1、过 程 控 制 仿 真所在院系：所在班级：学生姓名：学生学号：实验一 一阶单容上水箱对象特性测试实验一实验目的1.熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。2.根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。二实验设备AE2000A 型过程控制实验装置。配置：万用表、上位机软件、计算机、RS232-485 转换器 1 只、串口线 1 根、实验连接线。三系统结构框图单容水箱如图 1-1 所示：图 1-1、 单容水箱系统结构图四实验原理阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号） 。同时，记录对象的输出数据
2、或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。 如图 1-1 所示，设水箱的进水量为 Q1，出水量为 Q2，水箱的液面高度为 h，出水阀 V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：式中，T 为水箱的时间常数（注意：阀 V2的开度大小会影响到水箱的时间常数） ，T=R2*C，K=R 2为过程的放大倍数，R 2为 V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。令输入流量Q1（
3、S）=R O/S，R O为常量，则输出液位的高度为：当 t=T 时，则有：h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h()即 h(t)=KR 0(1-e-t/T)当 t时，h（）=KR 0，因而有K=h（）/R0=输出稳态值/阶跃输入式（1-2）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图 1-2 所示。当由实验求得图 1-2 所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的 63%所对应时间，就是水箱的时间常数 T，该时间常数 T 也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点 所对应的时间就是时间常数 T，其理论依据是：上式表示 h（t）若以在原点时的速度 h（
4、）/T 恒速变化，即只要花 T 秒时间就可达到稳态值 h（） 。五、实验内容和步骤1、 设备的连接和检查：（1） 、关闭阀 22，将 AE2000A 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度） 。（2） 、打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门：图 1-2、 阶跃响应曲线h1( t) h1( ) 0.63h1( ) 0 T 阀 1、阀 4、阀 6，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门:阀 2、阀 10、阀 17、阀 20。（3） 、打开上水箱的出水阀：阀 8 至适当开度。（4） 、检查电源开关是否关闭2、 系统连线图：图 1-3、 实验接线图1） 、如图 1-3 所示：
5、将 I/O 信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到 OFF 位置。2） 、将上水箱液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的 1 端（即 RSV 的+极） ，上水箱液位-（负极 ）接到智能调节仪的 2 端（即 RSV 的负极） 。3） 、将智能调节仪的 420mA 输出端的 7 端（即+极）接至电动调节阀的 420mA 输入端的+端（即正极） ，将智能调节仪的 420mA 输出端的 5 端（即-极）接至电动调节阀的420mA 输入端的-（即负极） 。4） 、电源控制板上的三相电源、单相的空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。5） 、电动调节阀的220V 电源开关打在关的位置 。6） 、智能调节仪的
6、220V 电源开关打在关的位置 。3、启动实验装置1） 、将实验装置电源插头 2 接到 380V 的三相交流电源。2） 、打开电源三相带漏电保护空气开关,电压表指示 380V。3） 、打开总电源钥匙开关，按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源。4、实验步骤1） 、开启单相空气开关，根据仪表使用说明书和液位传感器使用说明调整好仪表各项参数和液位传感器的零位、增益，仪表输出方式设为手动输出，初始值为 0。2） 、启动计算机 MCGS 组态软件，进入实验系统相应的实验如图 2-4 所示：2-4、实验软件界面3） 、双击设定输出按钮，进行设定输出值的大小，或者在仪表手动状态下，按住仪表的 STOP
7、键将仪表的输出值上升到所想设定的值，这个值根据阀门开度的大小来给定，一般初次设定值25。开启单相泵电源开关，启动动力支路。将被控参数液位高度控制在 20%处（一般为 7cm） 。4） 、观察系统的被调量：上水箱的水位是否趋于平衡状态。5） 、迅速增加仪表手动输出值，增加 5%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，均可在上位软件上获得，以此数据绘制变化曲线。6） 、直到进入新的平衡状态。再次记录平衡时的下列数据7） 、将仪表输出值调回到步骤 5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。8） 、重复上述实验步骤。实验二 单回路控制系统参数整定实验目的（1） 掌握动态建模
8、的创建方法。（2） 掌握单回路控制系统的理论整定方法和工程整定方法。（3） 了解调节器参数对控制品质的影响。（4） .熟悉控制线性系统仿真常用基本模块的用法实验仪器计算机一台、MATLAB 软件实验原理PID（比例- 积分-微分）控制器是目前在实际工程中应用最为广泛的一种控制策略。PID 算法简单实用，不要求受控对象的精确数学模型。模拟 PID 控制器典型的 PID 控制结构如图所示。比 例积 分微 分对象模型PID 控制器r(t) y(t)u(t)e(t). PID 控制规律写成传递函数的形式为sKisTKsUEGdpdip )1()(式中， 为比例系数； 为积分系数； 为微分系数； 为PK
9、i d ipiT积分时间常数； 为微分时间常数；简单来说，PID 控制各校pdT正环节的作用如下：（1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数 ， 越大，积分作用越弱，反之iTi则越强。（3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率） ，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。实验步骤（1）启动计算机，运行 MATLAB 应用程序。（2）在 MATLAB 命令窗口输入 Smulink,启动 Si
10、mulink。（3）在 Simulink 库浏览窗口中，单击工具栏中的新建窗口快捷按钮或在 Simulink 库窗口中选择菜单命令 File New Modeel,打开一个标题为“Untitled ”的空白模型编辑窗口。（4）用鼠标双击信号源模块库（ Source）图标，打开信号源模块库，将光标移动到阶跃信号模块（Step）的图标上，按住鼠标左键，将其拖放到空白模型编辑窗口中。用鼠标双击附加模块库（Simulink Extra）图标，打开 Additional Liner 模块库，将光标移动到 PID Conttroller 图标上，按住鼠标左键，将其拖放到空白模型编辑窗口中。（5 用同样的方
11、法从数学运算模块库 (Math Operations)、连续系统模块库(Continuous)和接受模块库(Sinks) 中，中把传递函数模块(Transfer Fcn)、示波器模块(Scope)和加法器模块（）Sum）拖放到空白模型编辑窗口中。（6）用鼠标单击一个模块的输出端口并用鼠标拖放到另一模块的输入端口，完成模块间的连接，若需要画支线时，把光标移到有向线段任意点处，按下“Ctrl”键同时按下鼠标左键，拖动鼠标到所需模块。（7）构造图 1 所示的单回路反馈系统的仿真模型，其中控制对象由子系统创建，如图 2图 1图 2示，创建子系统的方法是：用鼠标选定待构成子系统的各个模块，包括它们之间的
12、连接线，单击鼠标右键再单击 Create Subsystem 即可。（8）设调节器为比例调节器，对象传递函数为： (其中0(1)nKTs)，用广义频率特性法按衰减率 0.75 计算调节器01,4KTn的参数；根据 计算结果设置 PID 调节器的参数，启动仿真，通过示波器模块观测并记录系统输出的变化曲线。（9）用响应曲线法整定调节器的参数。求出对象的阶跃响应曲线。根据响应曲线求取对象的动态特性参数。按表 1 计算调节器的参数，并根据计算结果设置 PID 调节器的参数。启动仿真，通过示波器模块观测并记录系统输出的变化曲线。（10）用临界曲线法整定调节器参数。先将调节器改成纯比例作用（使 ） ，并将
13、比例增益置于,0idT较小的数值，然后将系统投入闭环运行。启动仿真，通过示波器模块观测并记录系统输出的变化曲线。逐渐增加比例增益，观测不同比例增益下的调节过程，直到调节过程出现等幅振荡为止，记录此时的比例带 和系统的临界振荡周期 。kkT根据求得的 和 ，求得调节器的整定参数。kT将调节器参数设置好，作系统的定值阶跃扰动试验，观测控制过程，并根据响应曲线适当修改整定参数。（11）用衰减曲线法整定调节器参数。先将调节器改成纯比例作用 ，并将比例增益置于较小,0idT的数值，然后将系统投入闭环运行。启动仿真，通过示波器模块观测并记录系统输出的变化曲线。逐渐增加比例增益，观测不同比例增益下的调节过程，直到调节过程出现衰减率为 0.75 的振荡为止，记录此时的比例带 和系统的临界振荡周期 。 ssT求得调节器的整定参数。将调节器参数设置好，作系统的定值阶跃扰动试验，观测控制过程，适当修改整定参数，直到控制过程满意为止。六、实验曲线及数据处理、 ，1）临界曲线法将调节器改成纯比例积分，即 =0， =0。调整 到出现等幅震荡，iKdpK此时 。 如图 3。4PK图 3 由图可知 = =0.25，k1pKkT6s又由临界曲线法整定参数计算表及以下公式关系， ， 1PkpiiTdPKT
