过程控制实验指导书讲解

过程掌握试验指导书授课学时：16课时授课专业：自动化授课教师：姜倩倩1目录1-2-试验二：PID掌握器参数自整定...............................................................................-4-

PID掌握........................................................................................-8-14-17-19-22-25---10-过程掌握试验工程一览表序号 试验工程名称试验内容提要学时每组人数试验属性把握利用Matlab1 一阶系统数学模型的建立法建立一阶系统数学模型25验证性的方法2 PID利用simulinkPID25验证性器进展参数整定了解单容/双容水箱液位3水箱液位PID单回路掌握系统用P、PI、25设计性PID变化对系统性能的影响了解单/双容水箱压力单4 水箱压力PID回路掌握系统用PPIPID25设计性调整器时，调整器参数变化对系统性能的影响对液位串级掌握系统进展参数整定，争论阶跃扰动5 串级水位掌握系统设计分别作用在副对象和主对25设计性象时对系统主被控量的影响6 前馈-反响掌握系统仿真把握利用Matlab反响掌握系统进展参数整2验证性试验定仿真7 单片机液位掌握系统了解利用单片机系统对水2综合性箱液位掌握的方法8 单容液位PLC了解利用PLC2综合性单容液位进展掌握合计16试验参考书：TKGK-1试验一：一阶系统数学模型的建立一、试验目的生疏利用计算法建立系统一阶惯性环节加纯拖延的近似数学模型的方法；对系统建模的方法。二、试验设备安装Windows系统和MATLAB软件的计算机一台。三、试验内容某液位对象在阶跃扰动量 u(t)20%时其响应的试验数据如下：tt/s0h/mm01020 40 60 80 100140180 250 300 400 500 600 70080000.20.8 2.0 3.65.48.811.814.416.518.419.219.619.820K、时T和纯拖延时间τ。四、试验步骤K。依据系统近似为一阶惯性环节加纯拖延的计算法，编写MATLAB程序。执行所编写程序可得如下结果：T=？ tao=？则系统近似为一阶惯性环节加纯拖延的数学模型为？3Simulink系统仿真框图，并将阶跃信号模块〔Step〕的初value)020后，以文件名？〔.mdl〕将该系统保存。？’然后在MATLAB？’时间t/s”);legend(”原系统”,”近似系统”);比较原系统和近似系统的单位阶跃响应，并分析误差大小。分析误差缘由。依据附录试验报告格式和以上要求写出试验报告。PID掌握器参数自整定一、试验目的生疏PID掌握器参数的自整定法；和自整定法对掌握器参数进展整定。二、试验设备Windows系统和MATLAB软件的计算机一台。三、试验内容广义被控对象的传递函数为：GG(s)p8(360s1)e180s试利用Simulink中的NCDOutport模块〔适用于MATLAB6.、ResponseOptimization中的SignalConstraint〔适用于MATLAB7.1〕或SignalConstraint模块〔MATLAB7.PIDPID掌握器进展参数自整定，并绘制整定后系统的单位阶跃响应曲线。四、试验步骤利用NCDOutportPID掌握系统的Simulink参数优化模型。0SimulationSimulationparameters命令，将仿真的停顿时间设2023，其余参数承受默认值。MATLAB窗口中利用以下命令对PID掌握器的初始值进展任意设置：>>Kc=?;Ti=?;Td=?;依据系统给定的时域性能指标设置阶跃响应特性参数.NCDOutport(SignalConstraint)模块，即翻开NCDOutport(SignalConstraint)模块的时域性能约束窗口，NCDOutport模块的时域性能约束窗口在NCDOutport(SignalConstraint)Options(goals)Stepresponse(DesiredResponse)(SettlingTime)600、20和阶跃响应的优化终止time〕2023，其余参数承受默认值，5、设置优化参数PIDPIDKc、TiTd作为NCDOutport(DesiredResponse)各变量间用西文逗号或空格分开4-34所示。最终单击该窗口中的【Done〔add〕6、开头掌握器参数的优化计算在完成上述的参数设置过程后，用鼠标单击NCDOutport模块的时域性能约束掌握器模块的参数进展优化计算。在优化计算过程中，系统的响应曲线变化状况在时域约束窗口中显示，7、优化完毕后，在系统模型窗口图中，再次启动仿真，在示波器中便可得到4-35中优化完毕后的最优曲线。由此可见，PID掌握器参数进展优化后，系统的动态性能指标完全满足设计MATLABPID掌握器的优化参数。>>Kc,Ti,TdPID掌握时阶跃响应的超调量和过渡过程时间大约为多少？SimulinkPID掌握器参数自整定时的优缺点。依据附录试验报告格式和以上要求写出试验报告。试验三PID掌握一、试验目的、通过试验生疏单回路反响掌握系统的组成和工作原理。、争论系统分别用P、PI和PID调整器时的阶跃响应。、争论系统分别用P、PI和PID调整器时的抗扰动作用。、定性地分析P、PI和PID调整器的参数变化对系统性能的影响。、把握临界比例度法整定调整器的参数。4：1衰减曲线法整定调整器的参数。二、试验设备、THGK-1型过程掌握试验装置：GK-03、GK-04 GK-06 GK-07-2、万用表一只、秒表一只、计算机系统三、试验原理1、单容水箱液位掌握系统6-1为单容水箱液位掌握系统。这是一个单回路反响掌握系统，它的掌握任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；减小或消退来自系统内部6-1为单容水箱液位掌握系统。这是一个单回路反响掌握系统，它的掌握任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；减小或消退来自系统内部故它在过程掌握中得到广泛地应用。当一个单回路系统设计安装就绪之后，掌握质量的好坏与掌握器参数的选择有着很大的关系。适宜的掌握参数，可以带来满足的掌握效果。反之，甚至使系统不能正常工作。因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好掌握器的参数是一个很重要的实际问题。一个掌握系统设计好以后，系统的投运和参数整定是格外重要的工作。系统由原来的踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定值无偏差存在。δ而且也与系统的动态性能亲热相关。比例积分〔PI〕调整器，由于

.T(c)23

1 ess调整器PI调整器的根底上再引D的作用，从而使系

10 t(s)统既无余差存在，又能改善 图6-3、P、PI和PID调整的阶跃响应曲线系统的动态性能〔快速性、稳定性等。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调整系统6-3中的曲线①、②、③所示。7-1、双容水箱液位掌握系统的方框图7-1、双容水箱液位掌握系统的方框图掌握系统，有两个水箱相串联，掌握的目的是既要使下水箱的液位高度等于给定值所期望的值，又要具有削减或消退来自系统内部或外部扰动的影响。明显，这种反响掌握系统的性能主要取决于调整器GK-04的构造和参数的合理选择。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位掌握系统。〔包括阶跃扰动〔P〕调整器去掌握，系统有余差，且与比例度近似成正比，具有良好的动态性能。比例积分微分〔PID〕调整器是在PI调整器的根底上再引入微分D的掌握作用，从而四、试验内容与步骤1、单容水箱液位掌握系统〔一、比例〔P〕调整器掌握、按图6-1所示，将系统接成单回路反响系统〔接线参照试验一。其中被h1。、启开工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。、在教师的指导下，接通单片机掌握屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好预备。、在开环状态下，利用调整器的手动操作开关把被掌握量“手动”调到等于给定值〔50%点处。、观看计算机显示屏上的曲线，待被调参数根本到达给定值后，即可将调整器切换到纯比例自开工作状态〔积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关”的位置，比例度设置于某一中间值调整器的“手动”开关拨到“自动”位置，让系统投入闭环运行。、待系统稳定后，对系统加扰动信号〔在纯比例的根底上加扰动，一般可通过转变设定值实现。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。、减小δ，重复步骤6，观看过渡过程曲线，并记录余差大小。、增大δ，重复步骤6，观看过渡过程曲线，并记录余差大小。、选择适宜的δ值就可以得到比较满足的过程掌握曲线。、留意：每当做完一次试验后，必需待系统稳定后再做另一次试验。〔二、比例积分调整器〔PI〕掌握〔I”旋至中间某一位置，并把积分开关置于“开”的位置〕，观看被掌握量是否能回PI掌握下，系统对阶跃扰动无余差存在。、固定比例度δ值〔中等大小PIi，然Ti值时的超调量σp。表二、δ值不变、不同Ti时的超调量σp积分时间常数Ti 大 中 超调量σpTi于某一中间值，然后转变δ的大小，观看加扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同δ值下的超调量σp。表三、Ti值不变、不同δ值下的σp比例度δ 大 中 超调量σpδTi的过渡过程曲线。此曲线可通过转变设定值〔如设定值由50%变为60%〕来获得。〔三、比例积分微分调整〔PID〕掌握PID翻开。然后加上与前面试验幅值完全相等的扰动，记录系统被掌握量响应的动态曲线，并与试验步骤〔二〕D对系统性能的影响。〔50%60%来实现。、用计算机记录试验时全部的过渡过程实时曲线，并进展分析。2、双容水箱液位掌握系统〔一、比例〔P〕调整器掌握、按图7-1所示，将系统接成单回路反响掌握系统〔接线参照试验一。其中被控对象是下水箱，被掌握量是下水箱的液位高度h2。、启开工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。、在教师的指导下，接通单片机掌握屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好预备。〔50%点处。、观看计算机显示屏上的曲线，待被调参数根本到达给定值后，即可将调整器切换到纯比例自开工作状态〔积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关”的位置，比例度设置于某一中间值调整器的“手动”开关拨到“自动”位置，让系统投入闭环运行。、待系统稳定后，对系统加扰动信号〔在纯比例的根底上加扰动，一般可通过转变设定值实现。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。、减小δ，重复步骤6，观看过渡过程曲线，并记录余差大小。、增大δ，重复步骤6，观看过渡过程曲线，并记录余差大小。、选择适宜的δ值就可以得到比较满足的过程掌握曲线。、留意：每当做完一次试验后，必需待系统稳定后再做另一次试验。〔二、比例积分调整器〔PI〕掌握〔即把积分器“I”由最大处旋PI掌握下，系统对阶跃扰动无余差存在。、固定比例度δ值〔中等大小PIi，然Ti值时的超调量σp。表二、δ值不变、Ti时的超调量σp积分时间常数Ti 大 中 超调量σpTi于某一中间值，然后转变δ的大小，观看加扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同δ值下的超调量σp。表三、Ti值不变、不同δ值下的σp比例度δ 大 中 小超调量σpδTi的过渡过程曲线。此曲线可通过转变设定值〔如设定值由50%变为60%〕来获得。〔三、比例积分微分调整器〔PID〕掌握PID翻开。然后加上与前面试验幅值完全相等的扰动，记录系统被掌握量响应的动态曲线，并与试验步骤〔二〕D对系统性能的影响。〔50%60%来实现。、用秒表和显示仪表记录一条较满足的过渡过程实时曲线。〔四、用临界比例度法整定调整器的参数在实际应用中，PID调整器的参数常用下述临界比例度法来确定。用临界比例PID调整器的参数既便利又有用。它的具体做法是：Pδ，δ，待被调量回复到平衡状态后，再手动给系统施加一个5%~15%的阶跃扰动，观看被调量变化的动态过程。假设被调量为衰减的振荡曲线，δ，直到输出响应曲线呈现等幅振荡为止。假设响应曲线消灭7-4所示的等幅7-3为它的试验方块图。r(t) e给定量+-

调整器

C(t)输出量执行元件 被控过程检测元件7-3、具有比例调整器的闭环系统h(t)Tk0t7-3所示的系统中，当被调量作等幅振荡时，此时的比例度δ就是δkTk。据此，按下表所列调整器的三个参数δ、Tih(t)Tk0t7-4、具有周期TK的等幅振荡调整器参数调整器名称δkTi(S)Td调整器参数调整器名称δkTi(S)Td(S)P2δkPI2.2δkTk/1.2PID1.6δk0.5Tk0.125Tk、必需指出，表格中给出的参数值是对调整器参数的一个初略设计，由于它〔4：1地衰减振荡，则要在表格给出参数的根底上，对δ、i〔〕作适当调整。与临界比例度法类似，不同的是本方法先依据由试验所得的阻尼振荡衰减曲线〔为4:1δsTs期Ts，然后按表五给出的阅历公式，确定调 y4:1衰减曲线法的具体步骤如下：Ti〔Ti=∞Td为零(Td=0δ为较大值，让系统投入闭环运行。 0

t(s)、待系统稳定后，作设定值阶跃扰 图7-54:1衰减响应曲线δsTs、利用δs和Ts值，按表五给出的阅历公式，求调整器参数δ、Ti和Td数值。表五4:1衰减曲线法整定计算公式调整器参数调整器参数调整器名称PPIPIDδTiTdδs1.2δs0.8δs0.5Ts0.3Ts0.1Ts五、试验报告要求、绘制单/双容水箱液位掌握系统的方块图。、用接好线路的单回路系统进展投运练习，并表达无扰动切换的方法。用临界比例度法和衰减曲线法分别计算P、PI、PID调整的参数，并分别列出系统在这三种方式下的余差和超调量。、P调整时，作出不同δ值下的阶跃响应曲线。、PITi不变、不同δ值时的阶跃响应曲线和δ不变、PIDD的作用。P、PIPID三种调整器对系统余差和动态性能的影响。六、留意事项、试验线路接好后，必需经指导教师检查认可前方可接通电源。、必需在教师的指导下，启动计算机系统和单片机掌握屏。、假设参数设置不当，可能导致系统失控，不能到达设定值。七、思考题、如何实现减小或消退余差？纯比例掌握能否消退余差？、试定性地分析三种调整器的参数δ〔δ、i〕和〔δ、i。的变化对掌握过程各产生什么影响？、试验系统在运行前应做好哪些预备工作？、为什么双容液位掌握系统比单容液位掌握系统难于稳定？、有人说：由于积分作用增加，系统会不稳定，为此在积分作用增加的同时应增大比例度δ，你认为对吗？为什么？PID调整器的微分作用为什么不能太大？、为什么微分作用的引入必需缓慢进展？这时的比例度δ是否要转变？为什么？、调整器参数〔δ、TiTd〕的转变对整个掌握过程有什么影响？试验四PID一、试验目的、了解压力传感器的构造原理及使用方法。、争论单回路压力PID掌握系统。、把握手动/自动无扰动切换的方法。、学会用反响曲线法对PID参数进展整定。二、试验装置、TKGK-1型过程掌握试验装置：、计算机及监控软件三、试验原理1、压力传感器变送原理简介1、集中硅压力传感器惠斯登电桥，不受压力作用时，电桥处于平衡状态；当受到压力〔或压差〕作用时，电桥的一对桥臂电阻变大，另一对变小，电桥失去平衡。假设对电桥加一恒定的电压，便可检测到对气体压力大小的目的。1惠登斯电桥度的硅压力传感器已广泛应用于气体压力测量和液位、压力掌握系统。阻，用以偏置校准和温度补偿，它由单个X4的惠斯登电桥。灵敏度为：±0.01Kpa(1mmH2O)。2)、压力传感器变送原理〔如橡皮或塑料〕竖直立起，其一端放于液体容上端封住〔MPX2023DP，管子内就会留有肯定体积的气体。当容器内液位变化时，管内空气的压力将会成比例地变化。单回路压力掌握系统方框图PID调整器参数δΤiΤdPID调整器参数δΤiΤd曲线法来整定系统的参数。四、试验内容与步骤19-13单容水箱压力掌握系统构造图图图2 单回路压力掌握系统是上水箱，被掌握量是上水箱的液体压力。2、启开工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点和增益。过程曲线做好预备。定值〔50%点处。关拨到自动，实现无扰动切换。6、用反响曲线法整定系统参数：、将调整器置于手动状态，并使调整器和Κ，其中Κ按下式确定：Κ=yy(0)/Χ0 (式中Χ04:1时调整器的相关参数。反响曲线法整定计算公式

4阶跃响应曲线4阶跃响应曲线调整器参数δ〔%〕ΤiΤd掌握规律PΚτ/ΤPI1.1Κτ/Τ3.3τPID0.85Κτ/Τ2τ0.5τ五、试验报告要求、写出常规的试验报告内容。、表达无扰动切换的方法。六、思考题、试验时为什么不能实现系统的手动/自动完全无扰动切换，应当怎样才能实现完全无扰动切换？、为什么要强调无扰动切换？它能满足过程掌握生产中的哪些要求？、与衰减曲线法和临界比例法相比，反响曲线有什么优缺点？试验五 串级水位掌握系统设计一、试验目的、生疏串级掌握系统的构造与掌握特点。、把握串级掌握系统的投运与参数整定方法。、争论阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。二、试验设备1〕TKGK-1型过程掌握试验装置：变频调速器(GK-07-2)直流调速器(GK-06)PID调整器〔GK-04〕二台2〕GK-03三、试验原理给定值Vg+

e 主调整器PID1 + GK-04

手动副调整器PID2GK-04

执行元件GK-06变频器GK-07液位变送器1液位变送器2

扰动上水箱副对象

下水箱主对象

h〔高度〕1、串级掌握系统的组成12-11、串级掌握系统的组成12-1为一液位串级掌握系统的方框图〔12-2为其构造图2个调整行元件。主对象的输出为系统的被掌握量h2，副对象的输出h1是一个关心的被控变量。2、串级系统的抗干扰力量证系统的掌握精度，一般要求主调整器设计成PI或PID调整器，而副调整器则一般设计为比例P掌握，以提高副回路的快速响应。在搭试验线路时，要留意到两个调整器的极性〔目的是保证主、副回路都是负反响掌握。3、串级掌握系统与单回路的掌握系统相比串级掌握系统由于副回路的存在，改善了对象的特性，使等效副对象的时间同时，由于串级系统具有主副两只调整器，使它的开环增益变大，因而使系统的扰干扰力量增加。4、串级掌握系统的参数整定四、试验步骤按图12-1和图12-2，连接好试验线路，并进展零位与增益的调整。PID调整器的开关位置：副调整器：纯比例〔P〕掌握，反作用，自动〔副回路的开环增益〕较大。C2

〈K

主回路开环增益。利用一步整定法整定系统：

C1 C2 C1a、先将主、副调整器均置于纯比例P调整，并将副调整器的比例度δ调到30%左右。b、将主调整器置于手动，副调整器置于自动，通过转变主调整器的手动输出值使下水箱液位到达设定值。δ，4:1δsTs，据此查表求出主调整器的δTi〔注42的开度试验才能成功。五、试验报告要求、记录试验过程曲线。、扰动作用于主、副对象，观看对主变量〔被掌握量〕的影响。P、观看并分析副调整器KP

的大小对系统动态性能的影响。P与i、观看并分析主调整的K T对系统动态性能的影响。P与i六、思考题、试述串级掌握系统为什么对主扰动具有很强的抗扰动力量？假设副对象？为什么？、承受一步整定法的理论依据是什么？、串级掌握系统投运前需要做好那些预备工作？主、副调整器的内、外给定如何确定？正、反作用如何确定？、为什么副调整器可以不设计为PI调整器？、转变副调整器比例放大倍数的大小，对串级掌握系统的扰动力量有什么影响？试从理论上赐予说明。、分析串级系统比单回路系统掌握质量高的缘由。试验六前馈-反响掌握系统仿真试验一、试验目的MATLAB/Simulink对前馈-反响掌握系统进展参数整定。分析前馈-反响掌握系统的抗干扰力量。二、试验设备Windows系统和MATLAB软件的计算机一台。三、试验内容前馈-反响掌握系统中掌握通道和干扰通道的传递函数分别为：1 1G(s) es Gp 10s1 d

(s) e2s2s1假设反响掌握器Gc

PI掌握，试整定该系统。四、试验步骤-反响掌握系统的方框图，利用题给传递函数建立如下图系统的PIDController模块(PIDController)Simulink的扩展SimulinkExtrasKc、Ti0。Switch1Switch2，使系统处于无干扰的反响运行状态下，依据曲线如下图Kc=1.6；Ti=0.61。可直接依据式〔5-3〕求得，即G G (s)ffG(s)G(s)pd10s12s1es4、闭合开关Switch1和Switch2，并将Switch分别置于左侧和右侧，即前馈-反响掌握系统在脉冲干扰〔时间为t=3035，幅值为0.5〕和随机噪声干扰作用下的阶跃响应仿真曲线，如下图。断开开关Switch1，闭合开关Switch2，并将Switch分别置于左侧和右侧，即反响掌握系统分别在脉冲干扰和随机噪声干扰作用下的阶跃响应仿真曲线，如下图。脉冲干扰 (b)随机噪声干扰五、试验报告要求-反响系统和反响掌握系统的抗干扰力量。六、思考题有了前馈补偿器后，试问反响掌握局部是否还具有抗扰动的功能。试验七单片机液位掌握系统一、试验目的、生疏单片机与计算机的操作。、了解单片机与上位机的通讯过程。二、试验设备、TKGK-1、计算机及监控软件；、万用表一只。三、试验原理1单片机的单回路掌握系统图由检测变送元件输出的检测信号，进入单片机的模拟量输入口，然后由单片机一是作为掌握器与参数检测元件、变送器及执行机构组成一个直接数字掌握系统〔DDCOM1的系统来说，它的掌握效果近似于连续掌握，因此，用数字PIDPID，同样可得到比较满足的掌握效果。四、试验步骤1、生疏单片机的操作〔具体操作，见本书第一局部《产品使用说明》的GK-03单片机掌握屏的使用说明。14-1动掌握。〔SPPID〔Pb、ΤΤdStCHCLUA/ANOP。〔可利用沟通电机作为执行机构，直流电机作为干扰源。、置调整器积分时间Τi〔Τi=∞，微分时间Τdδ为较大值，让系统投入闭环运行。Τs、待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观看系统的响应。假设系统响应衰减太快，则增大比例度；反之，系统响应衰减过慢，