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1、过程控制实验指导书授课学时：16课时授课专业：自动化授课教师：姜倩倩1目 录过程控制实验项目一览表- 1 -实验一：一阶系统数学模型的建立- 2 -实验二： PID控制器参数自整定- 4 -实验三 水箱液位PID控制- 8 -实验四 水箱压力的PID调节控制- 14 -实验五 串级水位控制系统设计- 17 -实验六 前馈-反馈控制系统仿真实验- 19 -实验七 单片机液位控制系统- 22 -实验八 单容液位PLC控制- 25 -过程控制实验项目一览表序号实验项目名称实验内容提要学时每组人数实验属性1一阶系统数学模型的建立掌握利用Matlab根据计算法建立一阶系统数学模型的方法25验证性2PID
2、控制器参数自整定利用simulink对PID控制器进行参数整定25验证性3水箱液位PID控制了解单容/双容水箱液位单回路控制系统用P、PI、PID调节器时，调节器参数变化对系统性能的影响25设计性4水箱压力PID控制系统了解单/双容水箱压力单回路控制系统用P、PI、PID调节器时，调节器参数变化对系统性能的影响25设计性5串级水位控制系统设计对液位串级控制系统进行参数整定，研究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25设计性6前馈-反馈控制系统仿真实验掌握利用Matlab对前馈-反馈控制系统进行参数整定仿真2验证性7单片机液位控制系统了解利用单片机系统对水箱液位控制的方法2综合
3、性8单容液位PLC控制了解利用PLC控制系统对单容液位进行控制2综合性合 计16实验参考书：1. TKGK-1型操作说明书.实验指导书实验一：一阶系统数学模型的建立一、实验目的 1熟悉利用计算法建立系统一阶惯性环节加纯迟延的近似数学模型的方法； 2学会利用MATLAB/Simulink对系统建模的方法。二、实验设备 安装Windows系统和MATLAB软件的计算机一台。三、实验内容 已知某液位对象，在阶跃扰动量 时，其响应的试验数据如下：t/s01020406080100140180250300400500600700800h/mm000.20.82.03.65.48.811.814.416.
4、518.419.219.619.820若将液位对象近似为一阶惯性环节加纯迟延，试利用计算法确定其增益K、时间常数T和纯迟延时间。四、实验步骤1首先根据输出稳态值和阶跃输入的变化幅值可得增益K。2根据系统近似为一阶惯性环节加纯迟延的计算法，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迟延的数学模型为？3首先建立如图所示的Simulink系统仿真框图，并将阶跃信号模块（Step）的初始作用时间(Step time)和幅值(Final value)分别改为0和20后，以文件名？（.mdl）将该系统保存。 然后在MATLAB窗口中执行以下命令
5、，得原系统和近似系统的单位阶跃响应曲线。？xlabel(时间t/s);ylabel(液位h/mm);legend(原系统,近似系统);五、 实验报告要求1比较原系统和近似系统的单位阶跃响应，并分析误差大小。2分析误差原因。3根据附录实验报告格式和以上要求写出实验报告。实验二： PID控制器参数自整定一、实验目的 1熟悉PID控制器参数的自整定法； 2学会利用MATLAB/Simulink和自整定法对控制器参数进行整定。二、实验设备 安装Windows系统和MATLAB软件的计算机一台。三、实验内容 已知广义被控对象的传递函数为 ：试利用Simulink中的NCD Outport模块（适用于MA
6、TLAB6.5）、Simulink Response Optimization中的Signal Constraint（适用于MATLAB7.1）或Signal Constraint模块（适用于MATLAB7.5），对系统采用PID调节规律时的PID控制器进行参数自整定，并绘制整定后系统的单位阶跃响应曲线。四、实验步骤1利用NCD Outport模块，建立如图所示PID控制系统的Simulink参数优化模型。2在系统模型窗口中，首先打开阶跃信号（Step）模块的参数对话框，并将初始时间改为0；然后执行SimulationSimulation parameters命令，将仿真的停止时间设置为200
7、0，其余参数采用默认值。3在MATLAB窗口中利用以下命令对PID控制器的初始值进行任意设置：Kc=?; Ti=?; Td=?;4. 根据系统给定的时域性能指标设置阶跃响应特性参数.在系统模型窗口中，用鼠标双击 NCD Outport(Signal Constraint)模块，即打开一个NCD Outport(Signal Constraint)模块的时域性能约束窗口，NCD Outport模块的时域性能约束窗口在 NCD Outport(Signal Constraint)模块的时域性能约束窗口中，执行Options(goals)Step response(Desired Response)
8、命令，打开设置阶跃响应特性约束参数的设置窗口。在该窗口中，设置阶跃响应曲线的调整时间(Settling Time)为600、上升时间(Rise Time)为350、超调量(Percent over shoot)为20和阶跃响应的优化终止时间（Final time）为2000，其余参数采用默认值，5、设置优化参数 在本例中为进行PID控制器的优化设计，将PID控制器的参数Kc、Ti和Td作为NCD Outport(Desired Response)模块的优化参数，故首先利用OptimizationParameters（Tuned Parameters）命令，打开设置优化参数（Optimizati
9、on Parameters）的窗口。然后在该窗口中的优化变量名称（Tunable Varables）对话框中填写：Kc,Ti,Td（各变量间用西文逗号或空格分开），其余参数采用默认值，如图4-34所示。最后单击该窗口中的【Done】按钮接收以上数据。（add） 6、开始控制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NCD Outport模块的时域性能约束窗口中的【Start】按钮，便开始对系统中的PID控制器模块的参数进行优化计算。在优化计算过程中，系统的响应曲线变化情况在时域约束窗口中显示，7、优化结束后，在系统模型窗口图中，再次启动仿真，在示波器中便可得到如图4-36所示的单位
10、阶跃响应曲线。该曲线应该就是图4-35中优化结束后的最优曲线。由此可见，PID控制器参数进行优化后，系统的动态性能指标完全满足设计要求。在MATLAB窗口中利用以下命令，便可得到PID控制器的优化参数。 Kc,Ti,Td五、 实验报告要求1根据系统的单位阶跃响应曲线，估计系统在PID控制时阶跃响应的超调量和过渡过程时间大约为多少？2说明利用Simulink对PID控制器参数自整定时的优缺点。3根据附录实验报告格式和以上要求写出实验报告。实验三 水箱液位PID控制一、 实验目的1）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。2）、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的阶跃响应。3）、研究
11、系统分别用P、PI和PID调节器时的抗扰动作用。4）、定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响。5）、掌握临界比例度法整定调节器的参数。6）、掌握4：1衰减曲线法整定调节器的参数。二、 实验设备1）、THGK-1型过程控制实验装置： GK-03、GK-04 GK-06 GK-07-22）、万用表一只3）、秒表一只4）、计算机系统三、实验原理1、单容水箱液位控制系统图6-1、单容水箱液位控制系统的方块图 图6-1为单容水箱液位控制系统。这是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。单回路控制系统由于结构简单、
12、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。 当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，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，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定值无偏差存在。一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个
13、有差系统，比例度的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数，Ti选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善 图6-3、P、PI和PID调节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调节系统的阶跃响应分别如图6-3中的曲线、所示。2、双容水箱液位控制系统图7-1、双容水箱液位控制系统的方框图图7-1为双容水箱液位控制系统。这是一个单回路控制系统，有两个水箱相串联，
14、控制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，又要具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。显然，这种反馈控制系统的性能主要取决于调节器GK-04的结构和参数的合理选择。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控制系统。 对于阶跃输入（包括阶跃扰动），这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度近似成正比，若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数和Ti选择的合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。四、实验内容与步骤1、单容水箱液位控制系统（一）、比例（P）调节器控制1）、按图6-1所示，将系统接成单回
