过程控制实验指导.doc

过程控制实验指导书过程控制实验指导书 北京理工大学珠海学院北京理工大学珠海学院 信息学院信息学院 2008 年年 前前 言言 过程控制是控制理论 生产工艺 计算机技术和仪器仪表等知识相结合的一门综 合性应用学科 理论学 综合性和实践性都很强 过程控制仿真是架起理论与实践之 间的重要桥梁 是掌握过程控制系统分析与设计精髓的重要手段 按照教学大纲规定的实验要求 并结合信息学院自动化专业的教学特点和具体的 实验情况 我们新编了 过程控制实验指导书 本指导教程着眼于常用的过程控制类型实验的原理及其内容 着重培养学生的综 合分析能力 实现理论教学与实验教学的融合与统一 本实验指导教程共包含四项实 验 系统地介绍了所有实验的原理 仿真步骤等 并在每个实验中都配备了相应的思 考题 在编写过程中吸取了过去实验教学的经验和长处 具有自己的特色 本实验指导教程由自动化教研室的苏禹 赵慧元主编 由于时间仓促 难免有不 足之处 衷心希望广大读者批评指正 编者 2008 年 II 目目 录录 前前 言言 I I 实验一实验一 PIDPID 参数整定参数整定 1 1 一 实验目的 1 二 实验内容 1 三 实验原理 1 四 实验步骤 2 五 讨论 4 六 结束 4 实验二实验二 串级控制串级控制 5 5 一 实验目的 5 二 实验内容 5 三 实验原理 5 四 实验步骤 5 五 讨论 7 六 结束 7 实验三实验三 双闭环比值控制双闭环比值控制 8 8 一 实验目的 8 二 实验内容 8 三 实验原理 8 四 实验步骤 8 五 讨论 9 六 结束 9 实验四实验四 前馈前馈 串级复合控制串级复合控制 1010 一 实验目的 10 二 实验内容 10 三 实验原理 10 五 实验步骤 11 六 讨论 11 七 结束 11 1 实验一实验一 PID 参数整定参数整定 一 实验目的 1 学会 PID 参数整定的基本原则 2 使用稳定边界法和衰减曲线法去整定参数 3 列表分析单项性能指标和误差积分性能指标 二 实验内容 1 利用临界比例法 求出传递函数 G S 1 s s 1 s 5 在 PID 控 制 反馈环节下单位阶跃响应的整定值 2 利用衰减比例法求出 G S 1 s 1 s 2 S 3 在 PID 控制反馈 环节下单位阶跃响应的整定值 三 实验原理 PID 控制 具有比例加积分加微分控制规律的控制成为比例积分微分控 制 传递函数 Gc s Kp Kp Ti 1 s Kp s 其中 Kp 为比例 系数 Ti 为积分时间常数 为微分时间常数 三者都是可调的参数 稳定边界法和衰减曲线法都属于工程整定方法 其基本特点 不需要事 先知道过程的数学模型 直接在过程控制系统中进行现场整定 方法简单 计算简便 易于掌握 2 四 实验步骤 1 稳定边界法 按下图 1 4 1 搭建系统 图 1 4 1 1 令 Ti Td 0 比例带 置较大 使系统投入运行 2 待系统稳定后 逐渐减少比例带 直至等副振荡 记下 pr 值 临界比例带 和两波峰间的时间间隔 Tpr 临界振荡周期 如 下图 1 4 2 图 1 4 2 3 3 利用 pr 和 Tpr 求各调节器的整定参数 2 衰减曲线法 按下图 1 4 3 搭建系统 图 1 4 3 1 令 Ti Td 0 比例带 置较大 使系统投入运行 2 待稳定后作设定值阶跃扰动 直至衰减比为 4 1 记下 s 和 Ts 如下图 1 4 4 图 1 4 4 3 利用 s 和 Ts 求出整定参数 1 稳定边界法 4 pr 3 3 Tpr 2 9s Ti minTd min P PI PID 2 衰减法 s 4 8 Ts 2 6s 衰减比 Ti minTd min P PI4 1 PD 五 讨论 1 如果仅有比例控制 对控制系统有什么影响 2 PID 控制较 PI 和 PD 控制的优势 六 结束 1 整理所测的实验结果 2 关掉实验平台的电源 3 请指导教师检查 批准后再离开实验室 5 实验二实验二 串级控制串级控制 一 实验目的 1 学会分析单回路控制和串级控制的性能特性 2 初步了解主副回路的设计原则 二 实验内容 1 设在单位阶跃输入下的反馈环节 主对象为 G1 s 1 30S 1 3S 1 副对象 G2 s 1 10S 1 S 1 2 主控制器为 Gc1 Kc1 1 1 TiS 副控制器为 Gc2 Kc2 单位阶跃扰动 1 和 2 均 为 5 求单回路 串级控制时分别在内环扰动和外环扰动时的图像并作分 析 2 主对象为 G1 s 1 30S 1 副对象为 G2 s 1 10S 1 S 1 2 而且有 10s 的延迟环节 试用 matlab 串级控制系统设计仿真 三 实验原理 具有多个控制器和一个执行机构 如 控制阀 这些控制器被一 个接一个串联起来 前一个控制器的输出就是后一个控制器的设定值 其 执行机构是由最后一个控制器控制 把这样的系统称为串级控制系统 特 点 1 由两个或两个以上的控制器串联而成 一个控制器是另一个控 制器的设定 2 由两个或两个以上的控制器 相应数量的检测变送器和 一个执行器组成 3 主回路是恒值控制系统 对主控制器的输出而言 副回路是随动系统 对二次扰动而言 副回路是恒值控制系统 6 四 实验步骤 分别按下图 2 4 1 和图 2 4 2 搭建系统 1 串级控制时 Kc1 6 9 Ti 89 Kc2 3 单回路控制时 Kc1 3 8 Ti 39 图 2 4 1 2单回路控制时 Kc1 2 9 Ti 200 串级回路时 Kc1 2 9 Ti 200 Kc2 2 7 图 2 4 2 五 讨论 通过图像曲线比较单回路控制和串级回路控制的稳定性优劣 六 结束 1 整理所测的实验结果 2 关掉实验平台的电源 3 请指导教师检查 批准后再离开实验室 8 实验三实验三 双闭环比值控制双闭环比值控制 一 实验目的 1 熟悉比值控制的合和双闭环比值控制的特点和应用场合 2 初步了解主副回路的设计原则 二 实验内容 三 实验原理 比值控制系统的特征是使两个或两个以上物料保持一定比例关系 为了克服单闭环比值控制系统中主动量不受控制而产生的系统生产能 力 失控 状况 在单闭环比值控制的基础上 对主动量也设置了一个闭 合控制回路 构成主 副动量都进行控制的双闭环比值控制系统 与单闭环相比 其优点 1 控制系统更为稳定 2 系统更易于调 节 四 实验步骤 1 分析主动量控制系统和从动量控制系统稳定性 2 选择控制系统结构和调节器形式 3 整定主动量控制器参数 9 4 整定从动量控制器参数 图 3 4 1 5 双闭环比值控制系统控制过程仿真 图 3 4 2 五 讨论 从仿真图上 从动量的曲线结果 系统的控制精度怎样 六 结束 1 整理所测的实验结果 2 关掉实验平台的电源 3 请指导教师检查 批准后再离开实验室 10 实验四实验四 前馈前馈 串级复合控制串级复合控制 一 实验目的 1 知道什么事前馈控制系统和前馈控制系统选择原则 2 前馈 串级控制系统的特点 二 实验内容 三 实验原理 前馈控制系统的特点 1 开环控制 2 很强的补偿局限性 3 前 馈控制反应迅速 4 只能用于可测的干扰 当系统情况复杂时 为了进行更为 精细 的控制 常把系统的主要 干扰用前馈系