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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/D 口测量值
2、（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-4711A板卡的A/D 口测出 温度传感器的输出电
3、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，
4、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。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测试系统结构如图3-1所示。图3-1利用液位一输出流量关系建立模型的实验原理图原理对于液位系统，根据动态物料平衡关系有dkhQ AQ = A 式 3-1式中：Q 输入流量；Qo 输出流量；h 液位高度；A水箱截面积；AQ、AQo、Ah
5、分别为偏离某一平衡状态Q 、Qo 0、的增量。在静态时，q = qo, 替 二，当Q变化时，h、qo也将发生变化，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，而与出水阀的阻加2 （称为液阻）成反比即5AhAQ =o R2或 R = ”式 3-2Ao由式3-1、式-2,消去中间变量Q，再求拉氏变换得: 单容液位过程的传递函数为：式 3-3A H (S) RK=2=A Q (S ) R 2 AS + 1 TS + 1关闭出水阀，向水箱内注水至260mm左右，将出水阀旋开至适当位置（整个测量过程中保持出水阀开度不变），
6、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。h (mm)120160200240Q (l/min)1.8801.9652.0392.137OR 471541408R 473其中水箱的截面积A = 190mm x 175mm。R _473_473R 2 AS2 + 1 - 473 AS + 1 =(1.51 e 7)S + 1四、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。实验四液位单回路控制系统的设计及参数整定
7、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。出水图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 匕、7；和孔值。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。实验次数调节器参数性能指标KCT；TD0tS111/6.1%55221/6.3%54320.5/5.9%484
8、10.5/5.3%52100液位单回路控制系统1- 0.5-02- 0.5-02-1-01-1-050or.m OOOZI oE.m o9.m OG. aIU OLTI.T5 oooLnoo OIOCO om cmg oomg OE.W o岩Ln 063寸 ofo寸 oLn.mE oww OLEZ OMI or二 ooq OEO o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
9、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T =。4、选择调节器参数
10、，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KCTiTDb0tSPID10.51/1.86%13.5211/4.3%4.530.50.5/3.08%3.5410.5/7.95%4.5流量单回路控制系统四、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，再次注水以此反复。(2)注意数学模型的正确建立，在建模
11、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 #include #include #include driver.h”#include conio.h”void main() PT_AIConfig ptAIConfig;PT_AIVoltageIn ptAIVoltageIn;float advalue;float h;float q=0;FILE *fp=fop
12、en(test.txt，w)；long DriverHandle;ULONG num1=0,num2=0;int count;USHORT over=0;PT_CounterEventStart ptCounterEventStart;PT_CounterEventRead ptCounterEventRead;DRV_DeviceOpen(0,&DriverHandle);while(!kbhit()ptAIConfig.DasChan=0;/AI 通道 0ptAIConfig.DasGain=0;/Gain Code, +/-5VDRV_AIConfig(DriverHandle, (LP
13、T_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,(LPT_AIVoltageIn)&ptAIVoltageIn);printf(AD value=%f!n,advalue);ptCounterEventStar
14、t.counter=0;DRV_CounterEventStart(DriverHandle,&ptCounterEventStart);ptCounterEventRead.counter=0;ptCounterEventRead.overflow=&over;ptCounterEventRead.count=&num1;DRV_CounterEventRead(DriverHandle,(LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRead);DRV_CounterEventRead (DriverHandle, &ptCounterEventRead);printf(%lun”,num1);Sleep(1000);
