过程控制实验指导书

1、过程控制实验指导书授课学时：16课时授课专业：自动化授课教师：姜倩倩目 录过程控制实验项目一览表- 1 -实验一：一阶系统数学模型的建立- 2 -实验二： pid控制器参数自整定- 4 -实验三 水箱液位pid控制- 8 -实验四 水箱压力的pid调节控制- 14 -实验五 串级水位控制系统设计- 17 -实验六 前馈-反馈控制系统仿真实验- 19 -实验七 单片机液位控制系统- 22 -实验八 单容液位plc控制- 25 -过程控制实验项目一览表序号实验项目名称实验内容提要学时每组人数实验属性1一阶系统数学模型的建立掌握利用matlab根据计算法建立一阶系统数学模型的方法25验证性2pid控

2、制器参数自整定利用simulink对pid控制器进行参数整定25验证性3水箱液位pid控制了解单容/双容水箱液位单回路控制系统用p、pi、pid调节器时，调节器参数变化对系统性能的影响25设计性4水箱压力pid控制系统了解单/双容水箱压力单回路控制系统用p、pi、pid调节器时，调节器参数变化对系统性能的影响25设计性5串级水位控制系统设计对液位串级控制系统进行参数整定，研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响25设计性6前馈-反馈控制系统仿真实验掌握利用matlab对前馈-反馈控制系统进行参数整定仿真2验证性7单片机液位控制系统了解利用单片机系统对水箱液位控制的方法2综合性

3、8单容液位plc控制了解利用plc控制系统对单容液位进行控制2综合性合 计16实验参考书：1. tkgk-1型操作说明书.实验指导书实验一：一阶系统数学模型的建立一、实验目的 1熟悉利用计算法建立系统一阶惯性环节加纯迟延的近似数学模型的方法； 2学会利用matlab/simulink对系统建模的方法。二、实验设备 安装windows系统和matlab软件的计算机一台。三、实验内容 已知某液位对象，在阶跃扰动量 时，其响应的试验数据如下：t/s01020406080100140180250300400500600700800h/mm000.20.82.03.65.48.811.814.416.5

4、18.419.219.619.820若将液位对象近似为一阶惯性环节加纯迟延，试利用计算法确定其增益k、时间常数t和纯迟延时间。四、实验步骤1首先根据输出稳态值和阶跃输入的变化幅值可得增益k。2根据系统近似为一阶惯性环节加纯迟延的计算法，编写matlab程序。执行所编写程序可得如下结果： t =？ tao =？ 则系统近似为一阶惯性环节加纯迟延的数学模型为？3首先建立如图所示的simulink系统仿真框图，并将阶跃信号模块（step）的初始作用时间(step time)和幅值(final value)分别改为0和20后，以文件名？（.mdl）将该系统保存。 然后在matlab窗口中执行以下命令，

5、得原系统和近似系统的单位阶跃响应曲线。？xlabel(时间t/s);ylabel(液位h/mm);legend(原系统,近似系统);五、 实验报告要求1比较原系统和近似系统的单位阶跃响应，并分析误差大小。2分析误差原因。3根据附录实验报告格式和以上要求写出实验报告。实验二： pid控制器参数自整定一、实验目的 1熟悉pid控制器参数的自整定法； 2学会利用matlab/simulink和自整定法对控制器参数进行整定。二、实验设备 安装windows系统和matlab软件的计算机一台。三、实验内容 已知广义被控对象的传递函数为 ：试利用simulink中的ncd outport模块（适用于mat

6、lab6.5）、simulink response optimization中的signal constraint（适用于matlab7.1）或signal constraint模块（适用于matlab7.5），对系统采用pid调节规律时的pid控制器进行参数自整定，并绘制整定后系统的单位阶跃响应曲线。四、实验步骤1利用ncd outport模块，建立如图所示pid控制系统的simulink参数优化模型。2在系统模型窗口中，首先打开阶跃信号（step）模块的参数对话框，并将初始时间改为0；然后执行simulationsimulation parameters命令，将仿真的停止时间设置为2000

7、，其余参数采用默认值。3在matlab窗口中利用以下命令对pid控制器的初始值进行任意设置：kc=?; ti=?; td=?;4. 根据系统给定的时域性能指标设置阶跃响应特性参数.在系统模型窗口中，用鼠标双击 ncd outport(signal constraint)模块，即打开一个ncd outport(signal constraint)模块的时域性能约束窗口，ncd outport模块的时域性能约束窗口在 ncd outport(signal constraint)模块的时域性能约束窗口中，执行options(goals)step response(desired response)命

8、令，打开设置阶跃响应特性约束参数的设置窗口。在该窗口中，设置阶跃响应曲线的调整时间(settling time)为600、上升时间(rise time)为350、超调量(percent over shoot)为20和阶跃响应的优化终止时间（final time）为2000，其余参数采用默认值，5、设置优化参数 在本例中为进行pid控制器的优化设计，将pid控制器的参数kc、ti和td作为ncd outport(desired response)模块的优化参数，故首先利用optimizationparameters（tuned parameters）命令，打开设置优化参数（optimizatio

9、n parameters）的窗口。然后在该窗口中的优化变量名称（tunable varables）对话框中填写：kc,ti,td（各变量间用西文逗号或空格分开），其余参数采用默认值，如图4-34所示。最后单击该窗口中的【done】按钮接收以上数据。（add） 6、开始控制器参数的优化计算在完成上述的参数设置过程后，用鼠标单击ncd outport模块的时域性能约束窗口中的【start】按钮，便开始对系统中的pid控制器模块的参数进行优化计算。在优化计算过程中，系统的响应曲线变化情况在时域约束窗口中显示，7、优化结束后，在系统模型窗口图中，再次启动仿真，在示波器中便可得到如图4-36所示的单位阶

10、跃响应曲线。该曲线应该就是图4-35中优化结束后的最优曲线。由此可见，pid控制器参数进行优化后，系统的动态性能指标完全满足设计要求。在matlab窗口中利用以下命令，便可得到pid控制器的优化参数。 kc,ti,td五、 实验报告要求1根据系统的单位阶跃响应曲线，估计系统在pid控制时阶跃响应的超调量和过渡过程时间大约为多少？2说明利用simulink对pid控制器参数自整定时的优缺点。3根据附录实验报告格式和以上要求写出实验报告。实验三 水箱液位pid控制一、 实验目的1）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。2）、研究系统分别用p、pi和pid调节器时的阶跃响应。3）、研究系

11、统分别用p、pi和pid调节器时的抗扰动作用。4）、定性地分析p、pi和pid调节器的参数变化对系统性能的影响。5）、掌握临界比例度法整定调节器的参数。6）、掌握4：1衰减曲线法整定调节器的参数。二、 实验设备1）、thgk-1型过程控制实验装置： gk-03、gk-04 gk-06 gk-07-22）、万用表一只3）、秒表一只4）、计算机系统三、实验原理1、单容水箱液位控制系统图6-1、单容水箱液位控制系统的方块图 图6-1为单容水箱液位控制系统。这是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。单回路控制系统由于结构简单、投

12、资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。 当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至使系统不能正常工作。因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定值无偏差存在。一般言之，用比例（p）调节器的系统是一个有

13、差系统，比例度的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（pi）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数，ti选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（pid）调节器是在pi调节器的基础上再引入微分d的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善 图6-3、p、pi和pid调节的阶跃响应曲线系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，p、pi、pid调节系统的阶跃响应分别如图6-3中的曲线、所示。2、双容水箱液位控制系统图7-1、双容水箱液位控制系统的方框图图7-1为双容水箱液位控制系统。这是一个单回路控制系统，有两个水箱相串联，控

14、制的目的是既要使下水箱的液位高度等于给定值所期望的值，又要具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。显然，这种反馈控制系统的性能主要取决于调节器gk-04的结构和参数的合理选择。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。 对于阶跃输入（包括阶跃扰动），这种系统用比例（p）调节器去控制，系统有余差，且与比例度近似成正比，若用比例积分（pi）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数和ti选择的合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（pid）调节器是在pi调节器的基础上再引入微分d的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。四、实

15、验内容与步骤1、单容水箱液位控制系统（一）、比例（p）调节器控制1）、按图6-1所示，将系统接成单回路反馈系统（接线参照实验一）。其中被控对象是上水箱，被控制量是该水箱的液位高度h1。 2）、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。3）、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好准备。4）、在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调到等于给定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处）。5）、观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可将调节器切换到纯比例自动工作状态（积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的

16、开关都处于“关”的位置，比例度设置于某一中间值，“正-反”开关拔到“反”的位置，调节器的“手动”开关拨到“自动”位置），让系统投入闭环运行。6）、待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现）。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。7）、减小，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。8）、增大，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。9）、选择合适的值就可以得到比较满意的过程控制曲线。10）、注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。（二）、比例积分调节器（pi）控制1）、在比例调节实验的基础上，加入积

17、分作用（即把积分器“i”由最大处“关” 旋至中间某一位置，并把积分开关置于“开”的位置），观察被控制量是否能回到设定值，以验证在pi控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。2）、固定比例度值（中等大小），改变pi调节器的积分时间常数值ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同ti值时的超调量p。 表二、值不变、不同ti时的超调量p积分时间常数ti大中小超调量p3）、固定积分时间t i于某一中间值，然后改变的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同值下的超调量p。 表三、ti值不变、不同值下的p比例度大中小超调量p4）、选择合适的和ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条

18、较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。（三）、比例积分微分调节（pid）控制1）、在pi调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把d打开。然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与实验步骤（二）所得的曲线相比较，由此可看到微分d对系统性能的影响。2）、选择合适的、ti和td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现）。3）、用计算机记录实验时所有的过渡过程实时曲线，并进行分析。2、双容水箱液位控制系统（一）、比例（p）调节器控制1）、按图7-1所示，将系统接成单回

19、路反馈控制系统（接线参照实验一）。其中被控对象是下水箱，被控制量是下水箱的液位高度h2。 2）、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。3）、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好准备。4）、在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被控制量调到等于给定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处）。5）、观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可将调节器切换到纯比例自动工作状态（积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关”的位置，比例度设置于某一中间值，“正-反”开关拔到“反”的位置，调节器的“手动”开关拨到

20、“自动”位置），让系统投入闭环运行。6）、待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现）。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。7）、减小，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。8）、增大，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。9）、选择合适的值就可以得到比较满意的过程控制曲线。10）、注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。（二）、比例积分调节器（pi）控制1）、在比例调节实验的基础上，加入积分作用（即把积分器“i”由最大处旋至中间某一位置，并把积分开关置于“开”的位置），观察被控制量是否能回到

21、设定值，以验证在pi控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。2）、固定比例度值（中等大小），改变pi调节器的积分时间常数值ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同ti值时的超调量p。 表二、值不变、不同ti时的超调量p积分时间常数ti大中小超调量p3）、固定积分时间t i于某一中间值，然后改变的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同值下的超调量p。 表三、ti值不变、不同值下的p比例度大中小超调量p4）、选择合适的和ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。（三）、比例积分微分调节器（p

22、id）控制1）、在pi调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把d打开。然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与实验步骤（二）所得的曲线相比较，由此可看到微分d对系统性能的影响。2）、选择合适的、ti和td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现）。3）、用秒表和显示仪表记录一条较满意的过渡过程实时曲线。（四）、用临界比例度法整定调节器的参数 在实际应用中，pid调节器的参数常用下述临界比例度法来确定。用临界比例度法去整定pid调节器的参数既方便又实用。它的具体做法是：1）、待系统稳定后，将调节器置于纯

23、比例p控制。逐步减小调节器的比例度，并且每当减小一次比例度，待被调量回复到平衡状态后，再手动给系统施加一个5%15%的阶跃扰动，观察被调量变化的动态过程。若被调量为衰减的振荡曲线，则应继续减小比例度，直到输出响应曲线呈现等幅振荡为止。如果响应曲线出现发散振荡，则表示比例度调节得过小，应适当增大，使之出现如图7-4所示的等幅振荡。 图7-3为它的实验方块图。图7-3、具有比例调节器的闭环系统2）、在图7-3所示的系统中，当被调量作等幅振荡时，此时的比例度就是临界比例度，用k表示之，相应的振荡周期就是临界周期tk。据此，按下表所列出的经验数据确定pid调节器的三个参数、ti和td 。图7-4、具有

24、周期tk的等幅振荡 表四 、用临界比例度k整定pid调节器的参数调节器参数调节器名称kti(s)td(s)p2kpi2.2ktk/1.2pid1.6k0.5tk0.125tk3）、必须指出，表格中给出的参数值是对调节器参数的一个初略设计，因为它是根据大量实验而得出的结论。若要获得更满意的动态过程（例如：在阶跃作用下，被调参量作4：1地衰减振荡），则要在表格给出参数的基础上，对、ti（或td）作适当调整。（五）、用衰减曲线法整定调节器的参数：与临界比例度法类似，不同的是本方法先根据由实验所得的阻尼振荡衰减曲线（为4 :1），求得相应的比例度s和曲线的振荡周期ts，然后按表五给出的经验公式，确定调

25、节器的相关参数。对于4:1衰减曲线法的具体步骤如下：1）、置调节器积分时间ti到最大值（ti=），微分时间td为零(td=0)，比例度为较大值，让系统投入闭环运行。2）、待系统稳定后，作设定值阶跃扰 图7-5 4:1衰减响应曲线动，并观察系统的响应。若系统响应衰减太快，则增大比例度；反之，系统响应衰减过慢，应减小比例度。如此反复直到系统出现如图7-5所示4:1的衰减 振荡过程。记下此时的比例度s和振荡周期 ts的数值。 3）、利用s和ts值，按表五给出的经验公式，求调节器参数、ti和td数值。表五 4:1衰减曲线法整定计算公式调节器参数调节器名称titdpspi1.2s 0.5tspid0.8

26、s0.3ts0.1ts五、实验报告要求1）、绘制单/双容水箱液位控制系统的方块图。2）、用接好线路的单回路系统进行投运练习，并叙述无扰动切换的方法。3）用临界比例度法和衰减曲线法分别计算p、pi、pid调节的参数，并分别列出系统在这三种方式下的余差和超调量。4）、p调节时，作出不同值下的阶跃响应曲线。5）、pi调节时，分别作出ti不变、不同值时的阶跃响应曲线和不变、不同ti值时的阶跃响应曲线。6）、画出pid控制时的阶跃响应曲线，并分析微分d的作用。7）、比较p、pi和pid三种调节器对系统余差和动态性能的影响。六、注意事项1）、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。2）、必须

27、在老师的指导下，启动计算机系统和单片机控制屏。3）、若参数设置不当，可能导致系统失控，不能达到设定值。七、思考题1）、如何实现减小或消除余差？纯比例控制能否消除余差？2）、试定性地分析三种调节器的参数、（、ti）和（、ti和td）。的变化对控制过程各产生什么影响？3）、实验系统在运行前应做好哪些准备工作？4）、为什么双容液位控制系统比单容液位控制系统难于稳定？5）、有人说：由于积分作用增强，系统会不稳定，为此在积分作用增强的同时应增大比例度，你认为对吗？为什么？6）、试用控制原理的相关理论分析pid调节器的微分作用为什么不能太大？7）、为什么微分作用的引入必须缓慢进行？这时的比例度是否要改变？

28、为什么？8）、调节器参数（、ti和td）的改变对整个控制过程有什么影响？实验四 水箱压力的pid调节控制一、 实验目的1）、了解压力传感器的结构原理及使用方法。2）、研究单回路压力pid控制系统。3）、掌握手动/自动无扰动切换的方法。4）、学会用反应曲线法对pid参数进行整定。二、 实验装置1）、tkgk-1 型过程控制实验装置： pid调节器gk-04、变频器gk-07-22）、计算机及监控软件三、 实验原理1、 压力传感器变送原理简介1）、扩散硅压力传感器图1 惠登斯电桥 扩散硅压力传感器是利用单晶硅的压阻效应，采用ic工艺扩散四个等值应变电阻，组成惠斯登电桥，不受压力作用时，电桥处于平衡

29、状态；当受到压力（或压差）作用时，电桥的一对桥臂电阻变大，另一对变小，电桥失去平衡。若对电桥加一恒定的电压，便可检测到对应于所加压力的电压信号，从而到达测量液体、气体压力大小的目的。 随着传感器制造工艺水平的提高，具有内部温度补偿和校准的高精度，高灵敏度的硅压力传感器已广泛应用于气体压力测量和液位、压力控制系统。 本装置采用的mpx2010dp型传感器，则是在芯片上集成了一个激光敏感调节电阻，用以偏置校准和温度补偿，它由单个x型压敏电阻代替了以往由4个电阻组成的惠斯登电桥。mpx2010dp的压力范围为：010kpa,灵敏度为：0.01kpa(1mmh2o)。2)、压力传感器变送原理 空气管传

30、感方式：将一根管子（如橡皮或塑料）竖直立起，其一端放于液体容器中，另一端完全敞开，则管子里面的液面与容器中的是完全相同的。若将管子的上端封住（如接到mpx2010dp的压力面），管子内就会留有一定体积的气体。当容器内液位变化时，管内空气的压力将会成比例地变化。2.单回路压力控制系统方框图单回路压力控制系统如图2所示。系统如要实现无扰动地由手动操作切换到自动运行，则要求调节器自动地跟踪手动输出，且要在切换时使用测量值与给定值无偏差存在。图2 单回路压力控制系统 改变pid 调节器参数、i和d可以影响系统的闭环特性，从而改变控制系统的控制品质。整定调节器参数通常有临界比例度法、衰减振荡法。由于本系

31、统的被控对象是一阶惯性环节、且时间滞后很小，所以很难产生振荡曲线，因此我们在这里采用反应曲线法来整定系统的参数。四、 实验内容与步骤图3 单容水箱压力控制系统结构图1、按图9-1所示，将系统接成单回路反馈系统（接线参照实验一）。其中被控对象是上水箱，被控制量是上水箱的液体压力。2、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点和增益。3、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线做好准备。4、在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调到等于给定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处）。5、 反复调节手动输出值，使给定值与反馈值基本上保持

32、相等且稳定后，把手动开关拨到自动，实现无扰动切换。6、 用反应曲线法整定系统参数： 1）、将调节器置于手动状态，图4 阶跃响应曲线并使调节器输出一个阶跃信号，记录被控制量压力的响应曲线如图9-4所示。有该图可确定、和，其中按下式确定：=y()- y(0)/ 0 (式中0为给定值)图4 阶跃响应曲线根据所求的、和，利用下表所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4:1时调节器的相关参数。反应曲线法整定计算公式调节器参数控制规律（%）idp/pi1.1/3.3pid0.85/20.5五、 实验报告要求1）、写出常规的实验报告内容。2）、叙述无扰动切换的方法。六、 思考题1）、实验时为什么不能实现系

33、统的手动/自动完全无扰动切换，应该怎样才能实现完全无扰动切换？2）、为什么要强调无扰动切换？它能满足过程控制生产中的哪些要求？3）、与衰减曲线法和临界比例法相比，反应曲线有什么优缺点？实验五 串级水位控制系统设计一、 实验目的1）、熟悉串级控制系统的结构与控制特点。2）、掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。3）、研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。二、 实验设备1）tkgk-1型过程控制实验装置：变频调速器(gk-07-2)直流调速器(gk-06) 模拟pid调节器（gk-04）二台 2）万用电表一只、计算机系统和gk-03三、 实验原理 图12-1、液位串级控制系统

34、的方框图1、串级控制系统的组成图12-1为一液位串级控制系统的方框图（图12-2为其结构图）。这种系统具有2个调节器，主、副两个被控对象，2个调节器分别设置在主、副回路中。设在主回路的调节器称为主调节器，设在副回路的调节器称为副调节器。两个调节器串联连接，主调节器的输出作为副回路的给定量，副调节器的输出去控制执行元件。主对象的输出为系统的被控制量h2，副对象的输出h1是一个辅助的被控变量。2、串级系统的抗干扰能力串级系统由于增加了副回路，因而对于进入副回路的干扰具有很强的抑制作用，使作用于副环的干扰对主变量的影响大大减小。主回路是一个定值控制系统，而副回环是一个随动控制。在设计串级控制系统时，

35、要求系统副对象的时间常数要远小于主对象。此外，为了保证系统的控制精度，一般要求主调节器设计成pi或pid调节器，而副调节器则一般设计为比例p控制，以提高副回路的快速响应。在搭实验线路时，要注意到两个调节器的极性（目的是保证主、副回路都是负反馈控制）。 3、串级控制系统与单回路的控制系统相比 串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象的特性，使等效副对象的时间常数减小，系统的工作频率提高，从而改善了系统的动态性能，使系统的响应加快。同时，由于串级系统具有主副两只调节器，使它的开环增益变大，因而使系统的扰干扰能力增强。4、串级控制系统的参数整定串级控制系统中两个控制器的参数都需要进行整定，其中任一个

36、控制器任一参数值发生变化，对整个串级系统都有影响。因此，串级控制系统的参数整定要比单回路控制系统复杂。常用的整定方法有：逐步逼近法、一步整定法、两步整定法。四、 实验步骤1）按图12-1和图12-2，连接好实验线路，并进行零位与增益的调节。2）正确设置pid调节器的开关位置： 副调节器：纯比例（p）控制，反作用，自动，kc2（副回路的开环增益）较大。 主调节器：比例积分（pi）控制，反作用，自动，kc1 kc2（kc1主回路开环增益）。3）利用一步整定法整定系统： a、先将主、副调节器均置于纯比例p调节，并将副调节器的比例度调到30%左右。 b、将主调节器置于手动，副调节器置于自动，通过改变主

37、调节器的手动输出值使下水箱液位达到设定值。 c、将主调节器置于自动，调节比例度，使输出响应曲线呈4:1衰减，记下s和ts，据此查表求出主调节器的和ti值。（注）：阀4的开度必须小于阀2的开度实验才能成功。五、 实验报告要求1）、记录实验过程曲线。2）、扰动作用于主、副对象，观察对主变量（被控制量）的影响。3）、观察并分析副调节器kp的大小对系统动态性能的影响。4）、观察并分析主调节的kp与ti对系统动态性能的影响。六、思考题1）、试述串级控制系统为什么对主扰动具有很强的抗扰动能力？如果副对象的时间常数不是远小于主对象的时间常数时，这时副回路抗扰动的优越性还具有吗？为什么？2）、采用一步整定法的

38、理论依据是什么？3）、串级控制系统投运前需要做好那些准备工作？ 主、副调节器的内、外给定如何确定？正、反作用如何确定？4）、为什么副调节器可以不设计为pi调节器？5）、改变副调节器比例放大倍数的大小，对串级控制系统的扰动能力有什么影响？试从理论上给予说明。 6）、分析串级系统比单回路系统控制质量高的原因。实验六 前馈-反馈控制系统仿真实验 一、实验目的 1学会利用matlab/simulink对前馈-反馈控制系统进行参数整定。 2学会利用matlab/simulink分析前馈-反馈控制系统的抗干扰能力。二、实验设备 安装windows系统和matlab软件的计算机一台。三、实验内容 已知前馈-

39、反馈控制系统中控制通道和干扰通道的传递函数分别为： 假设反馈控制器 采取pi控制，试整定该系统。四、实验步骤1根据前馈-反馈控制系统的方框图，利用题给传递函数建立如图所示系统的 simulink仿真模型。图中pid controller模块(pid controller)复制于simulink的扩展模块库simulink extras中，它的参数分别设置为kc、ti和0。2断开图中开关switch1和switch2，使系统处于无干扰的反馈运行状态下，按照单回路方法整定该系统的反馈控制器的参数，直到得出满意的结果，单位阶跃响应曲线如图所示（kc=1.6；ti=0.618）。3由于系统干扰通道和控

40、制通道的传递函数已知，故前馈控制器的传递函数可直接根据式（5-3）求得，即4、闭合开关switch1和switch2，并将switch分别置于左侧和右侧，即前馈-反馈控制系统在脉冲干扰（时间为t=3035，幅值为0.5）和随机噪声干扰作用下的阶跃响应仿真曲线，如图所示。5断开开关switch1，闭合开关switch2，并将switch分别置于左侧和右侧，即反馈控制系统分别在脉冲干扰和随机噪声干扰作用下的阶跃响应仿真曲线，如图所示。(a) 脉冲干扰 (b) 随机噪声干扰五、实验报告要求1比较前馈-反馈系统和反馈控制系统的抗干扰能力。2根据附录实验报告格式和以上要求写出实验报告。六、思考题 有了前

41、馈补偿器后，试问反馈控制部分是否还具有抗扰动的功能。实验七 单片机液位控制系统一、实验目的1）、熟悉单片机与计算机的操作。2）、了解单片机与上位机的通讯过程。二、实验设备 1）、tkgk-1型过程控制实验装置： 单片机控制屏gk-03，变频器gk-07-2; 2）、计算机及监控软件； 3）、万用表一只。三、实验原理图1单片机的单回路控制系统图 由检测变送元件输出的检测信号，进入单片机的模拟量输入口，然后由单片机对检测信号与给定值进行比较和运算，得到输出控制信号。单片机在过程控制中：一是作为控制器与参数检测元件、变送器及执行机构组成一个直接数字控制系统（ddc），对多个被控量进行巡回监控；二是依

42、靠串行口com1数据通讯与计算机连接，实现计算机数据采集与显示。虽然单片机控制是断续的，但对于时间常数较大的系统来说，它的控制效果近似于连续控制，因此，用数字pid完全可以代替模拟pid，同样可得到比较满意的控制效果。四、实验步骤 1、熟悉单片机的操作（具体操作，见本书第一部分产品使用说明的gk-03单片机控制屏的使用说明）。 2、按图14-1连接系统：将液位检测信号送至单片机，再用单片机输出的模拟信号控制交流变频器，进而控制电机的转速，从而形成一个闭环系统，实现水位自动控制。 3、利用gk-03的控制键盘设定单片机系统参数（包括给定值sp、pid参数（pb、i、d）、采样周期st、标尺上限ch、标尺下限cl、正反作用ua、手动/自动an、输出通道op等）。 4、通过衰减曲线法找到最佳参数（可利用交流电机作为执行机构，直流电机作为干扰源）。 1）、置调节器积分时间i到最大值（i=），微分时间d为零（d=0），比例度为较大值，让系统投入闭环运行。 2）、待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统的响应。若系统响