过程控制系统实验报告

1、过程控制系统实验报告姓 名： 指导教师 ：南京理工大学 2015 年 5月实验二 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模拟量的输出。三、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，并在计算机内将电压转换成对应的高度。将测量数据填入下表。 高度输出250 mm200 mm150 mm100 mm50 mm0mm万用表测量值（伏）5.534.914.303.683.07-2.4A/D

2、口测量值 (伏)5.564.924.323.713.09-2.4机内转换高度（mm）444.92393.36345.31296.48246.88192相对误差（%）77.97%96.68%130.21%196.48%393.76%/相对误差（%）(消除仪器误差)1.17%0.68%2.21%4.68%8.76%/因为我们使用的实验仪器测高计有明显的机械误差，通过实际0mm时测量高度为192mm，表测电压为-2.4V。所以实际相对误差应是消除高度计所造成的机械误差之后的值，一并在表中列出了。2、 温度传感器的测试用温度计测量出水温，同时利用万用表和USB-4711A板卡的A/D口测出温度传感器的

3、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）万用表测量值（伏）A/D口测量电压 (伏)机内转换温度（度）相对误差（%）/0.930.9619.19/3、 比例阀的控制通过USB-4711A板卡的D/A口输出控制电压，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）02.557.510测量值（伏）02.494.987.479.96相对误差（%）00.4%0.4%0.4%0.4%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？ 答：在测量过程变量时大量被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输入与输出信号是一个时间函

4、数，随着输入信号变化，实际传感器输出与输入不具有相同时间函数，将会产生系统误差和随机误差。对于系统误差，可以采用差动法补偿来修正，随机误差可以采用统计学中的方法如算数平均或求标准偏差。 22 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计算机 测试系统结构如图3-1所示。 LT 进水FT 出水图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 3-1 式中： 输入流量； 输出流量； 液位高度； A水箱截面积

5、； 、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 式 3-2由式 3-1、式-2，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： 式 3-3 关闭出水阀，向水箱内注水至260mm左右，将出水阀旋开至适当位置（整个测量过程中保持出水阀开度不变），测量给定液位高度所对应的流量值，填入下表。根据式3-3求对象的数学模型。h (mm)120160200240（l/min）1.8801.9652.0392.1374

6、71541408473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。答：被控对象有较大的时间常数，导致变化过程较慢； 单容水箱是一阶系统响应，被控变量的变化比较缓慢； 被控对象具有传输延迟； 被控对象不具有非线性，自平衡能力差。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。计算机MLI 进水 出水图 4-1 液位单回路控制系统原理图2、 画出液位单回路控

7、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111/6.1%55221/6.3%54320.5/5.9%48410.5/5.3%52四、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？答：实验中，开始程序一直记录数据有问题，后来和同学帮助下，原来是fprintf设定不对。最后的实验中，测流量总是开始就达到最大，然后慢慢向下降落，怎么也搞不懂，在老师的指点下终

8、于解决了问题，完成了实验。采用了多次实验取较好数据的方法，消除了偶然误差的影响。本来还采用了微分算法，用了之后才知道不好，又去掉了。实验五 流量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一般设计方法。 二、实验要求根据流量对象的特点，设计流量定值控制系统，并对系统进行参数整定，使系统具有较好的动、静态性能指标和抗干扰能力。 三、实验步骤1、按照图5-1，在组合式实验装置上通过选择管路，构造流量单回路控制系统。计算机M FT 进水 出水图5-1 流量单回路控制系统原理图2、 画出流量单回路控制系统方框图。3、 根据流量对象的特点，选择系统的采样控制周期 。4、 选择调节器

9、参数，进行流量控制，记录控制结果，并就不同参数下的控制效果进行定性讨论控制器实验次数PID10.51/1.86%13.5211/4.3%4.530.50.5/3.08%3.5410.5/7.95%4.5四、思考题1、流量对象与液位对象有什么区别？流量控制系统的参数整定要注意哪些问题？答：（1）流量对象应用流量传感器，对于设定的流量值，系统会在达到 该流量时以大致稳定的流速往水箱注水；液位对象以设定的液位高度为基准，传感器一直对高度进行测量，达到设定高度后立即停止注水，并一直检测，当液面未达到设定值，再次注水以此反复。 （2）注意数学模型的正确建立，在建模过程中减少盲目性，但是该方法较为复杂，在

10、过程控制进行中直接进行工程正定，该方法简单，计算方便，但是参数不一定最佳，但实用；在此采用现场实验整定的方法，这种方法注意改变比例积分的参数，并有比较性地改变，有比较好得效果。附实验程序：实验二 传感器、执行器实验#include <stdio.h>#include <windows.h>#include <time.h>#include "driver.h" #include "conio.h" void main() PT_AIConfig ptAIConfig; PT_AIVoltageIn ptAIVoltag

11、eIn; float advalue; float h; float q=0; FILE *fp=fopen("test.txt","w"); long DriverHandle; ULONG num1=0,num2=0; int count; USHORT over=0; PT_CounterEventStart ptCounterEventStart; PT_CounterEventRead ptCounterEventRead; DRV_DeviceOpen(0,&DriverHandle); while(!kbhit() ptAIConf

12、ig.DasChan=0;/AI通道0ptAIConfig.DasGain=0;/Gain Code，+/-5VDRV_AIConfig(DriverHandle, (LPT_AIConfig)&ptAIConfig); /读取指定AI通道的电压值ptAIVoltageIn.chan = 0;/通道0 ptAIVoltageIn.gain = 0;/Gain Code，+/-5VptAIVoltageIn.TrigMode = 0; /内部触发ptAIVoltageIn.voltage = (FLOAT far *)&advalue;/返回电压值DRV_AIVoltageIn(

13、DriverHandle,(LPT_AIVoltageIn)&ptAIVoltageIn); printf("AD value=%f!n",advalue); ptCounterEventStart.counter=0; DRV_CounterEventStart(DriverHandle,&ptCounterEventStart); ptCounterEventRead.counter=0; ptCounterEventRead.overflow=&over; ptCounterEventRead.count=&num1;DRV_Count

14、erEventRead (DriverHandle, (LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRead); DRV_CounterEventRead (DriverHandle, &ptCounterEventRead); printf("%lun",num1); Sleep(1000); ptCounterEventRead.counter=0; ptCounterEventRead.overflow=&over; ptCounterEventRead.count=&num2;DRV_CounterEven

15、tRead (DriverHandle, (LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRead); DRV_CounterEventRead (DriverHandle, &ptCounterEventRead); printf("%lun",num2); count=num2-num1;q=0.0122*count+0.3412;h=advalue*80; printf("%dn",count);fprintf(fp,"q=%fn",q);fprintf(fp,"h=%fn&q

16、uot;,h); fclose(fp); DRV_CounterReset(DriverHandle,0); DRV_DeviceClose( &DriverHandle ); 实验三 系统动态特性的测试#include <stdio.h>#include <windows.h>#include <time.h>#include "driver.h" #include "conio.h" void main() long DriverHandle_v; PT_AIConfig ptAIConfig;PT_AIV

17、oltageIn ptAIVoltageIn;float advalue;DRV_DeviceOpen(0,&DriverHandle_v); /打开设备/AI配置ptAIConfig.DasChan=0;/AI通道0ptAIConfig.DasGain=0;/Gain Code，+/-5VDRV_AIConfig(DriverHandle_v, (LPT_AIConfig)&ptAIConfig); /读取指定AI通道的电压值ptAIVoltageIn.chan = 0;/通道0 ptAIVoltageIn.gain = 0;/Gain Code，+/-5VptAIVolta

18、geIn.TrigMode = 0; /内部触发ptAIVoltageIn.voltage = (FLOAT far *)&advalue;/返回电压值DRV_AIVoltageIn(DriverHandle_v,(LPT_AIVoltageIn)&ptAIVoltageIn);long DriverHandle; ULONG num1=0,num2=0;int count;USHORT over=0;PT_CounterEventStart ptCounterEventStart;PT_CounterEventRead ptCounterEventRead;DRV_Devic

19、eOpen(0,&DriverHandle); ptCounterEventStart.counter=0;DRV_CounterEventStart(DriverHandle,&ptCounterEventStart);ptCounterEventRead.counter=0;ptCounterEventRead.overflow=&over;ptCounterEventRead.count=&num1;DRV_CounterEventRead (DriverHandle, (LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRe

20、ad); DRV_CounterEventRead (DriverHandle, &ptCounterEventRead);printf("num1=%lun",num1);Sleep(1000);ptCounterEventRead.counter=0;ptCounterEventRead.overflow=&over;ptCounterEventRead.count=&num2;DRV_CounterEventRead (DriverHandle, (LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRead); D

21、RV_CounterEventRead (DriverHandle, &ptCounterEventRead);printf("num2=%lun",num2);count=num2-num1;printf("count=%dn",count);FILE *fp=fopen("me.txt","w");float fluid;while(!kbhit()DRV_AIVoltageIn(DriverHandle,(LPT_AIVoltageIn)&ptAIVoltageIn);ptCounterEve

22、ntStart.counter=0;DRV_CounterEventStart(DriverHandle,&ptCounterEventStart);ptCounterEventRead.count=&num1;DRV_CounterEventRead (DriverHandle, (LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRead);DRV_CounterEventRead (DriverHandle, &ptCounterEventRead);Sleep(1000);ptCounterEventRead.count=&

23、num2;DRV_CounterEventRead (DriverHandle, (LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRead); DRV_CounterEventRead (DriverHandle, &ptCounterEventRead);count=num2-num1;fluid = (14.5*(count-13)/(1200-13)+0.5);printf("Height=%ft",advalue*80);printf("num1=%lun",num1);printf("num2

24、=%lun",num2);printf("Count=%dn",count);printf("Fluid=%fnn",fluid);fprintf(fp,"Height=%ft",advalue*80);fprintf(fp,"Fluid=%fn",fluid);fclose(fp);DRV_CounterReset(DriverHandle,0); DRV_DeviceClose( &DriverHandle ); DRV_DeviceClose( &DriverHandle_v );

25、/关闭设备 实验四 液位单回路控制系统的设计及参数整定#include <stdio.h>#include <windows.h>#include "driver.h" #include <conio.h>#include "time.h" #include <math.h> void main() FILE *fp=fopen("test1.txt","w");long DriverHandle; PT_AIConfig ptAIConfig;PT_AIVoltag

26、eIn ptAIVoltageIn;float height_v_In;float m_h;float e1=0,e2=0,e3=0; /误差float seth=200;float setv=0;float k=1,ti=0.5,td=0;/PID系数int n=0;float time;long DriverHandle1; PT_AOConfig ptAOConfig;PT_AOVoltageOut ptAOVoltageOut; float height_v_Out=0;DRV_DeviceOpen(0,&DriverHandle); /打开设备DRV_DeviceOpen(0

27、,&DriverHandle1); /打开设备ptAIConfig.DasChan=0;/AI通道0ptAIConfig.DasGain=4;/Gain Code，+/-10VDRV_AIConfig(DriverHandle, (LPT_AIConfig)&ptAIConfig); ptAOConfig.chan=0;/AO通道0ptAOConfig.RefSrc=0;/内部参考源ptAOConfig.MaxValue=10;ptAOConfig.MinValue=0;DRV_AOConfig(DriverHandle1, (LPT_AOConfig)&ptAOCon

28、fig);setv=seth/80; while(!kbhit() Sleep(300);n+;time=n*0.3;/读取指定AI通道的电压值ptAIVoltageIn.chan = 0;/通道0 ptAIVoltageIn.gain = 4;/Gain Code，+/-10VptAIVoltageIn.TrigMode = 0; /内部触发ptAIVoltageIn.voltage = (FLOAT far *)&height_v_In;/返回电压值DRV_AIVoltageIn(DriverHandle,(LPT_AIVoltageIn)&ptAIVoltageIn);i

29、f(height_v_In < setv) e3=setv-height_v_In;height_v_Out += k*(e3-e2)+0.3/ti*e3+td/0.3*(e3-2*e2+e1);/增量式PID控制 e1=e2;/前两次值 e2=e3;/前一次值if(height_v_Out>10) height_v_Out=10;else if(height_v_Out<0)height_v_Out=0; else height_v_Out=0;printf("height_v_Out=%f!t",height_v_Out);printf("t

30、ime=%f!t",time);printf("hight=%f!nn",height_v_In/5*400); /电压输出ptAOVoltageOut.chan = 0;ptAOVoltageOut.OutputValue = height_v_Out;/所要设置的输出电压值,浮点型数据DRV_AOVoltageOut(DriverHandle1,(LPT_AOVoltageOut)&ptAOVoltageOut);fprintf(fp,"U=%f,h=%f,time=%fn",height_v_Out,height_v_In*80,

31、time); /AO配置ptAOConfig.chan=0;/AO通道0ptAOConfig.RefSrc=0;/内部参考源ptAOConfig.MaxValue=10;ptAOConfig.MinValue=0;DRV_AOConfig(DriverHandle1, (LPT_AOConfig)&ptAOConfig); ptAOVoltageOut.chan = 0;height_v_Out=0;ptAOVoltageOut.OutputValue = height_v_Out;/所要设置的输出电压值,浮点型数据DRV_DeviceClose( &DriverHandle

32、); /关闭设备DRV_DeviceClose( &DriverHandle1 ); /关闭设备 实验五 流量单回路控制系统的设计及参数整定#include<stdio.h>#include<windows.h>#include"driver.h" #include<time.h>#include <conio.h> PT_CounterEventStart ptCounterEventStart;PT_CounterEventRead ptCounterEventRead;long DriverHandle; PT_

33、AOConfig ptAOConfig;PT_AOVoltageOut ptAOVoltageOut; float davalue; float Q=0;float Qh=2;float t=0,U=0;float e1=0,e2=0,e3=0;float Kc=0.5,Ti=1,Ts=0.5; void main() ULONG num1=0,num2=0; int count; USHORT over=0; DRV_DeviceOpen(0,&DriverHandle); ptAOConfig.chan=0;/AO通道0ptAOConfig.RefSrc=0;/内部参考源ptAOConfig.MaxValue=10;ptAOConfig.MinValue=0;DRV_AOConfig(DriverHandle, (LPT_AOConfig)&ptAOConfig); /电压输出FILE *fp; fp=fopen("text1.txt",&qu