现控实验
实验九控制系统极点的任意配置
一、实验目的
1．掌握用全状态反馈的方法实现控制系统极点的任意配置；
2．用电路模拟与软件仿真的方法，研究参数的变化对系统性能的影响。
二、实验设备
1．THBCC-1型信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台
2．PC机1台(含上位机软件) 37针通信线1根
3．双踪慢扫描示波器1台(可选)
三、实验内容
1．用全状态反馈实现二阶系统极点的任意配置，并用电路模拟与软件仿真予以实现；2．用全状态反馈实现三阶系统极点的任意配置，并通过电路模拟实验和软件仿真予以实现。
四、实验原理
由于控制系统的动态性能主要取决于它的闭环极点在S平面上的位置，因而人们常把对系统动态性能的要求转化为一组希望的闭环极点。一个单输入单输出的N阶系统，如果仅靠系统的输出量进行反馈，显然不能使系统的n个极点位于所希望的位置。基于一个N阶系统有N个状态变量，如果把他们作为系统的反馈信号，则在满足一定的条件下就能实现对系统极点任意配置，这个条件是系统能控。理论证明，通过状态反馈的系统，其动态性能一定要优于只有输出反馈的系统。
本实验分别研究二阶和三阶系统的状态反馈，有关理论的说明和实验系统的模拟电路，请参见附录。
五、实验步骤
1．典型二阶系统
1) 设计一个二阶系统的模拟电路（可参考本实验附录），测取阶跃响应，并与软件仿真结果相比较。
2) 根据上面的典型二阶系统，用极点配置方法设计全状态反馈的增益矩阵。
3) 按确定的参数设计并连接系统的模拟电路，测取阶跃响应，并与软件仿真结果相比较。
2．典型三阶系统
1) 设计一个三阶系统的模拟电路（可参考本实验附录），测取阶跃响应，并与软件仿真
结果相比较。
2) 根据上面的典型三阶系统，用极点配置方法设计全状态反馈的增益矩阵。 3) 按确定的参数设计并连接系统的模拟电路，测取阶跃响应，并与软件仿真结果相比较。
以上两步骤中，测取阶跃响应以及系统软件仿真的具体操作方法请参阅 “实验一”的实验步骤2和3。
六、实验报告要求
1．画出二阶和三阶系统的模拟电路图，并实测它们的阶跃响应曲线和动态性能。 2．根据对系统性能指标的要求，确定系统希望的特征多项式。
3．令引入状态反馈后系统的特征多项式同希望的特征多项式相等，确定状态反馈增益矩阵。
4．画出引入状态反馈后的二阶和三阶系统的电路图，并由实验测量它们的阶跃响应曲线。
七、实验思考题
1．系统极点能任意配置的充要条件是什么？
2．为什么引入状态反馈后的系统，其性能一定会优于输出反馈的系统？ 3．图9-1所示的系统引入状态反馈后，能不能使输出的稳态值高于给定值？
八、附录
1．典型二阶系统全状态反馈的极点配置 二阶系统方框图如9-1所示。
图9-1 二阶系统的方框图
1) 由图得
21X 1
0.05S 1)
X (R =+- , 1
X R X X 0.0522-=+ 所以：21X X = ，20R 20X 20X X 212+--= R 200X 202010X ??
?
???+????
??--= []X 01
X y 1==
2) 检查能控性
[]240020200rank Ab b
rank =??
????-= 所以系统完全能控，即具有极点任意配置。
3) 由性能指标确定希望的闭环极点 令性能指标： 0.25Mp ≤，0.5s Tp ≤
由 0.25Mp＝e
2
ξ1ξπ
≤--，选择＝0.7072
1ξ＝
0.5s ξ
1ωπTp 2
n ≤-=
，选择10n ＝
ω 1/S 于是求得希望的闭环极点 07.7j 07.7S 21±＝－， j7.07)－7.072
1
1j107.07ξ
1j ωξω(S 2
n n 21±=-
±-=-±-=? 希望的闭环特征多项式为
10014.14S S j7.07)7.07j7.07)(S 7.07(S (S)*2++=++-+=? (1) 4) 确定状态反馈系数K1和K2 引入状态反馈后系统的特征方程式为 2
1
20K 20S 20K 201
S bK)(A SI +++-=
--
2020K )S 20K (20S 122++++= (2) 由式(1)、 (2)解得 0.3K 4,K 21-==
5) 引入状态反馈后的方框图和模拟电路图为
图9-2 引入状态反馈后的二阶系统方框图
图9-3 引入状态反馈前的二阶系统模拟电路图
图9-4 引入状态反馈后的二阶系统模拟电路图
其中：Rx 1=50K Rx 2=666.6K
6) 观察加状态反馈前后系统的阶跃响应曲线。 2.典型三统全阶系状态反馈的极点配置
1) 系统的方框图为
图9-4 三阶系统的方框图
2) 模拟系统的电路图如图9-4所示
图9-4 引入状态反馈后的三阶系统模拟电路图
3) 状态方程
由图得： 21X X = [1X y C 1=== 0 ]0X 3
222X 2X X +-= 5R 5X 5X X 3
13+--= ?????-=5
00X 021
- ?????-520X+?????
?????500R
4）检查能控性
图9-6 引入状态反馈后的三阶系统方框图
因为 Rank[b Ab A 2b]=Rank ?????500
25100- ???
?
?-1257010=3
所以系统能控,其极点能任意配置。 设一组理想的极点为： P 1=-10,P 2,3=-2±j2 则由它们组成希望的特征多项式为
0848S 14S S j2)2j2)(s 210)(S (S 23+++=++-++=?* (3) 5) 确定状态反馈矩阵K
det[SI-(A-Bk)]=S(S+2)(S+5+5K 3)+2(S+5K 1)+10SK 2
110K 10)S 10K 10K (10)S 5K (7S 32233+++++++= (4) 由式(3)、(4)得
7+5K 3=14 K 3=1.4 10+10K 2+10K 3=48 K 2=2.4
10+10K 1=80 K 1=7
所以： 7Rx 200k
1= Rx 1=28.5k
2.4Rx 200k
2
= Rx 2=83k 1.4Rx 200k
3
= Rx 3=142k 6) 引入状态反馈后的模拟电路图如图9-7所示。
图9-7 引入状态反馈后的三阶系统模拟电路图
实验十一 状态观测器及其应用
一、实验目的
1.熟悉状态观测器的原理与结构组成；
2．用状态观测器的状态估计值对系统的极点进行任意配置。
二、实验设备
1．THBCC-1型 信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台 2．PC 机1台(含上位机软件) 37针通信线1根 3．双踪慢扫描示波器1台(可选)
三、实验内容
1．设计受控系统和相应状态观测器的模拟电路图。
2．观测实验系统的状态)t (x 与观测器的状态估计值)t (x
?两者是否一致。 3．观测实际系统在状态反馈前的阶跃响应和用观测器的状态进行反馈后的阶跃响应。
四、实验原理
状态反馈虽然能使系统获得满意的动态性能，但对于具体的控制系统，由于物理实现条件的限制，不可能做到系统中的每一个状态变量x都有相应的检测传感器。为此，人们设想构造一个模拟装置，使它具有与被控系统完全相同的动态方程和输入信号。由于这种模拟装置的状态变量x?都能被检测，因此可采用它作为被控系统的状态进行反馈，这个模拟装置成为系统的状态感测器。
为了能使在不同的初始状态使)
≠，使)t(x?能以最快的速度趋于实际系统的状态
t(x?
)
t(x
变为)t(x，必须把状态观测器接称闭环形式，且它的极点配置距S平面虚轴的距离至少大于状态反馈系统的极点距虚轴的距里五倍。
有关本实验中状态观测器的具体设计和实验系统的模拟电路，请参见附录。
五、实验步骤
1.利用实验台上的模拟电路单元，设计（参考本实验附录）并连接一个具有状态观测器的模拟电路。
2.无上位机时，利用实验平台上的阶跃信号发生器产生一个阶跃信号（一
x与1x ，般为1V左右）作为系统的输入，用示波器观测该系统的输入与输出，同时也可观测
1
x与2x 测试点的跟踪情况。
2
3.有上位机时，则充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器的功能完成实验，具体操作步骤请参阅“实验一”的实验步骤3。
六、实验报告要求
1．根据对系统和观测器的动态性能要求，分别设计状态反馈矩阵K和观测器的校正矩阵G。
2．画出受控系统和观测器的模拟电路图。
3．根据实验结果，分别画出实际系统的状态)t(x与观测器的状态估计值)t(x?的曲线。
4．根据实验结果，分别画出未加状态反馈前系统的阶跃响应曲线和用观测器的状态估计值进行反馈后系统的阶跃响应曲线。
5．讨论分析实验结果。
七、实验思考题
1．观测器中的校正矩阵G起什么作用？
2．观测器中矩阵（GC)
A-极点能任意配置的条件是什么？
3．为什么观测器极点要设置得比系统的极点更远离于S平面的虚轴？
八、附录
1．状态反馈的设计
其二阶系统的原理方框图如图11-1所示。
图11-1 二阶系统的原理方框图 ???=00x
u 10x 11??
?
???+???-+, 1[y = x ]0 已知系统能控和能观,状态变量X 1和X 2均不能测量,试用状态反馈使闭环系统的阻尼
比2
1
=ξ，1n =ω
根据给定的ξ和n ω，求得系统的闭环极点 2
2
j 22ξ1j ωξωS 2
n n 1,2±-
=-±-
= 相应的特征方程为 1S 2S )2
2
j 22)(S 22j 22(S (S)2++=++-+
=?* (1) 因为能控，所以闭环极点能任意配置，令1K [K = ]K 2，则状态反馈后系统的闭环特征多项式为：
0K )S K (1S bK}](A det[SI 122=+++=-- (2) 对比式(1)、(2)得 K 1=1,K 2=12-=0.414 2、状态观测器的设计 状态观测器的状态方程为
Gy bu x )Gc A (x ++-= 令 ??????=21g g G ,???--=-21g g Gc A ??
?-+11
)g g (S )1g (S )]Gc A (SI det[2112++++=-- (3)
为使x
尽快地趋于实际的状态X,要求观测器的特征值远小于闭环极点的实部,现设观测器的特征值S 1,2=-5,据此得
2510S S 5)(S 22++=+ (4) 比较（3）、（4）得
g 1+g 2=25 g 1+1=10
即 g 1=9,g 2=16
于是求得观测器的状态方程为 ??
?--=169x y 169u 10x 11??????+??????+???-
用观测器的状态估计值构成系统的控制量为
1[u -= 1]2-??
????21x ?x
?21x ?414.0x
?--= 图11-2和11-3分别为用观测器的状态估计值对系统进行状态反馈的方框图和模拟电路图。
图11-2 观测器的方框图
图11-3 观测器的模拟电路
过程控制实验报告
过程控制实验 实验报告 班级:自动化1202 姓名:杨益伟 学号:120900３21 2015年１0月 信息科学与技术学院 实验一过程控制系统建模 作业题目一: 常见得工业过程动态特性得类型有哪几种?通常得模型都有哪些？在Ｓimｕlｉnｋ中建立相应模型,并求单位阶跃响应曲线、 答:常见得工业过程动态特性得类型有:无自平衡能力得单容对象特性、有自平衡能力得单容对象特性、有相互影响得多容对象得动态特性、无相互影响得多容对象得动态特性等。通常得模型有一阶惯性模型,二阶模型等、 单容过程模型 1、无自衡单容过程得阶跃响应实例 已知两个无自衡单容过程得模型分别为与,试在Siｍulinｋ中建立模型,并求单位阶跃响应曲线。 Simuｌinｋ中建立模型如图所示: 得到得单位阶跃响应曲线如图所示:
2、自衡单容过程得阶跃响应实例 已知两个自衡单容过程得模型分别为与,试在Sｉmulinｋ中建立模型,并求单位阶跃响应曲线。 Ｓimulink中建立模型如图所示: 得到得单位阶跃响应曲线如图所示:
多容过程模型 3、有相互影响得多容过程得阶跃响应实例 已知有相互影响得多容过程得模型为,当参数, 时,试在Ｓiｍｕlink中建立模型,并求单位阶跃响应曲线在Ｓimｕlink中建立模型如图所示:得到得单位阶跃响应曲线如图所示:
4、无相互影响得多容过程得阶跃响应实例 已知两个无相互影响得多容过程得模型为(多容有自衡能力得对象)与(多容无自衡能力得对象),试在Simuｌink中建立模型,并求单位阶跃响应曲线。 在Simuｌink中建立模型如图所示: 得到得单位阶跃响应曲线如图所示:
现代控制理论实验报告
实验报告 ( 2016-2017年度第二学期) 名称：《现代控制理论基础》 题目：状态空间模型分析 院系：控制科学与工程学院 班级： ___ 学号： __ 学生姓名： ______ 指导教师： _______ 成绩： 日期： 2017年 4月 15日
线控实验报告 一、实验目的： l.加强对现代控制理论相关知识的理解； 2.掌握用 matlab 进行系统李雅普诺夫稳定性分析、能控能观性分析； 二、实验内容 1 第一题：已知某系统的传递函数为G (s) S23S2 求解下列问题： （1）用 matlab 表示系统传递函数 num=[1]; den=[1 3 2]; sys=tf(num,den); sys1=zpk([],[-1 -2],1); 结果： sys = 1 ------------- s^2 + 3 s + 2 sys1 = 1 ----------- (s+1) (s+2) （2）求该系统状态空间表达式： [A1,B1,C1,D1]=tf2ss(num,den); A = -3-2 10 B = 1 C = 0 1
第二题：已知某系统的状态空间表达式为： 321 A ,B,C 01：10 求解下列问题： （1）求该系统的传递函数矩阵： （2）该系统的能观性和能空性： （3）求该系统的对角标准型： （4）求该系统能控标准型： （5）求该系统能观标准型： （6）求该系统的单位阶跃状态响应以及零输入响应：解题过程： 程序： A=[-3 -2;1 0];B=[1 0]';C=[0 1];D=0; [num,den]=ss2tf(A,B,C,D); co=ctrb(A,B); t1=rank(co); ob=obsv(A,C); t2=rank(ob); [At,Bt,Ct,Dt,T]=canon(A,B,C,D, 'modal' ); [Ac,Bc,Cc,Dc,Tc]=canon(A,B,C,D, 'companion' ); Ao=Ac'; Bo=Cc'; Co=Bc'; 结果： （1） num = 0 01 den = 1 32 （2）能控判别矩阵为： co = 1-3 0 1 能控判别矩阵的秩为： t1 = 2 故系统能控。 （3）能观判别矩阵为： ob = 0 1
09自动化《过程控制系统》实验指导书
实验1 用曲线拟合法估计模型参数 实验目的： 1) 掌握用曲线拟合法测试对象动态特性； 2) 熟悉MATLAB 仿真平台。 实验原理： 图1.1 输入-输出过程模型 在如图1.1 所示的过程模型中，可以通过实验测试或依据积累的操作数据，用数学方法得出过程的经验模型。 在获取了输入输出数据后，进行曲线拟合，可采用计算机和相关的软件实现。首先根据实验数据和其它验前知识，假定对象的模型结构，然后最小化模型输出)(t y 和实际输出y(t)在采样点上的误差平方和，即 ∑=-=n i i i t y t y J 1 2))()((min 进行搜索时，当J 最小时相应的对象参数即为最优参数。式中，n 为计算数据的个数。优化的算法很多，如共轭梯度法、最速下降法、Powell 法、单纯型法、罚函数法等。 本实验利用MA TLAB 优化工具箱中的“lsqcurvefit”函数对过程阶跃响应曲线进行拟合，用户假定模型的结构，编写相应的fun 函数，即ym=fun (x , t )，其中x 为模型的参数向量，待确定，t 为时间向量。给出待估计参数的初始值x0，调用曲线拟合函数计算模型参数向量的估计值x ，格式为x = lsqcurvefit (fun , x 0, t , y )，其中y 为与时间向量t 对应的输出实验数据。 实验要求： 1) 用SIMULINK 工具箱搭建如图1.2所示的开环对象测试系统，模拟实验测试环节 获取输入输出数据，此处输入采用单位阶跃信号。设置合适的“start time”和“stop time”，使得能够得到一个完整的动态过程。仿真类型设置为“Fixed -step”，并设置合适的计算步长（0.01～0.1）。 输入输出数据保存在dataty.mat 文件中，设置变量名为ty ；run 之后，可在命令窗口中输入load dataty.mat 将数据文件中的数据读入工作空间中，然后用size(ty)查看
过控实验指导
本章开始进行控制系统设计。主要是单回路PID设计，其中PID参数的调整是一个非常麻烦的工作，同学们需要不断总结经验。 实验1 单闭环流量控制实验 一、实验目的 1、掌握单回路控制的特点 2、了解PI控制特点，以及对控制效果的评价。 3、掌握通过调节阀控制流量的原理和操作。 二、实验设备 A3000现场系统，任何一个控制系统。 三、实验原理与介绍 1、单回路控制逻辑 调节阀流量控制实验逻辑关系如图5-1所示。FIC指用于流量的调节器，这个调节器可能是智能仪表，也可以是计算机上的PID调节器，也可以是PLC中的PID调节器。类似的TIC就是用于温度控制的调节器。 图5-1 流量计流量定值控制实验 该控制逻辑是一个经典的单回路流量控制系统。单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是管道流量，即控制的任务是控制流量等于给定值所要求的大小。根据控制框图，这是一个闭环反馈型单回路流量控制，采用PID控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器
参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。 一般言之，用比例(P)调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分(PI)调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分(PID)调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能(快速性、稳定性等)。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图5-2中的曲线①、②、③所示。 图5-2 P、PI和PID调节的阶跃响应曲线 本实验暂时对PID控制的调节问题不涉及更多。 2、控制系统接线表 3、实验方案 被调量为调节阀开度，控制目标是水流量，通过测量水流量，控制器与给定值进行比较，然后输出控制值到调节阀。 首先进行比例控制，看控制效果，进行比较。 然后进行积分控制，看控制效果，进行比较。
过程控制仪表实验报告
成绩________ 过程控制仪表及装置实验报告 班级：_______________________________________ 姓名：________________________________________ 学号：________________________________________ 指导老师：_____________________________________ 实验日期：_____________________________________
目录 实验一电容式差压变送器的校验 (2) 实验二热电阻温度变送器的校验 (5) 实验三模拟调节器开环校验 (8) 实验四模拟调节器闭环校验 (12) 实验五SLPC可编程调节器的编程设计与操作 (14) 实验六SLPC可编程调节器PID控制参数整定 (19) 1 实验一电容式差压变送器的校验 一、实验目的 1．了解并熟悉电容式差压变送器整体结构及各种部件的作用。 2．掌握电容式差压变送器的工作原理。 3．掌握电容式差压变送器的起点及终点调整、精度校验、迁移的调整方法。 二、实验项目 1．掌握气动定值器、标准电流表、标准压力表、标准电阻箱的使用方法。2．了解电容式差压变送器整体结构，熟悉各调节螺钉的位置和用途。 3．按照实验步骤进行仪表的起点、终点调整，进行精度、迁移校验。 三、实验设备与仪器 1．电容式差压变送器1台 2．标准电阻箱1个 3．气动定值器1个 4．标准电流表1台 5．标准压力表1个 6．大、小螺丝刀各1把 7．连接导线、气压导管若干 四、实验原理 实验接线如图2-1所示。
现代控制理论实验报告
现代控制理论实验报告
实验一系统能控性与能观性分析 一、实验目的 1.理解系统的能控和可观性。 二、实验设备 1.THBCC-1型信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台； 三、实验容 二阶系统能控性和能观性的分析 四、实验原理 系统的能控性是指输入信号u对各状态变量x的控制能力，如果对于系统任意的初始状态，可以找到一个容许的输入量，在有限的时间把系统所有的状态引向状态空间的坐标原点，则称系统是能控的。 对于图21-1所示的电路系统，设iL和uc分别为系统的两个状态变量，如果电桥中 则输入电压ur能控制iL和uc状态变量的变化，此时，状态是能控的。反之，当 时，电桥中的A点和B点的电位始终相等，因而uc不受输入ur的控制，ur只能改变iL的大小，故系统不能控。 系统的能观性是指由系统的输出量确定所有初始状态的能力，如果在有限的时间根据系统的输出能唯一地确定系统的初始状态，则称系统能观。为了说明图21-1所示电路的能观性，分别列出电桥不平衡和平衡时的状态空间表达式： 平衡时：
由式（2）可知，状态变量iL和uc没有耦合关系，外施信号u只能控制iL的变化，不会改变uc的大小，所以uc不能控。基于输出是uc，而uc与iL无关连，即输出uc中不含有iL的信息，因此对uc的检测不能确定iL。反之式（1）中iL与uc有耦合关系，即ur的改变将同时控制iL和uc的大小。由于iL与uc的耦合关系，因而输出uc的检测，能得到iL 的信息，即根据uc的观测能确定iL（ω） 五、实验步骤 1．用2号导线将该单元中的一端接到阶跃信号发生器中输出2上，另一端接到地上。将阶跃信号发生器选择负输出。 2．将短路帽接到2K处，调节RP2，将Uab和Ucd的数据填在下面的表格中。然后将阶跃信号发生器选择正输出使调节RP1，记录Uab和Ucd。此时为非能控系统，Uab和Ucd没有关系（Ucd始终为0）。 3．将短路帽分别接到1K、3K处，重复上面的实验。 六、实验结果 表20－1Uab与Ucd的关系 Uab Ucd
过控控制系统综合设计实验
过程控制系统综合设计实验报告 项目：过程控制系统综合设计 班级：自动化133 姓名： 学号： 指导老师： 一：实验目的及要求 目的： 1.结合比值控制系统、串级控制系统、前馈反馈控制系统、解耦控 制系统的实施，掌握DDC系统应用，以及安装； 2.掌握P900系列智能调节器的参数整定与操作； 3.掌握各类标准信号的测定方法； 4.掌握传感器、执行器的使用； 5.掌握数学建模方法以及PID参数的整定方法。
要求： 1、按照实验指导书上的任务完成实验内容； 2、记录数据以及实验结果，保存实验结果图； 3、完成实验报告的设计，撰写，分析并处理实验结果； 4、进行答辩。
二：实验过程及实验结果 实验一、长滞后环节温度PID 控制实验 一、实验目的 1、熟悉纯滞后（温度）对象的数学模型及其阶跃响应曲线。 2、根据由实际测得的纯滞后（温度）阶跃响应曲线，分析加热系统的飞升特性。 二、实验器材 CS4100型过程控制实验装置 配置：C3000过程控制器、实验连接线。 三、实验原理 整个纯滞后系统如图4-1所示，加热水箱为纯滞后水箱提供热水，在加热水箱的出水口即纯滞后水箱的进水口装有温度传感器。纯滞后水箱，中间固定有一根有机玻璃圆柱，9块隔板呈环形排布在圆柱周围，将整个水箱分隔为9个扇形区间，热水首先流入A 区间，再由底部进入B 区间，流过B 区间后再由顶部进入C 区间，如此再依次流过D 、E 、F 、G 、H 最后从I 区间流出，测温点设在E 、H 区间，当A 区间进水水温发生变化时，各区间的水温要隔一段时间才发生变化，当进水水流流速稳定在1.5L/Min 时，与进水水温T1相比E 区间的水温T2滞后时间常数τ约为4分钟，H 区间的水温T3滞后时间常数τ约为8分钟。各隔板的上沿均低于水箱的外沿，这样如果水流意外过大则会漫过各隔板直接进入I 区间再流出。 A B C D E F G H I t2 t3 六号纯滞后水箱 五号加热水箱 调压 模块 手动设定 Q t1 图3-1 纯滞后系统示意图
过控实验指导书最新本科
《过程控制系统》 安阳工学院 电子信息与电气工程学院
一、实验目的 1．掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法； 2．根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T1、T2及传递函数；3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验条件 1．THJ－3型高级过程控制系统实验装置； 2．计算机、组态王工控组态软件、RS232/485转换器1只、串口线1根； 3．万用表1只。 三、实验原理 图2-1 双容水箱对象特性测试系统
G(s)=G 1(s)G 2 (s)=1 2 1212 k k K T1T1(T1)(T1) s s s s ?= ++++ (2-1) 式中K＝k 1 k 2 ，为双容水箱的放大系数，T 1 、T 2 分别为两个水箱的时间常数。 本实验中被测量为中水箱的液位，当上水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2-2所示。由图2-2可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图2-2(a)）；而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图2-2(b) ），即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1-10和F1-11的开度大小密切相关。 图2-2 双容水箱液位的阶跃响应曲线 （a）中水箱液位（b）下水箱液位 双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。在图2-3所示的阶跃响应曲线上求取： (1) h 2 （t）| t=t1 =0.4 h 2 (∞)时曲线上的点B和对应的时间t 1 ； (2) h 2 （t）| t=t2 =0.8 h 2 (∞)时曲线上的点C和对应的时间t 2 。 图2-3 双容水箱液位的阶跃响应曲线 然后，利用下面的近似公式计算式 阶跃输入量 输入稳态值 = ∞ = O h x ) ( K2 (2-2) 2.16 t t T T2 1 2 1 + ≈ + (2-3) ) 55 .0 74 .1( ) T (T T T 2 1 2 2 1 2 1- ≈ +t t (2-4) 0.32〈t 1 /t 2 〈0.46 由上述两式中解出T 1 和T 2 ，于是得到如式（2-1）所示的传递函数。 在改变相应的阀门开度后，对象可能出现滞后特性，这时可由S形曲线的拐点P 处作一切线，它与时间轴的交点为A，OA对应的时间即为对象响应的滞后时间τ。于是得到双容滞后（二阶滞后）对象的传递函数为： G（S）= )1 )(1 ( 2 1 + +S T S T K S eτ- (2-5)
过程控制系统实验报告
实验一过程控制系统的组成认识实验 过程控制及检测装置硬件结构组成认识，控制方案的组成及控制系统连接 一、过程控制实验装置简介 过程控制是指自动控制系统中被控量为温度、压力、流量、液位等变量在工业生产过程中的自动化控制。本系统设计本着培养工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才为出发点。实验对象采用当今工业现场常用的对象，如水箱、锅炉等。仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件。对象系统还留有扩展连接口，扩展信号接口便于控制系统二次开发，如PLC控制、DCS控制开发等。学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能很快地适应环境并进入角色。同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开发的平台。 二、过程控制实验装置组成 本实验装置由过程控制实验对象、智能仪表控制台及上位机PC三部分组成。 1、被控对象 由上、下二个有机玻璃水箱和不锈钢储水箱串接，4.5千瓦电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭外循环不锈钢锅炉夹套构成），压力容器组成。 水箱：包括上、下水箱和储水箱。上、下水箱采用透明长方体有机玻璃，坚实耐用，透明度高，有利于学生直接观察液位的变化和记录结果。水箱结构新颖，内有三个槽，分别是缓冲槽、工作槽、出水槽，还设有溢流口。二个水箱可以组成一阶、二阶单回路液位控制实验和双闭环液位定值控制等实验。 模拟锅炉：锅炉采用不锈钢精致而成，由两层组成：加热层（内胆）和冷却层（夹套）。做温度定值实验时，可用冷却循环水帮助散热。加热层和冷却层都有温度传感器检测其温度，可做温度串级控制、前馈－反馈控制、比值控制、解耦控制等实验。 压力容器：采用不锈钢做成，一大一小两个连通的容器，可以组成一阶、二阶单回路压力控制实验和双闭环串级定值控制等实验。 管道：整个系统管道采用不锈钢管连接而成，彻底避免了管道生锈的可能性。为了提高实验装置的使用年限，储水箱换水可用箱底的出水阀进行。 2、检测装置 （液位）差压变送器：检测上、下二个水箱的液位。其型号：FB0803BAEIR，测量范围：0～1.6KPa，精度：0.5。输出信号：4～20mA DC。 涡轮流量传感器：测量电动调节阀支路的水流量。其型号：LWGY－6A，公称压力：6.3MPa，精度：1.0％，输出信号：4～20mA DC 温度传感器：本装置采用了两个铜电阻温度传感器，分别测量锅炉内胆、锅炉夹套的温度。经过温度传感器，可将温度信号转换为4～20mA DC电流信号。 （气体）扩散硅压力变送器：用来检测压力容器内气体的压力大小。其型号：DBYG-4000A/ST2X1，测量范围：0.6～3.5Mpa连续可调，精度：0.2，输出信号为4～20mA DC。 3、执行机构 电气转换器：型号为QZD-1000，输入信号为4～20mA DC，输出信号：20～100Ka气压信号，输出用来驱动气动调节阀。 气动薄膜小流量调节阀：用来控制压力回路流量的调节。型号为ZMAP－100，输入信号为4～20mA DC或0～5V DC，反馈信号为4～20mA DC。气源信号 压力：20~100Kpa，流通能力：0.0032。阀门控制精度：0.1％～0.3％，环境温度：－4～＋200℃。 SCR移相调压模块：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号0～5V DC或4～20mA DC 或10K电位器，输出电压变化范围：0～220V AC，用来控制电加热管加热。 水泵：型号为UPA90，流量为30升／分，扬程为8米，功率为180W。
现代控制理论 实验报告
实验三典型非线性环节 一．实验要求 1.了解和掌握典型非线性环节的原理。 2.用相平面法观察和分析典型非线性环节的输出特性。 二．实验原理及说明 实验以运算放大器为基本元件，在输入端和反馈网络中设置相应元件（稳压管、二极管、电阻和电容）组成各种典型非线性的模拟电路。 三、实验内容 3.1测量继电特性 （1）将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心Y测孔，作为系统的-5V~+5V输入信号（Ui）：B1单元中的电位器左边K3开关拨上（-5V），右边K4开关也拨上（+5V）。 （2）模拟电路产生的继电特性： 继电特性模拟电路见图 慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V~+5V），观测并记录示波器上的U0~U i图形。 波形如下： 函数发生器产生的继电特性 ①函数发生器的波形选择为‘继电’，调节“设定电位器1”，使数码管右显示继电限幅值为3.7V。 慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V~+5V），观测并记录示波器上的U0~U i图形。实验结果与理想继电特性相符 波形如下：
3.2测量饱和特性 将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心Y测孔，作为系统的-5V~+5V输入信号（Ui）：B1单元中的电位器左边K3开关拨上（-5V），右边K4开关也拨上（+5V）。 （2）模拟电路产生的饱和特性：饱和特性模拟电路见图3-4-6。 慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V~+5V），观测并记录示波器上的U0~U i图形。如下所示：
函数发生器产生的饱和特性 ①函数发生器的波形选择为‘饱和’特性；调节“设定电位器1”，使数码管左显示斜率为2；调节“设定电位器2”，使数码管右显示限幅值为3.7V。 慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V~+5V），观测并记录示波器上的U0~U i图形。波形如下： 。 3.3测量死区特性 模拟电路产生的死区特性 死区特性模拟电路见图3-4-7。 慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V~+5V），观测并记录示波器上的U0~U i图形。如下所示：
A3000高级过程控制系统实验指导书V
HUATEC A3000过程控制实验系统 实验指导书 V3.0 华晟高科教学仪器编制
目录 第一章安全注意事项与设备使用 ................................................ - 1 - 1.1防止触电 ................................................................................. - 1 - 1.2防止烫伤 ................................................................................. - 2 - 1.3防止损坏 ................................................................................. - 2 - 1.4现场系统组成............................................................................ - 2 - 1.5控制系统组成............................................................................ - 2 - 第二章计算机测控系统实验 ..................................................... - 5 -实验1 实验系统认知 ....................................................................... - 5 - 实验2 ADAM4000模块的通讯和使用 ....................................................- 10 - 实验3 组态软件编程和数据获取.........................................................- 18 - 实验4 PLC系统通讯和使用...............................................................- 21 - 实验5 PLC Step7编程...................................................................- 28 - 实验6 现场总线技术与DCS实验 ........................................................- 33 - 第三章工艺设备和仪器仪表实验 .............................................. - 41 -实验1 温度、压力、液位和流量测量实验..............................................- 41 - 实验2 水泵负载特性测量实验 ...........................................................- 46 - 实验3 管道压力和流量耦合特性测量实验..............................................- 48 - 实验4 电动调节阀特性测量实验.........................................................- 51 - 实验5 调压器特性测量实验 ..............................................................- 53 - 实验6 变频器水泵控制特性测量实验 ...................................................- 55 - 第四章工业系统对象特性的测定研究......................................... - 59 -实验1 单容水箱液位数学模型的测定实验..............................................- 59 - 实验2 双容水箱液位数学模型的测定实验..............................................- 62 - 实验3 非线性容积水箱液位数学模型的测定实验 .....................................- 65 - 实验4 测定不同阻力下单容水箱液位数学模型实验...................................- 67 - 实验5 锅炉与加热器对象数学模型实验 ................................................- 70 - 实验6 滞后管数学模型实验 ..............................................................- 73 - 实验7 换热机组数学模型实验 ...........................................................- 76 - 第五章简单设计型控制实验 ................................................... - 80 -实验1 单闭环流量控制实验 ..............................................................- 80 - 实验2 单容水箱液位定值控制实验......................................................- 83 - 实验3 双容水箱液位定值控制实验......................................................- 89 - 实验4 三容水箱液位定值控制实验......................................................- 93 - 实验5 锅炉水温定值位式控制实验......................................................- 95 - 实验6 锅炉水温定值控制实验 ...........................................................- 99 - 实验7 换热器水温单回路控制实验.................................................... - 102 - 实验8 联锁控制系统实验............................................................... - 105 - 实验9 单闭环压力控制实验 ............................................................ - 109 - 第六章复杂设计型控制系统 .................................................. - 111 -实验1下水箱液位和进口流量串级控制实验.......................................... - 111 - 实验2 闭环双水箱液位串级控制实验 ................................................. - 120 - 实验3 换热器热水出口温度和冷水流量串级控制实验.............................. - 125 - 实验4 单闭环流量比值控制系统实验 ................................................. - 128 - 实验5 下水箱液位前馈反馈控制系统实验............................................ - 131 - 实验6 锅炉温度和换热器前馈反馈控制系统实验 ................................... - 135 - 实验7 管道压力和流量解耦控制系统实验............................................ - 138 -
过控实验四
实验四 （1）先选择主回路断开，副回路闭合，一次二次干扰断开。将主调节器的比例度δ1放到100%，积分时间Ti1放到最大（Ti1=∞），微分时间放到零。用整定单回路的方法来整定副回路，这里用10 ：1衰减曲线法来整定副回路，则求取副回路10 ：1衰减过程的δ2s和T2s点按副回路衰减曲线及参数按钮。 δ2s=0.134 T2s=2.30 2）选择主回路闭合，副回路闭合，一次二次干扰断开。使副回路视为主回路中一个组成部分，同样用 10 ：1方法整定主回路，求取主回路10 ：1 衰减过程的δ1s和T1s。点按主回路衰减曲线及参数按钮。
δ1s=1 T1s=52.52 （3）根据上面求得的δ1s，T1s，δ2s，T2s值，结合调节器的类型，按照采取的衰减比（10 ：1），查表求取主，副调节器的整定参数。按照“先副后主”先比例在积分再微分的原则，将
主回路： 副回路：δ(%)=0.1072 Ti(min)=2.76 Td(min)=0.92 （4）在系统整定好的前提下，选择主回路闭合，副回路闭合，加入一次干扰，断开二次干扰，观看系统响应曲线。想一想为什么会这样。一次干扰和二次干扰加入位置见指导书末框图。
（5）选择主回路闭合，副回路闭合，加入二次干扰，断开一次干扰，观看系统响应曲线。想一想为什么和加入一次干扰时情况不同。对比可以充分看出，串级系统极大的克服了二次干扰，但是对一次干扰克服能力不强。因此应该将较大的干扰置于内环中
（6）同样选择主回路闭合，副回路断开，视作单回路系统试一试，加入一次干扰，观看系统响应曲线，再试试加入二次干扰，就会明串级系统和单回路控制系统在克服干扰上的区别。单回路控制系统因为只有一个回路，难以克服干扰，任何扰动对系统控制质量的影响都很明显。串级控制系统因为有副回路，可以以极高的频率对包含在其中的干扰做出响应，克服扰动，因此串级控制系统比单回路控制系统有更广泛的应用。 不加干扰
《过程控制系统》实验报告
《过程控制系统》实验报告 学院：电气学院 专业：自动化 班级：1505 姓名及学号：任杰311508070822 日期：2018.6.3
实验一、单容水箱特性测试 一、 实验目的 1. 掌握单容水箱阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线。 2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T 和传递函数。 二、 实验设备 1. THJ-FCS 型高级过程控制系统实验装置。 2. 计算机及相关软件。 3. 万用电表一只。 三、 实验原理 图1 单容水箱特性测试结构图 由图 2-1 可知，对象的被控制量为水箱的液位 h ，控制量（输入量）是流入水箱中的流量 Q 1，手动阀 V 1 和 V 2 的开度都为定值，Q 2 为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时02010=-Q Q （式2-1），动态时，则有dt dV Q Q = -21，（式2-2）式中 V 为水箱的贮水容积，dt dV 为水贮存量的变化率，它与 h 的关
系为Adh dV =，即dt dh A dt dV =（式2-3），A 为水箱的底面积。把式（2-3）代入式（2-2）得dt dh A Q Q =-21（式2-4）基于S R h Q =2,S R 为阀2V 的液阻，（式2-4）可改写为dt dh A R h Q S =-1，1KQ h dt dh AR S =+或()()1s 1+=Ts K s Q H （式2-5）式中s AR T =它与水箱的底面积A 和2V 的S R 有关，（式2-5）为单容水箱的传递函数。若令()S R S Q 01=,常数=0R ，则式2-5可表示为()T S KR S R K S R T S T K S H 11/000+-=?+= 对上式取拉氏反变换得()()T t e KR t h /01--=（式2-6）,当∞→t 时()0KR h =∞,因而有()0/R h K ∞==输出稳态值/阶跃输入，当T t =时，()() ()∞==-=-h KR e KR T h 632.0632.01010，式2-6表示一阶惯性响应曲线是一单调上升的指数函数如下图2-2所示 当由实验求得图 2-2 所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的 63%所对应的时间，就是水箱的时间常数 T 。该时间常数 T 也可以通过 坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是 时间常数 T ，由响应曲线求得 K 和 T 后，就能求得单容水箱的传递函 数如式（2-5）所示。 如果对象的阶跃响应曲线为图 2-3，则在此曲线的拐点 D 处作一切线，它与时间轴交于 B 点，与响应稳态值的渐近线交于 A 点。图中OB 即为对象的滞后时间
综合实验试验指导书(一)
综合实验实验指导书 福建工程学院土木工程学院 2013年12月
学生实验守则 1、实验前应认真按教师布置进行预习，明确实验目的、要求，掌握实验内容、方法和步骤。 2、实验前的准备工作，经指导教师或实验技术人员检查，合格后方可进行实验。实验过程中认真观察各种现象，记录实验数据，不能马虎的抄袭。实验完毕必须整理好本组实验仪器，并经指导教师或实验技术人员验收后，方可离开。实验后，认真分析实验结果，正确处理数据，细心制作图表，做好实验报告。不符合要求者，应重做。 3、实验室内必须保持安静，不准高声喧哗打闹，不准抽烟，随地吐痰，乱抛纸屑杂物，不准做与实验无关的事。不准穿背心、裤衩、拖鞋（除规定须换专业拖鞋外)或赤脚进入实验室。 4、必须严格遵守实验制订的各项规章制度，认真执行操作规程。注意人身和设备安全。 5、爱护国家财物。节约水电和药品器材，不得动用他组的仪器、工具材料。凡损坏仪器、工具者应检查原因，填写报损单，并依照管理办法赔偿损失。 前言
为了达到预期目的，试验课必须注意以下几方面问题： 1、试验前认真预习指导书和课本有关内容，同时应复习其它已学有关课程的有关章节，充分了解各个试验的目的要求、试验原理、方法和步骤，并进行一些必要的理论计算。一些控制值的计算工作，试验前必须做好。 2、较大的小组试验，应选出一名小组长，负责组织和指挥整个试验过程，直至全组试验报告都上交后卸任，小组各成员必须服从小组长和指导教师的指挥，要明确分工，协调工作，不得擅离各自的岗位。 3、试验开始前。必须仔细检查试件和各种仪器仪表是否安装稳妥，荷载是否为零，安全措施是否有效，各项准备工作是否完成，要经指导教师检查通过后，试验才能开始。 4、试验时应严肃认真，密切注意观察试验现象，及时加以分析和记录，要以严谨的科学态度对待试验的每一步骤和每一个数据。 5、严格遵守实验室的规章制度，非试验用仪器设备不要乱动；试验用仪器、仪表、设备，要严格按规程进行操作，遇有问题及时向指导教师报告。 6、试验中要小心谨慎，不要碰撞仪器、仪表、试件和仪表架等。 7、试验结束后，要及时卸下荷载，使仪器、设备恢复原始状态，以后小心卸下仪器、仪表，擦净、放妥、清点归还，经教师认可并把试验记录交教师签字后离开。 8、试验资料应及时整理，按时独立完成试验报告，除小组分工由别人记录的原始数据外，严禁抄袭。 9、试验报告要求原始记录齐全、计算分析正确、数据图表清楚。 10、经教师认可，试验也允许采用另外方案进行。 试验一量测仪器的参观与操作练习
过程控制仪表实验报告解析
成绩________ 过程控制仪表及装置 实验报告 班级：_______________________________________ 姓名：________________________________________ 学号：________________________________________ 指导老师：_____________________________________ 实验日期：_____________________________________
目录 实验一电容式差压变送器的校验 (2) 实验二热电阻温度变送器的校验 (5) 实验三模拟调节器开环校验 (8) 实验四模拟调节器闭环校验 (12) 实验五SLPC可编程调节器的编程设计与操作 (14) 实验六SLPC可编程调节器PID控制参数整定 (19)
实验一电容式差压变送器的校验 一、实验目的 1．了解并熟悉电容式差压变送器整体结构及各种部件的作用。 2．掌握电容式差压变送器的工作原理。 3．掌握电容式差压变送器的起点及终点调整、精度校验、迁移的调整方法。 二、实验项目 1．掌握气动定值器、标准电流表、标准压力表、标准电阻箱的使用方法。2．了解电容式差压变送器整体结构，熟悉各调节螺钉的位置和用途。 3．按照实验步骤进行仪表的起点、终点调整，进行精度、迁移校验。 三、实验设备与仪器 1．电容式差压变送器1台 2．标准电阻箱1个 3．气动定值器1个 4．标准电流表1台 5．标准压力表1个 6．大、小螺丝刀各1把 7．连接导线、气压导管若干 四、实验原理 实验接线如图2-1所示。 图2-1 电容式差压变送器校验接线图 五、实验说明及操作步骤
现代控制理论实验报告河南工业大学
河南工业大学 现代控制理论实验报告姓名：朱建勇 班级：自动1306 学号：201323020601
现代控制理论 实验报告 专业: 自动化 班级: 自动1306 姓名: 朱建勇 学号: 201323020601 成绩评定: 一、实验题目： 线性系统状态空间表达式的建立以及线性变换 二、实验目的 1. 掌握线性定常系统的状态空间表达式。学会在MATLAB 中建立状态空间模型的方法。 2. 掌握传递函数与状态空间表达式之间相互转换的方法。学会用MATLAB 实现不同模型之 间的相互转换。 3. 熟悉系统的连接。学会用MATLAB 确定整个系统的状态空间表达式和传递函数。 4. 掌握状态空间表达式的相似变换。掌握将状态空间表达式转换为对角标准型、约当标准 型、能控标准型和能观测标准型的方法。学会用MATLAB 进行线性变换。 三、实验仪器 个人笔记本电脑 Matlab R2014a 软件 四、实验内容 1. 已知系统的传递函数 (a) ) 3()1(4)(2++=s s s s G
(b) 3486)(22++++=s s s s s G
(c) 6 1161)(232+++++=z z z z z z G （1）建立系统的TF 或ZPK 模型。 （2）将给定传递函数用函数ss( )转换为状态空间表达式。再将得到的状态空间表达式用函 数tf( )转换为传递函数，并与原传递函数进行比较。 （3）将给定传递函数用函数jordants( )转换为对角标准型或约当标准型。再将得到的对角 标准型或约当标准型用函数tf( )转换为传递函数，并与原传递函数进行比较。 （4）将给定传递函数用函数ctrlts( )转换为能控标准型和能观测标准型。再将得到的能控标 准型和能观测标准型用函数tf( )转换为传递函数，并与原传递函数进行比较。
过控实验整理
实验三 数字式PID 调节器控制算法仿真 一、实验目的 1、了解并掌握基本的数字PID 控制算法和常用的PID 控制改进算法。 2、掌握用Matlab 进行仿真的方法。 3、了解PID 参数整定的方法及参数整定在整个系统中的重要性。 二、实验设备 PC 机(Matlab 软件) 三、实验原理 1、基本的PID 控制算法： 基本的数字P0控制有三种算法：位置式、增量式和速率式，其中应用最为广泛的是增量式，因为增量式算法只与最近几次采样值有关，不需要累加；计算机输出增量，误差动作时影响小。因此这里采用增量式PID 算法： )]1()1(2)([)()]1()([)(-+--++--=?k e k e k e k k e k k e k e k k u d i p 其中设 )]1()([)(--=k e k e k k u p p )()(k e k k u i i = )]2()1(2)([)(-+--=k e k e k e k k u d d 则 )()()()(k u k u k u k u d i p ++=? 2、数字PID 调节器参数的整定： 为使系统性能满足一定的要求，必须确定算法中各参数的具体值，这就是参数整定。参数整定是十分重要的，调节系统参数整定的好坏直接影响调节品质。要想快速、灵活的将参数整定好，首先应透彻理解这些参数对系统性能的影响：增大比例系数，一般将加快系统的响应，这在有静差系统中有利于减小静差，但过大会使系统有较大超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间(积分作用减弱)有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差消除的过程将随之减慢。增大微分时间(微分作用增强)有利于加快系统响应，使超调减小，稳定性增加，但系统对扰动有较敏感的响应。 四、实验要求 1、在Matlab 环境中，按照给定对象，构建仿真PID 控制系统。 2、调整PID 参数，观察各参数对系统响应的影响。 3、采用增量式PID 算法进行控制系统仿真，对各参数进行整定，观察系统响应曲线，直到获得满意的响应曲线。 4、采用积分分离PID 算法进行控制系统仿真，对各参数进行整定，观察系统响应曲线，直到获得满意的响应曲线。