《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........342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。3三、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1-2USB-4711A板卡4图1-3I/O接口针脚定义表1.1：I/O接口信号描述53.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：+65CO外部尺寸宽度深度高度240mm190mm385mm材质塑料螺旋接口15mm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5to12VDC工作电流6to33mA输出信号方波信号，5…12V频率范围13to1200HZ测量范围0.5to15.0l/min工作压力80°Cmax。6bar工作温度0°Cto65°C6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24VDC功率8W工作压力0to0.5bar环境温度Max。+55°C媒介自然媒介，如水、压缩空气媒体温度0°Cto+65°C图1-61094-PMR比例阀接口如图1-7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1-775、液位传感器主要技术参数见表1-4表1-4工作电压24VDC测量范围0－400mm输出信号0—5VDC工作温度-40—120°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24VDC测量范围0－100°C输出信号0—5VDC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。系统所有部件的连接都是直接插拔，非常方便。图1-88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。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。并在计算机内将其转换成对应的高度。将测量数据填入下表。高度输出250mm200mm150mm100mm50mm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。9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）150128125122121流量（l/min）2.1741.9051.8681.8321.8194、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）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？10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⑴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⑵原理对于液位系统，根据动态物料平衡关系有dthdAQQOi①式中：iQ—输入流量；OQ—输出流量；h—液位高度；A—水箱截面积；iQ、OQ、h分别为偏离某一平衡状态0iQ、0OQ、0h的增量。在静态时，OiQQ，0dthd，当iQ变化时，h、OQ也将发生变化，11由流体力学可知，流体在紊流情况下，h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OQ与h在工作点附近成正比，而与出水阀的阻力2R（称为液阻）成反比，即2RhQO或02QhR②由①、②，消去中间变量OQ，再求拉氏变换得单容液位过程的传递函数为：11)()()(22TSKASRRSQSHSWi③⑶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③求液位对象的模型。h(mm)120160200240OQ（l/min）1.6601.7581.8682.1862R2R其中水箱的截面积mmmmA175190。)(SW四、思考题1、分析可能造成模型不准确的原因。12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。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ST。134、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CK、IT和DT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CKITDT00St1234四、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？14实验五PLC和DCS综合控制演示一、CS4000高级过程控制实验装置对象介绍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6-1CS4000高级过程控制实验装置对象采用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S7300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。15图6-2PLC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，162)在My_Prj2项目内插入S7-300工作站：SIMATIC300(1)3)单击SIMATIC300(1)，选择hardware，进入硬件组态窗口，如下图所示点击硬件目录工具，显示硬件目录展开SIMATIC300硬件目录，双击Rack-300子目录下的Rail插入一个导轨硬件目录所选模块简要信息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PS30710A(6ES7307-1KA01-0AA0);CPU314(6ES7314-1AG13-0AB0);SM331AI8*12bit(6ES7331-7KF02-0AB0);SM332AO*12bit(6ES7332-5HF00-0AB0)17带有插槽的机架（导轨）槽号模块列表订货号输入模块地址输出模块地址MPI子网地址放置模块型号版本号5)硬件组态，如下图所示6)编写程序。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187)选择My_prj2程序，单击My_prj2，选择SIMATIC300(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