实验一过程控制系统的组成认识实验
过程控制及检测装置硬件结构组成认识，控制方案的组成及控制系统连接
一、过程控制实验装置简介
过程控制是指自动控制系统中被控量为温度、压力、流量、液位等变量在工业生产过程中的自动化控制。本系统设计本着培养工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才为出发点。实验对象采用当今工业现场常用的对象，如水箱、锅炉等。仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件。对象系统还留有扩展连接口，扩展信号接口便于控制系统二次开发，如PLC控制、DCS控制开发等。学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能很快地适应环境并进入角色。同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开发的平台。
二、过程控制实验装置组成
本实验装置由过程控制实验对象、智能仪表控制台及上位机PC三部分组成。
1、被控对象
由上、下二个有机玻璃水箱和不锈钢储水箱串接，4.5千瓦电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭外循环不锈钢锅炉夹套构成），压力容器组成。
水箱：包括上、下水箱和储水箱。上、下水箱采用透明长方体有机玻璃，坚实耐用，透明度高，有利于学生直接观察液位的变化和记录结果。水箱结构新颖，内有三个槽，分别是缓冲槽、工作槽、出水槽，还设有溢流口。二个水箱可以组成一阶、二阶单回路液位控制实验和双闭环液位定值控制等实验。
模拟锅炉：锅炉采用不锈钢精致而成，由两层组成：加热层（内胆）和冷却层（夹套）。做温度定值实验时，可用冷却循环水帮助散热。加热层和冷却层都有温度传感器检测其温度，可做温度串级控制、前馈－反馈控制、比值控制、解耦控制等实验。
压力容器：采用不锈钢做成，一大一小两个连通的容器，可以组成一阶、二阶单回路压力控制实验和双闭环串级定值控制等实验。
管道：整个系统管道采用不锈钢管连接而成，彻底避免了管道生锈的可能性。为了提高实验装置的使用年限，储水箱换水可用箱底的出水阀进行。
2、检测装置
（液位）差压变送器：检测上、下二个水箱的液位。其型号：FB0803BAEIR，测量范围：0～1.6KPa，精度：0.5。输出信号：4～20mA DC。
涡轮流量传感器：测量电动调节阀支路的水流量。其型号：LWGY－6A，公称压力：6.3MPa，精度：1.0％，输出信号：4～20mA DC
温度传感器：本装置采用了两个铜电阻温度传感器，分别测量锅炉内胆、锅炉夹套的温度。经过温度传感器，可将温度信号转换为4～20mA DC电流信号。
（气体）扩散硅压力变送器：用来检测压力容器内气体的压力大小。其型号：DBYG-4000A/ST2X1，测量范围：0.6～3.5Mpa连续可调，精度：0.2，输出信号为4～20mA DC。
3、执行机构
电气转换器：型号为QZD-1000，输入信号为4～20mA DC，输出信号：20～100Ka气压信号，输出用来驱动气动调节阀。
气动薄膜小流量调节阀：用来控制压力回路流量的调节。型号为ZMAP－100，输入信号为4～20mA DC或0～5V DC，反馈信号为4～20mA DC。气源信号
压力：20~100Kpa，流通能力：0.0032。阀门控制精度：0.1％～0.3％，环境温度：－4～＋200℃。
SCR移相调压模块：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号0～5V DC或4～20mA DC 或10K电位器，输出电压变化范围：0～220V AC，用来控制电加热管加热。
水泵：型号为UPA90，流量为30升／分，扬程为8米，功率为180W。
4、控制器
本实验装置配备有智能调节仪、计算机控制、PLC控制及计算机网络控制。
智能调节仪:本装置选用PID自整定数字/光柱智能调节仪，型号为SWP-S80。具备位式调节和人工智能调节功能，手动调节、手动自整定及位置比例输出功能，多种报警模式及变送、通讯等功能。
比值器：与智能仪表一起使用，可以实现流量的单闭环比值、液位与流量、温度与流量双闭环比值控制实验。
三、仪表控制台（三部分组成）
1、电源控制屏面板：我公司的实验台采取了如下保护措施：控制屏电源由交流接触器通过起、停按钮进行控制；进线电源首先经过符合国家标准的电流型漏电保护器，漏电流小于30mA；高压接线柱和高压导线均采用特殊设计的结构。除了人身安全保护，为了保护实验的正常进行，电源、仪表、仪器、实验中需要的各种元器件都采取了有效的保护措施。为解决实验中高压交流电源发生短路，我们采取了如下措施：在高压交流电源的输出端接入小型断路器（即过流保护器），一旦发生过流或短路，小型断路器立即动作，切断主电源，避免烧毁调压器。
2、仪表面板：智能调节仪面板、比值器，装置外线端子通过面板上插孔引出。
3、I/O信号接口面板：该面板的主要作用是将各传感器检测及执行器控制信号同面板上插口相连，在与被控对象相连，有利于学生进行各种控制实验。
四、系统特点
1、系统采用分体式设计，模块化组装结构。
2、控制对象中包含真正的压力控制对象，可以完成压力控制实验。
3、控制对象采用网络版MCGS全中文工控组态软件，可以容纳多组学生实验。
4、系统具有多元化的控制参数和控制方案。该系统通过管路上的阀门切换和对信号接线板上的信号的连接组合来实现的。
5、采用标准的工业自动化仪表和柔性化工艺设备，使得该装置具有开放性、兼容性、和可升级性。
6、采用双容水箱系统，实现液位控制的多样性。
7、实验对象部分采用不锈钢结构，工作过程可见，有利于教学和维护。
8、系统开放性较好。对象系统留有扩展连接口，以便进行DCS控制。
五、MCGS组态软件特点
MCGS（Monitor and Control Generated System，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft（各种32位Windows平台上）运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案。
六．思考题
1．掌握实验装置的组成及系统过程回路的信号流向，画出系统结构图，标明信号量。
2．了解系统各组成部分的功能及工作原理，各器件的输入输出之间的关系。
1）被控对象
是指生产过程被控制的工艺或装置
2）传感器和变送器
按生产工艺要求，被控对象有关控制参数通过自动控制以获得可靠信号，依靠传感器和变送器完成。输出的就是被控量的测定值Z，送到控制器中。
3）控制器
传感器或变送器输出信号符合工艺要求，则控制器的输出不变，反之，将输出控制信号对系统进行控制。传感器或变送器的测量值Z反馈到输入端和设定值r比较，从而得到了一个偏差值e,根据控制算法进行运算，输出一个相对应的控制信号u去推动执行器。
4）执行器
执行器接收控制器的控制信号u经变换或放大后，推动控制阀
5）控制器输出u，经执行器驱动控制阀，改变输入对象的操纵量q，使被控量受到控制。4．选择被控对象的被控量，设计其单回路控制线路连接图
实验二单容水箱液位数学模型的测试
对象特性的求取方法通常有二种：一种是从工艺过程的变化机理出发，写出各种有关的平衡方程(如物料平衡方程、能量平衡方程等)，进而推导出被控对象的数学模型，得出其特性参数，再结合实际进行理论分析，这就是数学方法；另一种是通过对被控对象的实验测试求出其特性参数，即实验飞升曲线测定法。由于此法较简单，因而在过程控制中得到了广泛地应用。
一、实验目的
1、掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并记录相应液位的响应曲线。
2、根据实验得到的阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象特征参数K,T和传递函数。
二、实验原理
对象的被控制量为上（中、下）水箱的液位H,控制量（输入量）为上（中、下）水箱进水阀流量Q1，上（中、下）水箱出水阀输出量为Q2，改变进水阀和出水阀的开度可以改
变Q1、Q2的大小。根据动态物料平衡关系（1）式中V-水箱内水的贮水容积；dV/dt-水贮存量的变化率。设水箱的横截面积为A，而A是一个常数，则因为
所以（2）
在静态时，dV/dt=0，Q1=Q2,当Q1发生变化时，液位H将随之变化，水槽出水口的
液压也变化，流出量Q2也发生变化。假设变化量很小，可近似认为。Rs为阀V2
的水阻，则（1）式可改写为即或写作
（4）式中T=ARs，K=Rs
式（4）为单容水箱的传递函数。若令，H1为刚开始的稳态值，则式（4）可
改写为
对上式取拉氏逆变换得（5）
当时，因而有输出稳态值／阶跃输入
当时，则有
（5）表示，一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数。当由实验得图2－1所示的阶跃响应曲线后，该曲线达到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。由
响应曲线求得K和T后，就能求出单容水箱的传递函数。所得的传递函数为：
三、实验步骤
1、设计实验线路并接好，适当打开阀门。
2、开启总电源和相关仪表的电源。
3、上电后，启动计算机，运行MCGS组态软件，进入本实验系统。
4、设置调节器为手动操作状态，通过调节器增/减的操作改变输出量的大小，使水箱的液位最终处于某一平衡位置。
5、待液位处于稳定后，手动操作调节器，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），经过一段时间后，水箱的液位进入新的平衡状态。
6、记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。
四、思考题
1、做本实验时，为什么不能任意改变出水阀开度的大小？
答：因为如果一开始进水阀的开度<出水阀的开度，那么系统永远无法达到平衡。同时出水阀也决定了液位达到设定值所需时间的长短，所以记录数据前，应先调好出水阀开度的大小，才能快速达到平衡。任意改变出水阀开度大小会对响应曲线造成干扰，从而使实验结果的误差变大。
2、用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与哪些因素有关？
答：因为系统用到了仪表，因此与仪表的精度有关，同时与出水阀开度的大小有关。并和放大系数K、时间常数T以及纯滞后时间有关。
3、由结构判断本实验对象是否有自平衡能力？是否与实验结果一致？
答：有自平衡能力。
五．实验数据
图1单容水箱单调上升指数曲线图2 单容水箱特性的测试实时曲线
通过实验所获得的特性曲线，图1为单容水箱单调上升指数曲线，当输入一个控制量为35时，水流通过水阀向水箱进水，由于单容水箱实验的数学模型为一阶惯性环节，因此所得的曲线为单调上升曲线，经过一段时间之后被控制量达到接近控制量的稳定值。
图2为在系统稳定时，通过调节器输入一个阶跃变化，则系统又进过一段时间后达到一个新的平衡点，因此产生如图所示的曲线变化。
实验三双容水箱液位数学模型的测试
一、实验目的
1．熟悉双容水箱的数学模型及其阶越响应曲线
2．根据实际测得双容水箱液位的阶越响应曲线，确定其传递函数
二、实验原理
被控对象有两个水箱串联链接，股称其为双容系统。被控制量为下水箱的液位，显然，多了一个水箱，响应时间就滞后。由S型曲线的拐点P出做一切线，它与时间轴的交点为A，OA表示对象相应的滞后时间。至于双容对象两个惯性环节的时间常熟可按下述方法来确定。
在图2-2.2所示的阶越响应曲线上求取：
（1）=曲线上的电Bhe对应的时间
（2）时曲线上的点C对应的时间
然后，利用下面的近似公式计算式
由上述两式求出和，于是得双容（二阶）对象的传递函数：
三、实验步骤
1．接好实验线路。
2．开启总电源和相关仪表的电源
3．商店后，启动计算机，运行MCGS组态软件，进入本实验系统。
4．先把调节器设置与手动状态，按调节器的增减，改变其输出值，是下水想的液位处于某一平衡未知。突增/突减调节器的手动输出量，使下水箱的液位由原
平衡位置开始变化，经过一段时间后，液位进入新的平衡状态。
5．用计算机实时记录的历史曲线和在阶跃扰动后的响应曲线。
6．把计算机作用的实验曲线进行分析处理，并把结果填表入下表中
四、思考题
1．引起双容对象滞后的特性是什么？
答：由于多了一个容积，水位差h2表现出来的响应特性就不同于单容水箱，响应过程在时间上落后了一步，存在管道上的滞后，干扰引起的传感器反馈信号上的滞后。这段滞后时间主要是对象容量增加和容积之间存在阻力所造成的。
2．由结构判断本实验对象是否有自平衡能力？是否与实验结果一致？
答：本实验结构中的负载阀可根据液压的大小来自动调节液体流出量，最终使水的流入量与流出量相等，所以本实验对象具有自平衡能力。与实验结果有差异。
五．实验数据
图1
如图1所示为一双容水箱液位实验的特性响应曲线。由于双容水箱在数学模型上近似为二阶系统，因此当开启水阀，输入一个阶跃的控制量35时，系统经过一段时间，被控制量达到与控制量接近的稳态。通过图可以测出二阶系统的超调量，上升时间、调整时间和稳态误差，同时可以发现由于双容水箱的作用，会产生一定的时间延时。
实验四单回路定值控制系统
一、概述
单回路控制系统方框图如下。它是由调节器、执行器、被控对象和检测元件及变送器组成。单回路控制系统结构简单、易于分析设计、投资少、便于施工、技术成熟，适用于被控对象滞后时间比较小，负荷和干扰变化不大，控制质量要求不很高的场合。因此在工业生产中得到了广泛的应用。
二、干扰对系统的影响
1.干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后的影响
干扰通道的放大系数K，会影响干扰加在系统中的幅值。若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数越大，系统的静差也就越大。我们希望干扰通道的放大系数越小越好。
如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为Tf1，其过度过程的动态分量被滤波而幅值变小。则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的分量被滤波而副值变小。即时间常数Tf2越大，则系统的偏差就越小。
通常干扰通道中还会有纯滞后环节，使被调参数的响应时间滞后一个τ值，即Yτ(t)=Y(t-τ)，表明调节过程沿时间轴平移了一个τ的距离，所以干扰通道出现有纯滞后，不会影响系统调节质量。
2.干扰进入系统中的不同位置
控制理论证明，同一形式大小相同的扰动出现于系统中的不同位置所产生的静差是不一样的。对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。
三、控制规律的确定
选择系统调节规律的目的，就是使调节器与调节对象能很好得匹配，使组成的控制系统能满足工艺上所提出的动、静态性能指标的要求。分以下几种调节：
1.比例（P）调节
纯比例调节是一种最简单的调节，它对控制作用和扰动作用的响应都很快速。由于只一个参数，所以整定方便。缺点是系统有静差存在。
2.比例积分（PI）调节
PI调节的积分部分能有利于消除偏差，但它又使PI调节的相位滞后量减小，即系统的稳定性变差，传递函数为：Gc(S)=Kp(1+1/TS)
3.比例微分（PD）调节
PD调节器由于有微分作用，能增加系统的稳定性，比例系数的增大能加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分不能过大，以利于抗高频干扰。传递函数为：Gc(S)=Kp(1+TS)
4.比例微分积分（PID）调节
PID是常规调节中性能最好的一种调节。由于它具有各类调节的优点，因而使系统具有更高的控制质量。传递函数为：Gc(S)=Kp(1+TdS+1/TiS)
四、调节器参数的整定方法
调节器参数的整定方法通常分为两大类：一种是理论计算整定法，即根据被控对象的特性，然后通过理论计算来求取调节器的最佳参数。另一种方法是工程整定法，在被控对象运行时，直接在控制系统中，通过改变调节器参数，观察被控对象的过渡过程，来获取最佳数值。一般通过理论计算得到的整定参数并不可靠，还需要到现场进行修正，因此工程中采用较少。而在工程中应用较多的是工程整定法。工程整定法有以下四种：
（一）经验试凑法
若将控制系统按液位、流量、温度和压力等参数分类，属于同一类的系统，其对象特性比较接近，所以无论是调节规律的形式还是所整定的参数均可互相参考。下表给出了常用过程控制系统控制器的参数经验数据。
(二)临界比例度法
临界比例度法就是先让控制器在纯比例控制下，通过现场实验找到等幅振荡的过渡过程，记下这时的临界比例带δk和临界振荡周期Tk，求出衰减振荡时控制器的最佳参数。
系统δTi Td
（三）衰减曲线法
衰减曲线法是在经验法和临界比例度法基础上，针对它们的不足，反复实验而得出的一种参数整定方法，和临界比例度法类似，不同的只是本法采用某衰减比。并不是等幅振荡，而是等到比如4：1衰减比时，根据此时比例度δk和振荡周期Tk，按下表经验算式，求取调节的参考参数数值。
系统δTi Td
（四）反应曲线法
如果被控对象是一阶惯性环节或有很小滞后的一阶惯性环节，若用以上几种方法就有难度了。对于这种情况，可采用反应曲线法来整定调节器的参数。令调节器的输出X(t)为阶跃信号，则对象经测量变送器后的输出Y(t)，如图所示。由此可以确定τ、T和K，其中K按下式确定K=[y(∞)-y(0)]/x0。利用下表所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：1时调节器的参数。
五、实验目的
1、了解一阶、二阶单回路控制系统的结构与组成。
2、掌握单回路控制系统调节器参数的整定。
3、研究P、PI、PD和PID四种调节器相关参数的变化对系统动态性能的影响。
六、实验内容
1.一阶、二阶单回路液位定值控制系统的实现
2.一阶、二阶单回路压力定值控制系统的实现
3.一阶单回路温度定值控制系统的实现
七、实验步骤
1、按设计要求完成系统的接线。
2、接通总电源和相关仪表的电源。
3、上电后，启动计算机，运行MCGS组态软件，进入本实验系统。
4、选用单回路控制系统所述的某种调节器参数的整定方法整定好调节器的参数。
5、先设置系统给定值SV，再手动操作调节器的输出，是被控制量接近给定值且基本稳定不变时，把调节器切换为自动，使系统自动运行。
6、进行下列实验：
1）当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增加5%~15%），观察并记录系统的输出响应曲线。
2）待系统进入稳定后，适量打开另一个阀，以作为系统的扰动，观察并记录在阶跃扰动作用下液位的变化过程。
7、适量改变PI的参数，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。
八、思考题
1．如何用实验方法确定调节器的相关参数？
答：可以采用经验试凑法，临界比例度法，衰减曲线法，反应曲线法来确定调节器的参数。
2．改变比例度和积分时间，对系统性能产生什么影响？
答：比例度对系统性能的影响：比例度越大，放大倍数越小，在相同大小的干扰下，调节器的比例度越小，振荡周期也越短，工作频率提高。比例度越大，则
调解器的输出变化越小，被控变量变化越缓慢，过渡过程越平稳。积分时间对系统性能的影响：积分作用的引入，一方面消除了吸引的余差，另一方面却降低了系统的其它品质指标，因此必须适当的增加比例度。
3．为什么双容系统较单容系统更容易引起振荡？如果达到同样的动态性能指标，为什么双容系统调节器的比例度和积分时间常数均要比单容系统大？
答:因为双容系统在数学模型上为一个二阶系统，因此会产生振荡。
4．说出下水箱的时间常数比上水箱时间常数大的原因。
答：因为需要先经过上水箱才能到达下水箱，因而下水箱的时间比上水箱长。5．为什么采用PI调节器消除系统的余差，而不采用纯积分器？
答：因为比例积分适用于滞后比较小，负荷变化不大，不允许有余差的控制系统。而纯积分器会使系统稳定性变差。积分能在比例的基础上消除系统的余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。
6．叙述比例积分调节器（Pl）的参数整定步骤。
ⅰ.在纯比例调节的基础上，加上积分作用“I”，根据不同的情况，设置不同的大小。观察被控变量能否回到原设定置的位置，以验证系统在PI调节器控制下，系统的阶越扰动无余差产生。
ⅱ.固定比例P值（中等大小），然后改变调节器的积分时间值，观察加入阶跃扰动后被调量的输出波形和响应时间的快慢。
ⅲ.固定于某一中等大小的值，然后改变比例度的大小，观察加入阶跃扰动后被调量的动态波形和响应时间的快慢。
九．实验数据
实验六水箱液位串级控制
一、实验目的
1、熟悉串级控制系统的结构与特点。
2、掌握串级控制系统的投运与参数的整定方法。
3、研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。
二、实验原理
本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主、副两个回路组成。每一个回路中都有一个调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量。副回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，它的输出是一个辅助的控制变量。
本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值。当有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当被控制量（下水箱的液位）未作出反应时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对被控变量的影响。此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。
三、实验步骤
1、按图要求，完成实验系统的接线。
2、接通总电源和相关仪表的电源。打开阀门。
3、按经验数据预先设置好副调节器的比例度。
4、上电后，启动计算机，运行MCGS组态软件，进入本实验系统。
5、调节主调节器的比例度，使系统的输出响应出现4：1的衰减度，记下此时的比例度δs和周期Ts。据此，按经验表查得P1的参数对主调节器进行参数整定。
6、系统投运的步骤：
1）主、副调节器都置于手动位置，主调节器采用内给定模式，副调节器采用外给定模式。先通过副调节器手动控制。
2）把主调节器的手动输出调整到合适的值。当系统稳定后，把副调节器切入自动。
3）通过主调节器的手动控制，当下水箱液位趋于给定值，把主调节器切换为自动。
7、进行如下的实验：
1）当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增/减5%～15%），观察并记录系统的输出响应曲线。
2）适量打开干扰阀门，观察并记录阶跃扰动作用于副对象（上水箱）时，系统被控变量（下水箱液位）的响应过程。
3）关闭干扰阀门，去除副对象的阶跃扰动，且待系统再次稳定后，再适量打开阀，观察并记录阶跃扰动作用于主对象时对系统被控制量的影响。
四．思考题
1、试述串级控制系统为什么对副扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力？
答：在串级控制系统中，副回路可视为主回路的一个环节，使滞后时间变短，提高系统克服干扰的能力。
2、一步整定法的依据是什么？
答：理论依据是：串级控制系统可以等价为单回路反馈控制系统，其等效调节器总的放大系数Kc为主调节器放大系数Kc1与副回路等效的放大系数K02’的乘积,即Kc= Kc1 K02’。
3、主、副调节器正反作用方向如何确定？
答：主、副调节器正反作用方向如何确定？答：首先根据工艺生产安全等原则选择调节阀的气开、气关形式：然后根据生产工艺条件和调节阀的形式确定副调节器的正、反作用方式，然后再根据主、副参数的关系，决定主调节器的正、反作用方式。
4、为什么本实验中的副调节器为比例（P）调节器？
答：因为副参数允许有余差，而且副调节器的放大系数较大，控制作用强，余差小，若采用积分作用会延长控制作用，减弱副回路的快速作用。
五．实验数据
图1
图1所示为为适用串级控制方法的水箱液位系统。实验时先通过手动的方式设定调节器使系统先工作一段时间，当系统稳定后，将副调节器改为自动进行投运。由于我们在实验时过早的将系统投运，因此系统没有稳定后就向另一个状态变化，产生如图的曲线，同时由于上下水箱的作用，出现了一定时间的滞后。
实验八下水箱液位与电动调节阀支路流量的串级控制
一、实验目的
1.了解水箱液位-流量串级控制系统的结构与组成。
2.掌握液位-流量串级控制系统的投运与调节器参数的整定方法。
3.研究阶跃扰动分别作用于副对象与主对象时对系统主控制量的影响。
4.主、副调节器参数的改变对系统性能的影响。
二、实验原理
本实验系统由主、副两个回路组成，主控变量为下水箱的液位高度H，是一个恒值控制系统，使系统的主控制量H等于给定值；副控变为电动调节阀支路流量Q，副回路控制主控制量的目的。
不难看出，由于主对象下水箱的时间常数大于副对象管道的时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，在主对象未受到影响前，通过副回路的快速调节作用已消除了扰动的影响。
三、实验步骤
1.按照图要求，完成实验系统的接线。
2.接通总电源和相关仪表的电源。
3.打开阀，并固定于某一合适的开度。
4.按经验数据预先设置好副调节器的比例度δ值。
5.上电后，启动计算机，运行MCGS组态软件，进入本实验系统。
6.调节主调节器的比例度δ。使系统的输出响应呈4：1的衰减度，记下此时的比例度δ和周期Ts。按查表所得的PI参数对主调节器的参数进行整定。
7.手动操作主调节器的输出，控制电动调节阀给下水箱打水，待下水箱液位相对稳定且等于给定值时，把主调节器切为自动，系统进入自动运行。
8.进行如下的实验：
1）当系统稳定运行后，设定值加一合适的阶跃扰动。记录系统得输出响应曲线。
2）适量打开阀，观察并记录阶跃扰动作用于主对象时，系统被控质量的响应过程。
3）关闭阀，待系统稳定后，适量打开电动阀两端的旁路阀，观察并记录阶跃扰动作用于副对象时对系统被控质量的相应。
9.通过反复对主副调节器参数的调节，使系统具有较满意的动、静态性能。用计算机记录此时系统得动态相应曲线。
四、思考题
1、为什么副回路的调节器为P控制，而不采用PI控制规律？
答：副回路是一个随动控制系统，副控制器主要起随动控制作用。为了能够快速跟踪，副控制器一般不引进积分作用。只有对副变量有控制要求或要求副变量精确跟随主控制器输出变化时，才适当引入积分作用。
2、试简述串级控制系统设置副回路的主要原因有哪些？
答：原因是因为在控制过程中，往往影响控制量的干扰因素有很多，而单回路控制系统需要经过一系列环节才能够改变被控量，所以控制通道的时间常数较大，容量滞后也比较大，这将导致控制作用不及时，控制质量很差，因而需要采用设置副回路的串级控制来提高反应速度，改善控制质量。串级调速系统副回路具有调节快、抗扰动能力强的特点，既改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，又迅速克服进入副回路的二次扰动，提高了系统的工作频率。
3、试说明当二次扰动作用于副回路时，系统是如何调节达到基本上不影响主控制量的目的？
答：当二次扰动作用于副回路时，先被副控制器发现，并立即进行控制。若扰动量不大，经过副回路的及时调节，一般不会影响最终的输出被控量。若扰动量较大影响到主参数时，主控制器开始工作，发出控制信号去不断调整副控制器的给定值，副控制器将根据测量值与变化了的给定值之差进行控制，直到完全克服扰动的影响使被控量重新回到给定值为止。
4、副调节器如果设计为PI，试分析对系统的性能有什么影响？
答：副调节器采用PI控制，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用，积分作用的目的不是消除余差，而是增强控制作用。
五、实验数据
图1
图1所示为适用串级控制方法的水箱液位系统。与实验6不同的是副回路和主回路的返回信号量不同，不全为液位变化量，本实验的副回路采集流量的变化量。通过手动设定一段时间后，将系统投运使的系统达到稳定状态。图中出现的一段凸形曲线为当系统稳定后加上一定量的干扰所导致的结果，可以看到，系统通过主副调节器的调节将系统的干扰消除，较快的回到原来的稳定状态。
实验心得
过程控制系统及其应用是我们专业很重要的一门专业课，这门课的知识面涉及很广，其中囊括了自动控制原理，传感器技术等多门课的知识。可以说这是一门将我们专业知识和现代工业控制结合的课程，也是一门综合性的对专业知识要求比较高的课程。这次虽然只有短短的两次实验课，但是对我加深对理论知识的理解已很有帮助。这次主要进行了五个实验，包括单容水箱液位数学模型的测试，双容水箱液位数学模型的测试，单回路定值控制系统，水箱液位串级控制系统，水箱液位与流量串级控制。通过实验，我了解了对象动态特性的测量方法，单回路控制系统和串级控制系统的组成，及调节器参数整定，等等。让我在实际运用中对这些知识加深了理解。
这门课程的工程实践性很强，且与现代工业控制技术紧密联系，做为即将毕业的应届学生，掌握这门技术，对将来的个人发展也很益处，增加了竞争力。最后谢谢老师的细心教导和帮助。
我很认真的对待每一个实验，几乎每次都做到最后，虽然好几个实验最终都没有成功，但是我体会到其中的乐趣。
过程控制实验 实验报告 班级:自动化1202 姓名:杨益伟 学号:120900３21 2015年１0月 信息科学与技术学院 实验一过程控制系统建模 作业题目一: 常见得工业过程动态特性得类型有哪几种?通常得模型都有哪些？在Ｓimｕlｉnｋ中建立相应模型,并求单位阶跃响应曲线、 答:常见得工业过程动态特性得类型有:无自平衡能力得单容对象特性、有自平衡能力得单容对象特性、有相互影响得多容对象得动态特性、无相互影响得多容对象得动态特性等。通常得模型有一阶惯性模型,二阶模型等、 单容过程模型 1、无自衡单容过程得阶跃响应实例 已知两个无自衡单容过程得模型分别为与,试在Siｍulinｋ中建立模型,并求单位阶跃响应曲线。 Simuｌinｋ中建立模型如图所示: 得到得单位阶跃响应曲线如图所示:
2、自衡单容过程得阶跃响应实例 已知两个自衡单容过程得模型分别为与,试在Sｉmulinｋ中建立模型,并求单位阶跃响应曲线。 Ｓimulink中建立模型如图所示: 得到得单位阶跃响应曲线如图所示:
多容过程模型 3、有相互影响得多容过程得阶跃响应实例 已知有相互影响得多容过程得模型为,当参数, 时,试在Ｓiｍｕlink中建立模型,并求单位阶跃响应曲线在Ｓimｕlink中建立模型如图所示:得到得单位阶跃响应曲线如图所示:
4、无相互影响得多容过程得阶跃响应实例 已知两个无相互影响得多容过程得模型为(多容有自衡能力得对象)与(多容无自衡能力得对象),试在Simuｌink中建立模型,并求单位阶跃响应曲线。 在Simuｌink中建立模型如图所示: 得到得单位阶跃响应曲线如图所示:
自动控制理论实验报告 实验一 典型环节的时域响应 院系： 班级： 学号： 姓名：
实验一 典型环节的时域响应 一、 实验目的 1．掌握典型环节模拟电路的构成方法，传递函数及输出时域函数的表达式。 2．熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。 3．了解各项参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、 实验设备 PC 机一台，TD-ACC+教学实验系统一套。 三、 实验步骤 1、按图1-2比例环节的模拟电路图将线接好。检查无误后开启设备电源。 注：图中运算放大器的正相输入端已经对地接了100k 电阻。不需再接。 2、将信号源单元的“ST ”端插针与“S ”端插针用“短路块”接好。将信号形式开关设为“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT ”端输出的方波幅值为1V ，周期为10s 左右。 3、将方波信号加至比例环节的输入端R(t)， 用示波器的“CH1”和“CH2”表笔分别监测模拟电路的输入R(t)端和输出C(t)端。记录实验波形及结果。 4、用同样的方法分别得出积分环节、比例积分环节、惯性环节对阶跃信号的实际响应曲线。 5、再将各环节实验数据改为如下： 比例环节：；，k R k R 20020010== 积分环节：；，u C k R 22000== 比例环节：；，，u C k R k R 220010010=== 惯性环节：。，u C k R R 220010=== 用同样的步骤方法重复一遍。 四、 实验原理、内容、记录曲线及分析 下面列出了各典型环节的结构框图、传递函数、阶跃响应、模拟电路、记录曲线及理论分析。 1．比例环节 (1) 结构框图： 图1－1 比例环节的结构框图 (2) 传递函数： K S R S C =) () ( K R(S) C(S)
实验一、单容水箱特性的测试 一、实验目的 1. 掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并记录相应液位的响应曲线。 2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。 二、实验设备 1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置 2. 计算机及相关软件 3. 万用电表一只 三、实验原理 图2-1单容水箱特性测试结构图由图2-1可知，对象的被控制量为水箱的液位H，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1，手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时 Q1-Q2=0 (1)
动态时，则有 Q1-Q2=dv/dt (2) 式中 V 为水箱的贮水容积，dV/dt为水贮存量的变化率，它与 H 的关系为 dV=Adh ,即dV/dt=Adh/dt (3) A 为水箱的底面积。把式(3)代入式(2)得 Q1-Q2=Adh/dt (4) 基于Q2=h/RS，RS为阀V2的液阻,则上式可改写为 Q1-h/RS=Adh/dt 即 ARsdh/dt+h=KQ1 或写作 H(s)K/Q1(s)=K/(TS+1) (5) 式中T=ARs,它与水箱的底积A和V2的Rs有关:K=Rs。 式(5)就是单容水箱的传递函数。 对上式取拉氏反变换得 (6) 当t—>∞时,h(∞)=KR0 ,因而有K=h(∞)/R0=输出稳态值/阶跃输入当 t=T 时，则有 h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞)
式(6)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。当由实验求得图2-2所示的阶跃响应曲线后,该曲线上升到稳态值的63%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，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T,由响应曲线求得K和T后,就能求得单容水箱的传递函数。如果对象的阶跃响应曲线为图2-3,则在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点,与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间τ,BC为对象的时间常数T,所得 的传递函数为： 四、实验内容与步骤 1．按图2-1接好实验线路,并把阀V1和V2开至某一开度,且使V1的开度大于V2的开度。 2．接通总电源和相关的仪表电源,并启动磁力驱动泵。
控制系统仿真与设计实验报告 姓名： 班级： 学号： 指导老师：刘峰 7.2.2控制系统的阶跃响应 一、实验目的 1.观察学习控制系统的单位阶跃响应； 2.记录单位阶跃响应曲线； 3.掌握时间相应的一般方法； 二、实验内容 1.二阶系统G(s)=10/(s2+2s+10)
键入程序，观察并记录阶跃响应曲线；录系统的闭环根、阻尼比、无阻尼振荡频率；记录实际测去的峰值大小、峰值时间、过渡时间，并与理论值比较。 （1）实验程序如下： num=[10]; den=[1 2 10]; step(num,den); 响应曲线如下图所示： （2）再键入： damp(den); step(num,den); [y x t]=step(num,den); [y,t’] 可得实验结果如下：
记录实际测取的峰值大小、峰值时间、过渡时间，并与理论计算值值比较 实际值理论值 峰值 1.3473 1.2975
峰值时间 1.0928 1.0649 过渡时间+%5 2.4836 2.6352 +%2 3.4771 3.5136 2. 二阶系统G(s)=10/(s2+2s+10) 试验程序如下： num0=[10]; den0=[1 2 10]; step(num0,den0); hold on; num1=[10]; den1=[1 6.32 10]; step(num1,den1); hold on; num2=[10]; den2=[1 12.64 10]; step(num2,den2); 响应曲线：
（2）修改参数，分别实现w n1= (1/2)w n0和w n1= 2w n0响应曲线试验程序: num0=[10]; den0=[1 2 10]; step(num0,den0); hold on; num1=[2.5]; den1=[1 1 2.5]; step(num1,den1); hold on; num2=[40]; den2=[1 4 40]; step(num2,den2); 响应曲线如下图所示：
计算机过程控制实验报告
实验1 单容水箱液位数学模型的测定实验 1、试验方案： 水流入量Qi 由调节阀u 控制，流出量Qo 则由用户通过负载阀R 来改变。被调量为水位H 。分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。 直接在调节阀上加定值电流，从而使得调节阀具有固定的开度。（可以通过智能调节仪手动给定，或者AO 模块直接输出电流。） 调整水箱出口到一定的开度。 突然加大调节阀上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型。 通过物料平衡推导出的公式： μμk Q H k Q i O ==, 那么 )(1 H k k F dt dH -=μμ， 其中，F 是水槽横截面积。在一定液位下，考虑稳态起算点，公式可以转换成 μμR k H dt dH RC =+。 公式等价于一个RC 电路的响应函数，C=F 就是水容，k H R 0 2= 就是水阻。 如果通过对纯延迟惯性系统进行分析，则单容水箱液位数学模型可以使用以下S 函数表示： ) 1()(0 += TS S KR S G 。 相关理论计算可以参考清华大学出版社1993年出版的《过程控制》，金以慧编著。 2、实验步骤： 1) 在现场系统A3000-FS 上，将手动调节阀JV201、JV206完全打开，使下水箱闸板具有 一定开度，其余阀门关闭。 2) 在控制系统A3000-CS 上，将下水箱液位（LT103）连到内给定调节仪输入端，调节仪 输出端连到电动调节阀（FV101）控制信号端。 3) 打开A3000-CS 电源，调节阀通电。打开A3000-FS 电源。 4) 在A3000-FS 上，启动右边水泵（即P102），给下水箱（V104）注水。 给定值 图1 单容水箱液位数学模型的测定实验
实验1模拟控制系统在阶跃响应下的特性实验 一、实验目的 根据等效仿真原理，利用线性集成运算放大器及分立元件构成电子模拟器, 以干电池作为输入信号，研究控制系统的阶跃时间响应。 二、实验内容 研究一阶与二阶系统结构参数的改变，对系统阶跃时间响应的影响。 三、实验结果及理论分析 1.一阶系统阶跃响应 a. 电容值1uF，阶跃响应波形： b. 电容值2.2uF，阶跃响应波形:
c. 电容值4.4uF，阶跃响应波形: 2?—阶系统阶跃响应数据表 U r= -2.87V R°=505k? R i=500k? R2=496k 其中
T = R2C U c C：)=「(R/R2)U r 误差原因分析： ①电阻值及电容值测量有误差； ②干电池电压测量有误差； ③在示波器上读数时产生误差； ④元器件引脚或者面包板老化，导致电阻变大； ⑤电池内阻的影响输入电阻大小。 ⑥在C=4.4uF的实验中，受硬件限制，读数误差较大3?二阶系统阶跃响应 a.阻尼比为0.1，阶跃响应波形: b.阻尼比为0.5，阶跃响应波形:
4.二阶系统阶跃响应数据表 E R w ( ?) 峰值时间 U o (t p ) 调整时间 稳态终值 超调（%） 震荡次数 C. d. 阻尼比为0.7，阶跃响应波形: 阻尼比为1.0，阶跃响应波形: CHI 反相 带宽限制 伏/格
四、回答问题 1.为什么要在二阶模拟系统中 设置开关K1和K2 ,而且必须 同时动作？ 答：K1的作用是用来产生阶跃信号，撤除输入信后，K2则是构成了C2的 放电回路。当K1 一旦闭合（有阶跃信号输入），为使C2不被短路所以K2必须断开，否则系统传递函数不是理论计算的二阶系统。而K1断开后，此时要让 C2尽快放电防止烧坏电路，所以K2要立即闭合。 2.为什么要在二阶模拟系统中设置 F3运算放大器？ 答：反相电压跟随器。保证在不影响输入和输出阻抗的情况下将输出电压传递到输入端，作为负反馈。 实验2模拟控制系统的校正实验 一、实验目的 了解校正在控制系统中的作用
研究生自动控制专业实验 地点：A区主楼518房间 姓名：实验日期：年月日斑号：学号：机组编号： 同组人：成绩：教师签字：磁悬浮小球系统 实验报告 主编：钱玉恒，杨亚非 哈工大航天学院控制科学实验室
磁悬浮小球控制系统实验报告 一、实验内容 1、熟悉磁悬浮球控制系统的结构和原理； 2、了解磁悬浮物理模型建模与控制器设计； 3、掌握根轨迹控制实验设计与仿真； 4、掌握频率响应控制实验与仿真； 5、掌握PID控制器设计实验与仿真； 6、实验PID控制器的实物系统调试； 二、实验设备 1、磁悬浮球控制系统一套 磁悬浮球控制系统包括磁悬浮小球控制器、磁悬浮小球实验装置等组成。在控制器的前部设有操作面板，操作面板上有起动/停止开关，控制器的后部有电源开关。 磁悬浮球控制系统计算机部分 磁悬浮球控制系统计算机部分主要有计算机、1711控制卡等； 三、实验步骤 1、系统实验的线路连接 磁悬浮小球控制器与计算机、磁悬浮小球实验装置全部采用标准线连接，电源部分有标准电源线，考虑实验设备的使用便利，在试验前，实验装置的线路已经连接完毕。 2、启动实验装置 通电之前，请详细检察电源等连线是否正确，确认无误后，可接通控制器电源，随后起动计算机和控制器，在编程和仿真情况下，不要启动控制器。 系统实验的参数调试
根据仿真的数据及控制规则进行参数调试（根轨迹、频率、PID 等），直到获得较理想参数为止。 四、实验要求 1、学生上机前要求 学生在实际上机调试之前，必须用自己的计算机，对系统的仿真全部做完，并且经过老师的检查许可后，才能申请上机调试。 学生必须交实验报告后才能上机调试。 2、学生上机要求 上机的同学要按照要求进行实验，不得有违反操作规程的现象，严格遵守实验室的有关规定。 五、系统建模思考题 1、系统模型线性化处理是否合理，写出推理过程？ 合理，推理过程： 由级数理论，将非线性函数展开为泰勒级数。由此证明，在平衡点)x ,(i 00对 系统进行线性化处理是可行的。 对式2x i K x i F )(),(=作泰勒级数展开，省略高阶项可得： )x -)(x x ,(i F )i -)(i x ,(i F )x ,F(i x)F(i,000x 000i 00++= )x -(x K )i -(i K )x ,F(i x)F(i,0x 0i 00++= 平衡点小球电磁力和重力平衡，有 (,)+=F i x mg 0 |,δδ===00 i 00 i i x x F(i,x) F(i ,x )i ；|,δδ===00x 00i i x x F(i,x)F (i ,x )x 对2 i F(i,x )K()x =求偏导数得：
实验一过程控制系统的组成认识实验 过程控制及检测装置硬件结构组成认识，控制方案的组成及控制系统连接 一、过程控制实验装置简介 过程控制是指自动控制系统中被控量为温度、压力、流量、液位等变量在工业生产过程中的自动化控制。本系统设计本着培养工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才为出发点。实验对象采用当今工业现场常用的对象，如水箱、锅炉等。仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件。对象系统还留有扩展连接口，扩展信号接口便于控制系统二次开发，如PLC控制、DCS控制开发等。学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能很快地适应环境并进入角色。同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开发的平台。 二、过程控制实验装置组成 本实验装置由过程控制实验对象、智能仪表控制台及上位机PC三部分组成。 1、被控对象 由上、下二个有机玻璃水箱和不锈钢储水箱串接，4.5千瓦电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭外循环不锈钢锅炉夹套构成），压力容器组成。 水箱：包括上、下水箱和储水箱。上、下水箱采用透明长方体有机玻璃，坚实耐用，透明度高，有利于学生直接观察液位的变化和记录结果。水箱结构新颖，内有三个槽，分别是缓冲槽、工作槽、出水槽，还设有溢流口。二个水箱可以组成一阶、二阶单回路液位控制实验和双闭环液位定值控制等实验。 模拟锅炉：锅炉采用不锈钢精致而成，由两层组成：加热层（内胆）和冷却层（夹套）。做温度定值实验时，可用冷却循环水帮助散热。加热层和冷却层都有温度传感器检测其温度，可做温度串级控制、前馈－反馈控制、比值控制、解耦控制等实验。 压力容器：采用不锈钢做成，一大一小两个连通的容器，可以组成一阶、二阶单回路压力控制实验和双闭环串级定值控制等实验。 管道：整个系统管道采用不锈钢管连接而成，彻底避免了管道生锈的可能性。为了提高实验装置的使用年限，储水箱换水可用箱底的出水阀进行。 2、检测装置 （液位）差压变送器：检测上、下二个水箱的液位。其型号：FB0803BAEIR，测量范围：0～1.6KPa，精度：0.5。输出信号：4～20mA DC。 涡轮流量传感器：测量电动调节阀支路的水流量。其型号：LWGY－6A，公称压力：6.3MPa，精度：1.0％，输出信号：4～20mA DC 温度传感器：本装置采用了两个铜电阻温度传感器，分别测量锅炉内胆、锅炉夹套的温度。经过温度传感器，可将温度信号转换为4～20mA DC电流信号。 （气体）扩散硅压力变送器：用来检测压力容器内气体的压力大小。其型号：DBYG-4000A/ST2X1，测量范围：0.6～3.5Mpa连续可调，精度：0.2，输出信号为4～20mA DC。 3、执行机构 电气转换器：型号为QZD-1000，输入信号为4～20mA DC，输出信号：20～100Ka气压信号，输出用来驱动气动调节阀。 气动薄膜小流量调节阀：用来控制压力回路流量的调节。型号为ZMAP－100，输入信号为4～20mA DC或0～5V DC，反馈信号为4～20mA DC。气源信号 压力：20~100Kpa，流通能力：0.0032。阀门控制精度：0.1％～0.3％，环境温度：－4～＋200℃。 SCR移相调压模块：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号0～5V DC或4～20mA DC 或10K电位器，输出电压变化范围：0～220V AC，用来控制电加热管加热。 水泵：型号为UPA90，流量为30升／分，扬程为8米，功率为180W。
实验内容 （一）直流电机双环调速系统实验，此时必须松开连轴节！不带动工作台！ 1． 测试电流环特性 ，由于外接霍尔传感器只有一套，有五套PWM 放大器有电流输出（接成跟随器方式，其电流采样输出为25芯D 型插座的17（模拟地），19脚，但模拟地是电流环的模拟地，不是实验箱运算放大器OP07的地！所以，只能用万用表量测。多数同学可用手堵转，给定微小的输入电压（小于±50mV ）加入到电流环输入端,再加大就必须松开手，观察电机转速能否控制？为什么？如果要测试电流环静态特性，必须用台钳夹住电机轴，保证电机堵转。所以此项实验由教师按图22进行，这里只给出以下数据： 图 22 电流环静态特性实验接线图 （1）霍尔传感器的校准 利用直流稳压电源和电流表校准霍尔传感器，该 传感器为LEM-25,当原边为1匝时，量程为25A ，而原边采用5匝时， 量程为5A ；现在按后者的接法实验，M R 约500Ω。 （2）然后利用它来测试PWM 功率放大器的静态传递系数。电流环的静态特性如表2所示。注意电机是堵转的！
1V;得到通频带400Hz. 2.根据给定参数，利用MATLAB设计速度环的校正装置参数,画出校正前后的Bode图调，到实验室自己接线，教师检查无误后，可以通电调试；首先，正确接线保证系统处于负反馈，如果正反馈会产生什么现象？如何通过开环特性判断测速反馈是负反馈？对此有正确定答案后方能够开始实验。 （1）在1 β和β=0.4～0.5时分别调试校正装置的参数，使其单位阶跃输入的 = 响应曲线超调量最小，峰值时间最短，并记录阶跃响应曲线的特征值； 能够用A/D卡把数据采集到计算机中更好！ （2）断开电源，记录最佳的校正装置参数； （3）测试速度环静态特性，为加快测试速度，可直接测试输入电压和测速机电压的关系；在转速低的情况下用手动阻止电机的转动，是否会影响转速？ 为什么？分析速度环的机械特性（转速与负载力矩的关系曲线称为机械特 性），从而说明系统的刚度。 （4）有条件的小组可测试速度环频率特性（只测量幅频特性）。 （二）电压－位置伺服系统实验 开始，也必须脱开电机与工作台的连轴节！直到位置环调试好后，再把连轴节连接好！ 1．断开使能，手动电机转动，检查电子电位计工作的正确性！ 2．让位置环开环，利用调速系统，观察电子电位计在大范围工作的正确性，可利用示波器或万用表测试电位计的输出。 3．位置环要使用实验箱的头2个运算放大器，所以必须注意注意位置反馈的极性；为保证位置反馈是负反馈，必须通过位置系统开环来判断，这时位置调节器只利用比例放大器，如果发现目前的接线是正反馈后，怎么接线？ 4．将位置环的位置反馈正确接到反馈输入端，利用给定指令电位计，移动它，使电机位置按要求转动。正确后，即可把连轴节连接好，连接连轴节时用专用内六角扳手。这时应该断电！ 5．按设计的校正装置连接好，再上电。测试具有比例放大器和近似比例积分调节器时的阶跃响应曲线，并记录之； 6．测试输入电压－位置的传递特性曲线； 7．用手轮加小力矩估计系统的（电弹簧）刚度。 三、实验报告要求 （一）速度环实验 1．对速度环建模，画出速度环方块图，传递函数图 2．画出校正前后的Bode图，设计校正装置及其参数； 3．写出实验原始数据，整理出静态曲线和动态数据； 4．从理论和实际的结合上，分析速度环的特点，并写出实验的收获和改进意见； （二）位置环实验 1．对位置环建模，画出位置环方块图，传递函数图；
东南大学自动化学院 实验报告 课程名称：过程控制实验 实验名称：水箱液位控制系统 院（系）：自动化专业：自动化姓名：学号： 实验室：实验组别： 同组人员： 实验时间： 评定成绩：审阅教师：
目录 一、系统概论 (3) 二、对象的认识 (4) 三、执行机构 (14) 四、单回路调节系统 (15) 五、串级调节系统Ⅰ (18) 六、串级调节系统Ⅱ (19) 七、前馈控制 (21) 八、软件平台的开发 (21)
一、系统概论 1.1实验设备 图1.1 实验设备正面图图1.2 实验设备背面图 本实验设备包含水箱、加热器、变频器、泵、电动阀、电磁阀、进水阀、出水阀、增压器、流量计、压力传感器、温度传感器、操作面板等。 1.1.2 铭牌 ·加热控制器： 功率1500w，电源220V（单相输入） ·泵： Q40-150L/min，H2.5-7m，Hmax2.5m，380V，VL450V， IP44，50Hz，2550rpm，1.1kw，HP1.5，In2.8A，ICL B ·全自动微型家用增压器： 型号15WZ-10，单相电容运转马达 最高扬程10m，最大流量20L/min，级数2，转速2800rmp，电压220V， 电流0.36A，频率50Hz，电容3.5μF，功率80w，绝缘等级 E ·LWY-C型涡轮流量计： 口径4-200mm，介质温度-20—+100℃，环境温度-20—+45℃，供电电源+24V， 标准信号输出4-20mA，负载0-750Ω，精确度±0.5%Fs ±1.0%Fs，外壳防护等级 IP65 ·压力传感器 YMC303P-1-A-3 RANGE 0-6kPa，OUT 4-20mADC，SUPPLY 24VDC，IP67，RED SUP+，BLUE OUT+/V- ·SBWZ温度传感器 PT100 量程0-100℃，精度0.5%Fs，输出4-20mADC，电源24VDC
《控制工程基础》实验报告 姓名欧宇涵 914000720206 周竹青 914000720215 学院教育实验学院 指导老师蔡晨晓 南京理工大学自动化学院 2017年1月
实验1：典型环节的模拟研究 一、实验目的与要求： 1、学习构建典型环节的模拟电路； 2、研究阻、容参数对典型环节阶跃响应的影响； 3、学习典型环节阶跃响应的测量方法，并计算其典型环节的传递函数。 二、实验内容： 完成比例环节、积分环节、比例积分环节、惯性环节的电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃响应特性的影响。 三、实验步骤与方法 （1）比例环节 图1-1 比例环节模拟电路图 比例环节的传递函数为：K s U s U i O =)()(，其中1 2R R K =，参数取R 2=200K ，R 1=100K 。 步骤： 1、连接好实验台，按上图接好线。 2、调节阶跃信号幅值(用万用表测)，此处以1V 为例。调节完成后恢复初始。 3、Ui 接阶跃信号、Uo 接IN 采集信号。 4、打开上端软件，设置采集速率为“1800uS”，取消“自动采集”选项。 5、点击上端软件“开始”按键，随后向上拨动阶跃信号开关，采集数据如下图。 图1-2 比例环节阶跃响应
（2）积分环节 图1-3 积分环节模拟电路图 积分环节的传递函数为： S T V V I I O 1 -=，其中T I =RC ，参数取R=100K ，C=0.1μf 。 步骤：同比例环节，采集数据如下图。 图1-4 积分环节阶跃响应 （3）微分环节 图1-5 微分环节模拟电路图 200K R V I Vo C 2C R 1 V I Vo 200K
自动控制系统实验报告 学号： 班级： 姓名: 老师：
一．运动控制系统实验 实验一.硬件电路的熟悉和控制原理复习巩固 实验目的：综合了解运动控制实验仪器机械结构、各部分硬件电路以及控制原理，复习巩固以前课堂知识，为下阶段实习打好基础。 实验内容：了解运动控制实验仪的几个基本电路： 单片机控制电路（键盘显示电路最小应用系统、步进电机控制电路、光槽位置检测电路） ISA运动接口卡原理（搞清楚译码电路原理和ISA总线原理） 步进电机驱动检测电路原理（高低压恒流斩波驱动电路原理、光槽位置检测电路）两轴运动十字工作台结构 步进电机驱动技术（掌握步进电机三相六拍、三相三拍驱动方法。） 微机接口技术、单片机原理及接口技术，数控轮廓插补原理，计算机高级语言硬件编程等知识。 实验结果： 步进电机驱动技术： 控制信号接口： （1）PUL：单脉冲控制方式时为脉冲控制信号，每当脉冲由低变高是电机走一步；双 脉冲控制方式时为正转脉冲信号。 （2）DIR：单脉冲控制方式时为方向控制信号，用于改变电机转向；双脉冲控制方式 时为反转脉冲信号。
（3）OPTO ：为PUL 、DIR 、ENA 的共阳极端口。 （4）ENA ：使能/禁止信号，高电平使能，低电平时驱动器不能工作，电机处于自由状 态。 电流设定： （1）工作电流设定： （2）静止电流设定： 静态电流可用SW4 拨码开关设定，off 表示静态电流设为动态电流的一半，on 表示静态电流与动态电流相同。一般用途中应将SW4 设成off ，使得电机和驱动器的发热减少，可靠性提高。脉冲串停止后约0.4 秒左右电流自动减至一半左右（实际值的60％），发热量理论上减至36％。 （3）细分设定： （4）步进电机的转速与脉冲频率的关系 电机转速v = 脉冲频率P * 电机固有步进角e / (360 * 细分数m) 逐点比较法的直线插补和圆弧插补： 一．直线插补原理： 如图所示的平面斜线AB ，以斜线起点A 的坐标为x0，y0，斜线AB 的终点坐标为(xe ，ye)，则此直线方程为： 00 00Y Ye X Xe Y Y X X --= -- 取判别函数F ＝(Y —Y0)(Xe —Xo)—(X-X0)(Ye —Y0)
浙工大过程控制实验报告 202103120423徐天宇过程控制系统实验报告 实验一：系统认识及对象特性测试 一实验目的 1了解实验装置结构和组成及组态软件的组成使用。 2 熟悉智能仪表的使用及实验装置和软件的操作。 3熟悉单容液位过程的数学模型及阶跃响应曲线的实验方法。 4学会有实际测的得单容液位过程的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数，辨识过程的数学模型。二实验内容 1 熟悉用MCGS组态的智能仪表过程控制系统。 2 用阶跃响应曲线测定单容液位过程的数学模型。三实验设备 1 AE2000B型过程控制实验装置。 2 计算机，万用表各一台。 3 RS232-485转换器1只，串口线1根，实验连接线若干。四实验原理 如图1-1所示，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），T=R2*C，K=R2为单容对象的放大倍数， R1、R2分别为V1、V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。 阶跃响应曲线法是指通过调节过程的调节阀，使过程的控制输入产生一个阶跃变化，将被控量随时间变化的阶跃响应曲线记录下来，再根据测试记录的响应曲线求取输入输出之间的数学模型。本实验中输入为电动调节阀的开度给定值OP，通过改变电动调节阀的开度给定单容过程以阶跃变化的信号，输出为上水箱的液位高度h。电动调节阀的开度op通过组态软件界面有计算机传给智能仪表，有智能仪表输出范围为：0~100%。水箱液位高度有由传感变送器检测转换为4~20mA的标准信号，在经过智能仪表将该信号上传到计算机的组态中，由组态直接换算成高度值，在计算机窗口中显示。因此，单容液位被控对象的传递函数，是包含了由执行结构到检测装置的所有液位单回路物理关系模型有上述机理建模可知，单容液位过程是带有时滞性的一阶惯性环节，电动调节阀的开度op，近似看成与流量Q1成正比，当电动调节阀的开度op为一常量作为阶跃信号时，该单容液位过程的阶跃响应为 需要说明的是表达式（2-3）是初始量为零的情况，如果是在一个稳定的过程下进行的阶跃响应，即输入量是在原来的基础上叠加上op的变化，则输出表达式是对应原来输出值得基础上的增
页眉 实验1 模拟控制系统在阶跃响应下的特性实验一、实验目的 根据等效仿真原理，利用线性集成运算放大器及分立元件构成电子模拟器，以干电池作为输入信号，研究控制系统的阶跃时间响应。 二、实验内容 研究一阶与二阶系统结构参数的改变，对系统阶跃时间响应的影响。 三、实验结果及理论分析 1.一阶系统阶跃响应 a.电容值1uF，阶跃响应波形： b.电容值2.2uF，阶跃响应波形： 页脚 页眉
，阶跃响应波形：电容值c.4.4uF 阶系统阶跃响应数据表2.一稳态终值U（∞）（V）时间常数T(s) 电容值c（uF）理论值实际值实际值理论值0.50 2.87 1.0 0.51 2.90 1.07 2.90 2.2 2.87 1.02 2.06 2.90 2.87 4.4 2.24 元器件实测参数=505kU= -2.87V R? R=496k? =500kR?2o1r其中 T?RC2U(?)??(R/R)U rc21页脚 页眉 误差原因分析： ①电阻值及电容值测量有误差；
②干电池电压测量有误差； ③在示波器上读数时产生误差； ④元器件引脚或者面包板老化，导致电阻变大； ⑤电池内阻的影响输入电阻大小。 ⑥在C=4.4uF的实验中，受硬件限制，读数误差较大。 3.二阶系统阶跃响应 a.阻尼比为0.1，阶跃响应波形： b.阻尼比为0.5，阶跃响应波形： 页脚 页眉 ，阶跃响应波形：0.7c.阻尼比为
，阶跃响应波形：阻尼比为1.0d. 阶系统阶跃响应数据表4.二ξR（?）峰值时间U(t) 调整时间稳态终值超调（%）震荡次数pow M（）t）t（s V（）（s UV）N psps6 62.7 2.8 0.3 0.1 2.95 454k 4.8 1 0.5 0.5 3.3 52.9k 2.95 11.9 0.4 1 0.7 0.3 0.4 24.6k 3.0 2.7 2.92 1.0 1.0 2.98 1.0 2.97k 2.98 页脚 页眉 四、回答问题
《过程控制系统实验报告》 院－系： 专业： 年级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 2015 年6 月
过程控制系统实验报告 部门：工学院电气工程实验教学中心实验日期：年月日 姓名学号班级成绩 实验名称实验一单容水箱液位定值控制实验学时 课程名称过程控制系统实验及课程设计教材过程控制系统 一、实验仪器与设备 A3000现场系统，任何一个控制系统，万用表 二、实验要求 1、使用比例控制进行单溶液位进行控制，要求能够得到稳定曲线，以及震荡曲线。 2、使用比例积分控制进行流量控制，能够得到稳定曲线。设定不同的积分参数，进行 比较。 3、使用比例积分微分控制进行流量控制，要求能够得到稳定曲线。设定不同的积分参数，进行比较。 三、实验原理 (1)控制系统结构 单容水箱液位定值(随动)控制实验，定性分析P, PI，PD控制器特性。 水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变。被调量为水位H。使用P,PI , PID控制，看控制效果，进行比较。 控制策略使用PI、PD、PID调节。 (2)控制系统接线表 使用ADAM端口测量或控制量测量或控制量标号使用PLC端 口 锅炉液位LT101 AI0 AI0 调节阀FV101 AO0 AO0 四、实验内容与步骤 1、编写控制器算法程序，下装调试；编写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。这些步骤不详细介绍。
2、在现场系统上，打开手阀QV-115、QV-106，电磁阀XV101（直接加24V到DOCOM，GND到XV102控制端），调节QV-116闸板开度(可以稍微大一些)，其余阀门关闭。 3、在控制系统上，将液位变送器LT-103输出连接到AI0，AO0输出连到变频器U-101控制端上。 注意：具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。对于全连好线的系统，例如DCS，则必须安装已经接线的通道来编程。 4、打开设备电源。包括变频器电源，设置变频器4-20mA的工作模式，变频器直接驱动水泵P101。 5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。 6、启动计算机，启动组态软件，进入测试项目界面。启动调节器，设置各项参数，将调节器的手动控制切换到自动控制。 7、设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。这里不限制使用的方法。 五、实验结果记录及处理 六、实验心得体会： 比例控制特性：能较快克服扰动的影响，使系统稳定下来，但有余差。 比例积分特性：能消除余差，它能适用于控制通道时滞较小、负荷变化不大、被控量不允许由余差的场合。 比例微分特性：对于改善系统的动态性能指标，有显著的效果。
哈尔滨理工大学实验报告 控制系统仿真 专业：自动化12-1 学号：1230130101 姓名：
一．分析系统性能 课程名称控制系统仿真实验名称分析系统性能时间8.29 地点3# 姓名蔡庆刚学号1230130101 班级自动化12-1 一．实验目的及内容： 1. 熟悉MATLAB软件的操作过程； 2. 熟悉闭环系统稳定性的判断方法； 3. 熟悉闭环系统阶跃响应性能指标的求取。 二．实验用设备仪器及材料： PC, Matlab 软件平台 三、实验步骤 1. 编写MATLAB程序代码； 2. 在MATLAT中输入程序代码，运行程序； 3.分析结果。 四．实验结果分析： 1.程序截图
得到阶跃响应曲线 得到响应指标截图如下
2.求取零极点程序截图 得到零极点分布图 3.分析系统稳定性 根据稳定的充分必要条件判别线性系统的稳定性最简单的方法是求出系统所有极点,并观察是否含有实部大于0的极点，如果有系统不稳定。有零极点分布图可知系统稳定。
二．单容过程的阶跃响应 一、实验目的 1. 熟悉MATLAB软件的操作过程 2. 了解自衡单容过程的阶跃响应过程 3. 得出自衡单容过程的单位阶跃响应曲线 二、实验内容 已知两个单容过程的模型分别为 1 () 0.5 G s s =和5 1 () 51 s G s e s - = + ，试在 Simulink中建立模型，并求单位阶跃响应曲线。 三、实验步骤 1. 在Simulink中建立模型，得出实验原理图。 2. 运行模型后，双击Scope，得到的单位阶跃响应曲线。 四、实验结果 1．建立系统Simulink仿真模型图，其仿真模型为
实验一 单容自衡水箱特性的测试 一、实验目的 1. a 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K 、T 和传递函数。 二、实验设备 1. A3000高级过程控制实验系统 2. 计算机及相关软件 三、实验原理 由图2.1可知，对象的被控制量为水箱的液位h ，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q 1，Q 2为流出水箱的流量。手动阀QV105和闸板QV116的开度（5~10毫米）都为定值。根据物料平衡关系，在平衡状态时： 0Q Q 2010=- （1） 动态时则有： dt dV Q Q 21=- （2） 式中V 为水箱的贮水容积，dt dV 为水贮存量的变化率，它与h 的关系为Adh dV =，即： dt dh A dt dV = （3） A 为水箱的底面积。把式（3）代入式（2）得： QV116 V104 V103 h ?h QV105 QV102 P102 LT103 LICA 103 FV101 M Q 1 Q 2 图2.1单容水箱特性测试结构图
图2.2 单容水箱的单调上升指数曲线 dt dh A =-21Q Q （4） 基于S 2R h Q =，R S 为闸板QV116的液阻，则上式可改写为dt dh A R h Q S =-1，即： 或写作： 1 )()(1+=TS K s Q s H （5） 式中T=AR S ，它与水箱的底积A 和V 2的R S 有关；K=R S 。式（5）就是单容水箱的传递函数。 若令S R s Q 01)(=，R 0=常数，则式（5）可改为： T S KR S R K S R T S T K s H 0011/)(0+-=?+= 对上式取拉氏反变换得： )e -(1KR h(t)t/T 0-= （6） 当∞→t 时0KR )h(=∞，因而有=∞=0R )h(K 阶跃输入 输出稳态值。当t=T 时，则)h(KR )e -(1KR h(T) 001∞===-0.6320.632。式（6）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。 当由实验求得图2.2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%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，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T ，由响应曲线求得K 和T 后，就能求得单容水箱的传递函数。 1KQ h dt dh AR S =+
南理工控制工程基础实验报告 成绩：《控制工程基础》课程实验报告班级：学号：姓名：南京理工大学2015年12月《控制工程基础》课程仿真实验一、已知某单位负反馈系统的开环传递函数如下G(s)?10 s2?5s?25借助MATLAB和Simulink完成以下要求：(1) 把G(s)转换成零极点形式的传递函数，判断开环系统稳定性。>> num1=[10]; >> den1=[1 5 25]; >> sys1=tf(num1,den1) 零极点形式的传递函数：于极点都在左半平面，所以开环系统稳定。(2) 计算闭环特征根并判别系统的稳定性，并求出闭环系统在0～10秒内的脉冲响应和单位阶跃响应，分别绘出响应曲线。>> num=[10];den=[1,5,35]; >>
sys=tf(num,den); >> t=[0::10]; >> [y,t]=step(sys,t); >> plot(t,y),grid >> xlabel(‘time(s)’) >> ylabel(‘output’) >> hold on; >> [y1,x1,t]=impulse(num,den,t); >> plot(t,y1,’:’),grid (3) 当系统输入r(t)?sin5t时，运用Simulink搭建系统并仿真，用示波器观察系统的输出，绘出响应曲线。曲线：二、某单位负反馈系统的开环传递函数为：6s3?26s2?6s?20G(s)?4频率范围??[,100] s?3s3?4s2?2s?2 绘制频率响应曲线，包括Bode图和幅相曲线。>> num=[6 26 6 20]; >> den=[1 3 4 2 2]; >> sys=tf(num,den); >> bode(sys,{,100}) >> grid on >> clear; >> num=[6 26 6 20]; >> den=[1 3 4 2 2]; >> sys=tf(num,den); >> [z , p , k] = tf2zp(num, den); >> nyquist(sys) 根据Nyquist判据判定系统的稳定性。
《过程控制系统》实验报告 学院：电气学院 专业：自动化 班级：1505 姓名及学号：任杰311508070822 日期：2018.6.3
实验一、单容水箱特性测试 一、 实验目的 1. 掌握单容水箱阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线。 2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T 和传递函数。 二、 实验设备 1. THJ-FCS 型高级过程控制系统实验装置。 2. 计算机及相关软件。 3. 万用电表一只。 三、 实验原理 图1 单容水箱特性测试结构图 由图 2-1 可知，对象的被控制量为水箱的液位 h ，控制量（输入量）是流入水箱中的流量 Q 1，手动阀 V 1 和 V 2 的开度都为定值，Q 2 为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时02010=-Q Q （式2-1），动态时，则有dt dV Q Q = -21，（式2-2）式中 V 为水箱的贮水容积，dt dV 为水贮存量的变化率，它与 h 的关
系为Adh dV =，即dt dh A dt dV =（式2-3），A 为水箱的底面积。把式（2-3）代入式（2-2）得dt dh A Q Q =-21（式2-4）基于S R h Q =2,S R 为阀2V 的液阻，（式2-4）可改写为dt dh A R h Q S =-1，1KQ h dt dh AR S =+或()()1s 1+=Ts K s Q H （式2-5）式中s AR T =它与水箱的底面积A 和2V 的S R 有关，（式2-5）为单容水箱的传递函数。若令()S R S Q 01=,常数=0R ，则式2-5可表示为()T S KR S R K S R T S T K S H 11/000+-=?+= 对上式取拉氏反变换得()()T t e KR t h /01--=（式2-6）,当∞→t 时()0KR h =∞,因而有()0/R h K ∞==输出稳态值/阶跃输入，当T t =时，()() ()∞==-=-h KR e KR T h 632.0632.01010，式2-6表示一阶惯性响应曲线是一单调上升的指数函数如下图2-2所示 当由实验求得图 2-2 所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的 63%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，切线与稳态值交点所对应的时间就是 时间常数 T ，由响应曲线求得 K 和 T 后，就能求得单容水箱的传递函 数如式（2-5）所示。 如果对象的阶跃响应曲线为图 2-3，则在此曲线的拐点 D 处作一切线，它与时间轴交于 B 点，与响应稳态值的渐近线交于 A 点。图中OB 即为对象的滞后时间