《化工自动化及仪表》2015实验讲义

PAGE《化工自动化及仪表》实验讲义华东理工大学信息学院自动化系2015年5月实验一控制系统认识一．实验目的1.了解开环、闭环控制2.了解简单控制系统的基本组成环节熟悉控制流程图和控制方框图认识常用仪表二．实验装置电阻炉温度控制系统二套三．实验内容1．控制系统流程图TTTRCTVTTTRCTVTE电阻炉图1-1控制系统流程图 2．控制系统方框图了解控制系统方框图的构成，熟悉电阻炉温度控制系统方框图。其控制系统方框图如图1-2所示。温度设定4~20ma0~220V0~1000温度设定4~20ma0~220V0~1000℃温度控制器触发器及可控硅电阻炉-4~20ma温度变送器mv热电偶自动平衡记录仪图1-2炉温控制系统方框图3．指出温度控制系统的被控过程、被控变量、操纵变量、扰动、设定值和偏差。观察、记录控制系统中所用的仪表名称、型号。4．电阻炉温度控制系统的运行。=1\*GB2⑴手动控制将温度控制系统中调节器置于“手动”位置。给过程施加阶跃扰动信号，调整调节器手操输出电流，观察记录曲线的变化。待系统稳定后无扰动切换到“自动”位置。=2\*GB2⑵自动控制定值控制：系统稳定时，设定值不变，对控制系统施加阶跃扰动，观察定值控制过程记录曲线。随动控制：系统恢复稳定后，设定值作一阶跃变化，观察随动控制过程记录曲线。四．思考题定值控制、随动控制和程序控制有何区别？组成一个简单控制系统需要哪几个基本环节？附：电阻炉温度控制系统的主要仪器仪表序号名称型号数量1可控硅电压调整器ZK-02台2数字显示控制仪WP-S815-82-12/12-HL2台3大型长图自动平衡记录仪XWCJ-2001台424V开关电源YJ104-0301台5双回路温度变送器WP202TC2-K1台6K型热电偶WRN2-1202支7管式电阻炉SK-2-102台

实验二温度测量与显示仪表实验目的了解测温元件的种类与使用方法掌握测温元件与显示仪表的正确配接方法实验仪器与仪表管式电阻炉及炉温控制系统镍铬-镍硅热电偶（分度号K）数字式温度显示仪（多功能显示控制仪SWP-T803，0.5级）电子电位差计（XWF-100，0.5级）电子自动平衡电桥（XQF-100，0.5级）十进制标准电阻箱（ZX38/10，0.1级）手动电位差计（UJ-33a）三．热电偶测温以及与常用显示仪表的配接方法热电偶测温原理是热电效应。当参比端温度恒定时，热电偶产生的电势E（θ，θ0）会随被测温度的变化而变化。在测温时一定要注意参比端温度补偿问题，否则将造成测量的误差。目前参比端温度补偿主要是自动补偿法，即仪表在制造过程中就已经考虑到冷端补偿，采用特殊的电路或运算方法对冷端进行补偿。电子电位差计和数显仪表就采用自动补偿。此外在实验室里可采用计算方法进行人为的补偿，其方法是：将未经补偿时测量到的温度根据分度号转化成电势信号E(θ,θ0)，然后查分度表得到参比端温度E(θ0,0),根据公式：E(θ,0)=E(θ,θ0)+E(θ0,0)，就可以得到电势E(θ,0)，再查分度表就可以得到准确的测量值。1．热电偶与电子电位差计配接电子电位差计属自动平衡式显示记录仪表，用于测量记录mv电压信号或配接热电偶测温。电子电位差计的测量原理是电压补偿法，即用一个已知测量电桥的输出电压（即指示值）来与未知的测量电压比较，两者的差值经放大后驱动可逆电机以改变桥路的输出电压，直至两者相等为止。一般工业用电子电位差计精度等级为0.5级。对于配接热电偶的电子电位差计，其测量桥路能自动补偿热电偶的参比端温度变化，但要求补偿电阻与热电偶的参比端处于同一温度。因此应将热电偶的参比端用补偿导线延伸到仪表所处的环境中，再用铜导线接到仪表的输入端。另外，配热电偶的电子电位差计分度号必须与热电偶一致。电子电位差计在使用时，有时会遇到输入端短路或开路的情况。在输入端短路时，相当于热电偶输出电势信号E(θ,θ0)为零。由于此时补偿电阻仍然感受到参比端温度，θ=θ0，因此仪表指针指在参比端温度处（通常为室温）。如果输入端开路，意味着测量回路断开，即放大器输入开路，故放大器输出一般为零，可逆电机不转，指针也就保持不动，但有些时候放大器输出有漂移，则指针就会向增大或减小方向持续慢慢移动，直至上限或下限位置。2．热电偶与数字式温度显示仪表配接数字式温度显示仪表目前应用广泛，具有显示直观、结构方便、使用简单、精度高、价格低等特点。数字式温度显示仪表品种多，功能全，但最基本功能是：通过测量电路将一次仪表的输出电信号（电阻、电压或电流等）转换成电压信号，然后经A/D转换器将模拟信号转换成对应的数字信号，再用数码管直接显示温度数值。数字式温度显示仪还具有对热电阻、热电偶输入的非线性补偿功能，因此测量精度较高，一般在0.5级以上。热电偶与数显仪表配接方法类似于配接电子电位差计，同样要注意热电偶的分度号与数显仪表分度号一致，热电偶的参比端通过补偿导线直接连到数显仪表上以保证参比端温度自动补偿。热电偶与手动电位差计配接在实验室里通常可用手动电位差计来测量热电偶的电势信号，然后再通过分度表查出所测温度。手动电位差计精度等级为0.1级以上，可以得到精确的测量值。手动电位差计使用之前必须经过机械零点和工作电流校验，“测量”与“输出”选择开关打在“测量”端。倍率开关选择合适的档位。另外还要注意热电偶参比端温度，因为电位差计上读出的测量电势为E(θ,θ0)，若参比端温度为0℃，则直接用测量电势去查分度表，而参比端温度不是0℃时，必须通过计算：E(θ,0)=E(θ,θ0)+E(θ0,0)用E(θ,0)查分度表得到温度值。如果E(θ,0)数值介于表上两个相邻测量电势之间，由于在这么小的区间范围内可以将温度与测量电势的关系近似为线性关系，故可以采用线性内插方法算出测量温度。四．热电阻测温以及与电子自动平衡电桥配接热电阻的测温原理是基于金属导体或半导体的电阻会随温度变化而变化的特性。由于热电阻本身的电阻值较小，因此由环境温度变化而引起的热电阻连接导线电阻值变化量会导致测量误差。通常热电阻测温时与显示仪表的接线采用三线制方法，以消除环境温度对测量造成的影响。电子自动平衡电桥的输入信号是热电阻，可与热电阻配套测温。从仪表的外形和内部结构看，电子自动平衡电桥与电子电位差计十分相似，但两者的工作原理完全不同。电子电位差计是用一个不平衡电桥来与被测量电势平衡，而电子自动平衡电桥工作时电桥始终保持平衡。当被测电阻变化时，电桥的不平衡电压输出经放大后由可逆电机带动滑动触臂重新找到平衡点，指示被测电阻阻值。热电阻与电子自动平衡电桥配套测温时，要注意分度号一致，并且采用三线制接线。五．热电偶与显示仪表配套测温实验内容图2-1是实验装置示意图。室温电阻炉热电偶补偿导线铜导线显示仪表电子电位差计温度控制装置数显仪表温度控制装置图2-1实验装置示意图观察实验装置电阻炉、热电偶及炉温控制系统，从仪表屏数字式温度控制仪及电子电位差计读出炉温，并从记录曲线判断炉温是否已经稳定。注：本实验中炉温稳定是实验正常进行的必要条件。观察热电偶参比端是否接在室温环境下。仔细观察电子电位差计、数字式温度显示仪，了解各仪表的分度号、量程、精度等级以及结构特点，观察各仪表的输入接线端并考虑如何与热电偶连接。热电偶与电子电位差计、数字式温度显示仪的配接使用：电子电位差计和数字式温度显示仪都是具有自动补偿功能的显示仪表，而且精度均为0.5级。电子电位差计还具有记录功能。4.用手动电位差计测量热电偶电势，查分度表得到对应温度。表2-1热电偶与不同仪表配套测温热电偶分度号__________组号_________室温___________电子电位差计：分度号__________型号__________量程___________精度_________数字式显示仪：分度号__________型号__________量程___________精度_________手动电位差计：量程__________精度___________表1-1热电偶与不同显示仪表配接测温仪表名称温度绝对误差相对误差参考炉温电子电位差计数字式显示仪手动电位差计θ=E（θ,θ0）=θ0=E（θ0,0）=E（θ,0）=注：绝对误差=|标准值–测量值|相对误差=绝对误差/（测量上限–测量下限）×100％本实验中以手动电位差计测量值作为标准值。热电阻与电子自动平衡电桥配套测温实验内容热电阻用精密电阻箱代替，即用电阻箱模拟输出温度测量信号。实验装置图见图2-2。A电子自动B平衡电桥电阻箱C图2-2电子自动平衡电桥与电阻箱接线图本实验使用电阻箱对电子自动平衡电桥的精度进行校验。电子自动平衡电桥的精度是0.5级，因此对于测量范围内任何点上的测量误差均应不超过0.5%。一般的检查方法是在量程范围内均匀地抽取5-10点（包括零点和满度），进行校验。校验时，改变电阻箱阻值（它与某个温度相对应），使平衡电桥指针与被校验点温度刻度值重合。电阻箱上的读数为被校读数Rm，平衡电桥刻度温度对应分度表的阻值为Rs。比较两者（Rs与Rm）即可算出该点的绝对误差和相对百分误差。为减少读数误差，检查点应选在刻度线上。绝对误差=|Rs-Rm|相对误差=|Rs-Rm|/（Rsh-Rsl）×100％式中Rs是标准值，平衡电桥刻度温度所对应分度表的热电阻阻值；Rm是测量值，电阻箱上读出的电阻值；Rsh是仪表上限温度对应的热电阻阻值；Rsl是仪表下限温度对应的热电阻阻值。测量数据填入表2-2中。表2-2电子自动平衡电桥的校验数据表被校仪表型号___________分度号____________精度___________量程___________________Rsh-Rsl=___________________RθRM(Ω)RS(Ω)RS–RMδ(%)注：校验点应包括零点和满度。如果零点和满度不准，可调整平衡电桥起始电阻和量程电阻。（本实验主要学习校验仪表精度方法，不要求调整起始电阻和量程电阻。）根据表2-2，分析误差原因，作出校验结论。七．思考题热电偶在与显示仪表配接使用时要注意哪几个方面问题？热电阻在与显示仪表配接使用时要注意哪几方面问题？如何用简单方法区别电子电位差计和电子自动平衡电桥？若热电阻短路或断路，电子自动平衡电桥的指针应分别指在哪里？

实验三电动III型温度变送器实验目的了解温度变送器的用途掌握温度变送器与热电偶的配接使用方法实验仪器及设备电动III型温度变送器（DBW-5500A）UJ-33a手动电位差计0.5级直流毫安表实验内容实验内容是对电动III型温度变送器精度进行校验。温度变送器可与各种热电偶或热电阻配套测温，将温度信号转换成4~20mADC标准统一信号，作为显示记录仪表或调节器的输入信号，实现对温度变量的显示记录或自动控制。温度变送器还可以作为直流毫伏转换器来使用，使其他能够转换成直流毫伏信号的工艺变量也变成相应的标准统一信号。温度变送器有三个品种：热电偶温度变送器、热电阻温度变送器、直流毫伏变送器。在热电偶温度变送器和热电阻温度变送器中采用了线性化电路，从而使变送器输出信号与被测温度信号呈线性关系。热电偶温度变送器还具有参比端温度自动补偿功能。温度变送器在使用之前必须调整零点和量程。本实验中使用的电动III型温度变送器型号为DBW-5500A，配接K分度号热电偶，量程范围是50~400℃（零点与量程已经事先调整好了，无须再改变）。手动电位差计是一种实验室常用仪表，一般用于精确测量或输出毫伏电压。其测量原理是“电压补偿法”，采用高精度的标准电池、精密线绕电阻及高灵敏度的检流计来达到较高的测量精度，一般可达0.1级、0.05级或更高。通常手动电位差计被用于校验热电偶。在本实验中手动电位差计被用来代替热电偶输出毫伏信号。手动电位差计在使用前，一定要检查和调整其机械零点、电气零点及工作电流。由于手动电位差计代替热电偶输出电势信号E(θ,θ0)，该信号可从K分度表查到。但由于参比端温度为室温，而温度变送器具有参比端温度自动补偿功能，因此查出分度表中测量温度对应的电势值E(θ,0)后必须减去参比端温度（一般为室温）对应的电势值E(θ0,0)，才是手动电位差计输出信号（即热电偶测量信号）。即E(θ,θ0)=E(θ,0)-E(θ0,0)。实验装置示意图如图3-1所示，温度变送器接线端子示意图如图3-2所示。手动电位差计电流表温度变送器mV手动电位差计电流表温度变送器图3-1实验装置示意图12345678910111213+-+-+-输入信号手动电输出信号mA24V电源位差计RcuRL图3-2温度变送器接线端子示意图注：端子1，2是输入信号端，接手动电位差计输出端。端子3，4端接铜电阻Rcu（K型热电偶,Rcu=20.16Ω）。端子4，5，6，7是根据迁移量而有不同的连接，本实验端子4，5短接。端子8，9，10是输出信号端，电压输出时接8，10端子；电流输出时接9，10端子，RL为负载电阻（0-450Ω）。本实验用9，10端子输出，接一个电流表，RL不接。端子12，13接24V电源。(2)实验方法：测温范围为50~400℃，对应K热电偶电势范围为2.022mV~16.395mV。热电偶电势信号与温度信号是非线性关系，但配热电偶的温度变送器具有线性化功能，使测量温度与变送器的输出信号之间呈线性关系。因此在测温范围50~400℃中任一温度与变送器输出电流I0的线性对应关系为：I0=（T-50）*（20-4）/（400-50）+4式中I0为变送器输出电流，T为测量温度。在测量温度范围内均匀选取测量点（包括测量下限和上限），如50，137.5，225，312.5，400℃，相应的输出电流理想值分别对应4，8，12，16，20mADC。在各个温度测量点，先用分度表查出对应电势E(θ,0)，求得E(θ,θ0)，再用手动电位差计将E(θ,θ0)送往变送器。将Im与I0比较，得到测量误差，最后确定该变送器精度等级。表3-1温度变送器校验数据记录分度号______温度量程____________对应电势_______精度______室温____E(θ0,0)=校验温度℃50137．5225312．5400对应I0(mA)48121620E(θ,0)E(θ,θ0)测得Im(mA)ΔIδ(℅)表中：I0是温度变送器对应检测点应该输出的电流；E(θ,0)是根据测量温度查K分度表得到的电势值；E(θ,θ0)=E(θ,0)-E(θ0,0)，是输入热电偶信号（手动电位差计输出电势），；Im是实际测得温度变送器输出电流；ΔI=Im-I0是测量偏差；δ是相对误差，δ=ΔI/16×100℅。将实验数据填入表3-1中，看最大相对误差（绝对值）是否小于0.5%，以确定该表精度等级是否符合0.5级。四．思考题如果输入信号改用热电阻，请设计一个校验温度变送器精度的实验方案。

实验四电动III型调节器一．实验目的了解电动III型调节器的结构和使用方法了解PID控制时的输出特性二．实验仪器及设备1．电动III型PID自整定控制仪（SWP-NST805）1台2．校验信号发生器（DFX-02）1台3．无纸记录仪（NHR-8100）1台三．调节器特性调节器将来自变送器的测量信号与设定值相比较后产生的偏差（e=y-r）进行比例、积分、微分（PID）运算，并输出标准统一信号去控制执行机构的动作，以实现对被控变量的自动控制。调节器上通过对三个参数（比例度δ、积分时间TI、微分时间TD）的设置改变控制规律以及控制作用的强弱。（1）若TI为∞，TD为0，积分项和微分项都不起作用，则为比例控制。（2）若TD为0，微分项不起作用，则为比例积分控制。（3）若TI为∞，积分项不起作用，则为比例微分控制。e(t)A0tΔu(t)KcA0t图4-1阶跃偏差作用下比例调节器的开环输出特性1．比例控制（P）比例控制规律时，调节器的输出变化量与输入偏差成正比例，在时间上没有延滞。其开环输出特性如图4-1所示。比例增益Kc是调节器的输出变量Δu(t)与输入变量e(t)之比。Kc越大，在相同偏差e(t)输入下，输出Δu(t)也越大。因此Kc是衡量比例作用强弱的因素。工业生产上所用的调节器，一般都用比例度δ来表示比例作用的强弱。在电动III型调节器中δ=1/Kc×100%，因此比例度δ与比例增益Kc成反比。δ越小，则Kc越大，比例控制作用就越强；反之，δ越大，则Kc越小，比例控制作用就越弱。2．比例积分控制（PI）具有积分控制规律的调节器，其输出信号的大小不仅与偏差信号的大小有关，而且还将取决于偏差存在的时间的长短。在幅度为A的阶跃偏差作用下，积分调节器的开环输出特性如图4-2所示。积分控制规律在工业生产上很少单独使用，因为它的输出逐步增大，控制作用总是滞后于偏差的存在。因此都是将比例作用与积分作用组合成比例积分控制规律来使用。e(t)e(t)AA0t0tΔu(t)Δu(t)2KcAKcA0t0TiTi’t图4-2积分输出特性图4-3比例积分输出特性比例积分控制规律是比例作用与积分作用的叠加。在阶跃偏差作用下，比例积分调节器的开环输出特性如图4-3所示。当偏差的阶跃幅度为A时，比例输出立即跳变至KcA,尔后积分输出随时间线性增长。在Kc和A确定的情况下，直线的斜率将取决于积分时间TI的大小：TI越大，直线越平坦，说明积分作用越弱；TI越小，直线越陡峭，说明积分作用越强。因而TI是描述积分作用强弱的一个物理量。3．比例微分控制（PD）微分输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的存在与否无关，即偏差固定不变时，不论其数值有多大，微分作用都无输出。微分控制要与比例控制结合在一起使用。在阶跃偏差信号（幅度A）的作用下，实际PD调节器开环输出特性参见图4-4。在偏差跳变瞬间，输出跳变幅度为比例输出的KD倍（KD是微分增益），即KDKcA,然后按指数规律下降，当t趋于无穷大时仅有比例输出KcA。因此决定微分作用的强弱有两个因素：一个是开始跳变幅度的倍数，取决于KD，另一个是降下来所需要的时间，用微分时间TD来衡量。输出跳得越高，或降得越慢，表示微分作用越强。通常KD=10，因此用TD来表示微分控制作用的强弱。微分时间TD越大，微分控制作用越强e(t)A0tΔu(t)Δu(t)KcKDAKcA0t0t图4-4PD输出特性图4-5PID输出特性（3）比例积分微分控制（PID）在幅度为A的阶跃偏差作用下，实际PID控制可看成是比例、积分和微分三部分作用的叠加，其开环特性如图4-5所示。四．实验内容调节器信号发生器记录仪调节器信号发生器记录仪-723图4-6实验装置示意图实验装置示意图如图4-6所示。利用信号发生器输出4~20mA直流电流给调节器，与调节器设定值比较得到偏差信号。调节器对偏差进行PID运算后输出控制信号。调节器输出信号通过显示仪表记录。接线后，按以下步骤进行实验：1.信号发生器各开关位置设定：“短路开关和相位切换开关”置于向“上”的方向；“输出电流量程切换开关”置于“20”；“电压-电流切换开关”置于“电流”；“电流-Ω输出切换开关”置于“电源”2．调节器的具体使用及参数设定见本实验附录手自动无扰动切换。=1\*GB2⑴在自动模式下，同时按压SET键和键，A/M指示灯（红）亮，仪表将自动跟踪输出量，完成自动手动无扰动切换。=2\*GB2⑵按▲或键使调节器输出为50%。改变信号发生器的输出为50%（即调节器的测量值为50%），使偏差为0（调节器的设定值已设置为50%）。=3\*GB2⑶在手动模式下，同时按压SET键和键，A/M指示灯（红）灭，仪表将自动跟踪输出量，完成手动自动无扰动切换。比例P。=1\*GB2⑴按压SET键，进入控制参数设定状态，置P=100%、Ti=0（在该调节器中为无积分作用）、TD=0（无微分作用），即纯比例P。=2\*GB2⑵快速改变信号发生器的输出，使调节器测量值从50%瞬间增加到70%左右（即输入阶跃信号），观察记录曲线。=3\*GB2⑶让记录纸走一段时间，改变信号发生器输出，使调节器测量值从70%左右瞬间回到50%，观察记录曲线。=4\*GB2⑷把上述记录纸上的图形，转换成直角坐标图形画下来，并注上相应的数据及参数。=5\*GB2⑸按压SET键，进入控制参数设定状态，将比例度置于50%，再重复以上=2\*GB2⑵~=4\*GB2⑷步骤。5.比例积分PI。=1\*GB2⑴按压SET键，进入控制参数设定状态，置P=100%、Ti=60S、TD=0（无微分作用）。=2\*GB2⑵快速改变信号发生器的输出，使调节器测量值从50%瞬间增加到60%左右（即输入阶跃信号），观察记录曲线。=3\*GB2⑶让记录纸走一段时间，改变信号发生器输出，使调节器测量值从60%左右瞬间回到50%，观察记录曲线。=4\*GB2⑷把上述记录纸上的图形，转换成直角坐标图形画下来，并注上相应的数据及参数。=5\*GB2⑸按压SET键，进入控制参数设定状态，置Ti=30S，其余不变，再重复以上=2\*GB2⑵~=4\*GB2⑷步骤。6.比例微分PD。因做PI实验时调节器输出已偏离50%，所以先将调节器置“手动”，按▲或键改变调节器输出使其回到50%，然后将调节器无扰动切换到“自动”。=1\*GB2⑴按压SET键，进入控制参数设定状态，置P=100%、Ti=0（无积分作用）、TD=120S。=2\*GB2⑵快速改变信号发生器的输出，使调节器测量值从50%瞬间增加到60%左右（即输入阶跃信号），观察记录曲线。=3\*GB2⑶待曲线走直，改变信号发生器输出，使调节器测量值从60%左右瞬间回到50%，观察记录曲线。=4\*GB2⑷把上述记录纸上的图形，转换成直角坐标图形画下来，并注上相应的数据及参数。=5\*GB2⑸按压SET键，进入控制参数设定状态，置TD=30S，其余不变，再重复以上=2\*GB2⑵~=4\*GB2⑷步骤。7．比例积分微分PID。=1\*GB2⑴按压SET键，进入控制参数设定状态，置P=100%、Ti=30S、TD=60S。=2\*GB2⑵快速改变信号发生器的输出，使调节器测量值从50%瞬间增加到60%左右（即输入阶跃信号），观察记录曲线。=3\*GB2⑶让记录纸走一段时间，改变信号发生器输出，使调节器测量值从60%左右瞬间回到50%，观察记录曲线。=4\*GB2⑷把上述记录纸上的图形，转换成直角坐标图形画下来，并注上相应的数据及参数。五．思考题从实验中概括调节器比例、积分和微分控制特性。附录：PID自整定仪的使用方法一、手自动切换1.自动切到手动：同时按SET键和▼键，面板上A/M红灯亮，表示手动状况。通过增加键▲和减少键▼来修改手动输出大小。2.手动切到自动：同时按SET键和▼键，面板上A/M红灯熄灭，表示自动状况。二、PID参数的修改（一级参数）在仪表PV测量值显示状态下，按压SET键，仪表将转入控制参数的设定状态。每按SET键一次，即按照表4-1顺序变换参数（一次巡回后随即回至最初项显示）。到所需修改的选项后，通过增加键▲和减少键▼来修改选项的数值。参数修改好以后再按住SET键，几秒钟后恢复到显示测量值。实验中，除PID参数的修改外，其他参数不必修改。表4-1一级参数PV显示名称设定值说明CLK设定参数0密码，禁锁CON内部参数0CON=0，控制输出为PID控制P比例带全量程可修改，设定为“0”时，是位式控制I积分时间1~1999秒可修改，设定为“0”时，无积分作用D微分时间1~1999秒可修改，设定为“0”时，无微分作用AT积分分离区200可有效的防止积分饱和TO运算周期1显示PID调节运算周期，默认AUT自动演算（自整定）0默认AH逻辑回差值0默认

实验五自动控制计算机仿真实验实验目的了解计算机仿真对自动控制的意义、作用和基本方法。了解MATLAB软件包仿真过程的基本方法。了解过程特性参数测试方法。了解P、I、D控制规律及δ、TI、TD参数对过渡过程的影响，初步学会控制系统的工程整定方法。实验内容及步骤过程（一阶、二阶环节）的阶跃响应在MTALAB命令窗口（见附录图示）里打开仿真文件process_respond，得到画面如图5-1。图5-1程序procss_respnd画面图5-2程序process_respond仿真输出响应画面在上图中，STEP（阶跃信号源）的幅值为1（单位阶跃，下同）。PROCESSER（过程环节）中各参数的赋值为：K=1，T1=30s，T2=0，τ=0（即为无纯滞后的一阶环节）。点击黑三角，运行该程序（即进行仿真），观察过程的输出响应（过程输出波形和数值的变化）。图5-2即为该过程环节的输出响应，并进行图形处理（图形处理方法见附录）。按下列要求修改过程环节的参数，运行仿真程序，观察、比较不同过程环节的输出响应，并进行图形处理。一阶环节放大倍数增大：K=2，T1=30s，T2=0，τ=0一阶环节时间常数增大：K=1，T1=90s，T2=0，τ=0有纯滞后的一阶环节：K=1，T1=30s，T2=0，τ=10s有容量滞后的二阶环节：K=1，T1=30s，T2=60s，τ=0有纯滞后的二阶环节：K=1，T1=30s，T2=60s，τ=10s闭环控制系统的阶跃响应和品质指标闭环控制系统按其设定的情况不同，一般可以分为两大类，一类称为定值控制系统，另一类称为随动控制系统（注：这里暂不讨论程序控制系统）。定值控制系统的设定值恒定不变，其输入为扰动，系统的基本任务是克服扰动对被控变量的影响。随动控制系统也称为自动跟踪系统，其设定值是未知的时间函数，系统的输入既为设定值，系统的主要任务是迅速、准确地克服扰动对被控变量的影响。在下面的仿真程序中，PROCESSER为有纯滞后的二阶环节，各参数的赋值为：K=1，T1=30s，T2=50s，τ=5s。CONTROLLER为PID控制器,各参数的赋值为：KC=5(即δ=20%)，TI=10000s，TD=0，即近似为纯比例控制，也即控制的结果存在余差。随动控制系统的阶跃响应打开仿真文件following_respond，画面如图5-3，该控制系统的方块图可参见图5-4。图5-3程序following_respond画面运行该程序，观察过程的输出响应,然后进行图形处理，并在图上估算、记录各单项控制指标（衰减比、超调量、余差、回复时间、振荡周期等）。控制器过程环节控制器过程环节过程(扰动)c2r+euc1c-y图5-4控制系统的方块图定值控制系统的阶跃响应打开仿真文件constant_sp_respond，画面如图5-5，其中的DISTURB_PROCESS为扰动通道的过程环节部分，是无纯滞后的一阶环节，参数的赋值为：KF=1，TF=10s，τ=0。图5-5程序constant_sp_respond画面运行该程序，观察过程的输出响应,然后进行图形处理，并在图上估算、记录各单项控制指标（衰减比、最大偏差、余差、回复时间、振荡周期等）。PID控制规律及参数对过渡过程的影响：这里主要讨论PID控制规律及参数对定值控制系统过渡过程的影响。故先打开仿真文件constant_sp_respond，画面如图5-5。其中PROCESSER为有纯滞后的二阶环节，参数值为：K=1，T1=30s，T2=50s，τ=5s；DISTURB_PROCESS为过程环节的扰动通道部分，是无纯滞后的一阶环节，参数值为：KF=1，TF=10s，τ=0。上述参数在以下的实验过程中保持不变。CONTROLLER为PID控制器,改变控制规律及控制参数进行仿真，即可观察到其对过渡过程的影响。比例控制规律Ｐ：保持控制器中参数TI=10000s，TD=0不变，即近似为纯比例控制。然后分别取KC=10、5.5、0.5进行仿真，比较其控制质量，推测δ的增大对系统各单项控制指标的基本影响。最后，自己估算取一个合适的KC值进行仿真。然后进行图形处理，并在图上估算、记录各单项控制指标和作出推论。思考：在比例控制规律中，改变比例度δ会对控制指标产生什么影响？在实验中若要得到衰减比为4:1的过渡过程，大致应当选用多大的比例度?在下面PI、PID二个实验中要求选取一组合适的参数得到衰减比为4:1—10:1的过渡过程响应曲线。比例积分控制规律PI：保持控制器中参数KC=3，TD=0不变，即为比例积分控制，然后分别取TI=20s、60s、200s进行仿真，比较其控制质量，推测TI的增大对系统各单项控制指标的基本影响。最后，自己估算选取一组合适的KC、TI值进行仿真。然后进行图形处理，并在图上估算、记录各单项控制指标和作出推论。思考：与比例控制规律Ｐ相比较，比例积分控制规律PI的控制指标主要区别是什么？积分时间TI的变化（如增大）对控制指标的影响又如何？比例积分微分控制规律PID：保持控制器中参数KC=10，TI=30s不变，即为比例积分控制，然后分别取TD=10s、30s、100s进行仿真，比较其控制质量，推测TD的增大对系统各单项控制指标的基本影响。最后，自己估算取一组合适的KC、TI、TD值（如KKC=8，TI=60，TD=30s）进行仿真。然后进行图形处理，并在图上估算、记录各单项控制指标和作出推论。思考：微分控制规律的作用是什么？它对控制指标的主要影响又是什么？微分时间TD选择的主要依据是什么？为什么当控制系统需要在PI控制规律的基础上增加微分控制，可以适当减小比例度？其又能起什么作用？附录:MATLAB仿真程序说明和图形处理图5-6MATLAB命令窗口步骤：在桌面上双击MATLAB图标，打开MATLAB命令窗口，如图5-6所示。打开仿真文件：在MATLAB命令窗口中输入simulink，或点击simulink快捷工具(NewSimuLinkModel)，就可进入simulink环境。在这个simulink环境下，按File,并在D盘下的MATLAB文件夹里（即路径为D：\MATLAB）打开仿真文件。=1\*GB2⑴PROCESS_RESPOND（过程响应）=2\*GB2⑵FOLLOWING_RESPOND（随动系统响应）=3\*GB2⑶CONSTANT_SP_RESPOND（定值系统响应）程序一般使用方法介绍：=1\*GB2⑴参数修改方法：系统中所用的所有模块的的参数都可以修改。方法是：双击该模块，然后在弹出的窗口中修改参数。修改后必须点击APPLY，否则所做的修改无效。如图5-7所示。在‘过程响应’中修改PROCESSER，在‘随动系统响应’及‘定值系统响应’中修改CONTROLLER=2\*GB2⑵程序运行方法：在工具栏上点击黑色三角，使系统运行。=3\*GB2⑶观察波形：点击SCOPE，观察响应曲线的波形变化。=4\*GB2⑷点击望远镜，将找回有效波形并缩放到适当大小。图5-7参数修改窗口4、图形处理=1\*GB2⑴对需要处理的图形，按Alt+PrintScreen组合键进行屏幕活动窗口COPY。=2\*GB2⑵进入到画图板：开始→程序→附件→画图，在画图板中选编辑→粘贴（黑底黄线）选图像→反色（白底兰线）选选中图标，选择图画边界（包括响应曲线和坐标数值）选编辑→复制（把应选图形放在剪贴板上）=3\*GB2⑶进入Word窗口，建立一个Word文件。在Word文件中选编辑→粘贴，则把图形粘贴到Word文件中，并注明仿真软件及参数。=4\*GB2⑷将需要做的仿真曲线都保存到Word文件中，并进行文件保存、修改和打印等处理。

实验六PLC和触摸屏控制器一．实验目的1．了解PLC结构和工作原理，学习用PLC构成喷泉控制系统2．学习触摸屏与PLC主机通信二．实验装置装有三菱FXon-3APLC控制器、喷泉模拟控制系统、SW8D5C-GPPW-C触摸屏和计算机的综合实验台三．实验内容1．控制要求隔灯闪烁：L1亮0.5秒后灭，接着L2亮0.5秒后灭，接着L3亮0.5秒后灭，接着L4亮0.5秒后灭，接着L5、L9亮0.5秒后灭，接着L6、L10亮0.5秒后灭，接着L7、L11亮0.5秒后灭，接着L8、L12亮0.5秒后灭，L1亮0.5秒后灭，如此循环下去。如图6.1所示。图6.1喷泉控制示意图2．I/O分配和接线数字量输入数字量输出起动按钮：SB1→X0L1→Y0停止按钮：SB2→X1L2→Y1L3→Y2L4→Y3L5、L9→Y4L6、L10→Y5L7、L11→Y6L8、L12→Y7数字量输入：S/S→+24V数字量输出：Y0-Y3用COM1→0V，Y4-Y7用COM2→0V电源部分：+24V→+24V，COM→0V3．根据控制动作要求编写梯形图程序4．把程序写入PLC1）打开D：\程序及实验指导书\fx3u\喷泉\Gppw(1KB)2）双击Gppw，点击菜单栏：在线3）在线：=1\*GB3①传输设置：双击：串行-串口详细设置：RS-232C；COM端口：COM1；传输速度：9.6kbps，点：确认，再点：通信测试→连接成功→确定→确认。=2\*GB3②PLC写入：点击：参数＋程序→执行→是→完成→确定→关闭。4）按装置上喷泉的模拟控制起动和停止按钮，完成喷泉的模拟控制。5.触摸屏控制1）触摸屏程序下载：将程序“控制系统实验项目”下载到触摸屏中2）PLC程序下载：将FX3U程序“喷泉”下载到PLC中。3）将PLC与触摸屏用通讯线联好后，系统上电4）进入触摸屏实验系统选择“喷泉的模拟实验”按下“起动”按钮，触摸屏上的灯依次按顺序点亮，实验开始。按下“停止”按钮，停止运行。如图6.2所示。图6.2触摸屏显示四．思考题1.PLC输入输出端子是否可以任意分配？为什么？2.触摸屏有哪些优点？附参考一．喷泉控制梯形图

附参考二．喷泉控制语句表0LDX00014ANDX00128K142OUTY0041ORM1015OUTM12943LDM1062ANIT016LDM13044OUTY0053ANDX00117ANIM03145LDM1074OUTM1018OUTT13246OUTY0065LDM1019SPK533LDM10147LDM1086OUTT02034OUTY00048OUTY0077SPK521LDT135LDM10249LDIX001822OUTM036OUTY00150FNC409LDT023LDM037LDM10351M10110ORM10824FNC3538OUTY00252M10811OUTM10025M10039LDM1045312LDX00026M10140OUTY0035413ORM127K841LDM10555END

实验七组态王监控一．实验目的1．用PLC构成水塔水位控制系统。2.学习通过组态王控制PLC实现水塔水位控制。3．学习通过组态王控制PLC实现温度控制。二．实验装置装有三菱FXon-3APLC控制器、水塔水位模拟控制系统、温度控制系统和计算机的综合实验台三．水塔水位控制实验内容1．控制要求隔灯闪烁：L1亮0.5秒后灭，接着L2亮0.5秒后灭，接着L3亮0.5秒后灭，接着L4亮0.5秒后灭，接着L5、L9亮0.5秒后灭，接着L6、L10亮0.5秒后灭，接着L7、L11亮0.5秒后灭，接着L8、L12亮0.5秒后灭，L1亮0.5秒后灭，如此循环下去。如图6.1所示。按下SB4，水池需要进水，灯L2亮；直到按下SB3，水池水位到位，灯L2灭；按SB2，表示水塔水位低需进水，灯L1亮，进行抽水；直到按下SB1，水塔水位到位，灯L1灭，过2秒后，水塔放完水后重复上述过程即可。如图7.1所示。图7.1水塔装置2．I/O分配及接线数字量输入数字量输出SB1→X1L1→Y1SB2→X2L2→Y2SB3→X3SB4→X4数字量输入：S/S→+24V数字量输出：COM1→0V电源部分：+24V→+24V，COM→0V3．按照控制要求编写梯形图程序。4．把程序写入PLC1）打开D：\程序及实验指导书\fx3u\水塔水位\Gppw(1KB)2）双击Gppw，点击菜单栏：在线3）在线：=1\*GB3①传输设置：双击：串行→串口详细设置：RS-232C；COM端口：COM1；传输速度：9.6kbps，点：确认，再点：通信测试→连接成功→确定→确认。=2\*GB3②PLC写入：点击：参数＋程序→执行→是→完成→确定→关闭。4）按装置上的水塔水位的模拟控制按钮，完成水塔水位的模拟控制。5.用组态王控制PLC进行水塔水位控制实验桌面上双击：组态王6.55，在工程管理器上搜索实验程序：D:\程序及实验指导书\组态王程序\水塔水位的模拟控制；双击水塔水位的模拟控制，进入演示方式确定，点击VIEW显示运行系统画面。6．按下“SB4”按钮，表示水位低，需要进水，这时候右侧水管开始进水。等到按下SB3表示下水箱水已经注满。然后按下SB2，水塔在低水位需要进水，此时左侧水泵运行向上送水。直到按下SB1表示水塔水已到达高水位，即注水完成。如图7.图7.2水塔水位组态王控制界面一7.水塔水位的触摸屏的控制1）PLC程序下载：打开“水塔水位”程序，修改通信参数，将FX3U程序“水塔水位”下载到PLC中2）将PLC与触摸屏用通讯线联好后，系统上电3）进入触摸屏实验系统选择“喷泉的模拟实验”按控制要求，按触摸屏上的按钮，完成实验。如图7.3所示。图7.3水塔水位组态王控制界面二附参考一．水塔水位控制梯形图附参考二．水塔水位控制语句表

0LDX00413OUTT126LDM10139K11OUTC114SPK2027ANDX003402SPK11528ORB41316LDT129LDM102424LDY00117PLSM330ANDX002435PLFM11831ORB44LDM101619LDM332LDM10345ORY0027LDM120RSTC133ANDX00146ANIM1028ORM22134ORB47OUTY0029ANIM322LDC135FNC3548LDM10310OUTM223PLSM10036M10049ANIM10411LDM22437M10150OUTY00112ANIM325LDM10038K451END四．温度控制实验内容1．控制要求（1）温度控制原理：通过电压加热电热丝改变对象温度，该温度再通过温度变送器变送为电压。加热电热丝时根据加热时间的长短可产生不一样的热能，这就需用到脉冲。输入电压不同就能产生不一样的脉宽，输入电压越大，脉宽越宽，通电时间越长，热能越大，温度越高，输出电压就越高。（2）PID闭环控制：通过PLC+A/D+D/A实现PID闭环控制，原理图和接线图及如图7.4，图7.5所示。利用组态王和PLC的通信，在上位计算机实现对温度的监控。图7.4闭环控制原理图图7.5接线图2.通讯端口设置打开组态王程序，左侧选择与电脑连接的通信端口。3.PLC程序下载打开“温度控制”程序，修改通信参数，必须与组态王通讯参数一致，才能进行通讯4．连接PLC与组态王的通讯线5.组态参数设定：SP：设定值1）桌面上双击：组态王6.55，在工程管理器上搜索实验程序：D:\程序及实验指导书\组态王程序\温度的检测和控制。2）点开发，双击温度检测与控制。3）双击SP“##”后，勾模拟量输入，点击进入。4）变量名：点“？”，本站点，右边点SP后确定。5）值范围最大50，确定。6）点菜单文件：全部存7）点切换到VIEW，进行实验。6.修改SP参数，设定控制温度。如图7.6所示。图7.6温度对象组态王控制界面五．