過程控制實驗報告

實驗報

告專業：自動化

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實驗一、計算機控制系統實驗

一、實驗目的

1、了解計算機控制系統的基本構成。

2、掌握本裝置計算機實時監控軟體的使用

3、熟悉計算機控制演算法。

4、掌握計算機控制的引數整定方法。

二、實驗裝置

1、thkgk-1過程控制實驗裝置：

gk-02 gk-03 gk-07

2、計算機及上位機監控軟體

三、實驗原理

與常規儀表控制系統相比，計算機控制系統的最大區別就是用微型機和a/d、d/a轉換卡來代替常規的調節器。基本構成框圖如下：

計算機根據測量值與設定值的偏差，按程式設定的演算法進行運算，並將結果經d/a轉換器輸出。控制演算法有位置式，增量式和速度式。為了使取樣時間間隔內，輸出保持在相應的數值，在d/a卡上設有零階保持器。

四、實驗步驟

（一）、監控軟體的使用及安裝說明：

1、計算機硬體要求：

cpu：486以上。

記憶體：32mb或更多。

硬碟：1gb。

作業系統：windows98/2000/xp。

顯示器：1024×768。

序列口：com1

2、軟體安裝安裝過程已經在上位機光碟裡面。

（二）、登入後選擇pid演算法對上水箱液位進行控制

1、將計算機與微控制器控制屏結合使用，對上水箱液位進行直接數字ddc控制實驗。系統連線圖自擬。（微控制器控制屏僅起a/d、d/a轉換的作用）

2、設定適當的作圖時間間隔和給定值，調整pid引數k、、ti、td、直到得到較好的過程控制實時曲線。

3、對不同pid引數下的實時控制曲線進行比較，分析各引數變化對控制質量的影響。

4、自行選擇其他控制演算法進行實驗，了解不同演算法的控制質量。

五、實驗小結

1、將上述實驗結果整理好，寫出引數整定的具體步驟及整定數值，整理出系統的結構圖。

kp=2 ki=6 k=5 閥門開度為60%

2、簡述pid引數對系統效能的影響。

pid調節器分別對應比例、積分和微分作用

1、比例引數kp的作用是加快系統的響應速度，提高系統的調節精度。隨著kp的增大系統的響應速度越快，系統的調節精度越高，但是系統易產生超調，系統的穩定性變差，甚至會導致系統不穩定。kp取值過小，調節精度降低，響應速度變慢，調節時間加長，使系統的動靜態效能變壞。

2、積分作用引數ti的乙個最主要作用是消除系統的穩態誤差。ti越大系統的穩態誤差消除的越快，但ti也不能過大，否則在響應過程的初期會產生積分飽和現象。若ti過小，系統的穩態誤差將難以消除，影響系統的調節精度。

另外在控制系統的前向通道中只要有積分環節總能做到穩態無靜差。從相位的角度來看乙個積分環節就有900 的相位延遲，也許會破壞系統的穩定性。

3、微分作用引數td的作用是改善系統的動態效能，其主要作用是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預報。但ti不能過大，否則會使響應過程提前制動，延長調節時間，並且會降低系統的抗干擾性能。

實驗二、單容水箱液位pid控制系統

一、實驗目的

1、通過實驗熟悉單迴路反饋控制系統的組成和工作原理。

2、研究系統分別用p、pi和pid調節器時的階躍響應。

3、研究系統分別用p、pi和pid調節器時的抗擾動作用。

4、定性地分析p、pi和pid調節器的引數變化對系統效能的影響。

二、實驗裝置

1、thkgk-1型過程控制實驗裝置：

gk-02、 gk-03、 gk-04、 gk-07(2臺)

2、萬用表乙隻

3、計算機系統

三、實驗原理

1、單容水箱液位控制系統

圖7-1、單容水箱液位控制系統的方塊圖

圖7-1為單容水箱液位控制系統。這是乙個單迴路反饋控制系統，它的控制任務是使水箱液位等於給定值所要求的高度；並減小或消除來自系統內部或外部擾動的影響。單迴路控制系統由於結構簡單、投資省、操作方便、且能滿足一般生產過程的要求，故它在過程控制中得到廣泛地應用。

當乙個單迴路系統設計安裝就緒之後，控制質量的好壞與控制器引數的選擇有著很大的關係。合適的控制引數，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器引數選擇得不合適，則會導致控制質量變壞，甚至會使系統不能正常工作。

因此，當圖7-2單容液位控制系統結構圖乙個單迴路系統組成以後，如何整定好控制器的引數是乙個很重要的實際問題。乙個控制系統設計好以後，系統的投運和引數整定是十分重要的工作

系統由原來的手動操作切換到自動操作時，必須為無蹤手動的輸出值，並且在切換時應使測量值與給定值

無偏差存在。

一般言之，具有比例（p）調節器的系統

圖7-3、p、pi和pid調節的階躍響應曲線

是乙個有差系統，比例度δ的大小不僅會影響到餘差的大小，而且也與系統的動態效能密切相關。比例積分（pi）調節器，由於積分的作用，不僅能實現系統無餘差，而且只要引數δ，ti選擇合理，也能使系統具有良好的動態效能。比例積分微分（pid）調節器是在pi調節器的基礎上再引入微分d的作用，從而使系統既無餘差存在，又能改善系統的動態效能（快速性、穩定性等）。

在單位階躍作用下，p、pi、pid調節系統的階躍響應分別如圖7-3中的曲線①、②、③所示

四、實驗內容與步驟

1、比例（p）調節器控制

1）、按圖7-1所示，將系統接成單迴路反饋系統（接線參照實驗一）。其中被控物件是上水箱，被控制量是該水箱的液位高度h1。

2）、啟動工藝流程並開啟相關的儀器，調整感測器輸出的零點與增益。

3）、在老師的指導下，接通微控制器控制屏，並啟動計算機監控系統，為記錄過渡過程曲線作好準備。

4）、在開環狀態下，利用調節器的手動操作開關把被控制量「手動」調到等於給定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%點處）。

5）、觀察計算機顯示屏上的曲線，待被調引數基本達到給定值後，即可將調節器切換到純比例自動工作狀態（積分時間常數設定於最大，積分、微分作用的開關都處於「關」的位置，比例度設定於某一中間值，「正-反」開關拔到「反」的位置，調節器的「手動」開關撥到「自動」位置），讓系統投入閉環執行。

6）、待系統穩定後，對系統加擾動訊號（在純比例的基礎上加擾動，一般可通過改變設定值實現）。記錄曲線在經過幾次波動穩定下來後，系統有穩態誤差，並記錄餘差大小。

7）、減小δ，重複步驟6，觀察過渡過程曲線，並記錄餘差大小。

8）、增大δ，重複步驟6，觀察過渡過程曲線，並記錄餘差大小。

9）、選擇合適的δ值就可以得到比較滿意的過程控制曲線。

10）、注意：每當做完一次試驗後，必須待系統穩定後再做另一次試驗。

2、比例積分調節器（pi）控制

1）、在比例調節實驗的基礎上，加入積分作用（即把積分器「i」由最大處「關」旋至中間某一位置，並把積分開關置於「開」的位置），觀察被控制量是否能回到設定值，以驗證在pi控制下，系統對階躍擾動無餘差存在。

2）、固定比例度δ值（中等大小），改變pi調節器的積分時間常數值ti，然後觀察加階躍擾動後被調量的輸出波形，並記錄不同ti值時的超調量σp。

表二、δ值不變、不同ti時的超調量σp

3）、固定積分時間t i於某一中間值，然後改變δ的大小，觀察加擾動後被調量輸出的動態波形，並列表記錄不同δ值下的超調量σp。

表三、ti值不變、不同δ值下的σp

4）、選擇合適的δ和ti值，使系統對階躍輸入擾動的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線。此曲線可通過改變設定值（如設定值由50%變為60%）來獲得。

3、比例積分微分調節（pid）控制

1）、在pi調節器控制實驗的基礎上，再引入適量的微分作用，即把d開啟。然後加上與前面實驗幅值完全相等的擾動，記錄系統被控制量響應的動態曲線，並與實驗步驟（二）所得的曲線相比較，由此可看到微分d對系統效能的影響。

2）、選擇合適的δ、ti和td，使系統的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線（階躍輸入可由給定值從50%突變至60%來實現）。

3）、用計算機記錄實驗時所有的過渡過程實時曲線，並進行分析。

五、實驗小結

1、繪製單容水箱液位控制系統的方塊圖。

2、用接好線路的單迴路系統進行投運練習，並敘述無擾動切換的方法。

3、p調節時，作出不同δ值下的階躍響應曲線。

4、pi調節時，分別作出ti不變、不同δ值時的階躍響應曲線和δ不變、不同ti值時的階躍響應曲線。

5、畫出pid控制時的階躍響應曲線，並分析微分d的作用。

微分d由超前作用，它可以消除系統的滯後，改善系統的效能。

6、比較p、pi和pid三種調節器對系統餘差和動態效能的影響。

實驗引數：

把上水箱液位作為被控量，上水箱出水閥的開度在70%左右。

p：旋鈕旋至30%左右 i：0.06×10檔給定電壓為1.5v

實驗三、微控制器控制系統

一、實驗目的

1、熟悉微控制器與計算機的操作。

2、了解微控制器與上位機的通訊過程。

二、實驗裝置

1、thkgk-1型過程控制實驗裝置：

gk-02 gk-03 gk-07

2、計算機及監控軟體

三、實驗原理

圖15-1 微控制器的單迴路控制系統框圖

由檢測變送元件輸出的檢測訊號，進入微控制器的模擬量輸入口，然後由微控制器對檢測訊號與給定值進行比較和運算，得到輸出控制訊號。微控制器在過程控制中:一是作為控制器與引數監測元件、變送器及執行機構組成乙個直接數字控制系統(ddc)，對多個被控量進行巡迴監控；二是依靠序列口com1資料通訊與計算機連線，實現計算機資料採集與顯示。

雖然微控制器控制是斷續的，但對於時間常數較大的系統來說，它的控制效果近似於連續控制，因此，用數字pid完全可以代替模擬pid，同樣可得到比較滿意的控制效果。

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