電氣《計算機過程控制》實驗指導書

1、2006-7-2計算機過程控制 課程實驗指導書（封面）課程學時： 48實驗學時： 18適用專業(yè)：電氣編 寫 者：黃洪全審查者：編寫日期：核自學院編寫實驗 1 單容水箱液位數(shù)學模型的測定實驗1、試驗方案：水流入量 Qi 由調(diào)節(jié)閥 u 控制，流出量 Qo 則由用戶通過負載閥 R 來改變。被調(diào)量為水位 H。分析水位在調(diào)節(jié)閥開度擾動下的動態(tài)特性。直接在調(diào)節(jié)閥上加定值電流，從而使得調(diào)節(jié)閥具有固定的開度。（可以通過智能調(diào)節(jié)儀手動給定，或者 AO 模塊直接輸出電流。）調(diào)整水箱出口到一定的開度。突然加大調(diào)節(jié)閥上所加的定值電流觀察液位隨時間的變化，從而可以獲得液位數(shù)學模型。FV101給定值QiLTQoh103圖

2、 1 單容水箱液位數(shù)學模型的測定實驗通過物料平衡推導出的公式：QOk H , Qik那么dH1 (kkH ) ，dtF其中， F 是水槽橫截面積。在一定液位下，考慮穩(wěn)態(tài)起算點，公式可以轉(zhuǎn)換成dHHk R。RCdt公式等價于一個RC 電路的響應函數(shù)，C=F 就是水容， R2 H 0 就是水阻。kS 函數(shù)如果通過對純延遲慣性系統(tǒng)進行分析，則單容水箱液位數(shù)學模型可以使用以下表示：KR0G(S)。S(TS1)相關(guān)理論計算可以參考清華大學出版社1993 年出版的過程控制，金以慧編著。測量或控制量測量或控制量標號使用 PID 端口使用 ADAM端口下水箱液位LT103AI0AI0調(diào)節(jié)閥FV101AO0AO

3、02、實驗步驟：1) 在現(xiàn)場系統(tǒng) A3000-FS 上，將手動調(diào)節(jié)閥 JV201、 JV206 完全打開，使下水箱閘板具有一定開度，其余閥門關(guān)閉。2) 在控制系統(tǒng) A3000-CS 上，將下水箱液位（ LT103 ）連到內(nèi)給定調(diào)節(jié)儀輸入端，調(diào)節(jié)儀輸出端連到電動調(diào)節(jié)閥（ FV101 ）控制信號端。3)打開 A3000-CS 電源，調(diào)節(jié)閥通電。打開A3000-FS 電源。4)在 A3000-FS 上，啟動右邊水泵（即P102），給下水箱（V104 ）注水。5)調(diào)節(jié)內(nèi)給定調(diào)節(jié)儀設定值，從而改變輸出到調(diào)節(jié)閥（FV101 ）的電流，然后調(diào)節(jié)JV303 開度，使得在低水位時達到平衡。6) 改變設定值，記錄

4、水位隨時間的曲線。3、參考結(jié)果單容水箱水位階躍響應曲線，如圖2 所示：圖 2 單容水箱液位飛升特性此時液位測量高度184.5 mm ，實際高度184 mm -35 mm =149 mm 。實際開口面積5.5x49.5=272.25 mm2:。此時負載閥開度系數(shù)k Q / H max7.36x10 4 m2.5 / s。水槽橫截面積：0.206m2。那么得到非線性微分方程為(標準量綱 ):dH / dt(0.0002840.000736H ) / 0.2060.001380.00357H 。進行線性簡化，可以認為它是一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲的系統(tǒng)G ( s)Kes /(Ts1)實驗 2 雙容水箱液位

5、數(shù)學模型的測定實驗1、試驗方案：水流入量Qi 由調(diào)節(jié)閥u 控制，流出量Qo 則由用戶通過負載閥水箱水位H 。分析水位在調(diào)節(jié)閥開度擾動下的動態(tài)特性。R 來改變。被調(diào)量為下直接在調(diào)節(jié)閥上加定值電流，從而使得調(diào)節(jié)閥具有固定的開度。（可以通過智能調(diào)節(jié)儀手動給定，或者 AO 模塊直接輸出電流。）調(diào)整水箱出口到一定的開度。突然加大調(diào)節(jié)閥上所加的定值電流觀察液位隨時間的變化，從而可以獲得液位數(shù)學模型。邏輯結(jié)構(gòu)如圖1 所示。通過物料平衡推導出的公式：T1 dHH 1ku R1 ,T2dHH 2rH 10 ，dtdt其中 R1、 R2 為線性化水阻。T1F1 R1 ,T2F2R1 R2 , rR1R2。R1R2

6、R2T1T2d 2 H(T1dHT2H 2rkR1 。那么：dt 2T2 )dtFV101定值Qi記錄LTQoH103圖 1雙容水箱液位數(shù)學模型的測定實驗測量或控制量測量或控制量標號使用 PID 端口使用 ADAM端口下水箱液位LT103AI0AI0調(diào)節(jié)閥FV101AO0AO02、實驗步驟：1) 在 A3000-FS 上，將手動調(diào)節(jié)閥 JV205、 JV201 完全打開，并使閥中水箱、下水箱閘板具有一定開度，其余閥門關(guān)閉。2) 在 A3000-CS 上，將下水箱液位（ LT103 ）連到內(nèi)給定調(diào)節(jié)儀輸入端，調(diào)節(jié)儀輸出端連到電動調(diào)節(jié)閥（ FV101 ）控制信號端。3) 打開 A3000 電源，調(diào)

7、節(jié)閥（ FV101 ）通電。4)在 A3000-FS 上，啟動右邊水泵，給中水箱V103 注水。（下水箱 V104 由中水箱 V103注水。）5)調(diào)節(jié)內(nèi)給定調(diào)節(jié)儀設定值，從而調(diào)節(jié)輸出到FV101 的電流，然后調(diào)節(jié)下水箱閘板開度，使得在低水位達到平衡。6) 改變設定值，記錄水位隨時間的曲線。3、參考結(jié)果雙容水箱水位階躍響應曲線，如圖2 所示：圖 2 雙容水箱液位飛升特性平衡時液位測量高度215 mm，實際高度215 mm -35 mm =180 mm 。對比單容實驗，雙容系統(tǒng)上升時間長，明顯慢多了。但是在上升末端，還是具有近似于指數(shù)上升的特點。明顯有一個拐點。實驗 3 三容水箱液位數(shù)學模型的測定

8、實驗由于三容水箱液位數(shù)學模型具有更高階導數(shù)，比較復雜，所以本實驗為復雜控制系統(tǒng)以及高級算法研究提供了條件。1、試驗方案：水流入量 Qi 由調(diào)節(jié)閥 u 控制，流出量 Qo 則由用戶通過負載閥 R 來改變。被調(diào)量為水位 H。分析水位在調(diào)節(jié)閥開度擾動下的動態(tài)特性。直接在調(diào)節(jié)閥上加定值電流，從而使得調(diào)節(jié)閥具有固定的開度。（可以通過智能調(diào)節(jié)儀手動給定，或者 AO 模塊直接輸出電流。）調(diào)整水箱出口到一定的開度。突然加大調(diào)節(jié)閥上所加的定值電流觀察液位隨時間的變化，從而可以獲得液位數(shù)學模型。邏輯結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。定值FV101Qi記錄QoHLT103圖 1 三容水箱液位數(shù)學模型的測定實驗通過物料平衡推導出的

9、公式：dH 11Q1 )dt(ku R1F1dH 21Q2 )dt(Q1F1dH 31Q3 )dt(Q2F3綜合可以得到一個復雜的三階微分方程。2、實驗步驟：1) 在 A3000-FS 上，將手動調(diào)節(jié)閥 JV204、 JV201 完全打開，并調(diào)節(jié)上水箱、中水箱和下水箱閘板具有一定開度，其余閥門關(guān)閉。2) 在 A3000-CS 上，將下水箱液位（ LT103 ）連到內(nèi)給定調(diào)節(jié)儀輸入端，調(diào)節(jié)儀輸出端連到電動調(diào)節(jié)閥（ FV101 ）控制信號端。3) 打開 A3000 電源，調(diào)節(jié)閥 FV101 通電。4)在 A3000-FS上，啟動右邊水泵，給上水箱V102 注水；水箱 V103 、 V104 則分別

10、由上、中水箱注水。5）調(diào)節(jié)內(nèi)給定調(diào)節(jié)儀設定值，從而改變輸出到FV101 的電流，然后調(diào)節(jié)下水箱閘板開度使得在低水位段達到平衡。6） 改變設定值，記錄水位隨時間的曲線。測量或控制量測量或控制量標號使用 PID 端口 使用 ADAM 端口下水箱液位LT103AI0AI0調(diào)節(jié)閥FV101AO0AO03、參考結(jié)果三容水箱水位階躍響應曲線，如圖2 所示：圖 2 三容水箱液位飛升特性實驗 4 單容水箱液位控制實驗單容水箱液位定值(隨動 )控制實驗，定性分析P,PI、 PD 控制器特性?？刂七壿嬋鐖D1所示：FV101給定值LICQi101LTQoh103圖 1 單容上水箱液位定值(隨動 ) 控制實驗測量或控

11、制量測量或控制量標號使用 PID 端口使用 ADAM端口下水箱液位LT103AI0AI0調(diào)節(jié)閥FV101AO0AO01、實驗方案水流入量Qi由調(diào)節(jié)閥u 控制，流出量Qo 則由用戶通過負載閥R 來改變。被調(diào)量為水位 H。使用 P,PI , PID 控制，看控制效果，進行比較。2、控制策略使用 PI、 PD、 PID 調(diào)節(jié)。3、實驗步驟1)使用組態(tài)軟件進行組態(tài)。數(shù)值定義為0 100。實時曲線時間定義為510min 。2) 在 A3000-FS 上，打開手閥 JV206 、JV201 ，調(diào)節(jié)下水箱閘板具有一定開度，其余閥門關(guān)閉。3) 連線：下水箱液位連接到內(nèi)給定調(diào)節(jié)儀輸入。內(nèi)給定調(diào)節(jié)儀的輸出連接到調(diào)

12、節(jié)閥的控制端。4) 打開 A3000 電源，打開電動調(diào)節(jié)閥開關(guān)。5) 在 A3000-FS 上，啟動右邊水泵（ P102），給下水箱 V104 注水。6) LT103 控制器 FV101 單回路定值以及數(shù)學模型的實驗。7)按所學理論操作調(diào)節(jié)器，分別進行P、 PI、 PID 設定。簡單設定規(guī)則：首先把P 設定到 30， I 關(guān)閉（調(diào)節(jié)儀I>3600 關(guān)閉）， D 關(guān)閉（調(diào)節(jié)儀 D=0 關(guān)閉）等水位低于40%，然后打開水泵，開始控制。設定值60%。一般 P 越大，則殘差越大?？梢詼p少P，直到出現(xiàn)振蕩。則不出現(xiàn)振蕩前的那個最小值就是P。PI 控制首先確認上次的P，我們可以不改變這個P 值，也可

13、以增加10%。然后把I設定為 1800 。關(guān)閉水泵，等水位低于40% ，然后打開水泵，開始控制。設定值60%。觀察控制曲線的趨勢，如果出現(xiàn)恢復非常慢，則可以減少I ，直到恢復比較快，而沒有出現(xiàn)振蕩，超調(diào)也不是非常大。最后逐步增加D ，使得控制更快速，一般控制系統(tǒng)有PI 控制就可以了。4、參考結(jié)果單容水箱液位控制實驗下閘板頂?shù)借F槽頂距離(開度 ): 卡尺直接量7mm,使用紙板對齊畫線測量6.5mm。比例控制器控制曲線如圖所示。多個P 值的控制曲線繪制在同一個圖2 上：圖 2 比例控制器控制曲線從圖可見 P=16 時，有振蕩趨勢，P=24 比較好。殘差大約是8%。PI 控制器控制曲線如圖3 所示。

14、選擇P=24 ，然后把I 從 1800 逐步減少。圖 3PI 控制器控制曲線如圖所示，在這里穩(wěn)定了。 I 的選擇很大，I 的大小對控制速度影響已經(jīng)不大。從 I=5 時出現(xiàn)振蕩，并且難以 8-100 都具有比較好的控制特性，這里從臨界條件，選擇 I=8 到20之間。PID 控制器控制曲線如圖4 所示：圖4PID控制器控制曲線P=24,I=20,D=2或 4 都具有比較好的效果。從控制量來看，P=24,I=8,D=2比較好。ADAM4000模塊控制的結(jié)果如圖5 所示。圖 5從圖可見， P=4， I=8000 ， D=2000 控制效果是最好的。實驗 5 雙容水箱液位控制實驗單容雙容水箱液位定值 (

15、隨動 )控制實驗全部測量點，算法組態(tài)一樣，不同的是設定值和結(jié)果。測量或控制量測量或控制量標號使用PID端口使用ADAM端口下水箱液位LT103AI0AI0調(diào)節(jié)閥FV101AO0AO01、實驗方案水流入量H。使用水位Qi 由調(diào)節(jié)閥u 控制，流出量PID 控制，看控制效果。Qo 則由用戶通過負載閥R 來改變。被調(diào)量為下2、控制策略使用 PID調(diào)節(jié)。3、實驗步驟1)使用組態(tài)軟件進行組態(tài)。注意實時曲線時間要設定大些，例如15 分鐘。因為多容積導致的延遲比較大。2) 在 A3000-FS 上，打開手閥 JV205、 JV201，調(diào)節(jié)中水箱、下水箱閘板具有一定開度，其余閥門關(guān)閉。3) 連線：下水箱液位連接

16、到內(nèi)給定調(diào)節(jié)儀輸入。內(nèi)給定調(diào)節(jié)儀的輸出連接到調(diào)節(jié)閥的控制端。4) 打開 A3000 電源。5) 在 A3000-FS 上，啟動右邊水泵（ P102），給中水箱 V103 注水。6) LT104 控制器 FV101 單回路定值以及數(shù)學模型的實驗。7)按所學理論操作調(diào)節(jié)器，進行PID 設定。首先還是使用P 比例調(diào)節(jié)，單容實驗的P 值可以參考。然后再加I 值。參見實驗10。4、參考結(jié)果雙容水箱液位控制實驗下閘板頂?shù)借F槽頂距離 (開度 ): 卡尺直接量 7 mm,使用紙板對齊畫線測量中閘板頂?shù)借F槽頂距離 (開度 ): 卡尺直接量 11 mm, 使用紙板對齊畫線測量從定性分析，中間水箱的出水口應該比下面

17、的大些，否則可能很難控制。 PI 控制器控制曲線如圖 1 所示：6.5mm. 。10mm。圖 1 PI 控制器控制曲線PID 控制的曲線具有兩個波，然后逐步趨于穩(wěn)定。由于系統(tǒng)延遲很大，這個穩(wěn)定時間非常長。比較好的效果是 P=24, I=200 ， D=2 。如圖 2 所示：圖 2 PID 控制曲線從圖可見，增加微分項之后，系統(tǒng)在有10%的擾動下，很快就進入穩(wěn)定狀態(tài)。ADAM模塊曲線圖： SP=25, P=2, I=200000, D=0實驗 6 三容水箱液位控制實驗與雙容水箱液位定值 (隨動 )控制實驗全部測量點，算法組態(tài)一樣，不同的是設定值和結(jié)果。測量或控制量測量或控制量標號使用PID端口使

18、用ADAM端口下水箱液位LT103AI0AI0調(diào)節(jié)閥FV101AO0AO01、實驗方案水位水流入量H。使用Qi 由調(diào)節(jié)閥u 控制，流出量PID 控制，看控制效果。Qo 則由用戶通過負載閥R 來改變。被調(diào)量為下2、控制策略使用 PID調(diào)節(jié)。3、實驗步驟1)使用組態(tài)軟件進行組態(tài)。注意實時曲線時間要設定大些，例如致的延遲比較大。15 分鐘。因為多容積導2) 在 A3000-FS 上，打開手動調(diào)節(jié)閥 JV204、 JV201，調(diào)節(jié)上、中、下水箱閘板具有一定開度，其余閥門關(guān)閉。3) 連線：下水箱液位連接到內(nèi)給定調(diào)節(jié)儀輸入。內(nèi)給定調(diào)節(jié)儀的輸出連接到調(diào)節(jié)閥的控制端。4) 打開 A3000 電源。打開電動調(diào)節(jié)

19、閥開關(guān)。5) 在 A3000-FS 上，啟動右邊水泵（ P102），給上水箱V102 注水，同時中水箱V103 、下水箱 V104 分別由上、中水箱注水。6) LT103 控制器 FV101 單回路定值以及數(shù)學模型的實驗。7)按所學理論操作調(diào)節(jié)器，進行PID 設定。首先還是使用可以參考。然后再加I 值。參見實驗10。P 比例調(diào)節(jié)，單容實驗的P 值4、參考結(jié)果三容水箱液位控制實驗下閘板頂?shù)借F槽頂距離中閘板頂?shù)借F槽頂距離上閘板頂?shù)借F槽頂距離(開度 ): 卡尺直接量(開度 ): 卡尺直接量(開度 ): 卡尺直接量7 mm,使用紙板對齊畫線測量11 mm, 使用紙板對齊畫線測量11 mm, 使用紙板對

20、齊畫線測量6.5mm。11mm。12mm。ADAM4000開始， P=2,I=1000 秒， D=2 秒， PID 控制曲線如圖1 所示。圖 1 三容控制曲線圖從圖上可見，該系統(tǒng)的穩(wěn)定時間非常長，大約1 小時。P=10實驗 7串級控制實驗串級試驗包括液位串級控制和換熱器串級控制實驗 。這里介紹液位串級。液位比溫度實驗好做得多。第一個動力支路 引入干擾中水箱 V103輸入值LTLIC輸出值102102給定值下水箱 V104LT103LIC101給定值水泵圖 1 液位串級控制實驗串級控制系統(tǒng)框圖如圖 2 所示。副回路干擾水泵P101主回路干擾給定值 +中水箱X主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥下水箱液LT10

21、3XLIC102FV101液位LIC101位-F101中水箱液位 L T102下水箱液位 L T103圖 2 液位串級控制系統(tǒng)框圖各個回路獨立調(diào)整結(jié)束，使得主調(diào)節(jié)器輸出與副調(diào)節(jié)器給定值相差不是太遠。我們利用前面的實驗中的 PID 數(shù)據(jù)。而副控制器只進行P 調(diào)節(jié)。副回路對V103液位進行控制，這個反應比較快，副回路的控制目的是很快把流量控制回給定值?？梢酝ㄟ^另一個動力支路加入部分液位干擾。主回路對V104液位進行控制，由于控制經(jīng)過了V103 ，時間延遲比較大?？梢栽赩104 中加入主回路干擾，要平衡這個干擾，則需要經(jīng)過流量調(diào)整，通過V103 來平衡這個變化。測量或控制量測量或控制量標號使用 PI

22、D 端口使用 ADAM端口LT102TT104AI1AI1LT103FT102AI0AI0調(diào)節(jié)閥FV101AO0AO01、實驗方案被調(diào)量為調(diào)節(jié)閥開度，控制目標是水箱首先實現(xiàn)副回路的控制，主要目的獲得V104 液位。P 參數(shù)，通過測量液位，控制調(diào)節(jié)閥，使得V104 保持到給定值。如果已經(jīng)進行了然后實現(xiàn)主回路的控制，通過測量V103 的單容定值實驗，則該步可以不做。V104 液位，然后控制調(diào)節(jié)閥，從而也使得V104液位盡量保持到給定值。然后進行兩個控制回路的連接，把主回路的輸出連接到副回路的給定值。從而形成串級控制。注意盡量無擾切換。2、控制策略使用兩個 PID 調(diào)節(jié)。副回路調(diào)節(jié)器只比例控制。3、

23、實驗步驟：1) 在 A3000-FS 上，打開手動調(diào)節(jié)閥 JV201、 JV205，調(diào)節(jié)中水箱、下水箱閘板具有一定開度，其余閥門關(guān)閉。2) 按照列表進行連線。或者按如下操作：在A3000-CS 上，將中水箱液位（LT102 ）連到內(nèi)給定調(diào)節(jié)儀輸入端，輸出端連接到電動調(diào)節(jié)閥（FV101 ）輸入端。3) 在 A3000-FS 上，啟動右邊水泵（ P102），給中水箱 V103 注水。4)首先進行副回路比例調(diào)節(jié)，獲得P 值。5) 切換至單主回路控制狀態(tài)：斷開中水箱液位與內(nèi)給定調(diào)節(jié)儀的連線，將下水箱液位6)連到內(nèi)給定調(diào)節(jié)儀輸入端。調(diào)整主控制回路（調(diào)節(jié)P、 I 值即可），對主控制器或調(diào)節(jié)器進行工作量設定

24、。關(guān)閉閥門JV205，當中水箱液位降低2cm 高度，打開閥門，觀察控制曲線。7) 切換到串級控制狀態(tài)（此時最好無擾動）：將中水箱液位連到外給定調(diào)節(jié)儀輸入端，內(nèi)給定調(diào)節(jié)儀輸出端連接到外給定調(diào)節(jié)儀的外給定端子，外給定調(diào)節(jié)儀的輸出連接到調(diào)節(jié)閥。重復第 6 步。改變給定值，記錄控制曲線。4、參考結(jié)果副回路 P 參數(shù)設置： ADAM4000模塊 P=4主回路 PID 參數(shù)設置： P=3.5， I=100s 。單主回路加擾動后控制曲線如圖3 所示。圖 3 單主回路加擾動后控制曲線系統(tǒng)平衡所需要的時間 10 分鐘。串級控制曲線如圖 4 所示。圖 4 串級控制曲線系統(tǒng)平衡所需要的時間不超過3 分鐘?？梢姶壙?/p>

25、制對于副回路內(nèi)的擾動，可以快速平衡。實驗 8 比值控制系統(tǒng)實驗電磁流量計流量與渦輪流量計比值控制實驗，可以與“隨動系統(tǒng)”和“串級系統(tǒng)”進行比較。測量與控制端連接表測量或控制量測量或控制量標號使用 PID 端口使用 ADAM端口電磁流量計FT102AI0AI0渦輪流量計FT101AI1AI1調(diào)節(jié)閥FV101AO0AO0調(diào)節(jié)儀比值器FT1021#Q1FT101調(diào)節(jié)閥 FV1012#Q2圖 1 比值控制系統(tǒng)原理圖如果進行常規(guī) PID 儀表實驗，比值器通過內(nèi)給定智能PID 調(diào)節(jié)器實現(xiàn)。把微分，積分調(diào)節(jié)取消。就是一個比值器。注意調(diào)節(jié)器比例帶是P 調(diào)節(jié)中的比例系數(shù)求反。 AI0 為第一個內(nèi)給定調(diào)節(jié)儀輸入。

26、顯示范圍可以是4-20mA ，則給定值4 mA；也可以是（工程量） 0-1.2，也可以是 0-100 百分比，那個給定值就是0。 在第一個調(diào)節(jié)儀作為比值器使用之前，請切換到手動，設置輸出為4 mA ，然后切換到自動狀態(tài)。如果把 P 簡單看成比例，那么可以控制兩個流量的百分比相等。(注意水泵提供的流量占電磁流量計最大的 50%，所以電磁流量計不能超過該數(shù)值。如果要準確到流量成比例，只需要在原來的P 值修正兩個流量計的最大值之比就行。例如：渦輪流量計百分比：電磁流量計百分比=1： P，那么實際流量比就是1.2： 3P。外給定的調(diào)節(jié)儀輸入為FT101 ，給定值為第一個調(diào)節(jié)儀（作為比值器）的輸出。輸出

27、控制電動調(diào)節(jié)閥。1、實驗方案被調(diào)量為調(diào)節(jié)閥開度，控制目標是水流量，通過兩個流量不同比例下的比較，然后輸出控制值到調(diào)節(jié)閥。實行 PID 控制，看控制效果，進行比較。2、控制策略使用 PID 調(diào)節(jié)。3、實驗步驟：1)在 A3000-FS 上，打開手動調(diào)節(jié)閥 JV104、 JV103、 JV201、 JV206 及電磁閥 XV101 （直接加 24V 到控制端），其余閥門關(guān)閉。2) 打開 A3000 電源。3) 在 A3000-FS 上，啟動左邊水泵（ P101），右邊水泵（ P102）。（也可以啟動變頻器控制）。4)在 A3000-FS 上，通過調(diào)節(jié)變頻器或調(diào)節(jié)手閥JV103 開度，從而設定渦輪流

28、量計（ FT101 ）的流量固定，例如 0.5m3/h。5) 按照測量與控制端連接表連線：在 A3000-CS 上，將電磁流量計（ FT102）的輸出連接到 AI0 ，輸出端 AO0 連接到電動調(diào)節(jié)閥（ FV101 ）；渦輪流量計（ FT101 ）的 420mA 輸出信號連接到AI1 。6) 對控制器或調(diào)節(jié)器進行設定。7) 改變比值器的比例值（如果是調(diào)節(jié)儀就是比例度P）給定值，記錄控制曲線。4、參考結(jié)果常規(guī)智能儀表控制P=30、I=100S 、 D=2S控制曲線如圖2 所示。圖 2 比值控制實驗實驗 9 前饋 -反饋控制系統(tǒng)實驗前饋控制器在測出擾動之后，按過程的某種物質(zhì)或能量平衡條件計算出校正

29、值。如果沒有反饋控制，則這種校正作用只能在穩(wěn)態(tài)下補償擾動作用。該實驗常規(guī)儀表無法完全實現(xiàn)，常規(guī)儀表手動輸出，輔助實驗。（參考清華大學出版社1993 年出版的過程控制主編金以慧P124-136）工業(yè)上，使用換熱器對料液進行加熱，加熱使用蒸汽。我們這里使用換熱器加熱冷水，把冷水看成某種工業(yè)料液。控制目標是料液的出口溫度。如圖1 所示。設法保持鍋爐內(nèi)溫度變化不大，是用熱水給該料液加熱。測量料液的流量、溫度。前饋控制+ -TT1101熱水kFT101X2r+PI冷水-調(diào)節(jié)閥TT2103圖 1 前饋反饋控制系統(tǒng)原理圖前饋控制又稱擾動補償，它與反饋調(diào)節(jié)原理完全不同，是按照引起被調(diào)參數(shù)變化的干擾大小進行調(diào)節(jié)

30、的。在這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中要直接測量負載干擾量的變化，當干擾剛剛出現(xiàn)而能測出時，調(diào)節(jié)器就能發(fā)出調(diào)節(jié)信號使調(diào)節(jié)量作相應的變化，使兩者抵消與被調(diào)量發(fā)生偏差之前。因此，前饋調(diào)節(jié)對干擾的克服比反饋調(diào)節(jié)快。但是前饋控制是開環(huán)控制。其控制效果需要通過反饋加以檢驗。我們按照參考書上的內(nèi)容，進行了部分簡化。前饋控制不考慮控制通道與對象通道延遲，則根據(jù)熱量平衡關(guān)系，簡單的前饋控制方程為：D kQ(2 r1 )其中 k 是常數(shù)，與水比熱和熱交換效率相關(guān)，Q是流量。這個前饋輸出到調(diào)節(jié)器的輸入，從而得到一個前饋控制系統(tǒng)。需要調(diào)整 k 是常數(shù)，直到具有合適的補償效果。通過一個 PI 調(diào)節(jié)，使得熱水流量增大到需要的補償值。而后

31、我們增加了一個反饋控制通道，測量熱水出口溫度，然后控制冷水流量。在控制通道中增加前饋控制系統(tǒng)，類似于串級控制。測量與控制端連接表測量或控制量測量或控制量標號使用 PID 端口使用 ADAM端口換熱器熱入TT101AI1熱水流量FT101AI2換熱器熱出TT103AI3調(diào)節(jié)閥FV101AO01、實驗方案被調(diào)量為調(diào)節(jié)閥，控制量是熱水流量，控制目標是熱水出口溫度。首先實現(xiàn)前饋控制，通過測量換熱器熱水流量、溫度，控制調(diào)節(jié)閥，使得換熱器冷水流量變化跟蹤換熱器熱水流量與溫度變化。然后實現(xiàn)反饋控制，通過測量換熱器熱水出口溫度，控制調(diào)節(jié)閥，從而把前饋控制不能修正的誤差進行修正。2、控制策略前饋控制、溫度PID

32、 （類似于串級）控制。3、實驗步驟：1) 在 A3000-FS 上，打開手動調(diào)節(jié)閥 JV104、 JV105，使用 DO0 數(shù)字輸出端口，或接地直接打開電磁閥 XV101 。其余閥門關(guān)閉。2) 按照測量與控制列表進行連線：在 A3000-CS 上，電磁流量計輸出端連接到AI0 ；渦輪流量計輸出端連接AI2 ；鍋爐水溫連接到 AI1 ；換熱器熱出端連接到AI3 ； AO0連接到電動調(diào)節(jié)閥（FV101 ）。將電動調(diào)節(jié)閥（ FV101 ）輸入端連接到PID 調(diào)節(jié)儀上，手動輸出，輔助實驗。3)打開 A3000 電源。4)在 A3000-FS 上，啟動左邊水泵（P101），給鍋爐 V105 注水。關(guān)閉手

33、閥JV104。5)啟動右邊水泵（ P102）。減小手閥JV105 開度，使得熱水流量大約為0.3m3/h。6)啟動鍋爐的加熱器，可以讓外給定的智能調(diào)節(jié)儀手動給出20mA 電流加熱。 當加熱到 70 度左右，適當減少手動給出的控制調(diào)壓器的電流，使溫度基本保持在70 度左右。7) 啟動上位機，設置控制器參數(shù)，設置前饋系數(shù)，記錄其實時曲線。8) 突然改變熱水流量，觀察并記錄下曲線的變化。4、參考結(jié)果在前饋 -反饋控制下的控制曲線如圖2 所示：圖 2 前饋反饋控制曲線實驗 10 大延遲系統(tǒng)史密特補償控制實驗鍋爐水溫滯后控制實驗，如圖 4-45 所示?？梢酝ㄟ^閥門改變滯后管長度，從而改變滯后時間。被控制

34、量是調(diào)壓器的輸出電壓，控制量是鍋爐內(nèi)水溫，測量值是經(jīng)過滯后管純延遲之后的溫度。這個滯后時間可以通過開關(guān)調(diào)整。鍋爐中的水是靜態(tài)水，鍋爐下面連接了滯后管，滯后管管徑少，不會對整個鍋爐內(nèi)水量有太大影響。 如果使用補償?shù)姆椒ǎ瑒t該實驗常規(guī)儀表無法實現(xiàn)。TTV105 鍋爐101JV501調(diào)壓器BS101JV503JV502TTTC102102圖 1 純滯后控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其控制系統(tǒng)框圖如圖2 所示：干擾 D(S)R(S)+U(S)K pgp(s) e-TdSY(S)GC(S) 控制器X-K pgp (s)純滯后+e-TdSK sgs(s)Y (S)圖 2 史密特補償系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)的對象傳遞函數(shù)為：Y( s

35、)K p g p ( s)e d s ，U ( s)為使調(diào)節(jié)器的采集信號Y(s)不會延遲d ，則并聯(lián)一個補償器，如圖虛線部分，具有傳遞函數(shù)K s gsK p g p ( s)(1e d s ) 。使得調(diào)節(jié)品質(zhì)與沒有純延遲一樣，只是時間坐標比設定值延遲了d 。1、實驗方案被調(diào)量為鍋爐水溫，通過測量滯后管水溫，控制器調(diào)壓器輸出功率。測量與控制端連接表測量或控制量測量或控制量標號使用 PID 端口使用 ADAM端口鍋爐內(nèi)水溫TT101AI1滯后管水溫TT102AI0調(diào)壓器BS101AO02、控制策略首先測量滯后時間，與系統(tǒng)傳遞函數(shù)，然后設計史密特補償器與PID 調(diào)節(jié)一起作用。3、實驗步驟：1)在 A

36、3000-FS 上，將手動調(diào)節(jié)閥JV104、 JV106 及電磁閥XV101 全開，滯后管閥門JV501， JV502 開，其余閥門關(guān)閉。2)在 A3000-CS 上，將滯后管水溫（ TT102 ）連到 AI0 端；鍋爐水溫（ TT101 ）連到 AI1 ；將 AO0 輸出端連到調(diào)壓器輸入。3) 打開調(diào)壓器開關(guān)。 A3000 通電。4) 在 A3000-FS 上，啟動左邊水泵（ P101），給鍋爐 V105 注水到一半高度，關(guān)閉水泵。（一定要超過下面的液位開關(guān)高度，否則由于聯(lián)鎖保護，無法啟動加熱器。）5)啟動上位機，記錄鍋爐內(nèi)水溫與滯后管水溫與調(diào)壓器（MV ）三者數(shù)據(jù)關(guān)系。6)通過三者的數(shù)據(jù)，

37、計算傳遞函數(shù)K p g p ( s)e d s ，從而獲得對象系統(tǒng)參數(shù)。對象是一階慣性的。其函數(shù)可以表示為：K p (1 e d t ) 。使用最小二乘法可以擬和一個最好的近似函數(shù)。7)根據(jù)對象的近似函數(shù)，設計補償器。8)首先使用 PID 調(diào)節(jié)器進行單獨調(diào)節(jié)，紀錄控制曲線。9)加入補償器，紀錄控制曲線。10)分析比較數(shù)據(jù)。11)關(guān)閉滯后管閥門 JV502，打開 JV503 ，從而增加滯后時間，重復實驗步驟5到 10。4、參考結(jié)果設備設定參數(shù)如下：短純滯后時間條件下：沒有控制系統(tǒng)時，鍋爐內(nèi)水溫與滯后管水溫與調(diào)壓器三者數(shù)據(jù)曲線：獲得的 K p g p ( s) e d s ，其中純延遲時間為：無補

38、償器的PID 控制曲線如圖所示。長純滯后時間條件下：沒有控制系統(tǒng)時，鍋爐內(nèi)水溫與滯后管水溫與調(diào)壓器三者數(shù)據(jù)曲線：獲得的 K p g p ( s)e d s ，其中純延遲時間為：無補償器的PID 控制曲線如圖所示。實驗 11 經(jīng)典解耦控制系統(tǒng)實驗管道中流量壓力控制系統(tǒng)就是相互耦合的系統(tǒng)?？刂崎yA 和B 對系統(tǒng)壓力的影響程度同樣強烈，對流量的影響程度也相同。因此，當壓力偏低而開大控制閥A 時，流量也將增加，此時通過流量控制器作用而關(guān)小閥B，結(jié)果又使管路的壓力上升，閥A 和B 相互間互相影響著，這是一個典型的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)。關(guān)聯(lián)的系數(shù)與溫度等參數(shù)無關(guān)，具有一致性。該實驗常規(guī)儀表無法完全實現(xiàn)。解耦器FICP

39、IC調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器FTPTP0102101hP1P21#調(diào)節(jié)閥2#調(diào)節(jié)閥圖 1管道壓力與流量解耦控制實驗1、實驗方案被調(diào)量 為 1#， 2#調(diào)節(jié)閥開度，控制目標是管道中流量和壓力。如果使用兩個獨立的調(diào)節(jié)儀來控制，難以得到好的效果，但是我們可以與解耦后的效果進行比較。由于調(diào)節(jié)閥不是線性的，整個系統(tǒng)的準確數(shù)學模型難以得到。所以我們只針對小范圍變化，靜態(tài)條件下進行解耦，脫離這個條件可能效果不是很好，但是應該比不解耦的要好。對于調(diào)節(jié)閥，流量壓力關(guān)系： h21 ( p0p1 )2 ( p1p2 )相對增益矩陣：h2p0p1, ,p1p2p0p2p0p21p1p1p2, ,p0p12p0p2p0p2我們固定 P1 小范圍內(nèi)。由于不涉及溫度等問題，所以該過程基本上只與壓力和開度有關(guān)，是時不變的。P0=12.4m 水柱， P2=0.9m 水柱。如果P1=5m 水柱左右，系統(tǒng)耦合非常嚴重，需要解耦。如果控制目標的P1 定義在 5.75m 水柱 (10 mA) 。0.58,0.42那么增益矩陣為：0.42,0.58此時是一個耦合的嚴重系統(tǒng)。如果把 P1 定義成未知數(shù)，則可以列出一個方程。使用對角矩陣法進行解耦算法。2、控制策略使用對角矩陣法進行解耦算法。調(diào)節(jié)器解耦器對象系統(tǒng)