机电液控制综合实验
实验指导书(配套教材：《机电传动控制》、《液压与气压传动》；适用专业：机械设计制造及其自动化)
吴何畏邬国秀吴艳花程昊刘宏伟编
襄樊学院机械与汽车工程学院
目录
实验一 PLC程序设计与对象控制实验（4学时） (3)
实验二过程自动化控制-计算机控制系统（2学时） (4)
实验三过程自动化控制-PLC单/双容液位控制（2学时） (8)
实验四闭环调速系统-单/多闭环（2学时） (11)
实验五闭环调速系统-变频调速（2学时） (15)
实验六 PLC控制-液压系统（2学时） (18)
实验七 PLC控制-十字滑台（2学时） (30)
实验八液压回路的设计安装与调试（6学时） (40)
实验九气压回路的设计安装与调试（6学时） (41)
实验十继电-接触器控制线路的安装调试（4学时）（选做） (42)
实验十一工业自动化控制系统（4学时）（选做） (44)
实验一 PLC程序设计与对象控制实验（4学时）
一．实验目的
1、熟悉PLC编程原理及方法
2、掌握定时器使用方法
二. 实验内容
编写控制程序，使用PLC数字量输入、输出控制红绿灯。
三．实验方法
INPUT 00 接PO1启动信号
OUTPUT 01接交通灯插孔TL1；绿灯
OUTPUT 02 接交通灯插孔TL2；黄灯
OUTPUT 03 接交通灯插孔TL3；红灯
OUTPUT 04 接交通灯插孔TL4；绿灯
OUTPUT 05 接交通灯插孔TL5；黄灯
OUTPUT 06 接交通灯插孔TL6；红灯
四. 编程要求
1秒3秒
红红红绿红黄
1秒
黄红绿红红红
运行PLC程序；进入WINDOWS；PLC辅助程序；点击“交通灯”图标；观察结果。
五. 实验报告
1. 写出I/O分配表、程序梯形图。
2. 仔细观察实验现象，认真记录实验中发现的问题、错误、故障及解决方法。
实验二过程自动化控制-计算机控制系统（2学时）
一、实验目的
1）了解计算机控制系统的基本构成。
2）掌握本装置计算机实时监控软件的使用
3）熟悉计算机控制算法。
4）掌握计算机控制的参数整定方法。
二、实验设备
1）TKGK-1过程控制实验装置
2）GK07-2交流变频器
3）计算机及实时控制软件
4）GK-03单片机控制屏（本实验使用GK-03单片机控制屏进行A/D、D/A 转换）
三、实验原理
与常规仪表控制系统相比，计算机控制系统的最大区别就是用微型机及A/D、D/A转换卡来代替常规调节器。基本构成框图如下：
计算机根据测量值与设定值的偏差，按程序设定的算法进行运算，并将结果经D/A转换器输出。控制算法有位置式，增量式，和速度式。为了使采样时间间隔内，输出保持在相应的数值，在D/A卡上设有零阶保持器。
四、实验步骤
（一）、监控软件的使用及安装说明：
1、计算机硬件要求：
CPU：486以上。
内存：32MB或更多。
硬盘：1GB。
操作系统：Windows95/98/NT。
显示器：800×600。
串行口：COM1
2、软件使用：将计算机的串口COM1与单片机控制屏的RS232口连接好。
点击按钮，进入用户登录状态。按提示填写“用户名称”与“个人代号”,然后按“确定”键，完成登录。进入控制界面，即可进入实验操作。
点击按钮，出现装置流程示意图。
装置流程示意图
点击按钮,进入测量状态，界面上显示相应参数值。点击按钮或“压力”、“液位二”、“流量”、“温度”，可实现上位机的监测（即数据采样作图）。
过程曲线图
单，如图所示
算法选择菜单
选择所需算法，本装置采用的算法为P，PI，PID三种算法，其他算法仅提供用户作进一步研究时的参考。
算法简要说明：
模糊控制算法：只需设定控制值。
神经元控制算法：ω1、ω2、ω3均为神经元网络的权值系数，其值自行定义。范围一般在8~40左右。
P、PD、PI、PID控制算法：为计算机增量型控制算法，K P为比例系数；K i 为积分系数：K d为微分系数。
积分分离控制算法：设定参数有K P、K i、K d、a，a表示积分分离度，一般范围为“0~10”。
死区PID控制算法：设定参数有K P、K i、K d、a。a表示积分分离度。
不完全积分控制算法：设定参数有K P、K i、K d、K L。K L表示微分作用的比例系数。一般范围为“0~10”。
（二）、选择PID算法对上水箱液位进行控制
1）将计算机与单片机控制屏结合使用，对上水箱液位进行直接数字DDC 控制实验。系统连接图自拟。（单片机控制屏仅起A/D、D/A转换的作用）2）、设置适当的作图时间间隔和给定值，调整PID参数K、、T i、T d、直到得到较好的过程控制实时曲线。
3）、对不同PID参数下的实时控制曲线进行比较，分析各参数变化对控制质量的影响。
4）、自行选择其他控制算法进行实验，了解不同算法的控制质量。
五、实验报告要求
1）、将上述实验结果整理好，写出参数整定的具体步骤及整定数值，整理出系统的结构图。
2）、简述PID参数对系统性能的影响。
六、 思考题
1）计算机控制和常规仪表控制有什么区别？
2）在本计算机控制系统中，单片机控制屏起什么作用？
3）三种算法如何实施？如用C语言如何编制？
实验三过程自动化控制-PLC单/双容液位控制（2学时）
-应用PPI/PC通讯电缆、MCGS组态软件一、实验目的
1）、了解S7200PLC可编程控制器的模拟量输入/输出控制功能。
2）、熟悉PLC可编程软件、MCGS组态软件的使用。
3）、通过对单/双容小水箱液位PID调节组态软件的使用，熟悉PLC的编程
及MCGS软件的组态方法。
二、实验设备
1）、TKGK-1型过程控制实验装置
2）、交流变频器（GK07-2）、 S7200PLC（GK08）
3）、计算机、MCGS软件、PPI/PC电缆线一根
三、实验原理
图4-1 PLC的单容上水箱水位控制系统
测量值信号由S7-200PLC的模拟量输入通道进入，经程序比较测量值与设定值的偏差，然后通过对偏差的P或PI或PID调节得到控制信号（即输出值），并通过S7-200PLC的AO通道输出。用此控制信号控制变频器的频率，以控制交流电机的转速，从而达到控制水位的目的。S7-200PLC和上位机进行通讯，并利用上位机MCGS组态软件实现给定值和PID参数的设置、手动/自动无扰动切
换、实时过程曲线的绘制等功能。
四、实验步骤：
1）、利用S7-200PLC（带模拟量输入/输出模块）、上位机及组态软件MCGS、
交流变频器、TKGK-1型实验装置等按图16-1组成一个单回路水位控制系统。
2）、打开GK-08的电源开关，并将PLC置于STOP工作方式。
3）、开启电脑，安装所需软件，将提供的S7-200PLC演示程序plcpid.mwp 下载到PLC中，然后将PLC置于RUN工作方式。
4）、点击“tkgk-1.mcg”，进入TKGK-1型单容（上水箱）液位控制演示程序控制界面，如图16-2所示。
图16-2
5）、分别在P、PI、PID三种控制方式做实验，整定相应的PID控制参数6）、运行：在设定好给定值后，即可进入自动运行状态。彩色柱状图直观的显示了给定值SV、测量值PV、输出值OP的动态变化值。实时曲线所记录的是当前实验的数据，实时数据将自动保存在历史曲线数据库里，供以后查询。
7）、待被控水箱水位趋于稳定后，加入一定的正（或负）阶跃信号（即增加或减小设定值），观察输出值和测量值的变化规律，记录一条完整的过渡过程曲线。
8）、按如图所示接成双容液位控制系统，再按照前面的步骤进行实验，并记录相关数据。
五、实验要求
1）、摘记实验数据，分析实验曲线，比较P、PI、PID 控制下的超调量、余差、调节时间、抗扰动性能有什么不同？
2）、在相同的控制参数下，比较单容和双容水箱的过程曲线，看它们的稳定性、调节时间、超调量有什么不同
3）、模仿本系统提供的程序，自己设计一个液位控制系统。编写S7-200PLC 的程序，并用MCGS进行组态。
实验四 闭环调速系统-单/多闭环（2学时）
一、实验目的
1. 了解闭环调速系统的系统结构框图和硬件组成
2. 掌握单闭环、多闭环直流调速系统的工作原理并进行性能分析；
3. 掌握调节器参数调节对系统性能的影响
二、实验设备
序号
名
称
备 注 1
EL-MC-II 型电气综合实
验台
2 三相220V 异步电机
负载 3 直流电机 4
数字示波器
选用
三、实验线路和原理
1. 异步电机位置调节器线路原理
异步电机位置调节器框图
根据闭环控制系统的一般设计原则，在本实验中首先设计好电流调节器的参数；然后把整个电流调节器看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器；设计好转速调节器后，将转速调节器作为位置调节系统的一个
环节，由位置调节器给定速度参考。如果在控制系统没有选择速度环或电流环作为内环，则需要增加一个PID 设置。 2. 位置调节器参数调节
与速度和电流调节器不同的是，位置调节器采用PID 调节，其传递函数的一般形式为：
)1()1(__1)(1
11
df d i p K z z S Ts K S Ts z
K K z R ?+???+??+
=??? 式中K p 为比例系数，K i 为积分系数，K d 为微分系数，K df 为微分系数的滤波项，Ts_S 为位置环采样时间，它与速度环采样时间相等。通常通过给闭环结构的期望动态性能，使闭环系统可以获得所希望的Kp ， Ki 和Kd 系数。
位置调节器结构图（内环为速度和电流环）
下图展示了带有速度和电流内环的位置调节器。对于实际应用的位置环，还存在只有电流环或速度环或都没有的位置调节器，在调节器结构中就需要增加一个PID 设置，其结构图则如下图所示：
带电流环的位置调节器结构图
带速度环的位置调节器结构图
无电流/速度环的位置调节器
四、实验内容
1.熟悉调节器的硬件构成
2.位置调节器参数调节对系统性能的影响。
3.内环不同时的位置调节器的性能比较
五、预习要求
1.仔细阅读调节器的有关原理
2.位置调节器PID调节对系统性能的影响，工程中常用的闭环频率特性带
宽和阻尼系数设计方法
3.内环不同时整个位置调节系统的结构
六、思考题
1.位置调节器的原理
2.单独电流或速度为内环时为什么要使用一个PID设定
3.理想状态下位置伺服的Id、Iq的波形
4.软件中位置调节器参数调节各参数的作用
七、实验报告
1.画出位置控制模式下的启动波形。
2.位置调节器参数调节时各参数对系统的影响。
3.位置给定下电机的动态性能响应。
实验五闭环调速系统-变频调速（2学时）
一、实验目的
（1）认识三相异步电动机变频调速的工作原理和调速特性；
（2）了解变频调速的载波、参考波、调制波以及线电压波形的特点；
二、实验所需实验设备
（1） EL-MC-II型电气综合实验台；
（2） DJ24三相鼠笼式异步电动机；
（3）交流指针式电压表；
三、实验原理
正弦波脉宽调制法（SPWM）是最常用的一种调制方法，SPWM信号是通过三角波载波信号和正弦波信号相比较的方法产生，当改变正弦参考信号的幅值时，脉宽随之改变，从而改变了主回路输出电压的大小。当改变正弦参考信号的频率时，输出电压的频率即随之改变。
正弦波调制方式的特点是脉冲等幅，调节脉冲的宽度，使各脉冲的面积和与正弦波的幅值相等（或成正比例），因此，PWM调制波形中的基波为这个正弦波的参考波。在实际运用中对于三相逆变器，是由一个三相正弦波发生器产生三相参考正弦波信号，与一个公用的三角载波信号相比较，而产生三相调制波。、
四、实验步骤
（1）电机按“?”接法入实验箱，在输出三相电源任意两相之间接入电压表，确认连接无误后，打开实验箱控制电源（注意：是控制电源，不是高压电源）。
（2）开控制电源后数码显示器显示1FFF。观察实验箱上欠压指示灯和继电器工作指示灯的状态：
①继电器工作指示灯工作，欠压指示灯不工作，按下控制键盘中的“启动”键，然后按下“加速”键，可以看到电机转动几转后停止，继电器工作指示灯熄灭，欠压指示灯工作。
②继电器工作指示灯和欠压指示灯同时工作，先按下“欠压复位”键，然后操作同①。
③继电器工作指示灯不工作，欠压指示灯工作，执行实验下一步。
（3）确认以上操作完成以后，打开高压开关，按下“启动”键，数码显示器显示1F00，按“加速”键和“减速”键可使数码显示器在1F00和1F60之间变化，1F00和1F60分别对应0Hz和60Hz。
连续按动加速键和减速键观察电机的转速变化和工作情况，观察电压表指针的变化规律。
五、思考题
1、低频为什么要加补偿，补偿为什么不能加的过高，如果过高会出现什么
情况。
2、了解不同的低频补偿下电机运行有什么不同。
3、了解不同的电机额定频率设定输出的线电压有什么不同。
六、注意事项
1、整个系统必须先开控制电源开关，并且在开机保护指示灯处于“灭”的情况下才能开高压电源。
2、实验方法步骤要认真执行，否则可能会导致电流过大，烧坏保险丝，影响实验继续进行。
3、系统禁止频繁地在过高和过低的频率间进行切换，以免过大的冲击电流影响模块的使用寿命。
实验六 PLC控制-液压系统（2学时）
一、实验目的：
结合机械电气控制，液压传动课程所学的内容完成液压机械所实现的典型运动轨迹。从中熟悉可编程控制器的性能、编程技巧，常用液压元件的性能和使用方法，油缸的速度控制、定位控制的基本方式。通过实验把电气控制和液压传动知识有机结合起来。进行一次小型工程设计、制作训练。从而提高学生把各科知识综合结合运用的能力。锻炼了学生的动手能力，故障分析、排除的实践能力。
二、实验要求
通过实验熟练掌握液压元器件，电器元件和可编程控制器的性能、结构原理。
能根据提供的元件、控制器设计一个油缸的速度控制和往复位移控制。
掌握OMRON公司的CP1H型PLC的编程软件CX-Programmer，并能够利用该软件编写程序，在线调试程序。
完成一个从方案设计、编程设计、油路设计到电路、油路的组装连接和调试、改进的工程设计实施的全过程的培训和锻炼。
三、实验原理：
说明:该系统原理图在做本实验时,要去掉一个三位四通电磁换向阀,即去掉3YA和4YA.
接线说明:
电机启动 0.00 SB１
电机停止 0.01 SB2
手动选择 0.02 SB3
自动选择 0.03 SB4
手动前进 0.05 SB5
手动工进 0.06 SB6
手动后退 0.07 SB7
手动停止 0.08 SB8
自动启动 0.10 SB9
自动停止 0.11 SB10
零位开关（1） 1.00 QS1
零位开关（2） 1.01 QS2
零位开关（3） 1.02 QS3
电磁铁（1） 100.01 1YA
电磁铁（2） 100.02 2YA
电磁铁（3） 100.03 5YA
四、实验材料：
1、机电液综合实验台一个
2、液压泵站（含油箱、液压泵、电动机、三位四通阀、溢流阀、液压表）一部
3、三通接头2个油管（含快换接头）若干
4、油缸、三位四通阀，两位两通阀，节流阀各一个
5、电源板（含空气开关、保险、AC220V电源）
PLC主机板（含DC24V电源、CP1H-CPU主机单元）
可编程控制器输入板（含按钮开关、热继电器、继电
器）
6、计算机（工控机）（附带RS232数据线一根）一台
7、霍尔传感器（即行程限位开关）3个
7、导线（强电、弱电）若干
五、实验步骤：
（一）实验预备知识：
1、PLC概述
PLC即可编程控制器（Programmable Logic Controller）,它实际上是一种工业控制微机，其组成可见右图：
一般的CPU单元内部结构为：