《過程控制系統》
實驗指導書
電氣工程學院自動化系
09年 5 月
實驗專案
學生實驗須知
一實驗要求
1 認真進行實驗預習和準備，應教師要求於實驗前完成實驗準備報告；
2 按照安排的時間、地點和分組簽到和參加實驗。因故調換應提交調換申請並經教師批准；
3 在指定實驗台（位置）進行實驗，不得隨意調換，不得動用非實驗裝置；
4 實驗時，主動參與，認真細緻，互助合作，注意安全。有問題主動向教師請教。
5 實驗結束，整理好實驗裝置，報告指導教師檢查實驗結果，經認可後方可離開。
6 損壞裝置，應予以賠償。
二實驗報告基本要求
1 在院統一印製的實驗報告用紙上書寫報告；
2 書寫整潔，符號、**和曲線規範；
3 實驗記錄資料真實客觀，實驗結果分析認真正確；
4 按時呈交。實驗報告作為教學檔案由院留存。
三實驗成績評定
1 每項實驗的成績綜合學生出勤、實驗過程（參與程度，實驗結果，裝置安全和人身安全）情況和實驗報告質量（內容和規範性）給出。不參加實驗或不提交報告者，該項實驗成績為0分。
2 實驗成績計入課程平時成績表；
3 不參加實驗及不提交報告達三次者，將取消該課程考核資格。
實驗一過程控制實驗裝置的構成與基本操作
一、 實驗目的
1、了解本實驗裝置的結構與組成。
2、掌握單迴路控制系統的基本組建方式。
3、掌握實驗裝置的基本操作與儀表的調整方法。
二、實驗裝置
1、thgk-1型過程控制實驗裝置一套
gk-02 gk-03 gk-04 gk-07
2、 計算機一套
三、實驗裝置的結構框圖
1、過程控制實驗裝置結構圖
2、s500系列變頻器
(3)多段速執行控制
四、實驗步驟：
1、 裝置組裝與檢查：
1）、將gk-02、gk-03、gk-04、gk-07掛箱由右至左依次掛於實驗屏上。並將掛件的三芯藍插頭插於相應的插座中。
2）、先開啟空氣開關再開啟鑰匙開關，此時停止按鈕紅燈亮。
3）、按下起動按鈕，此時交流電壓表指示為220v，所有的三芯藍插座得電。
4）、關閉各個掛件的電源進行連線。
2、單迴路控制系統接線：
1）、控制方式1：將gk-04模擬 pid調節器的自動/手動切換開關撥到「手動」位置，電位器輸出接其給定，感測器接其反饋輸入，並將其「輸出「接 gk-07變頻器的「2」與「5」兩端（注意：2正、5負），gk-07的輸出「a、b、c」接到gk-01面板上三相非同步電機的「u1、v1、w1」輸入端； gk-07 的「sd」與「str」短接，設定變頻器相關引數，調節電位器輸出，使電機驅動幫浦正轉打水（若此時電機為反轉，則「sd」與「stf」短接）。
2）、控制方式2：感測器輸出接gk-02微控制器控制器輸入，將微控制器控制器的「輸出1」端接 gk-07變頻器的「2」與「5」兩端（注意：2正、5負）；微控制器控制器rs232通訊埠接計算機串列埠1，將gk-07變頻器的輸出「a、b、c」接到gk-01面板上三相非同步電機的「u1、v1、w1」輸入端； gk-07 的「sd」與「str」短接，使電機正轉打水（若此時電機為反轉，則「sd」與「stf」短接 ）。
3）、控制方式3：感測器輸出接數字儀表控制器輸入，將儀表的「輸出」端接加熱器兩端；對數字儀表控制器引數進行設定。
3、變頻器控制接線方式：
1）、電位器控制方式：將電位器的自動/手動切換開關撥到「手動」位置，電位器輸出接 gk-07變頻器的「2」與「5」兩端（注意：2正、5負），gk-07的輸出「a、b、c」接到gk-01面板上三相非同步電機的「u1、v1、w1」輸入端； gk-07 的「sd」與「str」短接，設定變頻器相關引數，調節電位器輸出，使電機驅動幫浦正轉打水（若此時電機為反轉，則「sd」與「stf」）。
2）、電流控制方式：將數字控制儀表的4~20ma輸出接 gk-07變頻器的「」與「5」兩端（注意：4正、5負），gk-07的輸出「a、b、c」接到gk-01面板上三相非同步電機的「u1、v1、w1」輸入端； gk-07 的「sd」與「str」短接，設定變頻器相關引數，使電機驅動幫浦正轉打水（若此時電機為反轉，則「sd」與「stf」）。
3）、電壓控制方式：將數字控制儀表的0~5v輸出接 gk-07變頻器的「2」與「5」兩端（注意：2正、5負），gk-07的輸出「a、b、c」接到gk-01面板上三相非同步電機的「u1、v1、w1」輸入端； gk-07 的「sd」與「str」短接，設定變頻器相關引數，使電機驅動幫浦正轉打水（若此時電機為反轉，則「sd」與「stf」）。
五：實驗報告要求
繪製實驗中的三種控制系統接線圖。
實驗二單迴路控制系統物件特性測試實驗
一實驗目的
1.熟悉溫度物件的數學模型及其階躍響應曲線。
2.根據由實際測得的物件的溫度階躍響應曲線，用相關的方法分別確定它們的引數。
二、實驗裝置
型溫度控制實驗裝置一套
2.計算機系統一套
三、實驗原理
階躍響應測試法是系統在開環執行條件下，待系統穩定後，通過調節器或其他操作器，手動改變物件的輸入訊號（階躍訊號）。同時，記錄物件的輸出資料或階躍響應曲線，然後根據已給定物件模型的結構形式，對實驗資料進行處理，確定模型中各引數。
電加熱器溫度物件模型可用用一階慣性加滯後環節來近似描述時，常可用兩點法直接求取物件引數。其傳遞函式可以近似為：
2.1)
式中t為物件的時間常數，為純滯後時間，k為放大係數。
1．實驗裝置系統框圖
2．兩點計算法
被控量以相對值表示，即，當或時有
2.2）
選擇幾個不同的時間，，可得相應的，如圖2.2所示。由此可得在時間與的兩個聯立方程
2.3）
兩邊取對數
2.4）
聯解得：
2.5）
在響應曲線上量出與、相對應的、值，即可按上式計算時間常數t及純滯後值。
一般選擇，，因此得：
2.6）
2.7）
計算出t和後，還應在、、時刻所對應的曲線值進行校驗，與下列數值相近時為合格，即：
時2.8）
時2.9）
時2.10）
這樣計算出的t與較上述切線法準確。
放大係數k按式（2.11）求取。
2.11)
式中為階躍訊號幅值。
四、實驗步驟
1．啟動計算機，並通電實驗裝置,可控調壓器開關撥到自動位置；
2．進入tc執行環境，執行實驗程式按順序輸入以下各引數：
ts: 3 （取樣週期）
u: 3或4 （階躍訊號幅值）
sum：500 （總取樣個數）
3．觀察溫度系統階躍響應記錄曲線，了解滯後特性，等500個點採集完畢後，計算機會自動處理相關資料，請檢驗計算出的t和在、、時刻所對應的曲線值是否與下列數值相近，即時時
時4．檢驗合格時，把有關資料記錄在下**中。
5．重複步驟2～4,適當改變ts或u值，做2～3組，最後把合格k、t和求平均後作為物件的特性引數。
五、思考題
1．除了兩點計算法，還有那些其他方法？把兩點法與其他方法的優缺點進行比較。
實驗三單迴路控制系統pid控制實驗
一、實驗目的
1.熟悉pid控制原理。
2.掌握pid引數調整方法。
二、實驗裝置
型溫度控制實驗裝置一套
2.計算機系統一套
三、實驗原理
pid控制中，存在著比例、積分和微分三種作用。
比例控制環節的輸出量與輸入量之間為一種固定的正比例關係，當偏差作為輸入量時，只要一出現偏差，就能及時地產生與之成比例的調節作用，具有控制及時的特點，控制作用的強弱取決於比例係數kp的大小。其不足之處是存在靜差，特別是對於擾動較大、慣性也較大的系統，僅採用單純的比例調節，很難兼顧動態和穩態特性。kp的大小要根據被控物件的特性來折中選取，既能使靜差減小，又要得到較好的控制品質。
積分控制可以對偏差進行記憶並積分，有利於消除靜差。只要偏差不為零，它將通過累積作用影響輸出控制量，以求減小偏差，直到偏差為零；積分時間ti越大，則積分速度越慢，積分作用就越弱，反之幾分作用強；缺點是具有滯後特性，會降低系統的響應速度。
微分控制的輸出能夠反映輸入偏差變化的速度，而對於乙個固定不變的偏差，不管其值多大也不會有微分作用輸出，它根據偏差變化的速度，提前給出較大的調節作用，使偏差盡快消除。
具有比例、積分和微分三種作用的連續系統的pid控制控制規律為：
3.1）
在計算機控制系統中，離散化的數字pid控制演算法分為兩種，一種稱為位置式pid控制，其離散的表示式為：
（3.2）
位置式演算法的最大缺點是：新的控制輸出與系統過去的狀態有關，需要對過去所有的偏差累加計算，計算機的運算量非常大。
過程控制系統題目
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