《過程控制》實驗
報告班級姓名學號實驗專案
實驗一、單容水箱物件特性的了解和了解調整位式調節器、智測試
實驗二、單迴路控制系統的引數整定
實驗三、串級控制系統的引數整定
實驗裝置簡介
《過程控制》課程實驗的試驗裝置是用《thkgk-1型過程控制實驗裝置》。本實驗裝置的控制訊號及被控訊號均採用iec標準，即電壓0～5v或1～5v，電流0～10ma或4～20ma。實驗系統供電要求為單相交流220v±10%，10a。
實驗裝置包括被控物件、調節器、執行器模組和變送器模組。
被控物件包括上水箱、下水箱、復合加熱水箱以及管道。
調節器主要有模擬調節器（含比例p調節、比例積分pi調節、比例微分pd調節、比例積分微分pid調節）、計算機控制等。
執行器模組主要有磁力驅動幫浦。
變送器模組主要有流量變送器（ft）、液位變送器（lt1，lt2）等。變送器的零位、增益可調，並均以標準訊號dc0-5v輸出。
實驗一、單容水箱物件特性的了解和了解調整位式調節器、智測試
一、 實驗目的
1、了解單容水箱的自衡特性。
2、掌握單容水箱的數學模型及其階躍響應曲線。
二、 實驗裝置
1、thkgk-1型過程控制實驗裝置：
gk-02 gk-03 gk-04 gk-07
2、萬用表乙隻
3、計算機及上位機軟體
三、實驗原理
階躍響應測試法是被控物件在開環執行狀況下，待工況穩定後，通過調節器手動改變物件的輸入訊號（階躍訊號）。同時，記錄物件的輸出資料和階躍響應曲線，然後根據給定物件模型的結構形式，對實驗資料進行合理的處理，確定模型中的相關引數。
單容水箱液位開環控制結構圖如圖所示：
四、實驗內容與步驟
1、了解並熟悉實驗裝置的結構與組成。
2、按照圖實驗原理中的控制結結構框圖，完成系統的接線，並把pid調節器的「手動/自動」開關置於「手動」位置，此時系統處於開環狀態。
3、開啟閥3，出水口閥6打在一定的開度。
4、將微控制器控制掛箱gk-03的輸入訊號端「lt1」與gk-02的感測器輸出端「lt1」相連；用配套rs232通訊線將gk-03的「序列通訊口」與計算機的com1連線；開啟所有電源開關用微控制器進行液位實時監測；然後用上位機控制監控軟體對液位進行監視並記錄過程曲線。
5、利用pid調節器的手動旋鈕調節輸出，將被控引數液位控制在4cm左右。
6、觀察系統的被調量——水箱的水位是否趨於平衡狀態。若已平衡，記錄此時調節器手動輸出值vo 以及水箱水位的高度h1和顯示儀表lt1的讀數值並填入下表。
6、迅速增調「手動調節」電位器，使pid的輸出突加10%，利用上位機監控軟體記下由此引起的階躍響應的過程曲線，並根據所得曲線填寫下表。
等到進入新的平衡狀態後，再記錄測量資料，並填入下表：
7、將「手動調節」電位器**到步驟5）前的位置，再用秒錶和數字表記錄由此引起的階躍響應過程引數與曲線。填入下表：
8、重複上述實驗步驟。
五、注意事項
1、做本實驗過程中，閥3和閥6不得任意改變開度大小；
2、階躍訊號不能取得太大，以免影響系統正常執行；但也不能過小，以防止物件特性的不真實性。一般階躍訊號取正常輸入訊號的5%~15%。
3、在輸入階躍訊號前，過程必須處於平衡狀態
4、在老師的幫助下，啟動計算機系統和微控制器控制屏。
六、實驗報告要求
作出一階環節的階躍響應曲線。
實驗二、單迴路控制系統的引數整定
一、實驗目的
1、通過實驗熟悉單迴路反饋控制系統的組成和工作原理。
2、研究系統分別用p、pi和pid調節器時的階躍響應。
3、研究系統分別用p、pi和pid調節器時的抗擾動作用。
4、定性地分析p、pi和pid調節器的引數變化對系統效能的影響。
二、實驗裝置
1、thkgk-1型過程控制實驗裝置：
gk-02、 gk-03、 gk-04、 gk-07(2臺)
2、萬用表乙隻
3、計算機系統
三、實驗原理
圖為乙個單容水箱單迴路反饋液位控制系統，它的控制任務是使水箱液位等於給定值所要求的高度；並減小或消除來自系統內部或外部擾動的影響。單迴路控制系統由於結構簡單、投資省、操作方便、且能滿足一般生產過程的要求，故它在過程控制中得到廣泛地應用。
當乙個單迴路系統設計安裝就緒之後，控制質量的好壞與控制器引數的選擇有著很大的關係。合適的控制引數，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器引數選擇得不合適，則會導致控制質量變壞，甚至會使系統不能正常工作。
因此，當乙個單迴路系統組成以後，如何整定好控制器的引數是乙個很重要的實際問題。 乙個控制系統設計好以後，系統的投運和參單容液位控制系統結構圖
數整定是十分重要的工作
四、 驗內容與步驟
1、比例（p）調節器控制
1）、按控制結構圖所示，將系統接成單迴路反饋系統。其中被控物件是上水箱，被控制量是該水箱的液位高度h1。
2）、啟動工藝流程並開啟相關的儀器，調整感測器輸出的零點與增益。
3）、在老師的指導下，接通微控制器控制屏，並啟動計算機監控系統，為記錄過渡過程曲線作好準備。
4）、在開環狀態下，利用調節器的手動操作開關把被控制量「手動」調到等於給定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%點處）。
5）、觀察計算機顯示屏上的曲線，待被調引數基本達到給定值後，即可將調節器切換到純比例自動工作狀態（積分時間常數設定於最大，積分、微分作用的開關都處於「關」的位置，比例度設定於某一中間值，「正-反」開關拔到「反」的位置，調節器的「手動」開關撥到「自動」位置），讓系統投入閉環執行。
6）、待系統穩定後，對系統加擾動訊號（在純比例的基礎上加擾動，一般可通過改變設定值實現）。記錄曲線在經過幾次波動穩定下來後，系統有穩態誤差，並記錄餘差大小。
7）、減小k或增大k，重複步驟6，觀察過渡過程曲線。
8）、選擇合適的k值就可以得到比較滿意的過程控制曲線。
9）、注意：每當做完一次試驗後，必須待系統穩定後再做另一次試驗。
2、比例積分調節器（pi）控制
1）、在比例調節實驗的基礎上，加入積分作用。
2）、改變pi調節器的積分時間常數值ti，然後觀察加階躍擾動後被調量的輸出波形。
3）選擇合適的k和ti值，使系統對階躍輸入擾動的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線。此曲線可通過改變設定值（如設定值由50%變為60%）來獲得。
3、比例積分微分調節（pid）控制
1）、在pi調節器控制實驗的基礎上，再引入適量的微分作用，即把d開啟。然後加上與前面實驗幅值完全相等的擾動，記錄系統被控制量響應的動態曲線，並與實驗步驟（二）所得的曲線相比較，由此可看到微分d對系統效能的影響。
2）、選擇合適的k、ti和td，使系統的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線（階躍輸入可由給定值從50%突變至60%來實現）。
3）、觀察計算機記錄實驗時所有的過渡過程實時曲線。
五、注意事項
1、實驗線路接好後，必須經指導老師檢查認可後才能接通電源。
2、必須在老師的指導下，啟動計算機系統和微控制器控制屏。
3、若引數設定不當，可能導致系統失控，不能達到設定值。
六、實驗報告要求
1、繪製單容水箱液位控制系統的方塊圖。
2、做出階躍響應曲線
3、定性比較p、pi和pid三種調節器對系統餘差和動態效能的影響。
實驗三、串級控制系統的引數整定
上、下水箱液位串級控制系統
一、 實驗目的
1、通過實驗進一步了解並熟悉串級控制系統的結構與原理。
2、利用所提供的實驗裝置構成乙個液位與液位串級控制系統。
3、利用所提供的實驗裝置構成乙個液位與流量串級控制系統。
4、了解串級控制系統的投運與引數整定方法。
二、 實驗裝置
1、thkgk-1型過程控制實驗裝置：
gk-02、 gk-03、 gk-04(兩台)、 gk-07
2、萬用電表乙隻、計算機系統
三、 實驗原理
單迴路控制系統解決了工業生產過程中大量的引數定值控制問題。
1、串級控制系統的結構
圖3-1、 串級控制系統結構
如圖所示，串級控制系統是指不止採用乙個調節器，而是將兩個或幾個調節器相串聯，並將乙個調節器的輸出作為下乙個調節器設定值的控制系統
四、 實驗步驟
1、自行考慮並連線液位與液位的串級控制系統。
2、自行設計液位與流量串級控制系統的方框圖，並利用所提供的實驗裝置連線系統。
3、連線好實驗線路，並進行零位與增益的調節。
4、正確設定pid調節器的開關位置：
副調節器：純比例控制，反作用，自動。
主調節器：比例積分控制，反作用，自動。
5、試利用一步整定法整定系統：
（1）、先將主、副調節器均置於純比例p調節，並將副調節器的比例度δ調到30%左右。
（2）、將主調節器置於手動，副調節器置於自動，通過改變主調節器的手動輸出值使下水箱液位達到設定值。
（3）、將主調節器置於自動，調節比例度δ，使輸出響應曲線呈4:1衰減，記下δs和ts，據此查表求出主調節器的δ和ti值。
（注）：閥8的開度必須小於閥5的開度實驗才能成功。
五、 注意事項
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