压力控制系统实验

1 实验六实验六 控制系统专题实验 压力控制系统实验控制系统专题实验 压力控制系统实验 系系 统统 说说 明明 1 11 1 实验装置硬件说明实验装置硬件说明 该装置由三个互相串联的不同大小的压力容器和针型阀 压力及流量等相关的检测 变送 执行仪 表 计算机 模入 模出接口板和模拟信号端子板等组成 从控制角度来说 整个装置有三个压力检测 变量 1 罐 2 罐 3 罐内压力 可从中选择一至两个被控变量 有两个可控制的变量 两个经调节 阀的压缩空气流量 一般 支路 1 流量作为操作变量主输入通道 支路 2 则为扰动输入通道 在确定 被控变量 操作变量 主要扰动和控制方案后 只要在模拟控制流程图上的插座孔进行不同的连接 就 能方便 迅速地组成不同的控制回路 该装置的工艺模拟流程图如图 1 所示 图 1 压力计算机控制系统实验装置工艺模拟流程图 由图 1 可见 压缩空气分两路进入压力容器 支路 1 主输入为控制通道 压力空气经减压阀调整为 200KPa 通过调节阀的流量可由玻璃转子流量计显示 经 1 罐和针阀 R1 可调气阻 2 罐和针阀 R2 3 罐和针阀 R3 最后排放入大气 支路 2 为扰动通道 压缩空气经减压阀调整为 60KPa 通过调节 阀的流量也可由玻璃转子流量计指示 进入 1 罐 2 罐或者 3 罐的通道由截止阀 F1 F2 及 F3 控制 相当于扰动的加入位置可以选择 1 1 1 系统硬件配置系统硬件配置 硬件配置如下所示 1 主机 CPU 赛扬 466 以上 RAM 32MB 以上 硬盘 6 4G 以上 1 个 1 44M 软驱 光驱 1 个 ISA 插槽 2 数据采集卡 PCL818L 模拟信号端子板 PCLD 9138 以及电压 电流转换器 数据采集卡 安装在计算机的 ISA 总线插槽中 共有 16 路单端模拟量输入通道 2 路模拟量输出通道 分辨 率为 12 位 模拟信号端子板和数据采集卡通过 1 根电缆连接 将采集卡的 I O 通道引出 连接 变送器的输入信号 便于 D A 输出信号与电 气转换器的连接 由于 PCL 818L 采集卡的输出信 号为电压信号 而执行机构的输入信号都为电流信号 因此在模拟输出信号端子板之后还需添 加电压 电流转换器 将 1 5V 的电压信号转换为 4 20mA 的电流信号 3 压力变送器 PT 压力变送器为 XRB 1 量程 0 80KPa 2 量程 0 80KPa 3 量程 0 80KPa 输出均为 4 20mA 的电流信号 2 4 模拟信号端子板 PCLD 9138 16 路输入 2 路输出 5 电压 电流转换器 24V 直流工作电源 输入 1 5V 电压信号 输出 4 20mA 电流信号 6 24V 工作电源 O 上孔 插孔 接电源变送器来的正信号 下孔 一插孔 接电源变送器 来的负信号 7 压力变送器 XRB 1 量程 0 80KPa 2 量程 0 80KPa 3 量程 0 80KPa 输出均为 4 20mA 电流信号 8 气动小流量调节阀 VL ZMAY 64B 气闭阀 VL1 和 VL2 均为气动小流量调节阀 气闭阀 从电压 电流转换器输出 4 20mA 信号 经电 气转换器转换后得到 20 100KP a 气压信号 然后 输入给气动调节阀控制进气流量 1 1 2 接线说明接线说明 模拟信号端子板和测量信号以及控制信号的接线简图如图 2 所示 图 2 压力实验中模拟信号端子板和测量信号以及控制信号的接线简图 注意 1 电压 电流转换器需要的 24V 工作电源从仪表控制柜上接入 仪表控制柜和模拟信号端子板的连接 只允许改变仪表控制柜的面板插座孔一侧的接线 模拟信 号端子板一侧的接线不允许变动 仪表控制柜的输出信号 PT1 PT2 PT3 的 分别连至端子板上的 1 5 20 端子 PT1 PT2 PT3 的 分别连至端子板上的 9 10 28 端子 仪表 控制柜的控制输入信号 VL1 和 VL2 的 分别连到电压 电流转换器 I II 的输出 端 电压 电流转换器 I 的输入 端分别连到信号端子板的 30 14 端子 电压 电流转换器 II 的输入接到数据采集卡的 32 14 端子 VL1 的 和 端或者 VL2 的 和 端可以作 为扰动输入信号连到电压 电流转换器 II 的输出 端子 1 2 系统软件说明系统软件说明 软件设计集教学性和实用性于一体 层次清晰 操作方便 图形界面友好 具有详细的软件操作说 明 每个实验都带有各自的工艺流程图 实时监控画面以及实时控制曲线 便于使用者从各个方面了解 实验进行善 整个软件采用面向对象的 Visual Basic6 0 语言编写 采用模块化结构 本软件需要在 Windows 2000 环境下运行 显示器采用 800 600 的分辨率 1 软件安装软件安装 要求主机硬盘至少分两个区 C 和 D 实验数据存放在 D 压力数据 下 每次实验数据文 件名称以实验开始时刻命名 可执行程序 株州工学院压力控制系统 exe 可以存放在 C 也可以 存放在 D 目录下 2 系统启动 系统启动 运行 株州工学院压力控制系统 exe 文件 自动进入主画面 如图 3 所示 3 图 3 压力控制系统主画面 3 主菜单操作 主菜单操作 直接用鼠标点击相应的命令按键或者按快捷键进行功能选择 选择要进行的实验 4 波形分析波形分析 可以按 F4 键或者用鼠标点击 波形分析 按键进入波形分析设置 详细操作见 波形分析 实验 5 退出退出 可以按 F6 键退出 也可用 ESC 键 或者用鼠标点击 退出 按键退出整个实验系统 6 实验内容 实验内容 本系统可以完成以下实验 1 压力阶跃响应参数辨识实验 2 压力数字 PID 控制实验 3 压力控制周期调整实验 4 压力系统波形分析 1 3 实验原理实验原理 压力控制系统实验原理框图如图 4 所示 图中电 气转换器 调节阀和压力罐压力组成广义被控对象 容器压力为系统控制对象 记为 y t 压力变送器检测得到输出的 4 20mA 的电流反馈信号 yf t 由数据采 集卡经 A D 转换成数字信号 输入计算机 再与给定值 yr t 从键盘输入 比较 得到偏差信号 计算机根 据偏差信号 执行相应的控制算法程序 例如 数字 PID 控制算法 自校正控制算法 模糊控制算法或者其 它控制算法等 计算出控制量 经 D A 转换成 1 5V 的电压 再经电压 电流转换器转换成 4 20mA 的电流控 制信号 u t 控制广义对象的输出 y t 使其跟踪给定值 yr t 图 4 被控对象为容器压力 操作变量为容器压力的控制系统 4 该实验装置组成闭环控制系统时 计算机都采用增量式 PID 算式 1 1 2 1 2 1 1 kekeke T T ke T T kekeKkuku d i c 其中 当前时刻的控制量 上一时刻的控制量 ku 1 ku 放大倍数 对应控制参数 P 积分常数 对应控制参数 I c K i T 微分常数 对应控制参数 D 控制周期 d TT 当前时刻的给定量和检测量的偏差 上一时刻的给定量和检测量的偏差 ke 1 ke 两个时刻前的给定量和检测量的偏差 2 ke 5 一 压力阶跃响应法参数辨识实验一 压力阶跃响应法参数辨识实验 1 实验目的 实验目的 掌握阶跃响应曲线法测试控制对象特性的方法 并通过实验进一步熟悉实验数据的处理方法 2 实验原理 实验原理 实验中 内容器或外容器构成一阶惯性环节 其传递函数为 输入一个阶跃信号 观 1 TS K SG 察容器压力的动态响应曲线 计算出此一阶惯性环节的两个参数 为放大倍数 T 为时间KTK 常数 其中 稳态输出值 阶跃输入值 由传递函数可得阶跃响应为 K 1 Tt eKuty 求得 1 KutyLn t T 3 实验画面说明 实验画面说明 该实验由三个不同的画面组成 实时监控 画面 如图 5 所示 图 5 压力控制实时监控画面 该画面由菜单条 实验状态 参数设定 实验信息 系统参数值 时间常数以及实时监控图七部分 组成 其中 实验状态 框中显示实验方式 实验对象等信息 可以在这档中选择实验对象 实时监 控画面中有三个检测变量 PT1 PT2 PT3 两个控制变量 气动阀 VL1 和气动阀 VL2 画面中的实 时显示数据为压力罐的压力 调节阀的开度百分比 容器内的气体颜色随着压力的升高而改变 管道内 显示的气体流速随气动阀开度的大小改变 响应曲线 画面如图 6 所示 6 图 6 压力阶跃响应曲线画面 该画面实时显示动态响应曲线 实验信息中的容器压力对应的是选定的被控压力罐实时采集的数 据 图的右上方的 X Y 坐标值显示鼠标点击的曲线对应的时间和压力罐的百分比压力值 工艺流程图 如图 7 所示 图 7 压力工艺模拟流程图 该图显示了压力阶跃响应的工艺模拟流程简图 4 实验内容及步骤 实验内容及步骤 由同学们自己根据原理进行 5 实验报告要求 实验报告要求 将得到的阶跃响应曲线进行数据处理 求出压力对象的传递函数 所用方法不限 6 实验注意事项 实验注意事项 1 气动阀 VL1 的初始输入应大于气动阀的动作死区 一般设置为 50 左右 2 实验结束时 在数据读取指针处输入想要求取时间常数的时间点后 必须要按下回车键 在 压力输 出 档中才会出现对应的压力值和求取的时间常数 压力控制系统的纯滞后时间很短 可以忽略 3 辨识对象可以选择 1 2 或者 3 罐压力 它们的过渡过程时间依次增加 7 二 压力数字二 压力数字 PIDPID 控制实验控制实验 1 实验目的 实验目的 通过实验了解简单反馈系统的组成 掌握简单调节系统 手动 自动 无扰动切换投运方法以及用 临界比例度法对调节器参数进行工程整定 2 实验原理 实验原理 计算机采用增量式 PID 算式 如式 1 1 所示 3 实验画面说明 实验画面说明 该实验由三个不同的画面组成 实时监控 画面如上图 5 所示 工艺流程图 如上图 7 所示 响应曲线 画面如下图 8 所示 图 8 压力数字 PID 实验响应曲线画面 该画面实时显示了压力数字 PID 实验的动态响应曲线 在 实验状态 档中可以设置实验方式 手动 或者 自动 方式 手动 方式下 可以设定 手动输出 值 时间轴 以及一些其它参 数 实验信息中的 对象压力 对应的是实时采集的数据 图的右上方的 X Y 坐标值显示鼠标点击 曲线的对应值 在实验开始的 自动 方式下 改变 P I D 控制周期四个参数后 需要按下 参 数投运 按键 参数设置才可有效 在线改变其它参数 按下回车键参数有效 4 实验内容及步骤 实验内容及步骤 由同学们自己根据原理进行 5 实验要求 实验要求 分析不同参数设置下的压力响应波形并说明原因 6 实验注意事项 实验注意事项 1 实验进行时 P I D 和控制周期四个参数设定完后 要单击 参数投运 按键 参数才能有效 2 写入数据库中的 PID 参数值以实验结束时的为准 如果不退出整个系统 PID 参数值会自动进入一 次实验 只写入 P I D 和控制周期四个参数值 8 三 压力控制周期调整实验三 压力控制周期调整实验 1 实验目的 实验目的 通过实验理解控制周期对控制性能的影响 2 实验原理 实验原理 计算机采用增量式 PID 算式 如式 1 1 所示 3 实验画面说明 实验画面说明 该实验由三个不同的画面组成 实时监控 画面如上图 5 所示 工艺流程图 如上图 7 所示 响应曲线 画面如下图 9 所示 图 9 压力控制周期调整响应曲线画面 该画面实时显示了控制周期调整的动态响应曲线 在 实验状态 档中可以设置实验方式 手 动 或者 自动 方式 手动 方式下 设定 手动输出 值 时间轴 以及一些其它参数 实验 信息中的 对象压力 一档对应的是实时采集的数据 图的右上方的 X Y 坐标值显示鼠标点击曲线 的对应值 在实验开始的 自动 方式下 改变 P I D 控制周期四个参数后 需要按下 参数投 运 按键 参数设置才可有效 在线改变其它参数 按下回车键参数有效 4 实验内容及步骤 实验内容及步骤 由同学们自己根据原理进行 5 实验报告要求 实验报告要求 分析不同控制周期下的温度响应波形并说明不同控制周期对控制对象的影响原因 6 实验注意事项 实验注意事项 1 在做完控制周期实验后 不退出实验 控制周期实验的控制周期值 P I D 参数值及控制周期会自 动计入其它实验中 并且写入数据库 2 画面最多可记录四次实验曲线 如果实验次数大于四次 将自动以 先