《过程控制系统》实验指导书.doc
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《过程控制系统》
实验指导书
电气工程学院自动化系
09年5月
实验项目
实验编号
实验名称
时数
页码
01
过程控制实验装置的构成与基本操作
2
02
单回路控制系统对象特性测试实验
2
03
单回路控制系统基本PID控制实验
2
04
微分先行PID控制实验
2
05
2
学生实验须知
一实验要求
1认真进行实验预习和准备，应教师要求于实验前完成实验准备报告；
2按照安排的时间、地点和分组签到和参加实验。
因故调换应提交调换申请并经教师批准；
3在指定实验台（位置）进行实验，不得随意调换，不得动用非实验设备；
4实验时，主动参与，认真细致，互助合作，注意安全。
有问题主动向教师请教。
5实验结束，整理好实验设备，报告指导教师检查实验结果，经认可后方可离开。
6损坏设备，应予以赔偿。
二实验报告基本要求
1在院统一印制的实验报告用纸上书写报告；
2书写整洁，符号、表格和曲线规范；
3实验记录数据真实客观，实验结果分析认真正确；
4按时呈交。
实验报告作为教学档案由院留存。
三实验成绩评定
1每项实验的成绩综合学生出勤、实验过程（参与程度，实验结果，设备安全和人身安全）情况和实验报告质量（内容和规范性）给出。
不参加实验或不提交报告者，该项实验成绩为0分。
2实验成绩计入课程平时成绩表；
3不参加实验及不提交报告达三次者，将取消该课程考核资格。
实验一过程控制实验装置的构成与基本操作
一、实验目的
1、了解本实验装置的结构与组成。
2、掌握单回路控制系统的基本组建方式。
3、掌握实验装置的基本操作与仪表的调整方法。
二、实验设备
1、THGK-1型过程控制实验装置一套
GK-02GK-03GK-04GK-07
2、计算机一套
三、实验装置的结构框图
1、过程控制实验装置结构图
2、S500系列变频器
（3）多段速运行控制
四、实验步骤：
1、设备组装与检查：
1）、将GK-02、GK-03、GK-04、GK-07挂箱由右至左依次挂于实验屏上。
并将挂件的三芯蓝插头插于相应的插座中。
2）、先打开空气开关再打开钥匙开关，此时停止按钮红灯亮。
3）、按下起动按钮，此时交流电压表指示为220V，所有的三芯蓝插座得电。
4）、关闭各个挂件的电源进行连线。
2、单回路控制系统接线：
1）、控制方式1：
将GK-04模拟PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，电位器输出接其给定，传感器接其反馈输入，并将其“输出“接GK-07变频器的“2”与“5”两端（注意：
2正、5负），GK-07的输出“A、B、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U1、V1、W1”输入端；GK-07的“SD”与“STR”短接，设定变频器相关参数，调节电位器输出，使电机驱动泵正转打水（若此时电机为反转，则“SD”与“STF”短接）。
2）、控制方式2：
传感器输出接GK-02单片机控制器输入，将单片机控制器的“输出1”端接GK-07变频器的“2”与“5”两端（注意：
2正、5负）；单片机控制器rs232通讯端口接计算机串口1，将GK-07变频器的输出“A、B、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U1、V1、W1”输入端；GK-07的“SD”与“STR”短接，使电机正转打水（若此时电机为反转，则“SD”与“STF”短接）。
3）、控制方式3：
传感器输出接数字仪表控制器输入，将仪表的“输出”端接加热器两端；对数字仪表控制器参数进行设定。
3、变频器控制接线方式：
1）、电位器控制方式：
将电位器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，电位器输出接GK-07变频器的“2”与“5”两端（注意：
2正、5负），GK-07的输出“A、B、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U1、V1、W1”输入端；GK-07的“SD”与“STR”短接，设定变频器相关参数，调节电位器输出，使电机驱动泵正转打水（若此时电机为反转，则“SD”与“STF”）。
2）、电流控制方式：
将数字控制仪表的4~20mA输出接GK-07变频器的“”与“5”两端（注意：
4正、5负），GK-07的输出“A、B、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U1、V1、W1”输入端；GK-07的“SD”与“STR”短接，设定变频器相关参数，使电机驱动泵正转打水（若此时电机为反转，则“SD”与“STF”）。
3）、电压控制方式：
将数字控制仪表的0~5V输出接GK-07变频器的“2”与“5”两端（注意：
2正、5负），GK-07的输出“A、B、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U1、V1、W1”输入端；GK-07的“SD”与“STR”短接，设定变频器相关参数，使电机驱动泵正转打水（若此时电机为反转，则“SD”与“STF”）。
五：
实验报告要求
绘制实验中的三种控制系统接线图。
实验二单回路控制系统对象特性测试实验
一实验目的
1.熟悉温度对象的数学模型及其阶跃响应曲线。
2.根据由实际测得的对象的温度阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。
二、实验设备
1.wk-1型温度控制实验装置一套
2.计算机系统一套
三、实验原理
阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，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或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。
电加热器温度对象模型可用用一阶惯性加滞后环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。
其传递函数可以近似为：
（2.1）
式中T为对象的时间常数，为纯滞后时间，K为放大系数。
1．实验装置系统框图
A/D
D/A
接口
多路模拟量输出通道
屏幕显示
开关量输出通道
开关量输入通道
键盘
多路模拟量输入通道
执行机构与
温
度
对
象
数据显示
计算机
手动/自动转换
图2.1WK-1型温度控制系统组成
0.1
0
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.393
0.55
0.632
0.865
0.393
图2.2带纯滞后对象的一阶近似
2．两点计算法
被控量以相对值表示，即，当或时有
（2.2）
选择几个不同的时间，，可得相应的，如图2.2所示。
由此可得在时间与的两个联立方程
（2.3）
两边取对数：
（2.4）
联解得：
（2.5）
在响应曲线上量出与、相对应的、值，即可按上式计算时间常数T及纯滞后值。
一般选择，，因此得：
（2.6）
（2.7）
计算出T和后，还应在、、时刻所对应的曲线值进行校验，与下列数值相近时为合格，即：
时，（2.8）
时，（2.9）
时，（2.10）
这样计算出的T与较上述切线法准确。
放大系数K按式（2.11）求取。
（2.11）
式中为阶跃信号幅值。
四、实验步骤
1．启动计算机，并通电实验装置,可控调压器开关拨到自动位置；
2．进入TC运行环境，运行实验程序set09.c,按顺序输入以下各参数：
Ts:
3（采样周期）
U:
3或4（阶跃信号幅值）
Sum：
500（总采样个数）
3．观察温度系统阶跃响应记录曲线，了解滞后特性，等500个点采集完毕后，计算机会自动处理相关数据，请检验计算出的T和在、、时刻所对应的曲线值是否与下列数值相近，即
时，
时，
时，
4．检验合格时，把有关数据记录在下表格中。
序号
Ts
U
Sum
K
T
1
2
3
5．重复步骤2～4,适当改变Ts或U值，做2～3组，最后把合格K、T和求平均后作为对象的特性参数。
五、思考题
1．除了两点计算法，还有那些其他方法？
把两点法与其他方法的优缺点进行比较。
实验三单回路控制系统PID控制实验
一、实验目的
1.熟悉PID控制原理。
2.掌握PID参数调整方法。
二、实验设备
1.wk-1型温度控制实验装置一套
2.计算机系统一套
三、实验原理
PID控制中，存在着比例、积分和微分三种作用。
比例控制环节的输出量与输入量之间为一种固定的正比例关系，当偏差作为输入量时，只要一出现偏差，就能及时地产生与之成比例的调节作用，具有控制及时的特点，控制作用的强弱取决于比例系数Kp的大小。
其不足之处是存在静差，特别是对于扰动较大、惯性也较大的系统，仅采用单纯的比例调节，很难兼顾动态和稳态特性。
Kp的大小要根据被控对象的特性来折中选取，既能使静差减小，又要得到较好的控制品质。
积分控制可以对偏差进行记忆并积分，有利于消除静差。
只要偏差不为零，它将通过累积作用影响输出控制量，以求减小偏差，直到偏差为零；积分时间Ti越大，则积分速度越慢，积分作用就越弱，反之几分作用强；缺点是具有滞后特性，会降低系统的响应速度。
微分控制的输出能够反映输入偏差变化的速度，而对于一个固定不变的偏差，不管其值多大也不会有微分作用输出，它根据偏差变化的速度，提前给出较大的调节作用，使偏差尽快消除。
具有比例、积分和微分三种作用的连续系统的PID控制控制规律为：
（3.1）
在计算机控制系统中，离散化的数字PID控制算法分为两种，一种称为位置式PID控制，其离散的表达式为：
（3.2）
位置式算法的最大缺点是：
新的控制输出与系统过去的状态有关，需要对过去所有的偏差累加计算，计算机的运算量非常大。
另一种称为增量式PID控制，其离散的增量表达式为：
（3.3）
（3.4）
采用增量式算法，减小了计算量，而且每次只输出微小控制增量，使执行机构不至于剧烈变化，减小了执行机构出故障的概率。
四实验步骤
１．启动计算机，并通电实验装置,可控调压器开关拨到自动位置；
２．进入TC运行环境，运行实验程序pid09.c,按顺序输入以下各参数：
Ts:
5（采样周期）
Set:
100（给定值）
Kp,Ti,Td：
0.2,140,30（P、I、D初始值）
３．等控制进入稳态后，记录有关参数，然后退出本组参数控制，打开降温风扇帮助快速降温，等温度降到与上组起始温度时，再开始下一组控制，保持Ti、Td不变，增减Kp值，步长为0.05，分别做1~2组实验，观察控制效果有何变化，并与步骤2做比较；
４．同步骤3，保持Kp、Td不变，增减Ti值，步长为20，分别做1~2组实验，观察控制效果有何变化，并与步骤２做比较；
５．同步骤3，保持Kp、Ti不变，增减Td值，步长为10，分别做1~2组实验，观察控制效果有何变化，并与步骤2做比较；
6．把有关数据记录在下表格中。
序号
Ts
Set
Kp
Ti
Td
tr
max
ts
曲线
1
2
3
五、思考题：
根据实验结果总结PID控制规律。
实验四微分先行PID控制实验
一、实验目的
1.熟悉微分先行PID控制原理。
2.掌握微分先行PID的调整方法。
二、实验设备
1.wk-1型温度控制实验装置一套
2.计算机系统一套
三、实验原理
在基本PID控制中，微分环节有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，但当被控制量突然变化时，正比于偏差变化率的微分输出就很大；但由于其持续时间很短，执行机构因惯性或动作范围的限制，其实际动作位置并未达到控制量的要求值，因而也就限制了微分的正常校正作用，其后果必然使过渡过程变得迟钝和缓慢，系统的动态性能或者降低系统的动态品质。
对微分算法的一种改进就是采用微分先行PID控制结构，其控制思想是:
它将微分环节移到反馈通道中来，只对被控量进行微分，不对给定值微分，这样在改变给定值时，对输出的影响是比较缓和的，从而达到对系统性能的改善，特别适用于给定值频繁变化的场合，微分先行PID的结构图如图4.1所示。
图4.1微分先行PID控制结构图
微分先行PID的增量控制表达式：
（4.1）
采用微分先行PID控制后，微分环节不仅把被控变量，而且其变化速度值，都作为测量值输入到比例积分控制器中，从而加强了系统抑制超调的能力，补偿了过程滞后，达到改善系统控制质量的目的。
微分先行PID控制属于基本PID控制的一个改进算法，在实验教学安排上应安排在基本PID控制实验之后。
四实验步骤
１．启动计算机，并通电实验装置,可控调压器开关拨到自动位置；
２．进入TC运行环境，运行实验程序weifenpid.c,按顺序输入以下各参数：
Ts:
5（采样周期）
Set:
100（给定值）
Kp,Ti,Td：
0.1,160,30（P、I、D初始值）
３．等控制进入稳态后，记录有关参数，然后退出本组参数控制，打开降温风扇帮助快速降温，等温度降到与上组起始温度时，再开始下一组控制，保持Kp、Ti不变，改变Td，再分别做1~2组实验，观察控制效果有何变化，并与步骤2做比较；
４．与同样参数值得基本PID控制结果进行比较，并比较输出控制量的区别，总结微分先行PID控制算法的优缺点。
5．把有关数据记录在下表格中。
序号
Ts
Set
Kp
Ti
Td
tr
max
e0
ts
曲线
1
2
3
五、思考题：
请简述微分先行PID控制与普通PID控制的区别。
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