《先进过程控制系统》实验指导书

1、先进过程控制系统实验指导书过程控制系统实验2实验一 组合型过程控制系统简介及过程控制演示2实验二 传感器、执行器实验8实验三 系统动态特性的测试10实验四 液位单回路控制系统的设计及参数整定12实验五 PLC和DCS综合控制演示14仿真实验24实验一 MATLAB与SIMULINK熟悉实验24实验二 过程参数PID控制仿真25实验三 复杂过程对象PID控制仿真26实验四 非线性控制时滞系统迭代学习控制算法仿真27实验五 利用输入-输出的模型参考自适应控制系统的设计与仿真29过程控制系统实验实验一 组合型过程控制系统简介及过程控制演示一、 FESTO紧凑型过程控制系统介绍FESTO紧凑型过程控制

2、系统如图1-1所示，在这套系统上，我们可以进行液位、温度、压力、流量的控制。 图 1-1二、 组合式过程控制系统介绍结合过程计算机控制系统理论的学习，我们研制了一套组合式过程控制系统，这套系统可以通过灵活、方便的管路组合，实现过程控制中的五种典型控制方式单回路控制，串级控制、前馈控制、均匀控制和比值控制。三、 主要仪器与设备1、 计算机2、 接口 研华 USB-4711AUSB-4711A系列包括即插即用数据采集模块，因此无需再打开您的计算机机箱来安装板卡。仅需插上模块，便可以采集到数据，简单高效。USB-4711A是给任何带有USB端口的计算机增加测量和控制能力的最佳途径。它通过USB端口获

3、得所有所需的电源，所以它无需连接外部的电源。USB-4711A在一块卡上包含了所有的数据采集功能，如：16路AI，2路AO，8路DI，8路DO，1路32位计数器，其中A/D数据采集为12位。USB-4711A板卡的如图1-2。图 1-2 USB-4711A板卡 图 1-3 I/O 接口针脚定义表 1.1：I/O 接口信号描述3.水箱：水箱如图1-4所示。技术参数见表1-1。 图 1-4表1-1工作温度最大：+65外部尺寸宽度深度高度240 mm190 mm385 mm材质塑料螺旋接口15 mm 直径3、 流量传感器 流量传感器如图1-5，主要技术参数见表1-2。 表 1-2工作电压5 to 1

4、2 V DC工作电流6 to 33 mA输出信号方波信号，512 V频率范围13 to 1200 HZ测量范围0.5 to 15.0 l/min工作压力80°C max。 6bar 工作温度0°C to 65°C接线方式白：电源正绿：电源负褐：输出+图 1-54、 比例阀1094-PMR 比例阀如图1-6，主要技术指标见表1-3。 表 1-3工作电压24 V DC功率8 W工作压力0 to 0.5 bar环境温度Max。+55°C媒介自然媒介，如水、压缩空气媒体温度0°C to +65°C 图 1-61094-PMR比例阀接口如图1-

5、7所示。端子2：+24V，端子3：24V地，端子4：输出控制信号。R1：最小流量调节，R2：最大流量调节，R3：延迟时间调节。S1：（on）：中频（2832），S2：（off） 图 1-75、 液位传感器主要技术参数见表1-4 表 1-4工作电压24 V DC测量范围0400 mm输出信号05 V DC工作温度-40120°C接线方式红：电源正黑：电源负蓝：输出+6、 温度传感器 主要技术参数见表1-5 表 1-5工作电压24 V DC测量范围0100 °C输出信号05 V DC接线方式红：电源正绿：电源负黄：输出+7、 管路、接头、手动阀管路、接头、手动阀如图1-8所示。

6、系统所有部件的连接都是直接插拔，非常方便。 图 1-8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比例阀开度的控制。3、 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。并在计算机内将其转换成对应的高度。将测量数据填入下表。 高度输出250 mm200 mm150 mm100 mm50 mm万用表测量值（伏）A/D 口测量值 (伏)机内转换高度（mm）相对误差（%） 2、 温度传感器的

7、测试 改变水箱内水的温度，用温度计测量出水温，同时利用万用表和USB-4711A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。温度计（度）传感器输出电压（伏）A/D口测量电压 (伏)机内转换温度（度）相对误差（%）3、 流量传感器的测试 调节手动阀以改变流量传感器所在管路中的流量，利用USB-4711A的计数口测量流量传感器单位时间内输出的脉冲数，并转换成对应的流量。将测量结果填入下表。脉冲数（个/秒）流量（l/min）4、 比例阀的控制 通过USB-4711A的D/A口向比例阀输出控制，比较机内控制电压与实际输出电压，并将结果填入下表。控制量（伏）

8、02.557.510测量值（伏）相对误差（%）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？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 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 原理 对于液位系统，根据动态物料平衡关系有 式中： 输入流量； 输出流量； 液位高度； A水箱截面积； 、分别为偏离某一平衡状态、的增量。在静态时，当变化时，、也将发生变化，由流体力学可知，流体在紊

9、流情况下，与流量之间为非线性关系，为简化起见，作线性化处理。近似认为与在工作点附近成正比，而与出水阀的阻力（称为液阻）成反比，即 或 由、，消去中间变量，再求拉氏变换得单容液位过程的传递函数为： 关闭所有出水阀，向水箱内注水至260mm左右，然后按图3-1将出水阀旋开至适当位置，测量给定液位高度所对应的流量值，填入下表。并根据式求液位对象的模型。h (mm)120160200240（l/min）其中水箱的截面积。 四、思考题1、分析可能造成模型不准确的原因。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

10、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 。 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、和值。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。实验次数调节器参数性能指标1234四、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？实验五 PLC和DCS综合控制演示一、 CS4000高级过程控制实

11、验装置对象介绍CS4000高级过程控制实验装置对象如图6-1所示，采用四容液位控制体系和两容温度控制体系，主要包括：1、两个独立的水路动力系统，一路由循环泵、电动调节阀、电磁流量计组成（主管路）；另一路由变频器、循环泵、涡轮流量计组成（副管路），由变频器调节流量，涡轮流量计检测流量。2、四个有机玻璃水箱组，每个水箱均装有液位变送器；通过阀门切换，任何两组动力的水流可以到达任何一个水箱。3、一个加热水箱和一个温度纯滞后水箱，安装多个Pt100热电阻检测仪表，由一个可控硅控制的电加热管提供热源，通过调节电加热管功率或待加热水量以达到控制水温的目的。图 6-1 CS4000高级过程控制实验装置对象采

12、用PLC控制系统或DCS控制系统，我们可以进行液位、温度、压力、流量的控制实验。二、PLC介绍实验室使用的是西门子S7 300系列PLC，主要由电源，CPU，数字量输入输出，模拟量输入输出模块组成，本次试验用到的是模拟量输入输出模块，如图6-2所示。图6-2 PLC三、DCS组态原理DCS的组态过程是一个循序渐进、多个软件综合应用的过程，在应用AdvanTrol-Pro软件对控制系统进行组态时，可针对系统的工艺要求，逐步完成对系统的组态。图6-3 系统组态工作流程图四、实验演示1、液位对象PLC控制演示1) 点击图标，进入step7编程界面，新建一个新的项目，如下图所示， 2) 在My_Prj

13、2项目内插入S7-300工作站：SIMATIC 300(1)3) 单击SIMATIC 300(1)，选择hardware，进入硬件组态窗口，如下图所示4) 插入0号导轨：（0）UR；插入各种S7-300模块。分别如下图所示，本次实验用到的模块包括PS 307 10A(6ES7 307-1KA01-0AA0);CPU 314(6ES7 314-1AG13-0AB0);SM 331 AI 8*12bit(6ES7 331-7KF02-0AB0);SM332 AO*12bit(6ES7 332-5HF00-0AB0) 配置电源模块 配置CPU 配置模拟量输入模块 配置模拟量输出模块 5) 硬件组态，

14、如下图所示6) 编写程序。7) 选择My_prj2程序，单击My_prj2，选择SIMATIC 300(1),最后点击如图所示的下载按钮，这就完成了程序的下载。8) 点击图标，进入WINCC程序，选择levelcontrol项目，单击激活按钮，激活WINCC监控程序。9) 在WINCC监控画面中设定液位值。10) 调整PID参数值，是系统的控制性能达到最优，液位的实时曲线可点击“实时曲线”按钮查看。11) 待液位稳定于设定值时，改变液位值的大小，经过一段调节时间，水位稳定至新的设定值，观察此时系统的响应曲线。监控画面如图1.4,1.5所示.图6-4图6-52、温度对象DCS控制演示在动手组态前

15、，首先应将系统构成、卡件布置图、测点清单、数据分组方法、系统控制方案、监控画面、报表内容等组态所需的所有文档资料收集齐全。本实例中控制系统由1个控制站、1个工程师站、8个操作员站组成。控制站IP地址为（02），工程师站IP地址为129，操作员站IP地址为（130137）。系统有1个操作小组。1） 在桌面上点击图标，将弹出SCKey文件操作界面，点击“新建组态”命令，文件命名为“实验”。在组态界面的工具栏中点击命令按钮，弹出主机设置界面，选择“主控制卡”页面，点击“增加”命令，设置参数，组态后的界面如图所示。选择“操作站”页面，点击“增加”命令，增加1个工程师站，8个操作员站，组态后的界面如图所

16、示。2） 在系统组态界面的工具栏中点击命令按钮，弹出I/O组态界面，选择“数据转发卡”界面，点击“增加”命令，组态完成后的界面如图所示选择“I/O卡件”界面，选择主控制卡项和数据转发卡项，点击“增加”，按工程设计要求组态I/O卡件。I/O卡件组态完成后的界面如图3所示选择“I/O点”界面，选择主控制卡项选择、数据转发卡项和I/O卡件项，点击“增加”，增加一个I/O点，点击“参数”栏下的按钮，弹出图5所示对话框，设置参数：按照以上步骤继续添加其他位号，按工艺及测点清单要求将所有控制站I/O点位号组态完成。3）在系统组态界面工具栏中点击按钮，弹出自定义控制算法设置对话框。选择算法程序所属的控制站，

17、点击图形编程中的“编辑”命令，进入到图形编程的工程界面。点击工具栏中的“新建程序段”按钮，点击“功能块选择”按钮，弹出选择模块对话框，将编程所需的所有模块拷贝到编程界面中。点击“连线”按钮，在需要连接的两个管脚上各点击一下，可将这两个管脚连接起来。将各模块按程序要求连接起来。在工具栏中点击编译按钮，检查程序有无语法、逻辑上的错误。4）在系统组态界面工具栏中点击图标，进入操作站流程图设置界面。点击“编辑”命令，进入流程图制作界面，按工艺要求绘制流程图。5）在SCKey组态界面工具栏中点击按钮，编译正确后，在系统组态界面工具栏中点击下载命令按钮，组态下载结束后，点击“关闭”命令。在SCKey组态界

18、面工具栏中点击发布命令按钮，点击“发布组态”按钮，向所有操作站发布组态。选择需要通知更新的操作站或工程师站，再点击“通知更新”按钮。6）点击图标，进入监控界面，点击进入“流程图”，界面如图所示。图6 流程图点击“实验选择”，设定一个合适的温度设定值。设置PID参数，点击“调整画面”，观察实时曲线。图7 调整画面待水温稳定于给定值时，改变设定值的大小，经过一段调节时间后，水温稳定至新的设定值，观察此时系统的响应曲线。仿真实验实验一 MATLAB与SIMULINK熟悉实验一、实验目的了解MATLAB与SIMULINK工作原理，掌握它们在过程控制系统仿真实验中的应用。 二、实验要求掌握MATLAB中

19、.m编程方法，掌握SIMULINK建模方法。三、实验步骤1MATLAB的安装、启动2MATLAB基本命令、操作、语法练习3M文件编程练习4SIMULINK建模练习实验二 过程参数PID控制仿真一、实验目的掌握建立过程对象模型的方法和单回路PID控制设计方法。二、实验要求分别用M文件和SIMULINK建立系统模型，整定PID参数，进行仿真实验。三、实验步骤给定某一液位过程系统的模型为 (1)1.给出(1)系统在单位阶跃信号作用下的响应。2.期望输出y=1，设计PID控制回路：a.编写M文件，建立单回路过程控制系统，整定PID参数，记录响应曲线。b.使用SIMULINK建立单回路过程控制系统，整定

20、PID参数，记录响应曲线。四、思考题1比较M文件和SIMULINK的仿真结果，如果有差异，试分析原因。2给出PID整定过程。实验三 复杂过程对象PID控制仿真一、实验目的掌握串级控制系统参数整定方法。二、实验要求建立串级控制系统模型，整定PID参数，采用Simulink进行系统仿真实验。三、实验内容某串级控制系统结构框图如下，系统中有两个PID控制器，PID2所在内环称为副回路，PID1所在外环称为主回路。主调节器的输出控制量作为副回路的给定量。1期望输出y=1，根据结构图构造Simulink模型文件。2整定控制器参数，观察仿真曲线。四、思考题1给出控制器参数整定过程。 实验四 非线性控制时滞

21、系统迭代学习控制算法仿真一、实验目的掌握给定系统建立迭代学习控制算法仿真模型的方法。 二、实验要求通过MATLAB与SIMULINK的结合建立给定系统的迭代学习控制仿真的模型。三、模型介绍给定的非线性控制时滞系统的模型为： （4.1） 其中，是可量测重复干扰，当时，。期望轨迹，选取，初始控制函数为，表示迭代次数，随着迭代的进行，。仿真程序采用的是超前型带遗忘因子的开环PD型迭代学习控制算法： 式中，是遗忘因子，当时，。学习增益矩阵、有界，。四、实验步骤1、给定程序针对的仿真情形为：系统初值无偏差、且。要求理解给定的仿真程序，验证仿真图像4.1、4.2。 图4.1 的输出跟踪曲线 图4.2 输出

22、误差曲线2、针对（4.1）系统，当仿真情形变为：（1）、系统初值无偏差、且；（2）、系统初值偏差在之间随机变化、且；（3）、系统初值偏差在之间随机变化、且要求对所给程序做出适当修该，得出对应的的输出跟踪曲线图和输出误差曲线图，并在实验报告中写明对程序所做的修改。实验五 利用输入-输出的模型参考自适应控制系统的设计与仿真一、实验目的掌握模型参考自适应控制系统的设计思路、控制算法和程序编制。 二、实验要求通过MATLAB语言编写程序设计一个自适应控制系统，并仿真验证。三、实验内容现有一个某伺服系统可用下列数学模型描述式中为过程参数，未知，并且随工作环境和条件的改变而变化。借助李雅普诺夫稳定理论，设

23、计一个利用输入/输出信息的模型参考自适应控制系统，使它具有良好的跟踪能力、抗干扰能力和适应过程参数变化能力。1.系统设计根据知，相对阶为。（1）参考模型的确定。参考模型的选择应使其输出具有理想的特性，如无稳态误差，适当的动态指标，并且其分子分母的阶次应与过程相同。式中参考模型的状态方程和输出方程为 （5.1）根据对系统动态性能和稳定性的要求，这里取：过程输出应由测量获得，对于仿真，可由下列状态空间表达式计算得到 （5.2）为方便仿真，不妨设：。输出误差为 （5.3）（2）的选择。它的选择应使相对阶为1，所以选式中，选大于零的数，这里取。（3）辅助信号发生器的状态方程。应选式中，有 （5.4）

24、（5.5）式中，应满足关系式：（4）信号向量和可调参数向量分别为滤波向量 （5.6）参数调节规律 （5.7）控制规律 （5.8）2.控制算法步骤用Matlab语言编写程序：1) 初始化有关量：等；2) 由式（5.1）求，测取，仿真由式（5.2）求，并由式（5.3）计算；3) 根据式（5.4）和式（5.5），用数值积分法求；4) 用数值积分法，由式（5.6）和式（5.7）分别求；5) 由式（5.8）求控制量；6) 移位处理有关量，判断是否达到预定步数：否，去第2）步；是，去第7)步；7) 打印图形，停止运行。3.实验仿真选取计算步长，设定可调参数初值和正定对称矩阵分别为：然后做跟踪仿真、抗干扰仿

25、真和抗过程参数变化仿真。1) 参考输入为方波信号，幅值为1，要求理解给定的仿真程序，验证仿真图像5.1、5.2。图5.1跟踪响应 图5.2 输出误差2) 参考输入为单位阶跃信号，当t=30时，在过程输出端加一幅值为0.3的恒值干扰，对所给程序进行修改，得到的曲线。3) 参考输入为单位阶跃信号，当t=30时，过程参数发生突然变化：；对所给程序进行修改，得到的曲线。四、思考题1. 本实验用数值积分法（欧拉法）仿真，请简述欧拉法的原理。附录：实验四程序：（整个仿真程序由一个Matlab的.m文件和两个Simulink仿真结构图构成，如下所示）%先运行p型迭代学习 控制再运行该程序，得到对比图clea

26、r;clc;P=0.0;D=0.5; %（pd型增益系数）u0=0.0; %（取e和e1的二范数）for k=1:40 %最好要小于时间采样点数 （当然要小于）0.4*rand(1)*(-1)k z=5(-k); 156+10*rand(1)*(-1)k z=2(-k); v=0.0*rand(1)*(-1)k; % v=0; if k=1 sim('one',1,); else sim('two',1,); end ne(k)=norm(e); switch k case 1 yk1=y; case 2 yk2=y; case 3 yk3=y; case 4

27、yk4=y; case 5 yk5=y; case 6 yk6=y; case 7 yk7=y; case 9 yk9=y; case 10 yk10=y; case 15 yk15=y; case 20 yk20=y; endend figure(1) plot(t,yd,'-r',t,yk1,'.g',t,yk2 ,'-b',t,yk5,':m',t,yk10,'-.k','linewidth',2); %绘制期望t,yk1,'.g',轨迹与实t,yk1 ,'.b'

28、;,际输出轨迹曲线，并设t,yk2,'-',置相应的曲线颜色,t,yk7,'.b',t,yk5,':m',h=legend('yd(t)','k=1','k=2','k=5','k=10',2);,'k=1'xlabel('t/s');ylabel('yk(t)');axis(0 1,-0.5 2) ; %设置坐标范围figure(2)plot(ne,'linewidth',2) ; %绘制误差2范数曲线

29、2xlabel('迭代次数k');ylabel('误差e的2-范数');axis(1 10,0 10);图一 实验四的Simulink仿真结构图（1）图二 实验四的Simulink仿真结构图（2）实验五程序：clearh=.1;t=0.1;N=1500; %设定计算步距和仿真步数r1=.1;r2=4;r3=4;r4=4;r5=4;r6=4; %赋正定对称矩阵对角元的值yr0=0;e10=0;Yp0=0; %赋初值a=4;b=5;c=6;km=40;d=3; %赋值参考模型系数am0=a*b*c;am1=a*b+a*c+b*c;am2=a+b+c;bm0=km*d

30、;bm1=km; %参考模型系数转换T1=1;T2=2;T3=4;k=0.4; %赋值被控过程系数ap1=1/(T1*T2);ap2=1/T1+1/T2;b0=1/T3;kp=k*T3/(T1*T2); %过程系数转换a0=5;g0=d*a0;g1=d+a0; %赋值信号产生器状态方程参数xp10=0;xp20=0;xp30=0;xm10=0;xm20=0;xm30=0; %赋初值k00=3.5;c10=-0.5;c20=3.1;d00=-3.5;d10=0.05;d20=-0.63; %赋初值%k00=0;c10=0;c20=0;d00=0;d10=0;d20=0; %赋初值q10=0;q2

31、0=0;q30=0;q40=0;q50=0;q60=0; %赋初值v110=0;v120=0;v210=0;v220=0;u0=0; %赋初值yr=ones(1,250),zeros(1,250),ones(1,250),zeros(1,250),ones(1,250),zeros(1,250);for i=1:N xm1=xm10+h*xm20;xm2=xm20+h*xm30;xm3=xm30+h*(-am0*xm10-am1*xm20-am2*xm30+yr0); ym(i)=bm0*xm1+bm1*xm2; %计算参考模型输出 xp1=xp10+h*xp20;xp2=xp20+h*xp30;xp3=xp30+h*(-ap1*xp20-ap2*xp30+u0); Yp=kp*b0*xp1+kp*xp2;yp(i)=Yp; %算出实际输出 e1=yp(i)-ym(i);E1(i)=e1; %计算输出误差 v11=v110+h*v120;v12=v120+h*(u0-g