过程控制实验三

过程控制实验实验报告班级:自动化1202姓名：杨益伟学号:１２09００321２015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:常见的工业过程动态特性的类型有哪几种?通常的模型都有哪些?在Simul ｉnk 中建立相应模型，并求单位阶跃响应曲线.答:常见的工业过程动态特性的类型有:无自平衡能力的单容对象特性、有自平衡能力的单容对象特性、有相互影响的多容对象的动态特性、无相互影响的多容对象的动态特性等。

通常的模型有一阶惯性模型，二阶模型等． 单容过程模型1、无自衡单容过程的阶跃响应实例已知两个无自衡单容过程的模型分别为s s G 5.01)(=和se ss G 55.01)(-=,试在Ｓｉｍuli ｎk 中建立模型，并求单位阶跃响应曲线。

Ｓｉmul ｉｎk 中建立模型如图所示: 得到的单位阶跃响应曲线如图所示：2、自衡单容过程的阶跃响应实例已知两个自衡单容过程的模型分别为122)(+=s s G 和s e s s G 5122)(-+=,试在Simu ｌink 中建立模型,并求单位阶跃响应曲线.Simu ｌink 中建立模型如图所示： 得到的单位阶跃响应曲线如图所示:多容过程模型3、有相互影响的多容过程的阶跃响应实例已知有相互影响的多容过程的模型为121)(22++=Ts s T s G ξ,当参数1=T ， 2.1 ,1 ,3.0 ,0=ξ时，试在S ｉmulink 中建立模型,并求单位阶跃响应曲线在Ｓｉｍu ｌin ｋ中建立模型如图所示: 得到的单位阶跃响应曲线如图所示：4、无相互影响的多容过程的阶跃响应实例已知两个无相互影响的多容过程的模型为)1)(12(1)(++=s s s G (多容有自衡能力的对象）和)12(1)(+=s s s G (多容无自衡能力的对象）,试在Ｓimulink 中建立模型,并求单位阶跃响应曲线。

在Simu ｌin ｋ中建立模型如图所示: 得到的单位阶跃响应曲线如图所示：作业题目二:某二阶系统的模型为2() 224nG s s s n nϖζϖϖ=++，二阶系统的性能主要取决于ζ，n ϖ两个参数。

实验三 纯滞后控制实验班级：自控081班 学号：200808602 姓名：樊军艳一． 实验目的与要求（1） 掌握应用达林算法进行纯滞后系统)(z D 的设计；（2） 掌握纯滞后系统消除振铃的方法。

二． 实验原理在一些工业过程（如热工、化工）控制中，由于物料或能量的传输延迟，许多被控制对象具有纯滞后性质。

例如，一个用蒸汽控制水温的系统，蒸汽量的边比划要经过长度为L的路程才能反映出来。

这样，就造成水温的变化要滞后一段时间τ（v L /=τ，v 是蒸汽的速度）。

对象的这种纯滞后性质常会英气系统产生超调和振荡。

因此，对于这一类系统，采用一般的随动系统设计方法是不行的，而用PID 控制往往效果也欠佳。

本实验采用达林算法进行被控制对象具有纯滞后系统设计。

设被控对象为有纯滞后的一阶惯性环节或二阶惯性环节，达林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数)(s Φ，相当于一个延时环节和一个惯性环节串联，即 1)(+=Φ-s e s sτθ ，NT =θ 该算法控制将调整时间的要求放在次要，而超调量小甚至没有放在首位。

控制原理如图1，其中：采样周期T=0.9秒，期望传递函数τ=0.5是，被控对象123)(8.1+=-s e s G s；输入信号为单位阶跃信号。

图1 纯滞后系统控制原理图应用达林算法进行纯滞后系统设计)(z D 控制器。

三． 实验内容与步骤（1）按照纯滞后控制系统的要求设计)(z D ；按照系统原理图，在simulink 下构造系统结构图模型。

，观察输入输出的波形，标明参（2）数，打印结果；（3）尝试用M 文件实现dalin 算法控制四． 实验设计图1 纯滞后控制Simulink 仿真图图2 纯滞后控制器输出曲线图3 纯滞后系统输出曲线五．思考与分析（1）纯滞后控制系统对阶跃信号有无超调？为什么？答: 阶跃肯定会有超调，而且会很大。

对于单位阶跃信号，含有极点z=1，如果Φu(z)的极点在z平面的负实轴上，且与z=-1点相近，那么数字控制器的输出序列u(kT)中将含有这两种幅值相近的瞬态项，而且瞬态项的符号在不同的时刻是不相同的。

过程控制与自动化仪表课程设计前言过程控制与自动化仪表课程是工程领域中非常重要的基础课程之一，它涉及到工程研发、生产运营以及企业管理等多个方面。

本文将介绍一种基于实践的课程设计方法，旨在让学生深入掌握过程控制与自动化仪表的基础知识。

设计目标•确定学生对过程控制与自动化仪表的基本概念和技术掌握程度。

•培养学生的设计和实验能力，让他们能够运用所学知识分别设计并完成过程控制实验和自动化仪表实验。

•提高学生的团队合作和沟通能力，通过设计项目的过程，激发学生的创新潜力。

设计内容过程控制实验设计实验一：温度控制系统设计在该实验中，学生需要设计一个基于PID控制算法的温度控制系统。

通过调整控制器的参数，让温度快速稳定在设定值附近，并且能够在温度变化时快速响应和自适应调整。

实验二：流量控制系统设计在该实验中，学生需要设计一个基于比例控制算法的流量控制系统。

通过调整控制器的参数，让流量在设定值附近稳定，并且能够在流量变化时快速响应和自适应调整。

自动化仪表实验设计实验三：温度传感器的实现在该实验中，学生需要实现一个基于热电偶的温度传感器。

通过校准测试，让学生了解测量误差来源和校准方法。

实验四：流量计的实现在该实验中，学生需要实现一个流量计，通过实验测试让学生了解其特性和测量误差来源。

设计方法阶段一：学习基础概念和技术在本阶段，学生需要学习过程控制和自动化仪表的基础概念和技术，包括控制系统、PID控制器、量程、精度等方面的知识。

阶段二：组建设计小组在本阶段，每个小组需要选择一个相对复杂的课程设计内容，进行深入的研究和讨论，拟定初步设计方案。

阶段三：设计与实现在本阶段，学生需要分成小组，负责具体的实验设计与实现。

在设计的过程中，需要充分考虑过程控制和自动化仪表的基本原理和设计要求。

在实现的过程中，需要用到软件工具和实验平台。

阶段四：实验测试与评价在本阶段，学生需要对实验设计进行测试，并记录数据处理结果。

测试过程中需要考虑实验中的各种随机与不确定因素。

过程控制及仪表实验指导书襄樊学院实验装置的基本操作与仪表调试一、实验目的1、了解本实验装置的结构与组成。

2、掌握压力变送器的使用方法。

3、掌握实验装置的基本操作与变送器仪表的调整方法。

二、实验设备1、THKGK-1型过程控制实验装置GK-02 GK-03 GK-04 GK-072、万用表一只三、实验装置的结构框图图1-1、液位、压力、流量控制系统结构框图四、实验内容1、设备组装与检查：1）、将GK-02、GK-03、GK-04、GK-07挂箱由右至左依次挂于实验屏上。

并将挂件的三芯蓝插头插于相应的插座中。

2）、先打开空气开关再打开钥匙开关，此时停止按钮红灯亮。

3）、按下起动按钮，此时交流电压表指示为220V，所有的三芯蓝插座得电。

4）、关闭各个挂件的电源进行连线。

2、系统接线：1）、交流支路1：将GK-04 PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”接GK-07变频器的“2”与“5”两端（注意：2正、5负），GK-07的输出“A、B、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U1、V1、W1”输入端；GK-07 的“SD”与“STF”短接，使电机驱动磁力泵打水（若此时电机为反转，则“SD”与“STR”短接）。

2）、交流支路2：将GK-04 PID调节器的给定“输出”端接到GK-07变频器的“2”与“5”两端（注意：2正、5负）；将GK-07变频器的输出“A、B、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U2、V2、W2”输入端；GK-07 的“SD”与“STR”短接，使电机正转打水（若此时电机为反转，则“SD”与“STF”短接）。

3、仪表调整：（仪表的零位与增益调节）在GK-02挂件上面有四组传感器检测信号输出：L T1、PT、L T2、FT（输出标准DC0~5V），它们旁边分别设有数字显示器，以显示相应水位高度、压力、流量的值。

对象系统左边支架上有两只外表为蓝色的压力变送器，当拧开其右边的盖子时，它里面有两个3296型电位器，这两个电位器用于调节传感器的零点和增益的大小。

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），进而推倒出被控对象的数学模型，得出其参数，再结合实际进行理论分析，这就是数学方法；另一种是通过被控对象的实验求出其特性参数，即实验飞升曲线测定法。

对于此法较简单，因而在过程控制中得到了广泛的应用。

一、实验目的1、掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并纪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（下）水箱的液位H，控制量（输入量）为上（下）水箱进水阀流量Q1，上（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Q1—Q2=dV/dt （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V=A*H所以dV/dt= A*(dH/dt) （2）在静态时，dV/dt =0，Q1=Q2，当Q1发生变化时，液位H也将随之变化，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Q 2=（H/RS），RS为阀V2的水阻，则（1）式可改写为Q1—（H/RS）=A(dH/dt)即A RS(dH/dt)+H=K Q1或写作H（S）/Q（S）=K/（TS+1）（4）式中T= ARS，K= RS。

式（4）为单容水箱的传递函数。

若另Q1（S）=H1/S，H1为刚开始的稳态值，则式（4）可改写为H（S）=（K/T）/（S+1/T）*（H1/S）=K（H1/S）—（KH1/（S+1/T））对上式取拉氏变换得H（t）=KH1（1—e-t/T）（5）当t→∞时，h(∞)= KH1，因而有K= h(∞)/R=输出稳态值/阶跃输入当t=T时，则有H（T）= KH1（1—e-t/T）=0.632KH1=0.632h(∞)（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。

自动化仪表与过程控制实验指导书实验一位式控制一、实验目的1、了解简单控制系统的构成及仪表的应用（熟悉仪表的操作）2、掌握简单过程控制的原理及仪表使用二、实验设备及参考资料1、PCS过程控制实验装置（使用其中：位式电磁阀、AI818智能调节仪一台、上水箱液位传感器、水泵1系统等）。

2、AI-818仪表的操作说明书和液位变送器的调试（一般出厂之前已调试好）方法。

三、实验系统流程图：四、实验原理本实验采用位式控制原理进行液位的范围控制，即，将液位控制在一定的上下限范围内。

水箱液位变送器输出信号，经AI-818仪表进行处理后与设定上下限水位值进行比较。

控制仪表内继电器触点状态，对位式电磁阀进行控制，以达到控制目的。

图1-1五、实验步骤1、按附图位式控制实验接线图接好实验导线。

2、将手动阀门1V2、1V10、V4、V5打开，其余阀门全部关闭。

3、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开仪表电源。

4、设置智能调节器参数，其需要设置的参数如下：（未列出者用出厂默认值）HIAL=30 （参考值）LOAL=20 （参考值）dHAL=9999dlAL=9999dF=0.5 （参考值）Ctrl=0Sn=33Dip=1 （参考值）dIL=0dIH=50Alp=2OP1＝0具体请详细阅读调节器使用手册5、在控制板上打开水泵1、位控干扰。

6、在信号板上打开上水箱输出信号。

六、思考建议在什么样的情况下适合采用位式控制。

实验二电动阀支路单容液位控制一、实验目的1、了解简单过程控制系统的构成及仪表的应用（熟悉仪表的操作）2、掌握简单过程控制的原理及仪表使用二、实验设备及参考资料1、PCS过程控制实验装置（使用其中：电动调节阀、AI818智能调节仪一台、上水箱及液位变送器、水泵1系统等）2、AI-818仪表的操作说明书，智能电动调节阀使用手册和液位变送器的调试（一般出厂之前已调试好）方法。

三、实验系统流程图：四、实验原理本实验采用仪表控制,将液位控制在设定高度。

过程控制工程实训报告学号：班别：姓名：实验一上水箱特性测试实验一、实验目的：了解调节器的功能和操作方法，学会使用调节器。

通过实验，了解对象特性曲线的测量的思路和方法，掌握对象模型参数的求取方法。

二、实验设备：水泵Ⅰ、变频器、压力变送器、调节器、主回路调节阀、上水箱、上水箱液位变送器、调节器、电流表。

图1.1实验接线图三、实验步骤：1、认识实验系统，了解本实验系统中的各个对象。

了解本实验系统中各仪表的名称、基本原理以及功能，掌握其正确的接线与使用方法，以便于在实验中正确、熟练地操作仪表读取数据。

熟悉实验装置面板图，做到根据面板上仪表的图形、文字符号找到该仪表。

熟悉系统构成和管道的结构，认清电磁阀和手动阀的位置及其作用。

本实验采用调节器手动输出控制调节阀，计算机采集并记录数据。

图1.2 上水箱特性测试（调节器控制）系统框图图1.3 恒压供水（调节器控制）系统框图2、将上水箱特性测试（调节器控制）实验所用的设备，参照流程图和系统框图接线。

3、确认接线无误后，接通总电源、各仪表的电源，打开上水箱进水阀和下水箱排水阀。

4、设置调节器参数，使用手动输出功能。

（注意：更改调节器参数时，严禁用指甲按调节器面板，为防止损坏面板上的按钮，应用手指均匀用力）按调节器的增/减键改变输出值，使上水箱的液位处于某一平衡位置，记下此时手动输出值。

5、按调节器的增/减键增加调节器手动输出，给系统输入幅值适宜的阶跃信号(阶跃信号不要太大)，使系统的输出产生变化，在液位较高处达到新的平衡状态。

6、观察计算机采集的上水箱液位的阶跃响应和历史曲线。

7、调节器的手动输出回到原来的输出值，记录液位下降的曲线。

8、曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表格1。

四、试验报告：根据试验结果编写实验报告，并计算出K、T、τ的平均值，写出系统的广义传递函数（等效成惯性环节，K为静态增益，T为时间常数，τ为延迟时间）。

实验二压力单闭环实验一、实验目的：通过实验掌握单回路控制系统的构成。

班级：082班座号：姓名成绩：
课程名称：过程控制工程实验项目：液位单闭环实验
一、实验目的：
通过实验掌握单回路控制系统的构成。

学生可自行设计，构成单回路单容液位，并采用临界比例度法、阶跃反应曲线法和整定单回路控制系统的PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用计算机进行PID参数的调整和自动控制的投运。

二、实验设备：
水泵、变频器、压力变送器、主回路调节阀、上水箱、上水箱液位变送器、牛顿模块（输入、输出）。

表4-13 阶跃反应曲线整定参数表
4、将计算所得的PID参数值置于计算机中。

5、使水泵Ⅰ在恒压供水状态下工作。

观察计算机上液位曲线的变化。

6、待系统稳定后，给定加个阶跃信号，观察其液位变化曲线。

7、再等系统稳定后，给系统加个干扰信号，观察液位变化曲线。

8、曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果于表格4.12中。

五、试验报告：
根据试验结果编写实验报告，并根据K、T、τ平均值写出广义的传递函数。

过程控制实验教案王晓明辽宁科技大学电信学院前言过程控制是自动化专业教学中一门重要的专业课。

要完成这门课程的教学任务，就应进行必要的教学实验，以指导学生理论联系实际，在实验中加深对过程控制理论的理解。

过程控制课程的主要任务是：1．通过实验进一步了解和掌握过程控制理论的基本概念，控制系统的分析方法和设计方法。

2. 学习和掌握系统控制回路的构成和测试技术。

3. 提高应用计算机的能力和水平，这也是应用本实验系统的特色之一。

为提高学生的实验技能，结合配套的工业控制组态软件不仅能进行验证性、研究型实验，又增加了综合性和设计性实验内容。

目的是培养学生用理论知识和实验手段解决科学技术中实际问题的能力。

实验过程中学生可自由组合单元，自主编制程序。

充分发挥学生的主观能动性和创造性，为学生工程实践能力和科学研究能力的提高奠定了基础。

实验要求1.实验预习：实验前必须认真预习实验指导书及其相关的理论知识，作好充分准备。

对于设计性实验和综合性实验，学生必须在实验前拿出设计方案，以其达到预期的目标，写出预习报告。

让指导老师检查合格的方可进行实验。

2.实验进行：学生进入实验室，要保持室内整洁安静。

按照预习报告进行实验。

实验中需要改接线的，应关掉电源后才能拆、接线。

实验时应注意观察，若发现有异常现象，应立即关掉电源，保持现场并报告指导老师处理。

3.实验数据：实验过程中应仔细观察实验现象，认真记录实验结果、数据、波形。

所记录的实验结果经指导老师审阅后再拆除实验线路。

4.实验报告：要求学生独立完成实验报告，不许抄袭或请人代劳。

报告内容包括实验目的、实验设备、实验内容、实验电路图、实验数据及仿真曲线、实验思考题等。

要求文字书写整齐清洁。

目录前言-----------------------------------------------------------------------------------------------1实验要求-----------------------------------------------------------------------------------------------2目录-----------------------------------------------------------------------------------------------3实验一、实验装置的基本操作与仪表调试-----------------------------------------4实验二、智能仪表温度位式控制系统---------------------------------------------------6实验三、单容水箱对象特性的测试----------------------------------------------------10 实验四、单容水箱液位PID控制系统----------------------------------------------14实验五、流量PID控制系统--------------------------------------------------------------17实验六、双容水箱液位PID控制系统--------------------------------------------20实验七、上下水箱液位串级控制系统------------------------------------------------25附录、实验连线参考---------------------------------------------------------------------28实验一、实验装置的基本操作与仪表调试一、实验目的1、了解本实验装置的结构与组成。

图3.1 单回路控制系统方框图图3.2 扰动作用于不同位置的控制系统 第三章 单回路控制系统第一节 单回路控制系统的概述及调节器参数整定方法一、 单回路控制系统的概述图3.1为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器所组成的一个闭环控制系统。

系统的给定量是一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。

由于这种系统结构简单，调试方便，性能较好，故在工业生产中被广泛应用。

二、 干扰对系统性能的影响● 干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响干扰通道的放大系数Kf 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愈大，系统的静差也就愈大。

我们希望干扰通道的放大系数愈小愈好。

如果干扰通道是一个惯性环节，令时间常数为Tf ，则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。

即时间常数Tf 越大，则系统的动态偏差就愈小。

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)-Y(t (t)Y ττ=上式表明调节过程沿时间轴平移了一个τ的距离，即干扰通道出现纯滞后，但不会影响系统的调节质量。

● 干扰进入系统中的不同位置复杂的生产过程往往有多个干扰量，他们作用在系统的不同位置，如图3.2所示。

控制理论证明，同一形式、大小相同的扰动在系统中不同的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。

δ1K =(S)G P C =三、 控制规律的确定选择系统调节规律的目的是令调节器与调节对象很好匹配，使组成的控制系统满足工艺上所提出的动、静态性能指标。

比例(P)调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。

由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。

这种调节器的主要缺点是使系统有静差存在。

其传递函数为式中Kp 为比例系数，δ为比例带。

比例积分(PI)调节PI 调节器就是利用P 调节快速抵消干扰的影响，同时利用I 调节消除残差，但I 调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。