控制系统综合实验.doc

综合实验报告
( 2010 -- 2011年度第 1 学期)

名 称： 控制系统综合实验
题 目：水位控制系统综合实验
院 系：控制与计算机工程学院
班 级：
学 号：
学生姓名：
指导教师：
设计周数： 1周

成 绩：

日期： 年 月 日
《控制系统》综合实验
任 务 书

一、 目的与要求
本综合实验是自动化专业的实践环节。通过本实践环节，使学生对实际控制系统的结构、系统中各环节的关系、数字控制器的应用和控制系统的整定等建立起完整的概念。培养学生利用所学理论知识分析、解决实际问题的能力。
1. 了解单容水箱水位控制系统的实际结构及各环节之间的关系。
2. 学会数字控制器组态方法。
3. 掌握控制系统整定方法，熟悉工程整定的全部内容。
二、 主要内容
1．熟悉紧凑型过程控制系统，并将系统调整为水位控制状态。
2．对数字控制器组态。
3．求取对象动态特性。
4．计算调节器参数。
5．调节器参数整定。
6．做扰动实验，验证整定结果。
7．写出实验报告。
三、 进度计划
序号
实验内容
完成时间
备注
1
学习Burkert 1110型数字工业控制器的功能与操作
1天

2
学习了解紧凑过程控制系统的设备与元件以及实验内容
1天

3
查阅资料，确定水位系统数学模型的结构和参数辨识的方法
0．5天

4
查阅资料，确定水位系统PID控制器整定方法
0．5天

5
作水位系统实验求取数学模型，整定PID参数，并验证整定结果
1天

6
整理打印实验报告
1天

四、实验成果要求
完成实验报告，实验报告包括：
1．实验目的
2．实验设备
3．实验内容，必须写出参数整定过程，并分析控制器各参数的作用，总结出一般工程整定的步骤。
4．实验总结，此次实验的收获。
以上内容以打印报告形式提交。
五、 考核方式
根据实验时的表现、及实验报告确定成绩。
成绩评分为通过以及不通过。

学生姓名：
指导教师：
年 月 日

一、综合实验的目的与要求
本综合实验是自动化专业的实践环节。通过本实践环节，使学生对实际控制系统的结构、系统中各环节的关系、数字控制器的应用和控制系统的整定等建立起完整的概念。培养学生利用所学理论知识分析、解决实际问题的能力。
1. 了解单容水箱水位控制系统的实际结构及各环节之间的关系。
2. 学会数字控制器组态方法。
3. 掌握控制系统整定方法，熟悉工程整定的全部内容。

二、实验正文
1. 实验设备
紧凑型过程控制系统；上位机
2. 液位控制系统
2.1 液位控制系统流程图，如图1

图1 液位控制系统流程图

2.2液位控制系统流程
如图1所示，被控对象为水箱2，被控参数为水箱2的液位，执行器为水泵。水泵将水箱1的液体输送到水箱2，水箱2的液位通过水箱上方的超声波传感器测得，并将信号输入到控制器，控制器将测量信号与给定信号比较运算后，向水泵发出控制信号，控制水泵的转速，使液位控制在给定数值上。

2.3 控制系统原理图，如图2

图2 控制系统原理图

3. 使过程控制系统工作在液位控制状态
打开手动阀2 # 和4 # ，其他手动阀关闭。确认工作流程如图1所示。

4. 数字控制器组态
4.1 打开控制器电源，等待约10秒钟，控制器处于正常状态。
4.2 控制器组态
同时按控制器“SELECT”键和“ENTER”键持续5秒，控制器进入组态界面，显示组态菜单。如果显示“Remote”，则说明控制器正在由上位机控制，须通过“SELECT”键选择“Local”项并由“ENTER”键确认，显示屏才显示主菜单的“StroMenu”项。如果进入组态界面时，液晶屏显示主菜单的“StroMenu”项，可直接组态。
组态内容见表1，没有标出数值的参数可由“ENTER”键直接确认。

表1 控制器组态清单
主菜单
Structure
结构
Input1
输入1
Controller
控制器
Output
输出
Add.Menu
附加菜单
End
结束
子菜单
Standard
标准
0—20mA
信号类型
：no
开方函数
PVh：340
显示上限
PV1：-199.9
显示下限
SPh：180
给定值上限
SP1：0
给定值下限
A1：abs
报警方式
PV+：180
报警上限
PV-：0
报警下限
Hy：1.0
报警滞后
Fg1：20
滤波器频率
Kp1：
放大倍数

Tr：
积分时间

Td：0
微分时间

Pdb：0.001
死区

CO0：
工作点

Contin
连续信号

0-10V
信号类型

COh：100
操作值上限

CO1：0
操作值下限

Inv：no
操作器反作用
Seria：remote
串口

Bd：9600
波特率

Par：even
奇偶校验

Adr：0001
口地址

End
附加菜单结束

5. 求取对象动态特性
5.1 打开上位机，选择不还原系统，在Windows窗口下双击“EzDDE”图标，即打开通信软件，并使弹出的窗口最小化。
5.2 打开测量监控系统主界面，在主界面上点击“测量”按钮，进入测量监控子界面。
5.3 将自动切为手动状态，输入Y=55（执行器输出为55%），观察水位输出曲线。
5.4 当水位趋势平稳时，加入幅度为15的阶跃值（Y=70），观察水位输出曲线。
5.5 待水位趋势平稳后，点击“历史趋势”按钮，转至历史趋势画面。点击“刷新”按钮显示整个过程曲线。
5.6 将阶跃扰动下的上升曲线按点描绘在坐标纸上，过程曲线见附图1，用切线法求取对象动态特性参数（τ、T、K），小数点保留一位。
由图得出：
y(∞)=137.5mm，
y(0)=81.6mm，
T=90s，Ʈ=0.01s。

6. 按工程整定法，使用PI调节器，求出调节器的初设参数（Kp、Ti）（动态特性参数法）。

1.1ƐƮ=0.046
Kp=21.74
Ti=3.3Ʈ=0.033

7. 调节器参数整定
7.1 在监控画面点击“配置”（“配置”字体变亮），设置K、Tr (即6中求出的Kp、Ti)。
7.2 点击“过程”（“过程”字体变亮），设置“给定值”为90（观察在5中得到输出水位的稳态值，设置给定值时尽量接近这个值），将手动切为自动。
7.3 待水位平稳后，加给定值扰动ΔS=30（保证水位在90-140mm之间变动），现设置“给定值”为120，观察水位变化情况。
7.4 观察阶跃响应曲线是否符合要求。如果不符合要求，依照调节器各参数对调节过程的影响，改变相应的调节参数，重复7.1—7.3内容。
7.5 调节过程满足要求后，记下K、Tr，并记录曲线，求出超调量、过渡过程时间、最大动态偏差。过程曲线见附图2，K=1.0，Tr=5.0
过渡过程时间：Ts=t8-t1=149s
y(∞)=119.8mm，
最大动态偏差：y1=130.9-119.8=11.1mm，

超调量：

8. 验证
8.1 给水阀门扰动实验
整定好的系统，给定值不变，投自动待系统稳定后，由“自动”切“手动”，使执行器输出Y在现有值基础上变化10（原为60.9，现增大10，设为70）。系统再次投自动，待调节过程结束后，记录输出曲线，并求出衰减率Ψ、调节时间Ts。过程曲线见附图3。
调节时间：Ts=t5—t1=92s
衰减率：y(∞)=100.2mm
y1=103.7-100.2=3.5mm，
y3=0mm

8.2 随机扰动实验
整定好的系统在平衡状态下（自动），将4 # 手动阀关2--3秒（由于设备有一定的延迟，所以观察输出曲线有变化时），再打开，观察调节系统的抗干扰能力。记录下调节曲线，并求出衰减率Ψ、调节时间Ts。过程曲线见附图4。
调节时间：Ts=t7—t0=126s
衰减率：y(∞)=99.5mm
y1=109.3—99.5=9.8mm，
y3=101.7—99.5=2.2mm

三、综合实验总结或结论
本次实验是以单容水箱为被控对象，对单容水箱水位控制系统进行实际控制调节。
1、通过本次试验，初步掌握了数字控制器的组态方法；通过实际操作，进一步熟悉了被控对象动态特性参数的求取，以及工程整定的步骤，来获得理论上的最佳整定参数。
2、从实验结果来看，理论上根据工程整定方法得出的调节其参数与试验中实际的调节器参数有很大的误差，误差来源有以下几点：
2.1在求取对象的动态特性参数时，由于作图是在选取了几个点后徒手绘制，存在一定的误差；用切线法求取参数时也存在误差；
2.2由于在用工程整定时，是在一定的衰减率下求取得整定参数，所以与实际参数也存在一定的误差；
2.3由于实际对象与理论求取的模型存在一定的差别，也产生了一定的误差；
2.4实际操作和实验数据计算中也存在一定的误差。

四、参考文献
[1] 金以慧. 《过程控制》. 清华大学出版社, 第一版. 1993年4月
[2] 戴毅姜. 《控制系统综合实验指导书》. 2003年12月
[3] 于希宁. 《自动控制原理》.中国电力出版社，第一版. 2008年2月