实验2 液位开关式计算机控制系统实验.docx

实验2、液位开关式计算机控制系统实验r=一、 实验目的1、 熟悉实验装置，了解二位式水箱液位控制系统的组成2、 掌握位式控制系统的工作原理、控制过程和控制特性3、 编写二位式控制程序，按偏差值预测处理程序，按偏差值调整进水阀开度的程序，使 液位控制在20cm处，超调量不超过10%，稳态误差5%4、 三个框图编程实验（按偏差值预测处理，按偏差值调整进水阀开的开度，按偏差值算 法确定D/A值）按偏差值算法确定D/A值实验要数值仿真选择系数使液位控制在20cm处， 超调量不超过10%，稳态误差5%二、 实验设备硬件：过程控制实验装置（水箱）、万用表、EasyArm2200开发套件、实验连接线，软 件：ADS1.2集成开发环境三、 实验原理1、二位式温度控制系统二位控制是位式控制规律中最简单的一种本实验的被控对象是水箱，被控制量是水箱 液位，所谓二位控制实质上是一个典型的非线性控制执行器只有“开”或“关”两种极限 输出状态，故称这种控制器为两位调节器，理论上来说，我们的调节阀不适合做二位控制， 可以使用更为合适的电磁阀（只有开、关两种状态）控制，但是由于实验设备的硬件构成环 境，我们选用调节阀来模拟电磁阀工作，模拟过程：我们可以使调节阀处于两种状态，一是 调节阀开度是％0（相当于电磁阀处于关），二是调节阀开度是10% （相当于电磁阀处于开）， 这里的10%也不是固定的，自己可以选择，但是阀门开度越小，精确度越大。

该系统的工作原理是当被控制的液位测量值HP=H小于给定值HS时，即测量值〈给定 值，且当e=HS-HPNdF时，调节阀处于开度状态随着液位H的升高，HP也不断增大，e 相应变小若H高于给定值，即HP〉HS，e为负值，若e^-dF时，则两位调节阀处于关闭 状态，由于这种控制方式具有冲击性，易损坏元器件，只是在对控制质量要求不高的系统才 使用图1位式控制系统的方块图如图1位式控制系统的方框图所示，液位给定值在智能仪表上通过设定获得被控对象 为水箱，被控制量为液位它由液压传感器测定输出根据给定值加上dF与测量的液位相比 较调节阀发出控制信号，从而达到控制水箱液位的目的由过程控制原理可知，双位控制系统的输出是一个断续控制作用下的等幅振荡过程，如 图2所示因此不能用连续控制作用下的衰减振荡过程的温度品质指标来衡量，而用振幅和 周期作为品质指标一般要求振幅小，周期长，然而对同一双位控制系统来说，若要振幅小， 则周期必然短；若要周期长，则振幅必然大因此通过合理选择中间区以使振幅在限定范围 内，而又尽可能获得较长的周期图3二位控制程序流程图2、按偏差值预测处理求偏差E=G-F，E值加权滤波按当前进水阀门、关状态设E门限值，按E门限操作进水 阀。

图4偏差预处理流程图3、按偏差值调整进水阀开的开度:E>0,开关进水阀的D/A数据随E的由大变小而逐步由大变小E<0,开关进水阀的D/A数 据随IEI的由小变大而逐步由小变大D/A数据与旧1的变化趋势一致图5按偏差值调整进水阀开的开度流程图4、按偏差值算法确定D/A值(调整进水阀开的开度) 原则：根据IEI的数值和变化趋势确定D/A数据 的增量设：u(k)、u(k-1)为两次D/A数据al、a2、a3、为系数e(k)、e(k-l)、e(k-2)为三次偏差IEI数据选择算法：u(k)= u(k-1)+ al e(k) - a2 e(k-1)+ a3 e(k-2)注意：系数反应IEI的数值和变化趋势多次增量累加，超出(D/A)max的处理(溢出)数值仿真选择系数和算法分析：控制器要适合，有效办法是分析，创造算法是控制器的核心四、实验内容与步骤1、 设备的连接和检查1) .将水箱的放水阀门关闭或者是开度很小2) .检查电源开关是否打开2、 系统连线接线如图2-13所示图2-13系统连线图1） .按图2-13所示，利用实验装置组成控制系统调节阀通过输入4mA-20mA电流控制进水流量液位传感器将水箱液位值转化成标准电压输出。

2） .启动电源，根据实验要求设定控制值和偏差值根据实验三自己所测定对象的数据值来设定，在程序中必须使用数字量**）****3） .在老师的指导下，启动计算机，进入ADS1.2运行软件，进入程序编写程序一：简单二位控制程序，设定给定值G （数字量），和采样值F比较,根据结果来设 定阀门的开还是关注意事项：1、放水阀门关闭或者开很小，初始状态保证水箱中水位在需要控制水位的下方调节阀门只能处于两种状态（开、关），开我们这里取阀门开度10%程序流程图（一）程序二：通过反馈值和给定值获得差值E,通过加权滤波算法后，判断阀门当前状态时 关状态，还是处于开度状态（在程序中可以通过首先手动来控制阀门处于开或者是关状 态，在程序中可以设置一个标志变量来判断，或者是在程序开始处给阀门一个控制，使 它处于某种状态，再设标志位来判断），然后比较差值E和门限上限和门限下限值来开 或者关阀门程序流程图（二）注意事项：1、 放水阀门关闭或者开很小，初始状态保证水箱中水位在需要控制水位的下方2、 调节阀门只能处于两种状态（开、关），开我们这里取阀门开度10%3、 一定要首先手动将阀门处以一个状态，然后在程序根据手动设置来初始化设置的标志 位。

程序三：根据差值来给定控制值，难点是确定设置K值系数K的确定：（D/A）max与（IE l）max的比获取给淀值Gu1r采集耳停值F-1rE =Gn—■ f p1rE值加极滴液」程序流程图(三)程序四:程序中e(k) ,e(k-1),e(k-2)可以随便给值，但u(k-1)的给值要尽量和实际想符合,a1,a2,a3, 的值我们取0.5, 0.35, 0.15，注意程序中还有一个递推思想程序流程图(四)(注：相当于 PI 算法：u(k)=u(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)])4) .观察每一个控制程序填表，同时观察调节阀的变化五、 注意事项1、 实验前，必须仔细阅读实验指导书，指导书中打有*号的部分使需要仔细理解的，不 懂的地方应立即向指导老师报告要求讲解2、 实验过程中，应该根据实际情况来调节参数，观察结果3、 实验线路全部接好后，必须经指导老师检查认可后，方可接通电源开始实验六、 实验报告1、 画出不同dF时的系统被控制量的过渡过程曲线，记录相应的振荡周期和振荡幅度大 小2、 画出不同给定值时的控制曲线，并比较振荡周期和振荡幅度大小。

3、 画出各种控制算法的控制曲线，并比较振荡周期和震荡幅度大小4、 综合分析位式控制特点5、 写出实验体会七、 思考题1、 为什么缩小dF值时，能改善双位控制系统的性能？ dF值过小有什么影响?2、 为什么实际的双位控制特性与理想的双位控制特性有着明显的差异？3、 比较各种控制算法之间的差异及系统的各项性能指标。