《过程控制系统》实验指导书

《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 202 单回路控制系统对象特性测试实验 203 单回路控制系统基本PID控制实验 204 微分先行PID控制实验 205 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-02 GK-03 GK-04 GK-072、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：s e Ts Ks G τ-+=1)( (2.1) 式中T 为对象的时间常数，τ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执行机构与 温 度 对 象数据显示计算机 手动/自动转换图2.1 WK -1型温度控制系统组成2．两点计算法被控量()t y 以相对值表示，即()()()∞=y t y t y 0，当τ≥t 或τ<t 时有()()⎩⎨⎧≥-<=--τττt et t y Tt 100 （2.2） 选择几个不同的时间1t ， 2t ，可得相应的()t y 0，如图 2.2所示。

由此可得在时间1t 与2t 的两个联立方程()()()⎪⎩⎪⎨⎧-=>>-=----T t T t e t y t t e t y τττ2111201210（2.3）两边取对数：0.00.0.0.0.0.0.0.0.1.1t 3t 4t 5t 2t τT0.393 0.55 0.632 0.865()∞y tA图2.2 带纯滞后对象的一阶近似()t y 0()[]()[]⎪⎩⎪⎨⎧-=---=--2021011ln 1ln t y T t t y T t ττ（2.4） 联解得：()[]()[]()[]()[]()[]()[]⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧------=----=20102011022010121ln 1ln 1ln 1ln 1ln 1ln t y t y t y t t y t t y t y t t T τ （2.5）在响应曲线上量出与1t 、2t 相对应的()10t y 、()20t y 值，即可按上式计算时间常数T 及纯滞后τ值。

一般选择()393.010=t y ，()632.020=t y ，因此得：()122t t T -= （2.6）212t t -=τ （2.7）计算出T 和τ后，还应在3t 、4t 、5t 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：τ<3t 时， ()030=t y（2.8） ()τ+=T t 8.04时， ()55.040=t y （2.9）()τ+=T t 25时， ()865.050=t y （2.10）这样计算出的T 与τ较上述切线法准确。

放大系数K 按式（2.11）求取。

()()[]x y y K ∆-∞=0 (2.11)式中x ∆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τ在3t 、4t 、5t 时刻所对应的曲线值是否与下列数值相近，即τ<3t 时， ()030=t y ()τ+=T t 8.04时， ()55.040=t y()τ+=T t 25时， ()865.050=t y4．检验合格时，把有关数据记录在下表格中。

序号 Ts U Sum K T τ()30t y ()40t y ()50t y 1 2 35．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τ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：])()(1)([)(0⎰++=tdtt de Td dt t e Ti t e Kp t u （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：)]}1()([)(][{)(0--++=∑=k e k e TTdj e Ti T k e Kp k u k j （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。