过程控制系统实验报告

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。

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、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。

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，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 ⑴ 测试系统结构如图3-1所示。

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

dt h

d A Q Q O i ?=?-? 式 3-1

式中： i Q —输入流量； O Q —输出流量； h —液位高度； A —水箱截面积；

i Q ?、O Q ?、h ?分别为偏离某一平衡状态0i Q 、0O Q 、0h 的增量。

在静态时，O i Q Q =，0=?dt

h

d ，当i Q 变化时，h 、O Q 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O Q 与h 在工作点附近成正比，而与出水阀的阻

力2R （称为液阻）成反比，即

2R h Q O ?=

? 或 0

2Q h R ??= 式 3-2 由式 3-1、式-2，消去中间变量O Q ，再求拉氏变换得： 单容液位过程的传递函数为：

1

1)()()(22+=

+=??=

TS K AS R R S Q S H S W i 式 3-3

⑶ 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），测量给定液位高度所对应的

其中水箱的截面积mm mm A 175190?=。

1

751.1473

1AS 4734731)(22+=

+=+=S e AS R R S W ）（

四、思考题

1、分析可能造成模型不准确的原因。

答：①被控对象有较大的时间常数，导致变化过程较慢； ②单容水箱是一阶系统响应，被控变量的变化比较缓慢； ③被控对象具有传输延迟；

④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

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

T。

S

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C K 、I T 和D T 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：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。

=

S

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：（1）

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；

②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=fopen("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0

ptAIConfig.DasGain=0;//Gain Code，+/-5V

DRV_AIConfig(DriverHandle, (LPT_AIConfig)&ptAIConfig);

//读取指定AI通道的电压值

ptAIVoltageIn.chan = 0;//通道0

ptAIVoltageIn.gain = 0;//Gain Code，+/-5V

ptAIVoltageIn.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);

ptCounterEventStart.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("%lu\n",num1);

Sleep(1000);

ptCounterEventRead.counter=0;

ptCounterEventRead.overflow=&over;

ptCounterEventRead.count=&num2;

DRV_CounterEventRead (DriverHandle, (LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRead);

DRV_CounterEventRead (DriverHandle, &ptCounterEventRead); printf("%lu\n",num2);

count=num2-num1;

q=0.0122*count+0.3412;

h=advalue*80;

printf("%d\n",count);

fprintf(fp,"q=%f\n",q);

fprintf(fp,"h=%f\n",h);

}

fclose(fp);

DRV_CounterReset(DriverHandle,0);

DRV_DeviceClose( &DriverHandle );

}

实验三系统动态特性的测试

#include

#include

#include

#include "driver.h"

#include "conio.h"

void main()

{

long DriverHandle_v;

PT_AIConfig ptAIConfig;

PT_AIVoltageIn ptAIVoltageIn;

float advalue;

DRV_DeviceOpen(0,&DriverHandle_v); //打开设备

//AI配置

ptAIConfig.DasChan=0;//AI通道0

ptAIConfig.DasGain=0;//Gain Code，+/-5V

DRV_AIConfig(DriverHandle_v, (LPT_AIConfig)&ptAIConfig);

//读取指定AI通道的电压值

ptAIVoltageIn.chan = 0;//通道0

ptAIVoltageIn.gain = 0;//Gain Code，+/-5V

ptAIVoltageIn.TrigMode = 0; //内部触发

ptAIVoltageIn.voltage = (FLOAT far *)&advalue;//返回电压值

DRV_AIVoltageIn(DriverHandle_v,(LPT_AIVoltageIn)&ptAIVoltageIn);

long DriverHandle;

ULONG num1=0,num2=0;

int count;

USHORT over=0;

PT_CounterEventStart ptCounterEventStart;

PT_CounterEventRead ptCounterEventRead;

DRV_DeviceOpen(0,&DriverHandle);

ptCounterEventStart.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("num1=%lu\n",num1);

Sleep(1000);

ptCounterEventRead.counter=0;

ptCounterEventRead.overflow=&over;

ptCounterEventRead.count=&num2;

DRV_CounterEventRead (DriverHandle, (LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRead);

DRV_CounterEventRead (DriverHandle, &ptCounterEventRead);

printf("num2=%lu\n",num2);

count=num2-num1;

printf("count=%d\n",count);

FILE *fp=fopen("me.txt","w");

float fluid;

while(!kbhit()){

DRV_AIVoltageIn(DriverHandle,(LPT_AIVoltageIn)&ptAIVoltageIn);

ptCounterEventStart.counter=0;

DRV_CounterEventStart(DriverHandle,&ptCounterEventStart);

ptCounterEventRead.count=&num1;

DRV_CounterEventRead (DriverHandle, (LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRead);

DRV_CounterEventRead (DriverHandle, &ptCounterEventRead);

Sleep(1000);

ptCounterEventRead.count=&num2;

DRV_CounterEventRead (DriverHandle, (LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRead);

DRV_CounterEventRead (DriverHandle, &ptCounterEventRead);

count=num2-num1;

fluid = (14.5*(count-13)/(1200-13)+0.5);

printf("Height=%f\t",advalue*80);

printf("num1=%lu\n",num1);

printf("num2=%lu\n",num2);

printf("Count=%d\n",count);

printf("Fluid=%f\n\n",fluid);

fprintf(fp,"Height=%f\t",advalue*80);

fprintf(fp,"Fluid=%f\n",fluid);

}

fclose(fp);

DRV_CounterReset(DriverHandle,0);

DRV_DeviceClose( &DriverHandle );

DRV_DeviceClose( &DriverHandle_v ); //关闭设备

}

实验四液位单回路控制系统的设计及参数整定#include

#include

#include "driver.h"

#include

#include "time.h"

#include

void main()

{

FILE *fp=fopen("test1.txt","w");

long DriverHandle;

PT_AIConfig ptAIConfig;

PT_AIVoltageIn ptAIVoltageIn;

float height_v_In;

float m_h;

float e1=0,e2=0,e3=0; //误差

float seth=200;

float setv=0;

float k=1,ti=0.5,td=0; //PID系数

int n=0;

float time;

long DriverHandle1;

PT_AOConfig ptAOConfig;

PT_AOVoltageOut ptAOVoltageOut;

float height_v_Out=0;

DRV_DeviceOpen(0,&DriverHandle); //打开设备

DRV_DeviceOpen(0,&DriverHandle1); //打开设备

ptAIConfig.DasChan=0;//AI通道0

ptAIConfig.DasGain=4;//Gain Code，+/-10V

DRV_AIConfig(DriverHandle, (LPT_AIConfig)&ptAIConfig);

ptAOConfig.chan=0;//AO通道0

ptAOConfig.RefSrc=0;//内部参考源

ptAOConfig.MaxValue=10;

ptAOConfig.MinValue=0;

DRV_AOConfig(DriverHandle1, (LPT_AOConfig)&ptAOConfig);

setv=seth/80;

while(!kbhit())

{

Sleep(300);

n++;

time=n*0.3;

//读取指定AI通道的电压值

ptAIVoltageIn.chan = 0;//通道0

ptAIVoltageIn.gain = 4;//Gain Code，+/-10V

ptAIVoltageIn.TrigMode = 0; //内部触发

ptAIVoltageIn.voltage = (FLOAT far *)&height_v_In;//返回电压值

DRV_AIVoltageIn(DriverHandle,(LPT_AIVoltageIn)&ptAIVoltageIn);

if(height_v_In < setv)

{

e3=setv-height_v_In;

height_v_Out += k*((e3-e2)+0.3/ti*e3+td/0.3*(e3-2*e2+e1)); //增量式PID控制

e1=e2;//前两次值

e2=e3;//前一次值

if(height_v_Out>10)

height_v_Out=10;

else if(height_v_Out<0)

height_v_Out=0;

}

else height_v_Out=0;

printf("height_v_Out=%f!\t",height_v_Out);

printf("time=%f!\t",time);

printf("hight=%f!\n\n",height_v_In/5*400);

//电压输出

ptAOVoltageOut.chan = 0;

ptAOVoltageOut.OutputValue = height_v_Out;//所要设置的输出电压值,浮点型数据

DRV_AOVoltageOut(DriverHandle1,(LPT_AOVoltageOut)&ptAOVoltageOut);

fprintf(fp,"U=%f, h=%f,

time=%f\n",height_v_Out,height_v_In*80,time);

}

//AO配置

ptAOConfig.chan=0;//AO通道0

ptAOConfig.RefSrc=0;//内部参考源

ptAOConfig.MaxValue=10;

ptAOConfig.MinValue=0;

DRV_AOConfig(DriverHandle1, (LPT_AOConfig)&ptAOConfig);

ptAOVoltageOut.chan = 0;

height_v_Out=0;

ptAOVoltageOut.OutputValue = height_v_Out;//所要设置的输出电压值,浮点型数

据

DRV_DeviceClose( &DriverHandle ); //关闭设备

DRV_DeviceClose( &DriverHandle1 ); //关闭设备

}

实验五流量单回路控制系统的设计及参数整定

#include

#include

#include"driver.h"

#include

#include

PT_CounterEventStart ptCounterEventStart;

PT_CounterEventRead ptCounterEventRead;

long DriverHandle;

PT_AOConfig ptAOConfig;

PT_AOVoltageOut ptAOVoltageOut;

float davalue;

float Q=0;

float Qh=2;

float t=0,U=0;

float e1=0,e2=0,e3=0;

float Kc=0.5,Ti=1,Ts=0.5;

void main()

{

ULONG num1=0,num2=0;

int count;

USHORT over=0;

DRV_DeviceOpen(0,&DriverHandle);

ptAOConfig.chan=0;//AO通道0

ptAOConfig.RefSrc=0;//内部参考源

ptAOConfig.MaxValue=10;

ptAOConfig.MinValue=0;

DRV_AOConfig(DriverHandle, (LPT_AOConfig)&ptAOConfig);

//电压输出

FILE *fp;

fp=fopen("text1.txt","w");

while(!kbhit())

{

ptCounterEventStart.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);

Sleep(500);

ptCounterEventRead.counter=0;

ptCounterEventRead.overflow=&over;

ptCounterEventRead.count=&num2;

DRV_CounterEventRead (DriverHandle, (LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRead);

DRV_CounterEventRead (DriverHandle, &ptCounterEventRead);

count=num2-num1;

Q=0.5+(2*(count-13))*0.0122;

printf("Q=%f ",Q);