过程控制选做实验.docx
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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-02GK-03GK-04GK-07
2、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,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1-2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h1
LT1显示值
HZ
v
cm
cm
6、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)
等到进入新的平衡状态后,再记录测量数据,并填入下表:
变频器输出频率f
PID输出Vo
水箱水位高度h1
LT1显示值
HZ
v
cm
cm
7、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(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,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δ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δ,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①、②、③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δ,重复步骤6,观察过渡过程曲线,并记录余差大小。
8)、增大δ,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δ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δ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σp。
表二、δ值不变、不同Ti时的超调量σp
积分时间常数Ti
大
中
小
超调量σp
3)、固定积分时间Ti于某一中间值,然后改变δ的大小,观察加扰动后被调量输出的动态波形,并列表记录不同δ值下的超调量σp。
表三、Ti值不变、不同δ值下的σp
比例度δ
大
中
小
超调量σp
4)、选择合适的δ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δ、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%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δ、(δ、Ti)和(δ、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δ值下的阶跃响应曲线。
4、PI调节时,分别作出Ti不变、不同δ值时的阶跃响应曲线和δ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
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- 关 键 词:
- 过程 控制 实验