实验指导书.doc

过程计算机控制系统实 验 指 导 书编写 王海梅南京理工大学2003年4月前 言计算机控制是以自动控制理论和计算机技术为基础的一门学科，随着计算机技术的发展，计算机控制得到了广泛的推广和应用。为了增强学生的动手能力，更好地掌握所学到的理论知识，以满足社会对控制系统设计人才的需求，我们一直进行着不断的努力和探索。基于当前过程控制系统的被控量多为温度、压力、液位等变量，我们设计了一套集液位、流量、温度为一体的组合式控制系统实验装置，学生可以通过灵活、方便的管路组合，实现过程控制中的五种典型控制方式单回路控制、串级控制、前馈控制、均匀控制和比值控制。通过实验，要求学生掌握工程设计的基本方法，能够根据要求选择控制设备、仪表的类型，进行控制信号的处理、控制方式的选择，以及控制参数整定的方法。由于本实验的操作涉及到强电、水、加热器、计算机等，为保证学生的人身安全和设备的完好，要求学生课前一定要进行预习，并在实验过程中严格遵守以下事项： 未经任课教师检查不得加电控制； 断电以后，才能进行线路改动； 控制过程中谨防管路漏水、水箱溢水； 严禁在水箱无水情况下进行加热控制； 程序控制结束前关闭阀门、断开加热器。 实 验 内 容实验一：组合型过程控制系统简介及过程控制演示 1实验二：传感器、执行器实验 7实验三：系统动态特性的测试 10实验四：液位单回路控制系统的设计及参数整定 13实验五：液位流量串级控制系统的设计及参数整定 15实验六：液位流量前馈控制系统的设计及参数整定 17实验七：液位流量均匀控制系统的设计及参数整定 18实验八：液位流量比值控制系统的设计及参数整定 20实验九：温度控制系统的设计及参数整定 22 实验一 组合型过程控制系统简介及过程控制演示一、 FESTO紧凑型过程控制系统介绍FESTO紧凑型过程控制系统如图1-1所示，在这套系统上，我们可以进行液位、温度、压力、流量的控制。 图 1-1 FESTO紧凑型过程控制系统二、 组合式过程控制系统介绍PCL812PG系统板被控对象检测元件调节阀流量液位脉冲电信号电信号温度计算机控制电压结合过程计算机控制系统理论的学习，我们研制了一套组合式过程控制系统，其原理结构如图1-2所示。这套系统可以通过灵活、方便的管路组合，实现过程控制中的五种典型控制方式单回路控制，串级控制、前馈控制、均匀控制和比值控制。 图 1-2 组合式过程控制系统原理图三、 主要仪器与设备1、 计算机2、 接口板PCL-812PGPCL-812PG是一块高性能，高速度的多功能数据采集卡，它适用于IBM PC以及其它兼容机。PCL-812PG在一块卡上包含了所有的数据采集功能，如：16路A/D，2路D/A，16路DI，16路DO，1路定时器、计数器通道，其中A/D数据采集为12位。PCL-812PG板卡的具体布局如图1-3。 图 1-3 PCL-812PG板卡的元件布局图 图中： SW1：基地址设定。（220H） CN1：16位数字输出。 CN2：16位数字输入。 CN3：模拟输入/输出以及记数器/定时器接口。 JP1、JP2：DMA（直接数据传输）通道设定。（NO DMA） JP3：中断级别设定。（5） JP4：时钟源设定。（脉冲计数时，设置为：EXTCLK） JP5：A/D转换时内/外部触发设定。（内部软件触发） JP6、JP7：D/A参考电压设定，分别对应AO1、AO2口。（内部参考电压） JP8：内部参考电压设定。（-10V，对应的D/A电压输出范围为010V） JP9：A/D输入范围设定。(-10V to +10V)CN3接口管脚说明如图1-4所示。 图 1-4 CN3接口管脚说明3、 水箱：水箱如图1-5所示，其技术参数见表1-1。7 25 表1-1 水箱的技术参数工作温度最大：+65外部尺寸宽度深度高度240 mm190 mm385 mm材质塑料螺旋接口15 mm 直径图 1-5 水箱4、 流量传感器 流量传感器如图1-6，主要技术参数见表1-2。 表1-2 流量传感器的技术参数工作电压5 to 12 V DC工作电流6 to 33 mA输出信号方波信号，512 V频率范围13 to 1200 HZ测量范围0.5 to 15.0 l/min工作压力80C max。 6bar 工作温度0C to 65C接线方式白：电源正绿：电源负褐：输出+ 图 1-6 流量传感器 5、 比例阀1094-PMR 比例阀如图1-7，其主要技术指标见表1-3。 表1-3 比例阀的技术参数工作电压24 V DC控制电压0 to 10V功率8 W工作压力0 to 0.5 bar环境温度Max。+55C媒介自然媒介，如水、压缩空气媒体温度0C to +65C 图 1-7 比例阀 1094-PMR比例阀接口如图1-8所示。端子2：+24V，端子3：24V地，端子4：输出控制信号。R1：最小流量调节，R2：最大流量调节，R3：延迟时间调节。S1：（on）：中频（2832），S2：（off）图 1-8 1094-PMR比例阀接口6、 液位传感器主要技术参数见表1-4 表1-4 液位传感器主要参数工作电压24 V DC测量范围0400 mm输出信号05 V DC工作温度-40120C接线方式红：电源正黑：电源负蓝：输出+7、 温度传感器 主要技术参数见表1-5 表1-5 液位传感器主要参数工作电压24 V DC测量范围0100 C输出信号05 V DC接线方式红：电源正绿：电源负黄：输出+8、 管路、接头、手动阀管路、接头、手动阀如图1-9所示。系统所有部件的连接都是直接插拔，非常方便。 图 1-9管路、接头、手动阀实验二 传感器、执行器实验一、实验目的了解传感器、执行器的工作原理，掌握它们在实际过程控制中的应用。 二、实验要求1、 对系统中的液位、温度、流量进行数据采集；2、 编程实现比例阀开度的控制；3、 实现D/O控制。 三、实验步骤1、 液位传感器的测试 在水箱内按要求注入不同高度的纯净水，利用万用表和PCL-812PG板卡的A/D口分别测出液位传感器输出的对应电压值，并在计算机内将A/D口的测量值转换成相应的液位高度。将测量数据填入下表。 高度输出50 mm100 mm150 mm200 mm250 mm万用表测量（伏）A/D口测量 (伏)机内转换高度（mm）相对误差（%） 2、 温度传感器的测试 改变水箱内水的温度，用温度计测量出水温，同时利用PCL-812PG板卡的A/D口测出温度传感器的输出电压，并在计算机内将其转换成相应的温度。将测量数据填入下表。温度计（度）A/D口测量（伏）机内转换温度（度）相对误差（%）3、 流量传感器的测试 调节手动阀以改变流量传感器所在管路中的流量，利用PCL-812PG板卡的记数口测量流量传感器单位时间内输出的脉冲数，并转换成对应的流量。将测量结果填入下表。脉冲数（个/秒）流量（l/min）4、 比例阀的控制 通过PCL-812PG板卡的D/A口输出向比例阀输出控制电压，比较机内控制电压与实际输出电压，并将结果填入下表。控制量（伏）02.557.510测量值（伏）相对误差（%）5、D/O控制（加热器的控制）通过PCL-812PG板卡的D/O口输出控制加热器的数字信号。测量并记录D/O口输出的高低电平值。 高电平： 伏； 低电平： 伏。四、思考题1、用传感器测量过程变量的准确性如何？如果有误差，可以采取什么方法进行修正？实验三 系统动态特性的测试一、实验目的学习单容对象动态特性的实验测定方法。 二、实验要求通过实验的方法建立液位对象的过程数学模型。 三、实验步骤1、运用时域法建立液位对象的过程数学模型计算机 按照图3-1，构造液位对象的模型测试系统。 LIFI 进水 出水 图 3-1 时域法模型建立的实验原理图 在一定的流量输入情况下，测量对象的液位响应曲线。将测量数据填入下表。流量= l/mint (s)h (mm)t (s)h (mm) 画出液位的阶跃响应曲线（用坐标纸画），并用作图法求液位对象的数学模型。 2、 利用液位对象的液位与输出流量的关系建立其模型计算机 测试系统结构如图3-2所示。 LI 进水 FI 出水 图3-2 利用液位输出流量关系建立模型的实验原理图 原理 对于液位系统，根据动态物料平衡关系有 式中： 输入流量； 输出流量； 液位高度； A水箱截面积； 、分别为偏离某一平衡状态、的增量。在静态时，当变化时，、也将发生变化，由流体力学可知，流体在紊流情况下，与流量之间为非线性关系，为简化起见，作线性化处理。近似认为与在工作点附近成正比，而与出水阀的阻力（称为液阻）成反比，即 或 由、，消去中间变量，再求拉氏变换得单容液位过程的传递函数为： 关闭所有出水阀，向水箱内注水至260mm左右，然后按图3-2将出水阀旋开至适当位置，测量给定液位高度所对应的流量值，填入下表。并根据式求液位对象的模型。h (mm)120160200240（l/min）其中水箱的截面积。 四、思考题1、比较以上两种实验方式所得到的系统模型，分析可能造成模型不准确的原因。实验四 液位单回路控制系统的设计及参数整定一、实验目的掌握过程计算机控制系统的单回路控制方式。 二、实验要求设计单容水箱的液位单回路控制系统，实现液位的定值控制，并对系统进行参数整定。 三、实验内容1、按照图4-1，在组合式实验装置上通过选择管路，构造液位单回路控制系统。计算机MLI 进水 出水 图4-1 单回路控制系统实验原理图2、 画出液位单回路控制系统的原理框图。3、 根据液位对象的数学模型，选择系统的采样周期。 。 4、 运用经验法确定数字调节器的参数。按选定的调节器参数控制系统运行，观察不同参数情况下的控制效果。（可以在控制过程中适当地加一些流量扰动，观察控制结果）。最终确定较为满意的调节器参数。次数控制器参数性能指标123四、思考题1、在控制过程中遇到了哪些问题，你是如何解决的？为了提高控制效果，你在控制算法上还采取了哪些措施？实验五 液位流量串级控制系统的设计及参数整定一、实验目的掌握过程计算机控制系统的串级控制方式，了解串级控制应用的场合。 二、实验要求设计单容水箱的液位流量串级控制系统，实现液位的定值控制，并对系统进行参数整定。 三、实验内容1、按照图5-1，在组合式实验装置上通过选择管路，构造液位流量串级控制系统。计算机FIM LI 进水 出水 图5-1 串级控制系统实验原理图2、 画出液位流量串级控制系统的原理框图。3、 运用一步整定法整定主、副调节器参数。按整定的参数运行，记录控制结果。次数主调节器副调节器123四、思考题1、以液位对象为例，说明串级控制较单回路控制在克服干扰方面有什么优点？实验六 液位流量前馈控制系统的设计及参数整定一、实验目的掌握过程计算机控制系统的前馈控制方式。 二、实验要求设计单容水箱的液位流量前馈反馈控制系统，实现液位的定值控制，并对系统进行参数整定。 三、实验内容1、管路结构同图5-1的串级控制系统。2、画出液位流量前馈反馈控制系统的原理框图。3、 如果按以上方式进行控制，控制通道是 ，干扰通道是 。前馈控制器的传递函数 。主调节器控制性能四、思考题1、前馈控制与串级控制在本质上有什么区别？在控制效果上有什么不同？实验七 液位流量均匀控制系统的设计及参数整定一、实验目的了解均匀控制的含义，掌握过程计算机控制系统的均匀控制方式。 二、实验要求设计单容水箱的液位流量均匀控制系统，实现液位与流量的均匀控制，并对系统进行参数整定。 三、实验内容1、按照图7-1，在组合式实验装置上通过选择管路，构造液位流量均匀控制系统。计算机LI 进水MFI 出水 图7-1 液位流量均匀控制系统实验原理图2、画出液位流量均匀控制系统的原理框图。3、选择调节器参数。比较、分析调节器取不同值时的运行结果。次数主调节器副调节器123四、思考题1、为达到流量与液位的均匀控制，在调节器的参数整定方面要注意哪些事项？实验八 液位流量比值控制系统的设计及参数整定一、实验目的了解比值控制的应用场合，掌握过程计算机控制系统的比值控制方式。 二、实验要求设计单容水箱液位流量的单闭环比值控制系统，实现液位与流量的比值控制，并对系统进行参数整定。 三、实验内容1、按照图8-1，在组合式实验装置上通过选择管路，构造液位流量比值控制系统。计算机 LIFI 进水M 出水 图8-1 液位流量比值控制系统实验原理图2、 画出液位流量比值控制系统的原理框图。3、 按照比值控制系统调节器参数整定原则选择几组调节器参数。比较、分析调节器取不同值时的运行结果。次数调节器参数123实验九 温度控制系