参数，并进行调节器参数设置。图 5-5 调节器参数设定对话框5利用“运行”菜单的“启动系统”执行仿真调节过程，根据过渡过程曲线，调整PID 参数，使衰减率为0.75。重复运行仿真调节过程可直接利用“运行”菜单的“系统置零”。1、 单击“开始采样”2、 待 曲 线 稳定 后 单 击“停止采样”和“显示网格”3、 单击“对象测定”，完成参数计算。主要设定项目：1、 比例带、积分时间、微分时间。2、 手动、自动方式3、 设定值名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 26 页 - - - - - - - - - 19 图 5-7 串级控制系统仿真界面实验报告要求：1.对象特性测定曲线和特性参数测定结果2.PID 参数的估算过程及估算值。3.各仿真实验的过渡过程曲线和实际使用的PID 参数。单 击 可 设 置对象参数单 击 可 显 示过 渡 过 程 曲单 击 可 设 置调节器参数单 击 可 设 置执 行 机 构 参单 击 可 设 置干 扰 信 号 参图 5-6 单容单回路控制仿真实验界面单击可设置主对象参数单击可设置副对象调节过渡过程曲线。单击可设置副对象参数单击可设置副调节器参数单击可设置主调节器参数单击可查看主对象调节过渡过程曲线。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 26 页 - - - - - - - - - 20 实验六 被控对象特性测试和单回路控制系统整定一、实验目的1.掌握对象特性的阶跃响应的工程测试方法，记录相应液位的阶跃响应曲线和数据。2.根据实验得到的液位阶跃响应曲线，学会用两点法和图解法估算对象的参数，确定被测对象的传递函数。3.了解单闭环液位控制系统的结构与组成。4.掌握单闭环液位控制系统调节器参数的整定。5.研究调节器相关参数的变化对系统动态性能的影响。二、实验设备THJ-2 型高级过程控制系统实验装置，计算机及相关软件。系统结构如下图所示：图 6-1 对象的阶跃响应曲线为图6-2 ， 则在此曲线的拐点D处作一切线， 它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A 点。图中 OB即为对象的滞后时间，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：H(S)=TsKes1根据实验数据可利用两点法求取K、T、的参数值。从而为控制器控制参数估算做好准备。图 6-2 单容水箱的阶跃响应曲线名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 26 页 - - - - - - - - - 21 四、实验内容与步骤1、测定下水箱的单容对象传递函数选择下水箱液位作为被控对象，采用对下水箱加水方法加入阶跃输入，记录数据，计算参数并写出传递函数，并绘制曲线。（1） 按接线图接好实验线路，接通总电源和相关的仪表电源，并启动磁力驱动泵。（2） 把调节器设置于手动操作状态，通过调节器手动操作设定其输出量的大小（如30% ） ，使水箱的液位处于某一平衡位置。（3） 手动操作调节器，使其输出有一个正阶跃增量的变化（如先设置30% 50% ，但此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一定的调节时间后， 水箱的液位进入新的平衡状态，如图 2-4 所示。利用实验软件的功能（历史曲线、历史数据），记录实验数据和阶跃响应曲线。（4）. 手动操作调节器，使其输出有一个负阶跃增量的变化（如设置50% 30% ， ）, 于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一定的调节时间后，水箱的液位进入新的平衡状态，记录数据实验数据和曲线。2、利用实验装置的下水箱进行单容对象单回路闭环负反馈控制实验系统的被控对象为下水箱，其液位高度作为系统的被控制量。系统的给定信号为一定值，它要求被控制量下水箱的液位在稳态时等于给定值。由反馈控制的原理可知，应把下水箱的液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。系统的调节规律为PI 或 PID。（1） 完成系统的接线，接通总电源和相关仪表的电源。（2） 打开 阀 F1-1 、F1-2 、F1-6（3） 根据对象传递函数，估算PID 参数，并设置调节器的相关参数。（4） 设置好系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，使电动调节阀给上水箱打水，待其液位达到给定量所要求的值，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。当系统稳定运行后，改变设定值，观察并记录系统的输出响应曲线。如控制品质不佳，应适当改变调节器参数。使衰减比在4：110：1 的范围内。（5）. 待系统进入稳态后，适量改变（利用变频器增加）干扰流量，以作为系统的扰动，观察并记录在阶跃扰动作用下液位变化过程的输出响应曲线。五、实验报告内容2 对象特性测定的过渡过程的曲线和数据（可截图，但需加一些辅助的文字说明）3 两点法的计算分析过程3把由实验数据利用两点法计算获得的对象特性参数填入下表。参数值测量值液位 h K T 正向输入负向输入平均值4. PID调节参数的估算过程5. 执行闭环调节控制时的过渡过程的曲线、数据和对应的调节器参数（可截图，但需加一些辅助的文字说明）6. 通过曲线和过渡过程数据估算控制过程的衰减比、余差、最大偏差（超调量）和过渡过程时间。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 26 页 - - - - - - - - - 22 六、思考题1做本实验时，为什么不能任意改变出水口阀开度的大小？2用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？实验七下水箱液位的前馈 - 反馈控制系统一、实验目的1、通过实验进一步了解前馈反馈控制系统的原理和结构。2、掌握前馈补偿器的设计方法。3、掌握前馈反馈控制系统参数的整定与投运。二、实验设备1、THJ-2 高级过程控制系统实验装置2、计算机、上位机MCGS 组态软件、 RS232-485 转换器 1 只、串口线1 根。三、实验原理图 7-1 前馈 - 反馈控制系统的结构图前馈反馈控制系统中的主要扰动由前馈部分进行补偿，这种扰动能测定，其它所有扰动对被控制量所产生的影响均由负反馈系统来消除。这样就能使系统的动态误差大大减小。图 7-1 为本实验的系统结构图，被控制量是下水箱的液位，扰动为流量F。图 7-2 为该控制系统的方框图。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 26 页 - - - - - - - - - 23 图 7-2 控制系统的方框图图中GC（ S ）调节器 G0（S）电动调节阀、下水箱Gf（ S ）干扰通道的传递函数 GB（S）前馈补偿器H（S）液位变送器由图 6-2 可知，扰动F（S）得到全补偿的条件为F（S）Gf（S） F（ S）GB（S）G0（S） 0 GB（S）)()(0SGSGf（1）上式给出的条件由于受到物理实现条件的限制，显然只能近似地得到满足，即前馈控制不能全部消除扰动对被控制量的影响，但如果它能去掉扰动对被控制量的大部分影响，则认为前馈控制已起到了应有的作用。为使补偿器简单起见，GB（S）用比例器来实现，其值按以下式（ 2）来计算。四、实验步骤本实验选择下水箱作为被控对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8、F2-1、F2-5 全开，将下水箱出水阀F1-11 开至适当开度，其余阀门都关闭。1、 按接线图组成液位前馈- 馈控制系统，并完成系统的接线。（附接线图）控制屏上将“FT2 变频器支路流量” 、 “LT3 下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。2、 合上总电源和相关仪表的电源。3、 打开计算机MCGS 运行环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验二十一、下水箱液位前馈反馈控制系统”，进入实验的监控界面。4、 在计算机监控界面中将智能仪表设置为“手动”输出，并将输出值设置为一个合适的值，此操作也可通过调节仪表实现。合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加 /减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位平衡于设定值。5、 不加补偿器，使系统处于反馈运行状态。按单回路温度系统的参数整定方法，整定好调节器WC（ S）的参数。先用手动使系统的输出量液位接近于稳态值，然后投入自动运行；然后加一适量扰动（变频器支路定值打水），观察并记录被控制量H的变化过程。6、计算补偿器KB值。当补偿器采用比例环节时，图7-2 可用图 7-3 来表示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 26 页 - - - - - - - - - 24 图 7-3 前馈 - 反馈控制系统图中：WC（S）- 控制器 W0（S）- 被控对象Wf（S）- 干扰通道的传递函数由式（ 1）可知， KB=0KKf（2）式中 Kf- 干扰通道的静态放大倍数 K0- 控制通道的静态放大倍数7、KB的闭环整定法 ( 前馈 - 反馈整定法 ) 在反馈回路整定好的基础上，先合上图7-3 中的开关K，使系统变为前馈- 反馈控制系统，然后调节KB值，使之由小逐渐变大，可得到在扰动Q（t ）作用下如图6-4 所示的一系列响应曲线，其中图6-4 （b）所示的曲线补偿效果最好。0TtttTT0(a) 欠补偿 (b)补偿合适 (c)过补偿图 7-4 前馈 - 反馈系统 KB的整定过程将由实验中测得的KB值设置于前馈补偿器中，施加同上面大小相同的扰动，观察系统输出的响应过程。如果记录曲线不够理想，可实时调整KB值，直至所得的响应曲线满意为止。五、实验报告1、画出液位前馈- 反馈控制系统的方框图。2、根据实验，确定前馈补偿器的系数KB。3、画出不加前馈补偿器时，系统在扰动作用下被控制量的响应曲线。4、画出加上前馈补偿器后，系统在同样扰动作用下被控制量的响应曲线。5、根据所得的实验结果进行分析。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 24 页，共 26 页 - - - - - - - - - 25 实验八温度串级控制系统一实验目的利用 PC 机和通道模块构成的DDC 的硬件系统， 通过组态软件的操作，设计温度对象的控制方案， 并对串级控制方案进行实际运行，对其控制品质及特点进行分析和比较，从而加深对过程控制理论的理解和认识。二实验设备1、 三温度实验装置。2、计算机、三温度实验系统组态软件。三、实验原理实验装置为一个三容温度对象，实验装置的结构图如图1-3 所示，本实验要求组成一个温度串级控制系统，被控对象为二/三容水槽，即主控制量为二/三水槽的温度，副对象为一容水槽。图 7-1 三温度实验装置结构图四 .实验内容及步骤: 1.实验前的准备：(1)了解实验装置的结构及电器设备的连接，特别要了解水槽液位控制系统中变频器和液位调节器的组成原理及仪器的使用方法（参考说明书）。(2) 打开水龙头，先对实验装置下方的大槽注水。然后，打开电源总开关，按控制面板上的“变频器电源”绿色按钮后，再按“变频器启动”绿色按钮，用液位调节器与变频器来控制水泵的转速，对上水槽的液位实施自动控制(上水槽液位必须保持在测温传感器热电阻的上方)，直到上水槽液位稳定。2. 实验步骤 : (1) 启动 DDC 软件，完成三温度串级控制系统的组态。组态时注意A/D，D/A 端口的使用情况, A/D 和 D/A 的端口号如下表所示.: 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 25 页，共 26 页 - - - - - - - - - 26 输入端口号对象输出端口号对象A/D 3 1 阶槽温度D/A 02 温度执行器A/D 4 2 阶槽温度A/D 5 3 阶槽温度组态时注意PID 调节器的参数设置，一般先设置“手动”；OP（手动输出量）不宜过大；正确设置正/反作用。(2) 组态完成后， 单击流程图上的“ 开始 ” 命令按钮 , 开始采样 , 同时开始记录温度曲线. 。开启 “加热器” 电源开关K1(控制柜内 )，运行系统。动态对象的测试:先将 PID 调节器设置均为“ 手动 ” , OP=50%左右 , 当温度稳定后 , 改变 OP 值（增加 /减少20%左右） , 开始记录温度曲线（串级系统可同时测试主、副对象）。根据曲线求取对象的 K、T、，并估算P、 I、D 参数。投运与工程参数整定： 先将副 PID 调节器设置为“ 自动 ” ，主 PID 调节器设置为“手动”，如： “OP=25” ，即副 PID 调节器的外给定值为25，正确设置副调节器的P、I 参数（ D=0） ，直到副对象的过渡过程的曲线约为10 ：1 的衰减过程为止（允许有余差）。 再将主PID 调节器设置为 “ 自动 ” ，投运后，进行P、I、D 参数整定，直到系统的过渡过程的曲线为4：1 的衰减过程为止, 并比较单回路和串级回路的调节品质。打印 4：1 衰减过程的实验曲线图。五、实验报告要求（1）画出实验控制系统的系统结构图和系统框图；（2）分别祥细写出实验步骤，包括系统组态、参数求取、参数计算和参数整定过程；（3）记录每个实验相应的过渡过程响应曲线（主、副对象特性响应曲线和主、副调节器 P、I、D 参数整定的4：1 的衰减过程曲线） ，并加以分析，加深理解串级控制系统的原理和特点。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 26 页，共 26 页 - - - - - - - - -