过程控制系统实验报告汇总

1、过程控制系统实验报告姓 名：指导教师 ：南京理工大学 2015 年 5 月实验二 传感器、执行器实验、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 编程实现系统液位、温度、流量等模拟量的数据采集以及模拟量的输出。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 USB-4711A 板 卡的 A/D 口分别测出液位传感器的输出电压，并在计算机内将电压转换成对 应的高度。将测量数据填入下表。高度输出250 mm200 mm150 mm100 mm50 mm0mm万用表测量值（伏）5.534.914.303.683.07-2.4A

2、/D 口测量值 （伏 ）5.564.924.323.713.09-2.4机内转换高度 （ mm）444.92393.36345.31296.48246.88192相对误差（ %）77.97%96.68%130.21%196.48%393.76%/相对误差（ %） （ 消除仪器误差 ）1.17%0.68%2.21%4.68%8.76%/因为我们使用的实验仪器测高计有明显的机械误差，通过实际0mm时测量高度为 192mm，表测电压为 -2.4V 。所以实际相对误差应是消除高度计所造 成的机械误差之后的值，一并在表中列出了。2、温度传感器的测试用温度计测量出水温， 同时利用万用表和 USB-4711

3、A 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）万用表测量值 （伏）A/D 口测量电压 （伏）机内转换温度 （度）相对误差（ %）/0.930.9619.19/3、比例阀的控制通过 USB-4711A 板卡的 D/A 口输出控制电压， 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）02.494.987.479.96相对误差（ %）00.4%0.4%0.4%0.4%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？答：在测量过程变量时大量被测

4、量是随时间变化的动态信号，传感器 的输入与输出信号是一个时间函数，随着输入信号变化，实际传感器输出与 输入不具有相同时间函数，将会产生系统误差和随机误差。对于系统误差， 可以采用差动法补偿来修正， 随机误差可以采用统计学 中的方法如算数平均或求标准偏差。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。、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、实验步骤利用液位对象的液位与输出流量的关系建立其模型 原理对于液位系统，根据动态物料平衡关系有Qi QO Ad h 式 3-1i O dt式中： Qi 输入流量； QO 输出流量；h 液位高度； A 水箱截面积；Qi

5、 、 QO、 h分别为偏离某一平衡状态 Qi0 、QO0 、 h0的增量。 在静态时， Qi QO，d h 0，当Qi变化时， h 、 QO也将发生变化，由 dt流体力学可知，流体在紊流情况下， h 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 QO与 h在工作点附近成正比，而与出水阀的阻力 R2 （称为液阻）成反比，即QOR2R2 hQ0式 3-2由式 3-1 、式-2 ，消去中间变量 QO ，再求拉氏变换得：单容液位过程的传递函数为：W (S)H (S)Q i (S)R 2 KR 2 AS 1 TS 1式 3-3 关闭出水阀，向水箱内注水至 260mm 左右，将出水阀旋开至适

6、当 位置（整个测量过程中保持出水阀开度不变） ，测量给定液位高度所对应的 流量值，填入下表。根据式 3-3 求对象的数学模型。W (S)R2R2 AS 1473473 AS 14731.51 e7) S 1h (mm)120160200240QO ( l/min )1.8801.9652.0392.137R2471 541 408R2473其中水箱的截面积 A 190mm 175mm 。四、思考题1、分析可能造成模型不准确的原因。答：被控对象有较大的时间常数，导致变化过程较慢； 单容水箱是一阶系统响应，被控变量的变化比较缓慢； 被控对象具有传输延迟； 被控对象不具有非线性，自平衡能力差。实验四

7、 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。、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。2、画出液位单回路控制系统方框图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根据经验公式，选择调节器参数 KC、TI 和TD 值。观察不同参数情况下 的控制效果，最终确定较为满意的调节器参数。7实验次数调节器参数性能指标KCTITD00tS111/6.1%55221/6.3%54320.5/5.9

8、%48410.5/5.3%52四、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？ 答：实验中，开始程序一直记录数据有问题，后来和同学帮助 下，原来是 fprintf 设定不对。最后的实验中，测流量总是开始就达到 最大，然后慢慢向下降落， 怎么也搞不懂， 在老师的指点下终于解决了问 题，完成了实验。采用了多次实验取较好数据的方法， 消除了偶然误差的影响。 本来还 采用了微分算法，用了之后才知道不好，又去掉了。实验五 流量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一般设计方法。二、实验要求 根据流量对象的特点，设

9、计流量定值控制系统，并对系统进行参数整定， 使系统具有较好的动、静态性能指标和抗干扰能力。三、实验步骤1、按照图 5-1，在组合式实验装置上通过选择管路，构造流量单回路 控制系统。2、画出流量单回路控制系统方框图3、根据流量对象的特点，选择系统的采样控制周期S4、选择调节器参数，进行流量控制，记录控制结果，并就不同参数 下的控制效果进行定性讨论控制器实验次数KCTITD00tSPID10.51/1.86%13.5211/4.3%4.530.50.5/3.08%3.5410.5/7.95%4.5四、思考题1、流量对象与液位对象有什么区别？流量控制系统的参数整定要注意 哪些问题？答：（1）流量对象

10、应用流量传感器，对于设定的流量值，系统会在达到 该流 量时以大致稳定的流速往水箱注水；液位对象以设定的液位高度为基准， 传感器一直对高度进行测量， 达到设定高度后立即停止注水， 并一直检测，当液面未达到设定值， 再次10 注水以此反复。（2）注意数学模型的正确建立，在建模过程中减少盲目性，但是该 方法较为复杂， 在过程控制进行中直接进行工程正定，该方法简单，计 算方便，但是参数不一定最佳， 但实用；在此采用现场实验整定的方法， 这种方法注意改变比例积分的参数， 并有比较性地改变， 有比较好得效 果。附实验程序：实验二 传感器、执行器实验#include <stdio.h>#incl

11、ude <windows.h>#include <time.h>#include "driver.h"#include "conio.h"void main() PT_AIConfig ptAIConfig;PT_AIVoltageIn ptAIVoltageIn;float advalue;float h;float q=0;FILE *fp=fopen("test.txt","w");long DriverHandle;ULONG num1=0,num2=0;int count;11US

12、HORT over=0;PT_CounterEventStart ptCounterEventStart;PT_CounterEventRead ptCounterEventRead;DRV_DeviceOpen(0,&DriverHandle);while(!kbhit()ptAIConfig.DasChan=0;/AI 通道 0 ptAIConfig.DasGain=0;/Gain Code， +/-5VDRV_AIConfig(DriverHandle, (LPT_AIConfig)&ptAIConfig);/ 读取指定 AI 通道的电压值ptAIVoltageIn.ch

13、an = 0;/通道 0ptAIVoltageIn.gain = 0;/Gain Code， +/-5VptAIVoltageIn.TrigMode = 0; /内部触发ptAIVoltageIn.voltage = (FLOAT far *)&advalue;/返回电压值DRV_AIVoltageIn(DriverHandle,(LPT_AIVoltageIn)&ptAIVoltageIn);printf("AD value=%f!n",advalue);ptCounterEventStart.counter=0;DRV_CounterEventStart

14、(DriverHandle,&ptCounterEventStart);ptCounterEventRead.counter=0;ptCounterEventRead.overflow=&over;ptCounterEventRead.count=&num1;(DriverHandle,(DriverHandle,DRV_CounterEventRead (LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRead);DRV_CounterEventRead (DriverHandle, &ptCounterEventRead);

15、printf("%lun",num1);Sleep(1000);ptCounterEventRead.counter=0;ptCounterEventRead.overflow=&over;ptCounterEventRead.count=&num2;DRV_CounterEventRead (LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRead);12DRV_CounterEventRead (DriverHandle, &ptCounterEventRead); printf("%lun",

16、num2);count=num2-num1;q=0.0122*count+0.3412;h=advalue*80;printf("%dn",count);fprintf(fp,"q=%fn",q); fprintf(fp,"h=%fn",h);fclose(fp);DRV_CounterReset(DriverHandle,0);DRV_DeviceClose( &DriverHandle );实验三 系统动态特性的测试#include <stdio.h>#include <windows.h>#inc

17、lude <time.h>#include "driver.h"#include "conio.h"void main()long DriverHandle_v;PT_AIConfig ptAIConfig;PT_AIVoltageIn ptAIVoltageIn;float advalue;DRV_DeviceOpen(0,&DriverHandle_v); / 打开设备13/AI 配置ptAIConfig.DasChan=0;/AI 通道 0 ptAIConfig.DasGain=0;/Gain Code， +/-5VDRV_AI

18、Config(DriverHandle_v, (LPT_AIConfig)&ptAIConfig);/ 读取指定 AI 通道的电压值ptAIVoltageIn.chan = 0;/通道 0ptAIVoltageIn.gain = 0;/Gain Code， +/-5VptAIVoltageIn.TrigMode = 0; /内部触发ptAIVoltageIn.voltage = (FLOAT far *)&advalue;/返回电压值DRV_AIVoltageIn(DriverHandle_v,(LPT_AIVoltageIn)&ptAIVoltageIn);long

19、DriverHandle;ULONG num1=0,num2=0;int count;USHORT over=0;PT_CounterEventStart ptCounterEventStart;PT_CounterEventRead ptCounterEventRead;DRV_DeviceOpen(0,&DriverHandle);ptCounterEventStart.counter=0;DRV_CounterEventStart(DriverHandle,&ptCounterEventStart);ptCounterEventRead.counter=0; ptCoun

20、terEventRead.overflow=&over; ptCounterEventRead.count=&num1;DRV_CounterEventRead (LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRead);DRV_CounterEventRead (DriverHandle, &ptCounterEventRead); printf("num1=%lun",num1);Sleep(1000);(DriverHandle,14ptCounterEventRead.counter=0; ptCounter

21、EventRead.overflow=&over; ptCounterEventRead.count=&num2;(DriverHandle,DRV_CounterEventRead (LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRead);DRV_CounterEventRead (DriverHandle, &ptCounterEventRead);printf("num2=%lun",num2);count=num2-num1;printf("count=%dn",count);FILE

22、*fp=fopen("me.txt","w");float fluid;while(!kbhit()DRV_AIVoltageIn(DriverHandle,(LPT_AIVoltageIn)&ptAIVoltageIn);ptCounterEventStart.counter=0;DRV_CounterEventStart(DriverHandle,&ptCounterEventStart);ptCounterEventRead.count=&num1;DRV_CounterEventRead(LPT_CounterEventR

23、ead)&ptCounterEventRead);DRV_CounterEventRead (DriverHandle, &ptCounterEventRead);Sleep(1000);ptCounterEventRead.count=&num2;DRV_CounterEventRead(LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRead);DRV_CounterEventRead (DriverHandle, &ptCounterEventRead);count=num2-num1;fluid = (14.5*(coun

24、t-13)/(1200-13)+0.5);printf("Height=%ft",advalue*80);printf("num1=%lun",num1);printf("num2=%lun",num2);(DriverHandle,(DriverHandle,15printf("Count=%dn",count);printf("Fluid=%fnn",fluid);fprintf(fp,"Height=%ft",advalue*80);fprintf(fp,"F

25、luid=%fn",fluid);fclose(fp);DRV_CounterReset(DriverHandle,0);DRV_DeviceClose( &DriverHandle );DRV_DeviceClose( &DriverHandle_v ); / 关闭设备 实验四 液位单回路控制系统的设计及参数整定#include <stdio.h>#include <windows.h>#include "driver.h"#include <conio.h>#include "time.h"

26、;#include <math.h> void main()FILE *fp=fopen("test1.txt","w");long DriverHandle;PT_AIConfig ptAIConfig;PT_AIVoltageIn ptAIVoltageIn;float height_v_In;float m_h;float e1=0,e2=0,e3=0; / 误差16float seth=200;float setv=0;/PID 系数float k=1,ti=0.5,td=0;int n=0;float time;long Drive

27、rHandle1; PT_AOConfig ptAOConfig; PT_AOVoltageOut ptAOVoltageOut;float height_v_Out=0;DRV_DeviceOpen(0,&DriverHandle); / 打开设备 DRV_DeviceOpen(0,&DriverHandle1); / 打开设备ptAIConfig.DasChan=0;/AI 通道 0 ptAIConfig.DasGain=4;/Gain Code ， +/-10V DRV_AIConfig(DriverHandle, (LPT_AIConfig)&ptAIConfi

28、g);ptAOConfig.chan=0;/AO 通道 0 ptAOConfig.RefSrc=0;/ 内部参考源 ptAOConfig.MaxValue=10;ptAOConfig.MinValue=0;DRV_AOConfig(DriverHandle1, (LPT_AOConfig)&ptAOConfig);setv=seth/80;while(!kbhit() Sleep(300);n+;time=n*0.3;/ 读取指定 AI 通道的电压值 ptAIVoltageIn.chan = 0;/ 通道 0 ptAIVoltageIn.gain = 4;/Gain Code， +/-

29、10VptAIVoltageIn.TrigMode = 0; / 内部触发 ptAIVoltageIn.voltage = (FLOAT far *)&height_v_In;/返回电压值DRV_AIVoltageIn(DriverHandle,(LPT_AIVoltageIn)&ptAIVoltageIn);17if(height_v_In < setv)height_v_Out += k*(e3-e2)+0.3/ti*e3+td/0.3*(e3-2*e2+e1); / 增量式 PID 控制e1=e2;/前两次值e2=e3;/前一次值if(height_v_Out>

30、;10) height_v_Out=10;else if(height_v_Out<0) height_v_Out=0;else height_v_Out=0;printf("height_v_Out=%f!t",height_v_Out); printf("time=%f!t",time);printf("hight=%f!nn",height_v_In/5*400);/ 电压输出ptAOVoltageOut.chan = 0;ptAOVoltageOut.OutputValue = height_v_Out;/所要设置的输出

31、电压值 , 浮点型数据DRV_AOVoltageOut(DriverHandle1,(LPT_AOVoltageOut)&ptAOVoltageOut);fprintf(fp,"U=%f, h=%f, time=%fn",height_v_Out,height_v_In*80,time);/AO 配置ptAOConfig.chan=0;/AO 通道 0 ptAOConfig.RefSrc=0;/ 内部参考源 ptAOConfig.MaxValue=10;ptAOConfig.MinValue=0;DRV_AOConfig(DriverHandle1, (LPT_AO

32、Config)&ptAOConfig);ptAOVoltageOut.chan = 0; height_v_Out=0;ptAOVoltageOut.OutputValue = height_v_Out;/ 所要设置的输出电压值 ,浮点型数18DRV_DeviceClose( &DriverHandle ); /关闭设备DRV_DeviceClose( &DriverHandle1 ); /关闭设备实验五 流量单回路控制系统的设计及参数整定#include<stdio.h>#include<windows.h>#include"driv

33、er.h"#include<time.h>#include <conio.h>PT_CounterEventStart ptCounterEventStart;PT_CounterEventRead ptCounterEventRead;long DriverHandle;PT_AOConfig ptAOConfig;PT_AOVoltageOut ptAOVoltageOut;float davalue;float Q=0;float Qh=2;float t=0,U=0;float e1=0,e2=0,e3=0;float Kc=0.5,Ti=1,Ts=0.5;void main()ULONG num1=0,num2=0;int count;USHORT over=0;19DRV_DeviceOpen(0,&DriverHandle);ptAOConfig.chan=0;/AO 通道 0 ptAOConfig.RefSrc=0;/ 内部参考源 ptAOConfig.MaxValue=10;ptAOConfig.MinValue=0;DRV_AOConfig(DriverHandle, (LPT_AOConfig)&ptAOConfig);/ 电压输出FILE *fp;fp=fopen(