实验六控制系统专题实验：压力控制系统实验系统说明1.1实验装置硬件说明该装置由三个互相串联的不同大小的压力容器和针型阀、压力及流量等相关的检测、变送、执行仪表、计算机、模入/模出接口板和模拟信号端子板等组成。

从控制角度来说，整个装置有三个压力检测变量（1#罐、2#罐、3#罐内压力），可从中选择一至两个被控变量。

有两个可控制的变量（两个经调节阀的压缩空气流量），一般，支路1流量作为操作变量主输入通道，支路2则为扰动输入通道。

在确定被控变量、操作变量、主要扰动和控制方案后，只要在模拟控制流程图上的插座孔进行不同的连接，就能方便、迅速地组成不同的控制回路。

该装置的工艺模拟流程图如图1所示。

图1 压力计算机控制系统实验装置工艺模拟流程图由图1可见，压缩空气分两路进入压力容器，支路1主输入为控制通道，压力空气经减压阀调整为200KPa，通过调节阀的流量可由玻璃转子流量计显示，经1#罐和针阀R1（可调气阻）、2#罐和针阀R2、3#罐和针阀R3最后排放入大气。

支路2为扰动通道，压缩空气经减压阀调整为60KPa，通过调节阀的流量也可由玻璃转子流量计指示，进入1#罐、2#罐或者3#罐的通道由截止阀F1、F2及F3控制，相当于扰动的加入位置可以选择。

1.1.1系统硬件配置硬件配置如下所示：（1）主机：CPU：赛扬466以上；RAM：32MB以上；硬盘：6.4G以上；1个1.44M软驱，光驱，1个ISA插槽。

（2）数据采集卡（PCL818L）、模拟信号端子板（PCLD-9138）以及电压—电流转换器。

数据采集卡安装在计算机的ISA总线插槽中，共有16路单端模拟量输入通道，2路模拟量输出通道，分辨率为12位。

模拟信号端子板和数据采集卡通过1根电缆连接，将采集卡的I/O通道引出，连接变送器的输入信号，便于D/A输出信号与电/气转换器的连接。

由于PCL-818L采集卡的输出信号为电压信号，而执行机构的输入信号都为电流信号，因此在模拟输出信号端子板之后还需添加电压—电流转换器，将1~5V的电压信号转换为4~20mA的电流信号。

（3）压力变送器PT：压力变送器为XRB，1#量程0-80KPa，2#量程0-80KPa，3#量程0-80KPa，输出均为4~20mA 的电流信号。

（4）模拟信号端子板：PCLD-9138，16路输入，2路输出（5）电压-电流转换器：24V直流工作电源，输入1~5V电压信号，输出4~20mA电流信号（6）24V工作电源：O上孔（+插孔）接电源变送器来的正信号，下孔（一插孔）接电源变送器来的负信号（7）压力变送器：XRB，1#量程0-80KPa，2#量程0-80KPa，3#量程0-80KPa，输出均为4~20mA电流信号（8）气动小流量调节阀VL：ZMAY- 64B（气闭阀），VL1和VL2均为气动小流量调节阀（气闭阀），从电压-电流转换器输出4~20mA信号，经电/气转换器转换后得到20-100KP a气压信号，然后，输入给气动调节阀控制进气流量。

1.1.2接线说明模拟信号端子板和测量信号以及控制信号的接线简图如图2所示图2 压力实验中模拟信号端子板和测量信号以及控制信号的接线简图注意：1、电压—电流转换器需要的24V工作电源从仪表控制柜上接入仪表控制柜和模拟信号端子板的连接：只允许改变仪表控制柜的面板插座孔一侧的接线，模拟信号端子板一侧的接线不允许变动。

仪表控制柜的输出信号PT1，PT2，PT3的“+”分别连至端子板上的“1”、“5”、“20”端子；PT1，PT2，PT3的“—”分别连至端子板上的“9”、“10”、“28”端子，仪表控制柜的控制输入信号VL1和VL2的“+”“-”分别连到电压—电流转换器I、II的输出“+”“-”端，电压—电流转换器I的输入“+”“-”端分别连到信号端子板的“30”、“14”端子，电压—电流转换器II的输入接到数据采集卡的“32”“14”端子，VL1的“+”和“-”端或者VL2的“+”和“-”端可以作为扰动输入信号连到电压—电流转换器II的输出“+”“—”端子。

1.2系统软件说明软件设计集教学性和实用性于一体，层次清晰，操作方便，图形界面友好，具有详细的软件操作说明。

每个实验都带有各自的工艺流程图，实时监控画面以及实时控制曲线，便于使用者从各个方面了解实验进行善。

整个软件采用面向对象的Visual Basic6.0语言编写，采用模块化结构。

本软件需要在Windows 2000环境下运行，显示器采用800*600的分辨率。

1、软件安装要求主机硬盘至少分两个区，“C:”和“D:”，实验数据存放在“D:\压力数据”下，每次实验数据文件名称以实验开始时刻命名，可执行程序“株州工学院压力控制系统.exe”可以存放在“C：”，也可以存放在“D：\”目录下。

2、系统启动运行“株州工学院压力控制系统.exe”文件，自动进入主画面，如图3所示：图3 压力控制系统主画面3、主菜单操作直接用鼠标点击相应的命令按键或者按快捷键进行功能选择，选择要进行的实验。

4、“波形分析”可以按F4键或者用鼠标点击“波形分析”按键进入波形分析设置。

详细操作见“波形分析”实验。

5、“退出”可以按F6键退出，也可用ESC键，或者用鼠标点击“退出”按键退出整个实验系统。

6、实验内容本系统可以完成以下实验：（1）压力阶跃响应参数辨识实验（2）压力数字PID控制实验（3）压力控制周期调整实验（4）压力系统波形分析1.3实验原理压力控制系统实验原理框图如图4所示，图中电/气转换器、调节阀和压力罐压力组成广义被控对象。

容器压力为系统控制对象，记为y(t)。

压力变送器检测得到输出的4-20mA的电流反馈信号y f(t)，由数据采集卡经A/D转换成数字信号，输入计算机。

再与给定值y r(t)（从键盘输入）比较，得到偏差信号。

计算机根据偏差信号，执行相应的控制算法程序，例如，数字PID控制算法、自校正控制算法、模糊控制算法或者其它控制算法等，计算出控制量，经D/A转换成1-5V的电压，再经电压-电流转换器转换成4-20mA的电流控制信号u(t)。

控制广义对象的输出y(t)，使其跟踪给定值y r(t)。

图4 被控对象为容器压力，操作变量为容器压力的控制系统该实验装置组成闭环控制系统时，计算机都采用增量式PID 算式：))2()1(2)(()())1()(()1()(-+--++--+-=k e k e k e T T k e T T k e k e K k u k u d i c （1-1） 其中： )(k u ：当前时刻的控制量 )1(-k u ：上一时刻的控制量c K ：放大倍数，对应控制参数“P ”i T ：积分常数，对应控制参数“I ” d T ：微分常数，对应控制参数“D ” T ：控制周期)(k e ：当前时刻的给定量和检测量的偏差 )1(-k e ：上一时刻的给定量和检测量的偏差)2(-k e ：两个时刻前的给定量和检测量的偏差一、压力阶跃响应法参数辨识实验1、实验目的掌握阶跃响应曲线法测试控制对象特性的方法。

并通过实验进一步熟悉实验数据的处理方法。

2、实验原理实验中，内容器或外容器构成一阶惯性环节，其传递函数为：1)(+=TS K S G 输入一个阶跃信号，观察容器压力的动态响应曲线，计算出此一阶惯性环节的两个参数：K 、T 。

K 为放大倍数，T 为时间常数。

其中：K =稳态输出值/阶跃输入值，由传递函数可得阶跃响应为：)1()(/T t e Ku t y --= 求得：))/()(1(Ku t y Ln t T -= 3、实验画面说明该实验由三个不同的画面组成：“实时监控”画面，如图5所示：图5 压力控制实时监控画面该画面由菜单条、实验状态、参数设定、实验信息、系统参数值、时间常数以及实时监控图七部分组成。

其中，“实验状态”框中显示实验方式、实验对象等信息，可以在这档中选择实验对象。

实时监控画面中有三个检测变量：PT1，PT2，PT3；两个控制变量：气动阀VL1和气动阀VL2，画面中的实时显示数据为压力罐的压力，调节阀的开度百分比。

容器内的气体颜色随着压力的升高而改变，管道内显示的气体流速随气动阀开度的大小改变。

“响应曲线”画面如图6所示：图6 压力阶跃响应曲线画面该画面实时显示动态响应曲线。

实验信息中的容器压力对应的是选定的被控压力罐实时采集的数据。

图的右上方的X，Y坐标值显示鼠标点击的曲线对应的时间和压力罐的百分比压力值。

“工艺流程图”如图7所示：图7 压力工艺模拟流程图该图显示了压力阶跃响应的工艺模拟流程简图。

4、实验内容及步骤由同学们自己根据原理进行5、实验报告要求将得到的阶跃响应曲线进行数据处理，求出压力对象的传递函数，所用方法不限。

6、实验注意事项1）气动阀VL1的初始输入应大于气动阀的动作死区，一般设置为50%左右。

2）实验结束时，在数据读取指针处输入想要求取时间常数的时间点后，必须要按下回车键，在“压力输出”档中才会出现对应的压力值和求取的时间常数。

压力控制系统的纯滞后时间很短，可以忽略。

3）辨识对象可以选择1#，2#或者3#罐压力，它们的过渡过程时间依次增加。

1、实验目的通过实验了解简单反馈系统的组成，掌握简单调节系统“手动—自动”无扰动切换投运方法以及用临界比例度法对调节器参数进行工程整定。

2、实验原理计算机采用增量式PID算式，如式（1-1）所示。

3、实验画面说明该实验由三个不同的画面组成：“实时监控”画面如上图5所示；“工艺流程图”如上图7所示；“响应曲线”画面如下图8所示：图8 压力数字PID实验响应曲线画面该画面实时显示了压力数字PID实验的动态响应曲线。

在“实验状态”档中可以设置实验方式，“手动”或者“自动”方式。

“手动”方式下，可以设定“手动输出”值、“时间轴”以及一些其它参数，实验信息中的“对象压力”对应的是实时采集的数据。

图的右上方的X，Y坐标值显示鼠标点击曲线的对应值。

在实验开始的“自动”方式下，改变P、I、D、控制周期四个参数后，需要按下“参数投运”按键，参数设置才可有效。

在线改变其它参数，按下回车键参数有效。

4、实验内容及步骤由同学们自己根据原理进行。

5、实验要求分析不同参数设置下的压力响应波形并说明原因。

6、实验注意事项1）实验进行时，P、I、D和控制周期四个参数设定完后，要单击“参数投运”按键，参数才能有效。

2）写入数据库中的PID参数值以实验结束时的为准，如果不退出整个系统，PID参数值会自动进入一次实验，只写入P、I、D和控制周期四个参数值。

1、实验目的通过实验理解控制周期对控制性能的影响。

2、实验原理计算机采用增量式PID算式，如式（1-1）所示。

3、实验画面说明该实验由三个不同的画面组成：“实时监控”画面如上图5所示；“工艺流程图”如上图7所示；“响应曲线”画面如下图9所示。