过程计算机控制系统 实验报告
实验一 组合型过程控制系统简介及过程控制演示 一、 festo紧凑型过程控制系统介绍
festo紧凑型过程控制系统如图1-1所示，在这套系统上，我们可以进行液位、温度、压力、流量的控制。 图 1-1
二、 组合式过程控制系统介绍 结合过程计算机控制系统理论的学习，我们研制了一套组合式过程控制系统，这套系统可以通过灵活、方便的管路组合，实现过程控制中的五种典型控制方式—单回路控制，串级控制、前馈控制、均匀控制和比值控制。 三、 主要仪器与设备 1、 计算机
2、 接口板pcl-812pg
pcl-812pg是一块高性能，高速度的多功能数据采集卡，它适用于ibm pc以及其它兼容机。pcl-812pg在一块卡上包含了所有的数据采集功能，如：16路a/d，2路d/a，16路di，16路do，1路定时器、计数器通道，其中a/d数据采集为12位。pcl-812pg板卡的具体布局如图1-2。 图 1-2图中：
sw1：基地址设定。（220h） cn1：16位数字输出。 cn2：16位数字输入。
cn3：模拟输入/输出以及记数器/定时器。 jp1、jp2：dma（直接数据传输）通道设定。（no dma） jp3：中断级别设定。（5） jp4：时钟源设定。（外部时钟） jp5：内/外部触发设定。（内部触发） jp6、jp7：d/a参考电压设定。（内部参考电压） jp8：内部参考电压设定。（-10v） jp9：a/d输入范围设定。(-10v to +10v) cn3接口管脚说明如图1-3所示。 图 1-3 3、 水箱：
水箱如图1-4所示。技术参数见 表1-1。 图 1-4 表1-1
4、 流量传感器
流量传感器如图1-5，主要技术参数见表1-2。 表 1-2
5、 比例阀1094-pmr
比例阀如图1-6，主要技术指标见表1-3。 表 1-3
1094-pmr比例阀接口如图1-7所示。 端子2：+24v， 端子3：24v地，
端子4：输出控制信号。 r1：最小流量调节， r2：最大流量调节， r3：延迟时间调节。 图 1-5 图 1-6 s1：（on）：中频（2832）， s2：（off） 6、 液位传感器 主要技术参数见表1-4 表 1-4
7、 温度传感器 主要技术参数见表1-5 表 1-5 1-7图
8、 管路、接头、手动阀
管路、接头、手动阀如图1-8所示。系统所有部件的连接都是直接插拔，非常方便。 图 1-8
实验二 传感器、执行器实验 一、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比例阀开度的控制。 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pcl-812pg板卡的a/d口分别测出液位传感器的输出电压。并在计算机内将其转换成对应的高度。将测量数据填入下表。
2、温度传感器的测试
改变水箱内水的温度，用温度计测量出水温，同时利用万用表和pcl-812pg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。
3、流量传感器的测试
调节手动阀以改变流量传感器所在管路中的流量，利用pcl-812pg板卡的计数口测量流量传感器单位时间内输出的脉冲数，并转换成对应的流
4、比例阀的控制
通过pcl-812pg板卡的d/a口向比例阀输出控制，比较机内控制电压与实际输出电压，并将结果填入下表。
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：使用液位传感器时测量误差比较大，温度传感器电压值误差不大，比例阀实验中机内电压和实验输出电压值误差很小，且十分稳定。 如果有误差
（1）可以在计算时进行补偿，比如计算零点高度，相减后作为实际测量高度。 （2）减小出水阀开度，使出水过程平稳，减小波动。 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。 二、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⑴
图3-1 利用液位—输出流量关系建立模型的实验原理图 ⑵ 原理
对于液位系统，根据动态物料平衡关系有 d?h
?qi??qo?a ①
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、?qo、?h分别为偏离某一平衡状态qi0、qo0、h0的增量。 d?h
?0，当qi变化时，h、qo也将发生变化，dt
由流体力学可知，流体在紊流情况下，h与流量之间为非线性关系，为简 在静态时，qi?qo， 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 ?qo?
?h?h 或 r2? ② r2?q0
由①、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)r2k?? ③ ?qi(s)r2as?1ts?1
⑶ 关闭所有出水阀，向水箱内注水至260mm左右，然后按图3-1将出水阀旋开至适当位置，测量给定液位高度所对应的流量值，填入下表。并根据式③求液位对象的模型。
其中水箱的截面积a?190mm?175mm。 4.67783 w(s)? 15.55s?1
四、思考题
1、分析可能造成模型不准确的原因。 答：原因有：
（1）液位传感器和流量传感器存在误差
（2）出水阀开度选择不恰当，导致实验过程不稳定，存在干扰，误差变大。
（3）为简化计算而作线性化处理，近似为q和h在工作点附近成正比，与出水阀阻力r2成反比，由此引起误差。
实验四 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。
三、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。
图 4-1 液位单回路控制系统原理图
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 ts? 。 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。
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：（1）采用增量式pid控制算法 （2）采用过限削弱积分法，防止失控现象 （3）采用控制变量法调整调节器参数
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。
图5-1 流量单回路控制系统原理图
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 ts? 。 4、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。
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：区别：（1）液位对象需要同时考虑进水和出水，流量只需要控制进水。 （2）流量对象与液位对象选择的进水回路不同。
（3）液位对象受到的干扰小，流量所受干扰直接来自阀的开度和其他扰动，干扰较大且频繁。
参数整定：（1）比例系数kc增大，控制作用增强，响应速度快，但振荡会更频繁，系统不够稳定，所以kc应该取得较小。
（2）积分系数ti的控制有利于消除余差，但太大易引起系统振荡。 （3）微分系数to的控制有利于抑制超调，但会放大噪声，降低抗扰能力，不适用于干扰频繁的系统。
