實驗一過程控制系統簡介及過程控制演示
一、 組合式過程控制系統介紹
結合過程計算機控制系統理論的學習，我們研製了一套組合式過程控制系統，這套系統可以通過靈活、方便的管路組合，實現過程控制中的五種典型控制方式—單迴路控制，串級控制、前饋控制、均勻控制和比值控制。
二、 主要儀器與裝置
1、 計算機
2、 介面模組usb-4711a
usb-4711a是即插即用資料採集模組，它通過usb埠與計算機相連，為資料測量與系統控制提供了便利。usb-4711a通過usb埠獲得所需電源，該模組包含了所有的資料採集功能，如：16路ai，2路ao，8路di，8路do，1路32位計數器，其中a/d資料採集及d/a輸出為12位。
usb-4711a模組如圖1.1所示。圖1.
2為usb-4711a模組上五個i/o介面的針腳定義。
圖1.1 usb-4711a模組
圖1.2 i/o 介面針腳定義
3、 水箱：
水箱如圖1.3所示，技術引數見表1.1。
表1.1 水箱引數
圖1.3 水箱
4、 流量感測器
流量感測器如圖1.4所示，主要技術引數見表1.2。
表1.2 流量感測器技術引數
圖1.4 流量感測器
5、 比例閥1094-pmr
比例閥如圖1.5所示，主要技術指標見表1.3。
表1.3 比例閥效能指標
圖1.5 比例閥
1094-pmr比例閥介面如圖1.6所示。
端子2：+24v，
端子3：24v地，
端子4：輸出控制訊號。
r1：最小流量調節，
r2：最大流量調節，
r3：延遲時間調節。
s1：（on）：中頻（2832），
s2：（off）
圖1.6 1094-pmr比例閥介面
6、 液位感測器
主要技術引數見表1.4。
表1.4 液位感測器技術引數
7、 溫度感測器
主要技術引數見表1.5。
表1.5 溫度感測器技術引數
8、 管路、接頭、手動閥
管路、接頭、手動閥如圖1.7所示。系統所有部件的連線都是直接插拔，非常方便。
圖1.7 管路、接頭等
實驗二感測器、執行器實驗
一、實驗目的
了解感測器的工作原理，掌握常用感測器、usb-4711a介面模組在控制過程中的使用方法。
二、實驗要求
⑴ 掌握感測器、執行器的接線方法；
⑵ 通過程式設計實現對液位、溫度、流量等過程變數的資料採集及模擬量輸出的功能；
⑶ 掌握過程變數測量誤差的修正方法。
三、實驗步驟
1、液位感測器的測試
按表中要求在水箱內注入不同高度的純淨水，利用萬用表和usb-4711a模組的ai口分別測出液位感測器的輸出電壓，並在計算機內將電壓轉換成對應的高度。
如測量液位高度誤差較大，需採取合適的方法進行修正。將相關資料填入下表。
2、溫度感測器的測試
用溫度計測量出水溫，同時利用萬用表和usb-4711a模組的a/d口測出溫度感測器的輸出電壓，並在計算機內將其轉換成相應的溫度。將測量資料填入下表。
3、流量感測器的測試
調節手動閥以改變流量感測器所在管路中的流量，利用usb-4711a模組的evt-in口測量流量感測器單位時間內輸出的脈衝數，並在計算機內轉換成對應的流量。將測量結果填入下表。
4、ao口輸出測試
通過usb-4711a模組的ao口輸出不同電壓，比較機內電壓與實際輸出電壓，並將結果填入下表。
四、思考題
1、液位感測器測量的準確性如何？分析誤差產生的原因，說明你在實驗中採取的修正方法。
答：準確性：
液位感測器測量存在一定誤差，且液位越低感測器精度越低。
誤差原因：
感測器結構本身存在系統誤差，當液位為零時感測器讀書不為零，導致存在零位誤差。且測量精度方面、系統老化靈敏度下降、操作上的誤差、各類隨機誤差都有影響。
解決方法：採用零位補償法，即在用感測器計算液位時在原結果基礎上加上零位誤差值。
實驗三單容水箱動態特性的測試
一、實驗目的
學習單容水箱動態特性的實驗測定方法。
二、實驗要求
通過實驗的方法建立液位物件的過程數學模型。
三、實驗步驟
利用液位物件的液位與輸出流量的關係建立其模型
⑴ 按圖3.1搭建測試系統。
進水出水圖3.1 利用液位—輸出流量關係建立模型的實驗原理圖
⑵ 測試原理
對於液位系統，根據動態物料平衡關係有
3.1）
式中：—輸入流量； —輸出流量；
—液位高度； a—水箱截面積；
、、分別為偏離某一平衡狀態、、的增量。
在靜態時，，，當變化時，、也將發生變化，由流體力學可知，流體在紊流情況下，與流量之間為非線性關係，為簡化起見，作線性化處理。近似認為與在工作點附近成正比，而與出水閥的阻力（稱為液阻）成反比，即
或3.2）
由式（3.1）、式（3.2），消去中間變數，再求拉氏變換得：
單容液位過程的傳遞函式為：
3.3）
⑶ 測試步驟
關閉出水閥，向水箱內注水至260mm左右，將出水閥調整至適當開度（整個測量過程中保持出水閥開度不變，出水管路暢通），測量指定液位高度所對應的出口流量，填入下表。根據式（3.3）計算物件的數學模型。
其中水箱的截面積。
四、思考題
1、分析可能造成模型不準確的原因。
答：（1）.建模方法存在簡化，實際中液阻和液位之間關係不是嚴格線性的。
（2）.液位與流量感測器測量不準確。
（3）.水管流通性不好，出水斷續。
實驗四液位單迴路控制系統的設計及引數整定
一、實驗目的
掌握液位單迴路控制系統的設計方法及pid調節器引數整定的方法。
二、實驗要求
設計單容水箱的液位單迴路控制系統，實現液位的定值控制，並對控制器引數進行整定。
三、實驗內容
1、按照圖4.1，在組合式實驗裝置上通過選擇管路，搭建液位單迴路控制系統。
進水出水圖4.1 液位單迴路控制系統原理圖
2、畫出液位單迴路控制系統方框圖。
3、根據液位物件的數學模型，選擇系統的取樣週期為：
0.5s
4、軟體功能及正確性測試
斷開執行器控制訊號，對液位單迴路控制系統軟體進行如下測試：
⑴ 在水箱內注入一定量的水（10cm左右），取設定液位大於該實際液位，執行控制軟體，觀察並測量ao口控制電壓是否逐漸增加到10v，並最終穩定在10v；
⑵ 取設定液位小於該實際液位，執行控制軟體，觀察並測量ao口控制電壓是否穩定在0v；
⑶ 軟體是否包含執行退出功能？程式執行結束，ao口控制電壓是否穩定在0v。
5、運用經驗法確定數字pid調節器的引數。
選擇pid調節器引數、、的初始值，觀察控制效果。根據經驗調整各引數，記錄不同引數情況下的控制效果，進而獲得較為滿意的調節器引數。
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