過程控制實(shí)驗指導(dǎo)書

1、過程控制實(shí)驗指導(dǎo)書授課學(xué)時：16課時授課專業(yè)：自動化授課教師：姜倩倩1目 錄過程控制實(shí)驗項目一覽表- 1 -實(shí)驗一：一階系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立- 2 -實(shí)驗二： PID控制器參數(shù)自整定- 4 -實(shí)驗三 水箱液位PID控制- 8 -實(shí)驗四 水箱壓力的PID調(diào)節(jié)控制- 14 -實(shí)驗五 串級水位控制系統(tǒng)設(shè)計- 17 -實(shí)驗六 前饋-反饋控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗- 19 -實(shí)驗七 單片機(jī)液位控制系統(tǒng)- 22 -實(shí)驗八 單容液位PLC控制- 25 -過程控制實(shí)驗項目一覽表序號實(shí)驗項目名稱實(shí)驗內(nèi)容提要學(xué)時每組人數(shù)實(shí)驗屬性1一階系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立掌握利用Matlab根據(jù)計算法建立一階系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法25驗證性2PID

2、控制器參數(shù)自整定利用simulink對PID控制器進(jìn)行參數(shù)整定25驗證性3水箱液位PID控制了解單容/雙容水箱液位單回路控制系統(tǒng)用P、PI、PID調(diào)節(jié)器時，調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響25設(shè)計性4水箱壓力PID控制系統(tǒng)了解單/雙容水箱壓力單回路控制系統(tǒng)用P、PI、PID調(diào)節(jié)器時，調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響25設(shè)計性5串級水位控制系統(tǒng)設(shè)計對液位串級控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定，研究階躍擾動分別作用在副對象和主對象時對系統(tǒng)主被控量的影響25設(shè)計性6前饋-反饋控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗掌握利用Matlab對前饋-反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定仿真2驗證性7單片機(jī)液位控制系統(tǒng)了解利用單片機(jī)系統(tǒng)對水箱液位控制的方法2綜合

3、性8單容液位PLC控制了解利用PLC控制系統(tǒng)對單容液位進(jìn)行控制2綜合性合 計16實(shí)驗參考書：1. TKGK-1型操作說明書.實(shí)驗指導(dǎo)書實(shí)驗一：一階系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立一、實(shí)驗?zāi)康?1熟悉利用計算法建立系統(tǒng)一階慣性環(huán)節(jié)加純遲延的近似數(shù)學(xué)模型的方法； 2學(xué)會利用MATLAB/Simulink對系統(tǒng)建模的方法。二、實(shí)驗設(shè)備 安裝Windows系統(tǒng)和MATLAB軟件的計算機(jī)一臺。三、實(shí)驗內(nèi)容 已知某液位對象，在階躍擾動量 時，其響應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)如下：t/s01020406080100140180250300400500600700800h/mm000.20.82.03.65.48.811.814.416.

4、518.419.219.619.820若將液位對象近似為一階慣性環(huán)節(jié)加純遲延，試?yán)糜嬎惴ù_定其增益K、時間常數(shù)T和純遲延時間。四、實(shí)驗步驟1首先根據(jù)輸出穩(wěn)態(tài)值和階躍輸入的變化幅值可得增益K。2根據(jù)系統(tǒng)近似為一階慣性環(huán)節(jié)加純遲延的計算法，編寫MATLAB程序。執(zhí)行所編寫程序可得如下結(jié)果： T =？ tao =？ 則系統(tǒng)近似為一階慣性環(huán)節(jié)加純遲延的數(shù)學(xué)模型為？3首先建立如圖所示的Simulink系統(tǒng)仿真框圖，并將階躍信號模塊（Step）的初始作用時間(Step time)和幅值(Final value)分別改為0和20后，以文件名？（.mdl）將該系統(tǒng)保存。 然后在MATLAB窗口中執(zhí)行以下命令

5、，得原系統(tǒng)和近似系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線。？xlabel(時間t/s);ylabel(液位h/mm);legend(原系統(tǒng),近似系統(tǒng));五、 實(shí)驗報告要求1比較原系統(tǒng)和近似系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，并分析誤差大小。2分析誤差原因。3根據(jù)附錄實(shí)驗報告格式和以上要求寫出實(shí)驗報告。實(shí)驗二： PID控制器參數(shù)自整定一、實(shí)驗?zāi)康?1熟悉PID控制器參數(shù)的自整定法； 2學(xué)會利用MATLAB/Simulink和自整定法對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。二、實(shí)驗設(shè)備 安裝Windows系統(tǒng)和MATLAB軟件的計算機(jī)一臺。三、實(shí)驗內(nèi)容 已知廣義被控對象的傳遞函數(shù)為 ：試?yán)肧imulink中的NCD Outport模塊（適用于MA

6、TLAB6.5）、Simulink Response Optimization中的Signal Constraint（適用于MATLAB7.1）或Signal Constraint模塊（適用于MATLAB7.5），對系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律時的PID控制器進(jìn)行參數(shù)自整定，并繪制整定后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線。四、實(shí)驗步驟1利用NCD Outport模塊，建立如圖所示PID控制系統(tǒng)的Simulink參數(shù)優(yōu)化模型。2在系統(tǒng)模型窗口中，首先打開階躍信號（Step）模塊的參數(shù)對話框，并將初始時間改為0；然后執(zhí)行SimulationSimulation parameters命令，將仿真的停止時間設(shè)置為200

7、0，其余參數(shù)采用默認(rèn)值。3在MATLAB窗口中利用以下命令對PID控制器的初始值進(jìn)行任意設(shè)置：Kc=?; Ti=?; Td=?;4. 根據(jù)系統(tǒng)給定的時域性能指標(biāo)設(shè)置階躍響應(yīng)特性參數(shù).在系統(tǒng)模型窗口中，用鼠標(biāo)雙擊 NCD Outport(Signal Constraint)模塊，即打開一個NCD Outport(Signal Constraint)模塊的時域性能約束窗口，NCD Outport模塊的時域性能約束窗口在 NCD Outport(Signal Constraint)模塊的時域性能約束窗口中，執(zhí)行Options(goals)Step response(Desired Response)

8、命令，打開設(shè)置階躍響應(yīng)特性約束參數(shù)的設(shè)置窗口。在該窗口中，設(shè)置階躍響應(yīng)曲線的調(diào)整時間(Settling Time)為600、上升時間(Rise Time)為350、超調(diào)量(Percent over shoot)為20和階躍響應(yīng)的優(yōu)化終止時間（Final time）為2000，其余參數(shù)采用默認(rèn)值，5、設(shè)置優(yōu)化參數(shù) 在本例中為進(jìn)行PID控制器的優(yōu)化設(shè)計，將PID控制器的參數(shù)Kc、Ti和Td作為NCD Outport(Desired Response)模塊的優(yōu)化參數(shù)，故首先利用OptimizationParameters（Tuned Parameters）命令，打開設(shè)置優(yōu)化參數(shù)（Optimizati

9、on Parameters）的窗口。然后在該窗口中的優(yōu)化變量名稱（Tunable Varables）對話框中填寫：Kc,Ti,Td（各變量間用西文逗號或空格分開），其余參數(shù)采用默認(rèn)值，如圖4-34所示。最后單擊該窗口中的【Done】按鈕接收以上數(shù)據(jù)。（add） 6、開始控制器參數(shù)的優(yōu)化計算在完成上述的參數(shù)設(shè)置過程后，用鼠標(biāo)單擊NCD Outport模塊的時域性能約束窗口中的【Start】按鈕，便開始對系統(tǒng)中的PID控制器模塊的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算。在優(yōu)化計算過程中，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線變化情況在時域約束窗口中顯示，7、優(yōu)化結(jié)束后，在系統(tǒng)模型窗口圖中，再次啟動仿真，在示波器中便可得到如圖4-36所示的單位

10、階躍響應(yīng)曲線。該曲線應(yīng)該就是圖4-35中優(yōu)化結(jié)束后的最優(yōu)曲線。由此可見，PID控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計要求。在MATLAB窗口中利用以下命令，便可得到PID控制器的優(yōu)化參數(shù)。 Kc,Ti,Td五、 實(shí)驗報告要求1根據(jù)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，估計系統(tǒng)在PID控制時階躍響應(yīng)的超調(diào)量和過渡過程時間大約為多少？2說明利用Simulink對PID控制器參數(shù)自整定時的優(yōu)缺點(diǎn)。3根據(jù)附錄實(shí)驗報告格式和以上要求寫出實(shí)驗報告。實(shí)驗三 水箱液位PID控制一、 實(shí)驗?zāi)康?）、通過實(shí)驗熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理。2）、研究系統(tǒng)分別用P、PI和PID調(diào)節(jié)器時的階躍響應(yīng)。3）、研究

11、系統(tǒng)分別用P、PI和PID調(diào)節(jié)器時的抗擾動作用。4）、定性地分析P、PI和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。5）、掌握臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。6）、掌握4：1衰減曲線法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。二、 實(shí)驗設(shè)備1）、THGK-1型過程控制實(shí)驗裝置： GK-03、GK-04 GK-06 GK-07-22）、萬用表一只3）、秒表一只4）、計算機(jī)系統(tǒng)三、實(shí)驗原理1、單容水箱液位控制系統(tǒng)圖6-1、單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖 圖6-1為單容水箱液位控制系統(tǒng)。這是一個單回路反饋控制系統(tǒng)，它的控制任務(wù)是使水箱液位等于給定值所要求的高度；減小或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動的影響。單回路控制系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單、

12、投資省、操作方便、且能滿足一般生產(chǎn)過程的要求，故它在過程控制中得到廣泛地應(yīng)用。 當(dāng)一個單回路系統(tǒng)設(shè)計安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)的選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會導(dǎo)致控制質(zhì)量變壞，甚至使系統(tǒng)不能正常工作。因此，當(dāng)一個單回路系統(tǒng)組成以后，如何整定好控制器的參數(shù)是一個很重要的實(shí)際問題。一個控制系統(tǒng)設(shè)計好以后，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定是十分重要的工作。系統(tǒng)由原來的手動操作切換到自動操作時，必須為無擾動，這就要求調(diào)節(jié)器的輸出量能及時地跟蹤手動的輸出值，并且在切換時應(yīng)使測量值與給定值無偏差存在。一般言之，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個

13、有差系統(tǒng)，比例度的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)，Ti選擇合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能改善 圖6-3、P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線系統(tǒng)的動態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。在單位階躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖6-3中的曲線、所示。2、雙容水箱液位控制系統(tǒng)圖7-1、雙容水箱液位控制系統(tǒng)的方框圖圖7-1為雙容水箱液位控制系統(tǒng)。這是一個單回路控制系統(tǒng)，有兩個水箱相串聯(lián)，

14、控制的目的是既要使下水箱的液位高度等于給定值所期望的值，又要具有減少或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動的影響。顯然，這種反饋控制系統(tǒng)的性能主要取決于調(diào)節(jié)器GK-04的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的合理選擇。由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型是二階的，故它的穩(wěn)定性不如單容液位控制系統(tǒng)。 對于階躍輸入（包括階躍擾動），這種系統(tǒng)用比例（P）調(diào)節(jié)器去控制，系統(tǒng)有余差，且與比例度近似成正比，若用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器去控制，不僅可實(shí)現(xiàn)無余差，而且只要調(diào)節(jié)器的參數(shù)和Ti選擇的合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的控制作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又使其動態(tài)性能得到進(jìn)一步改善。四、

15、實(shí)驗內(nèi)容與步驟1、單容水箱液位控制系統(tǒng)（一）、比例（P）調(diào)節(jié)器控制1）、按圖6-1所示，將系統(tǒng)接成單回路反饋系統(tǒng)（接線參照實(shí)驗一）。其中被控對象是上水箱，被控制量是該水箱的液位高度h1。 2）、啟動工藝流程并開啟相關(guān)的儀器，調(diào)整傳感器輸出的零點(diǎn)與增益。3）、在老師的指導(dǎo)下，接通單片機(jī)控制屏，并啟動計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，為記錄過渡過程曲線作好準(zhǔn)備。4）、在開環(huán)狀態(tài)下，利用調(diào)節(jié)器的手動操作開關(guān)把被控制量“手動”調(diào)到等于給定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%點(diǎn)處）。5）、觀察計算機(jī)顯示屏上的曲線，待被調(diào)參數(shù)基本達(dá)到給定值后，即可將調(diào)節(jié)器切換到純比例自動工作狀態(tài)（積分時間常數(shù)設(shè)置于最大，積分、微分作用

16、的開關(guān)都處于“關(guān)”的位置，比例度設(shè)置于某一中間值，“正-反”開關(guān)拔到“反”的位置，調(diào)節(jié)器的“手動”開關(guān)撥到“自動”位置），讓系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。6）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動，一般可通過改變設(shè)定值實(shí)現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。7）、減小，重復(fù)步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。8）、增大，重復(fù)步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。9）、選擇合適的值就可以得到比較滿意的過程控制曲線。10）、注意：每當(dāng)做完一次試驗后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次試驗。（二）、比例積分調(diào)節(jié)器（PI）控制1）、在比例調(diào)節(jié)實(shí)驗的基礎(chǔ)上，加入

17、積分作用（即把積分器“I”由最大處“關(guān)” 旋至中間某一位置，并把積分開關(guān)置于“開”的位置），觀察被控制量是否能回到設(shè)定值，以驗證在PI控制下，系統(tǒng)對階躍擾動無余差存在。2）、固定比例度值（中等大?。?，改變PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)值Ti，然后觀察加階躍擾動后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同Ti值時的超調(diào)量p。 表二、值不變、不同Ti時的超調(diào)量p積分時間常數(shù)Ti大中小超調(diào)量p3）、固定積分時間T i于某一中間值，然后改變的大小，觀察加擾動后被調(diào)量輸出的動態(tài)波形，并列表記錄不同值下的超調(diào)量p。 表三、Ti值不變、不同值下的p比例度大中小超調(diào)量p4）、選擇合適的和Ti值，使系統(tǒng)對階躍輸入擾動的輸出響應(yīng)為一

18、條較滿意的過渡過程曲線。此曲線可通過改變設(shè)定值（如設(shè)定值由50%變?yōu)?0%）來獲得。（三）、比例積分微分調(diào)節(jié)（PID）控制1）、在PI調(diào)節(jié)器控制實(shí)驗的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即把D打開。然后加上與前面實(shí)驗幅值完全相等的擾動，記錄系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動態(tài)曲線，并與實(shí)驗步驟（二）所得的曲線相比較，由此可看到微分D對系統(tǒng)性能的影響。2）、選擇合適的、Ti和Td，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)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(shí)現(xiàn)）。3）、用計算機(jī)記錄實(shí)驗時所有的過渡過程實(shí)時曲線，并進(jìn)行分析。2、雙容水箱液位控制系統(tǒng)（一）、比例（P）調(diào)節(jié)器控制1）、按圖7-1所示，將系統(tǒng)接成單

19、回路反饋控制系統(tǒng)（接線參照實(shí)驗一）。其中被控對象是下水箱，被控制量是下水箱的液位高度h2。 2）、啟動工藝流程并開啟相關(guān)的儀器，調(diào)整傳感器輸出的零點(diǎn)與增益。3）、在老師的指導(dǎo)下，接通單片機(jī)控制屏，并啟動計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，為記錄過渡過程曲線作好準(zhǔn)備。4）、在開環(huán)狀態(tài)下，利用調(diào)節(jié)器的手動操作開關(guān)把被控制量調(diào)到等于給定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%點(diǎn)處）。5）、觀察計算機(jī)顯示屏上的曲線，待被調(diào)參數(shù)基本達(dá)到給定值后，即可將調(diào)節(jié)器切換到純比例自動工作狀態(tài)（積分時間常數(shù)設(shè)置于最大，積分、微分作用的開關(guān)都處于“關(guān)”的位置，比例度設(shè)置于某一中間值，“正-反”開關(guān)拔到“反”的位置，調(diào)節(jié)器的“手動”開關(guān)撥

20、到“自動”位置），讓系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。6）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動，一般可通過改變設(shè)定值實(shí)現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。7）、減小，重復(fù)步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。8）、增大，重復(fù)步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。9）、選擇合適的值就可以得到比較滿意的過程控制曲線。10）、注意：每當(dāng)做完一次試驗后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次試驗。（二）、比例積分調(diào)節(jié)器（PI）控制1）、在比例調(diào)節(jié)實(shí)驗的基礎(chǔ)上，加入積分作用（即把積分器“I”由最大處旋至中間某一位置，并把積分開關(guān)置于“開”的位置），觀察被控制量是否能回

21、到設(shè)定值，以驗證在PI控制下，系統(tǒng)對階躍擾動無余差存在。2）、固定比例度值（中等大?。?，改變PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)值Ti，然后觀察加階躍擾動后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同Ti值時的超調(diào)量p。 表二、值不變、不同Ti時的超調(diào)量p積分時間常數(shù)Ti大中小超調(diào)量p3）、固定積分時間T i于某一中間值，然后改變的大小，觀察加擾動后被調(diào)量輸出的動態(tài)波形，并列表記錄不同值下的超調(diào)量p。 表三、Ti值不變、不同值下的p比例度大中小超調(diào)量p4）、選擇合適的和Ti值，使系統(tǒng)對階躍輸入擾動的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線。此曲線可通過改變設(shè)定值（如設(shè)定值由50%變?yōu)?0%）來獲得。（三）、比例積分微分調(diào)節(jié)器（

22、PID）控制1）、在PI調(diào)節(jié)器控制實(shí)驗的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即把D打開。然后加上與前面實(shí)驗幅值完全相等的擾動，記錄系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動態(tài)曲線，并與實(shí)驗步驟（二）所得的曲線相比較，由此可看到微分D對系統(tǒng)性能的影響。2）、選擇合適的、Ti和Td，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)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(shí)現(xiàn)）。3）、用秒表和顯示儀表記錄一條較滿意的過渡過程實(shí)時曲線。（四）、用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù) 在實(shí)際應(yīng)用中，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)常用下述臨界比例度法來確定。用臨界比例度法去整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)既方便又實(shí)用。它的具體做法是：1）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，將調(diào)節(jié)器置于

23、純比例P控制。逐步減小調(diào)節(jié)器的比例度，并且每當(dāng)減小一次比例度，待被調(diào)量回復(fù)到平衡狀態(tài)后，再手動給系統(tǒng)施加一個5%15%的階躍擾動，觀察被調(diào)量變化的動態(tài)過程。若被調(diào)量為衰減的振蕩曲線，則應(yīng)繼續(xù)減小比例度，直到輸出響應(yīng)曲線呈現(xiàn)等幅振蕩為止。如果響應(yīng)曲線出現(xiàn)發(fā)散振蕩，則表示比例度調(diào)節(jié)得過小，應(yīng)適當(dāng)增大，使之出現(xiàn)如圖7-4所示的等幅振蕩。 圖7-3為它的實(shí)驗方塊圖。圖7-3、具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)2）、在圖7-3所示的系統(tǒng)中，當(dāng)被調(diào)量作等幅振蕩時，此時的比例度就是臨界比例度，用k表示之，相應(yīng)的振蕩周期就是臨界周期Tk。據(jù)此，按下表所列出的經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定PID調(diào)節(jié)器的三個參數(shù)、Ti和Td 。圖7-4、具

24、有周期TK的等幅振蕩 表四 、用臨界比例度k整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱kTi(S)Td(S)P2kPI2.2kTk/1.2PID1.6k0.5Tk0.125Tk3）、必須指出，表格中給出的參數(shù)值是對調(diào)節(jié)器參數(shù)的一個初略設(shè)計，因為它是根據(jù)大量實(shí)驗而得出的結(jié)論。若要獲得更滿意的動態(tài)過程（例如：在階躍作用下，被調(diào)參量作4：1地衰減振蕩），則要在表格給出參數(shù)的基礎(chǔ)上，對、Ti（或Td）作適當(dāng)調(diào)整。（五）、用衰減曲線法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)：與臨界比例度法類似，不同的是本方法先根據(jù)由實(shí)驗所得的阻尼振蕩衰減曲線（為4 :1），求得相應(yīng)的比例度s和曲線的振蕩周期Ts，然后按表五給出的經(jīng)驗公式，確定

25、調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。對于4:1衰減曲線法的具體步驟如下：1）、置調(diào)節(jié)器積分時間Ti到最大值（Ti=），微分時間Td為零(Td=0)，比例度為較大值，讓系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。2）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，作設(shè)定值階躍擾 圖7-5 4:1衰減響應(yīng)曲線動，并觀察系統(tǒng)的響應(yīng)。若系統(tǒng)響應(yīng)衰減太快，則增大比例度；反之，系統(tǒng)響應(yīng)衰減過慢，應(yīng)減小比例度。如此反復(fù)直到系統(tǒng)出現(xiàn)如圖7-5所示4:1的衰減 振蕩過程。記下此時的比例度s和振蕩周期 Ts的數(shù)值。 3）、利用s和Ts值，按表五給出的經(jīng)驗公式，求調(diào)節(jié)器參數(shù)、Ti和Td數(shù)值。表五 4:1衰減曲線法整定計算公式調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱TiTdPsPI1.2s 0.5TsPID0.

26、8s0.3Ts0.1Ts五、實(shí)驗報告要求1）、繪制單/雙容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖。2）、用接好線路的單回路系統(tǒng)進(jìn)行投運(yùn)練習(xí)，并敘述無擾動切換的方法。3）用臨界比例度法和衰減曲線法分別計算P、PI、PID調(diào)節(jié)的參數(shù)，并分別列出系統(tǒng)在這三種方式下的余差和超調(diào)量。4）、P調(diào)節(jié)時，作出不同值下的階躍響應(yīng)曲線。5）、PI調(diào)節(jié)時，分別作出Ti不變、不同值時的階躍響應(yīng)曲線和不變、不同Ti值時的階躍響應(yīng)曲線。6）、畫出PID控制時的階躍響應(yīng)曲線，并分析微分D的作用。7）、比較P、PI和PID三種調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)余差和動態(tài)性能的影響。六、注意事項1）、實(shí)驗線路接好后，必須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查認(rèn)可后方可接通電源。2）、必

27、須在老師的指導(dǎo)下，啟動計算機(jī)系統(tǒng)和單片機(jī)控制屏。3）、若參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)失控，不能達(dá)到設(shè)定值。七、思考題1）、如何實(shí)現(xiàn)減小或消除余差？純比例控制能否消除余差？2）、試定性地分析三種調(diào)節(jié)器的參數(shù)、（、Ti）和（、Ti和Td）。的變化對控制過程各產(chǎn)生什么影響？3）、實(shí)驗系統(tǒng)在運(yùn)行前應(yīng)做好哪些準(zhǔn)備工作？4）、為什么雙容液位控制系統(tǒng)比單容液位控制系統(tǒng)難于穩(wěn)定？5）、有人說：由于積分作用增強(qiáng)，系統(tǒng)會不穩(wěn)定，為此在積分作用增強(qiáng)的同時應(yīng)增大比例度，你認(rèn)為對嗎？為什么？6）、試用控制原理的相關(guān)理論分析PID調(diào)節(jié)器的微分作用為什么不能太大？7）、為什么微分作用的引入必須緩慢進(jìn)行？這時的比例度是否要改變

28、？為什么？8）、調(diào)節(jié)器參數(shù)（、Ti和Td）的改變對整個控制過程有什么影響？實(shí)驗四 水箱壓力的PID調(diào)節(jié)控制一、 實(shí)驗?zāi)康?）、了解壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理及使用方法。2）、研究單回路壓力PID控制系統(tǒng)。3）、掌握手動/自動無擾動切換的方法。4）、學(xué)會用反應(yīng)曲線法對PID參數(shù)進(jìn)行整定。二、 實(shí)驗裝置1）、TKGK-1 型過程控制實(shí)驗裝置： PID調(diào)節(jié)器GK-04、變頻器GK-07-22）、計算機(jī)及監(jiān)控軟件三、 實(shí)驗原理1、 壓力傳感器變送原理簡介1）、擴(kuò)散硅壓力傳感器圖1 惠登斯電橋 擴(kuò)散硅壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)，采用IC工藝擴(kuò)散四個等值應(yīng)變電阻，組成惠斯登電橋，不受壓力作用時，電橋處于平

29、衡狀態(tài)；當(dāng)受到壓力（或壓差）作用時，電橋的一對橋臂電阻變大，另一對變小，電橋失去平衡。若對電橋加一恒定的電壓，便可檢測到對應(yīng)于所加壓力的電壓信號，從而到達(dá)測量液體、氣體壓力大小的目的。 隨著傳感器制造工藝水平的提高，具有內(nèi)部溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)的高精度，高靈敏度的硅壓力傳感器已廣泛應(yīng)用于氣體壓力測量和液位、壓力控制系統(tǒng)。 本裝置采用的MPX2010DP型傳感器，則是在芯片上集成了一個激光敏感調(diào)節(jié)電阻，用以偏置校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償，它由單個X型壓敏電阻代替了以往由4個電阻組成的惠斯登電橋。MPX2010DP的壓力范圍為：010Kpa,靈敏度為：0.01Kpa(1mmH2O)。2)、壓力傳感器變送原理 空氣管

30、傳感方式：將一根管子（如橡皮或塑料）豎直立起，其一端放于液體容器中，另一端完全敞開，則管子里面的液面與容器中的是完全相同的。若將管子的上端封住（如接到MPX2010DP的壓力面），管子內(nèi)就會留有一定體積的氣體。當(dāng)容器內(nèi)液位變化時，管內(nèi)空氣的壓力將會成比例地變化。2.單回路壓力控制系統(tǒng)方框圖單回路壓力控制系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)如要實(shí)現(xiàn)無擾動地由手動操作切換到自動運(yùn)行，則要求調(diào)節(jié)器自動地跟蹤手動輸出，且要在切換時使用測量值與給定值無偏差存在。圖2 單回路壓力控制系統(tǒng) 改變PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)、i和d可以影響系統(tǒng)的閉環(huán)特性，從而改變控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。整定調(diào)節(jié)器參數(shù)通常有臨界比例度法、衰減振蕩法。由于本

31、系統(tǒng)的被控對象是一階慣性環(huán)節(jié)、且時間滯后很小，所以很難產(chǎn)生振蕩曲線，因此我們在這里采用反應(yīng)曲線法來整定系統(tǒng)的參數(shù)。四、 實(shí)驗內(nèi)容與步驟圖3 單容水箱壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1、按圖9-1所示，將系統(tǒng)接成單回路反饋系統(tǒng)（接線參照實(shí)驗一）。其中被控對象是上水箱，被控制量是上水箱的液體壓力。2、啟動工藝流程并開啟相關(guān)的儀器，調(diào)整傳感器輸出的零點(diǎn)和增益。3、在老師的指導(dǎo)下，接通單片機(jī)控制屏，并啟動計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，為記錄過渡過程曲線做好準(zhǔn)備。4、在開環(huán)狀態(tài)下，利用調(diào)節(jié)器的手動操作開關(guān)把被控制量“手動”調(diào)到等于給定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%點(diǎn)處）。5、 反復(fù)調(diào)節(jié)手動輸出值，使給定值與反饋值基本上保

32、持相等且穩(wěn)定后，把手動開關(guān)撥到自動，實(shí)現(xiàn)無擾動切換。6、 用反應(yīng)曲線法整定系統(tǒng)參數(shù)： 1）、將調(diào)節(jié)器置于手動狀態(tài)，圖4 階躍響應(yīng)曲線并使調(diào)節(jié)器輸出一個階躍信號，記錄被控制量壓力的響應(yīng)曲線如圖9-4所示。有該圖可確定、和，其中按下式確定：=y()- y(0)/ 0 (式中0為給定值)圖4 階躍響應(yīng)曲線根據(jù)所求的、和，利用下表所示的經(jīng)驗公式，就可計算出對應(yīng)于衰減率為4:1時調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。反應(yīng)曲線法整定計算公式調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律（%）idP/PI1.1/3.3PID0.85/20.5五、 實(shí)驗報告要求1）、寫出常規(guī)的實(shí)驗報告內(nèi)容。2）、敘述無擾動切換的方法。六、 思考題1）、實(shí)驗時為什么不能實(shí)現(xiàn)

33、系統(tǒng)的手動/自動完全無擾動切換，應(yīng)該怎樣才能實(shí)現(xiàn)完全無擾動切換？2）、為什么要強(qiáng)調(diào)無擾動切換？它能滿足過程控制生產(chǎn)中的哪些要求？3）、與衰減曲線法和臨界比例法相比，反應(yīng)曲線有什么優(yōu)缺點(diǎn)？實(shí)驗五 串級水位控制系統(tǒng)設(shè)計一、 實(shí)驗?zāi)康?）、熟悉串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制特點(diǎn)。2）、掌握串級控制系統(tǒng)的投運(yùn)與參數(shù)整定方法。3）、研究階躍擾動分別作用在副對象和主對象時對系統(tǒng)主被控量的影響。二、 實(shí)驗設(shè)備1）TKGK-1型過程控制實(shí)驗裝置：變頻調(diào)速器(GK-07-2)直流調(diào)速器(GK-06) 模擬PID調(diào)節(jié)器（GK-04）二臺 2）萬用電表一只、計算機(jī)系統(tǒng)和GK-03三、 實(shí)驗原理 圖12-1、液位串級控制系

34、統(tǒng)的方框圖1、串級控制系統(tǒng)的組成圖12-1為一液位串級控制系統(tǒng)的方框圖（圖12-2為其結(jié)構(gòu)圖）。這種系統(tǒng)具有2個調(diào)節(jié)器，主、副兩個被控對象，2個調(diào)節(jié)器分別設(shè)置在主、副回路中。設(shè)在主回路的調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，設(shè)在副回路的調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器。兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)連接，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副回路的給定量，副調(diào)節(jié)器的輸出去控制執(zhí)行元件。主對象的輸出為系統(tǒng)的被控制量h2，副對象的輸出h1是一個輔助的被控變量。2、串級系統(tǒng)的抗干擾能力串級系統(tǒng)由于增加了副回路，因而對于進(jìn)入副回路的干擾具有很強(qiáng)的抑制作用，使作用于副環(huán)的干擾對主變量的影響大大減小。主回路是一個定值控制系統(tǒng)，而副回環(huán)是一個隨動控制。在設(shè)計串級控制系統(tǒng)時

35、，要求系統(tǒng)副對象的時間常數(shù)要遠(yuǎn)小于主對象。此外，為了保證系統(tǒng)的控制精度，一般要求主調(diào)節(jié)器設(shè)計成PI或PID調(diào)節(jié)器，而副調(diào)節(jié)器則一般設(shè)計為比例P控制，以提高副回路的快速響應(yīng)。在搭實(shí)驗線路時，要注意到兩個調(diào)節(jié)器的極性（目的是保證主、副回路都是負(fù)反饋控制）。 3、串級控制系統(tǒng)與單回路的控制系統(tǒng)相比 串級控制系統(tǒng)由于副回路的存在，改善了對象的特性，使等效副對象的時間常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，使系統(tǒng)的響應(yīng)加快。同時，由于串級系統(tǒng)具有主副兩只調(diào)節(jié)器，使它的開環(huán)增益變大，因而使系統(tǒng)的擾干擾能力增強(qiáng)。4、串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)中兩個控制器的參數(shù)都需要進(jìn)行整定，其中任一

36、個控制器任一參數(shù)值發(fā)生變化，對整個串級系統(tǒng)都有影響。因此，串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定要比單回路控制系統(tǒng)復(fù)雜。常用的整定方法有：逐步逼近法、一步整定法、兩步整定法。四、 實(shí)驗步驟1）按圖12-1和圖12-2，連接好實(shí)驗線路，并進(jìn)行零位與增益的調(diào)節(jié)。2）正確設(shè)置PID調(diào)節(jié)器的開關(guān)位置： 副調(diào)節(jié)器：純比例（P）控制，反作用，自動，KC2（副回路的開環(huán)增益）較大。 主調(diào)節(jié)器：比例積分（PI）控制，反作用，自動，KC1 KC2（KC1主回路開環(huán)增益）。3）利用一步整定法整定系統(tǒng)： a、先將主、副調(diào)節(jié)器均置于純比例P調(diào)節(jié)，并將副調(diào)節(jié)器的比例度調(diào)到30%左右。 b、將主調(diào)節(jié)器置于手動，副調(diào)節(jié)器置于自動，通過改變

37、主調(diào)節(jié)器的手動輸出值使下水箱液位達(dá)到設(shè)定值。 c、將主調(diào)節(jié)器置于自動，調(diào)節(jié)比例度，使輸出響應(yīng)曲線呈4:1衰減，記下s和Ts，據(jù)此查表求出主調(diào)節(jié)器的和Ti值。（注）：閥4的開度必須小于閥2的開度實(shí)驗才能成功。五、 實(shí)驗報告要求1）、記錄實(shí)驗過程曲線。2）、擾動作用于主、副對象，觀察對主變量（被控制量）的影響。3）、觀察并分析副調(diào)節(jié)器KP的大小對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。4）、觀察并分析主調(diào)節(jié)的KP與Ti對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。六、思考題1）、試述串級控制系統(tǒng)為什么對主擾動具有很強(qiáng)的抗擾動能力？如果副對象的時間常數(shù)不是遠(yuǎn)小于主對象的時間常數(shù)時，這時副回路抗擾動的優(yōu)越性還具有嗎？為什么？2）、采用一步整定法

38、的理論依據(jù)是什么？3）、串級控制系統(tǒng)投運(yùn)前需要做好那些準(zhǔn)備工作？ 主、副調(diào)節(jié)器的內(nèi)、外給定如何確定？正、反作用如何確定？4）、為什么副調(diào)節(jié)器可以不設(shè)計為PI調(diào)節(jié)器？5）、改變副調(diào)節(jié)器比例放大倍數(shù)的大小，對串級控制系統(tǒng)的擾動能力有什么影響？試從理論上給予說明。 6）、分析串級系統(tǒng)比單回路系統(tǒng)控制質(zhì)量高的原因。實(shí)驗六 前饋-反饋控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗 一、實(shí)驗?zāi)康?1學(xué)會利用MATLAB/Simulink對前饋-反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定。 2學(xué)會利用MATLAB/Simulink分析前饋-反饋控制系統(tǒng)的抗干擾能力。二、實(shí)驗設(shè)備 安裝Windows系統(tǒng)和MATLAB軟件的計算機(jī)一臺。三、實(shí)驗內(nèi)容 已知前饋

39、-反饋控制系統(tǒng)中控制通道和干擾通道的傳遞函數(shù)分別為： 假設(shè)反饋控制器 采取PI控制，試整定該系統(tǒng)。四、實(shí)驗步驟1根據(jù)前饋-反饋控制系統(tǒng)的方框圖，利用題給傳遞函數(shù)建立如圖所示系統(tǒng)的 Simulink仿真模型。圖中PID Controller模塊(PID Controller)復(fù)制于Simulink的擴(kuò)展模塊庫Simulink Extras中，它的參數(shù)分別設(shè)置為Kc、Ti和0。2斷開圖中開關(guān)Switch1和Switch2，使系統(tǒng)處于無干擾的反饋運(yùn)行狀態(tài)下，按照單回路方法整定該系統(tǒng)的反饋控制器的參數(shù)，直到得出滿意的結(jié)果，單位階躍響應(yīng)曲線如圖所示（Kc=1.6；Ti=0.618）。3由于系統(tǒng)干擾通道和

40、控制通道的傳遞函數(shù)已知，故前饋控制器的傳遞函數(shù)可直接根據(jù)式（5-3）求得，即4、閉合開關(guān)Switch1和Switch2，并將Switch分別置于左側(cè)和右側(cè)，即前饋-反饋控制系統(tǒng)在脈沖干擾（時間為t=3035，幅值為0.5）和隨機(jī)噪聲干擾作用下的階躍響應(yīng)仿真曲線，如圖所示。5斷開開關(guān)Switch1，閉合開關(guān)Switch2，并將Switch分別置于左側(cè)和右側(cè)，即反饋控制系統(tǒng)分別在脈沖干擾和隨機(jī)噪聲干擾作用下的階躍響應(yīng)仿真曲線，如圖所示。(a) 脈沖干擾 (b) 隨機(jī)噪聲干擾五、實(shí)驗報告要求1比較前饋-反饋系統(tǒng)和反饋控制系統(tǒng)的抗干擾能力。2根據(jù)附錄實(shí)驗報告格式和以上要求寫出實(shí)驗報告。六、思考題 有了

41、前饋補(bǔ)償器后，試問反饋控制部分是否還具有抗擾動的功能。實(shí)驗七 單片機(jī)液位控制系統(tǒng)一、實(shí)驗?zāi)康?）、熟悉單片機(jī)與計算機(jī)的操作。2）、了解單片機(jī)與上位機(jī)的通訊過程。二、實(shí)驗設(shè)備 1）、TKGK-1型過程控制實(shí)驗裝置： 單片機(jī)控制屏GK-03，變頻器GK-07-2; 2）、計算機(jī)及監(jiān)控軟件； 3）、萬用表一只。三、實(shí)驗原理圖1單片機(jī)的單回路控制系統(tǒng)圖 由檢測變送元件輸出的檢測信號，進(jìn)入單片機(jī)的模擬量輸入口，然后由單片機(jī)對檢測信號與給定值進(jìn)行比較和運(yùn)算，得到輸出控制信號。單片機(jī)在過程控制中：一是作為控制器與參數(shù)檢測元件、變送器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成一個直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC），對多個被控量進(jìn)行巡回監(jiān)控；二是

42、依靠串行口COM1數(shù)據(jù)通訊與計算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)數(shù)據(jù)采集與顯示。雖然單片機(jī)控制是斷續(xù)的，但對于時間常數(shù)較大的系統(tǒng)來說，它的控制效果近似于連續(xù)控制，因此，用數(shù)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。四、實(shí)驗步驟 1、熟悉單片機(jī)的操作（具體操作，見本書第一部分產(chǎn)品使用說明的GK-03單片機(jī)控制屏的使用說明）。 2、按圖14-1連接系統(tǒng)：將液位檢測信號送至單片機(jī)，再用單片機(jī)輸出的模擬信號控制交流變頻器，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水位自動控制。 3、利用GK-03的控制鍵盤設(shè)定單片機(jī)系統(tǒng)參數(shù)（包括給定值SP、PID參數(shù)（Pb、i、d）、采樣周期St、標(biāo)尺上限CH、標(biāo)尺下限CL、正反作用UA、手動/自動AN、輸出通道OP等）。 4、通過衰減曲線法找到最佳參數(shù)（可利用交流電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直流電機(jī)作為干擾源）。 1）、置調(diào)節(jié)器積分時間i到最大值（i=），微分時間d為零（d=0），比例度為較大值，讓系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。 2）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，作設(shè)定值階