控制技术实验指导书

计算机控制技术实验指导及操作说明书

实验十五 单闭环温度恒值控制系统

一、实验目的

1．理解温度闭环控制的基本原理； 2．了解温度传感器的使用方法； 3．学习温度PID控制参数的配置。 二、实验设备

1．THBDC-1型 控制理论·计算机控制技术实验平台

2．THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根) 3．PC机1台(含软件“THBDC-1”) 三、实验原理

1．温度驱动部分

该实验中温度的驱动部分采用了直流15V的驱动电源，控制电路和驱动电路的原理与直流电机相同，直流15V经过PWM调制后加到加热器的两端。

2．温度测量端（温度反馈端）

温度测量端（反馈端）一般为热电式传感器，热电式传感器式利用传感元件的电磁参数随温度的变化的特性来达到测量的目的。例如将温度转化成为电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可达到这些电参数的变化来表达温度的变化。

在各种热电式传感器中，已把温度量转化为电势和电阻的方法最为普遍。其中将温度转换成为电阻的热电式传感器叫热电偶；将温度转换成为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻，如铜电阻、热敏电阻、 Pt 电阻等。

铜电阻的主要材料是铜，主要用于精度不高、测量温度范围（－50℃～150℃）不大的的地方。而铂电阻的材料主要时铂，铂电阻物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件和作为温度标准。铂电阻与温度的关系在0℃～630.74℃以内为

Rt＝R0（1＋at＋bt2）

式中 Rt――温度为t ℃时的温度；R0――温度为0℃时的 电阻； t――任意温度；a、b――为温度系数。 该实验系统中使用了Pt100作为温度传感器。

在实际的温度测量中，常用电桥作为热电阻的测量电阻。在如图15-1中采用铂电阻作为温度传感器。当温度升高时，电桥处于不平衡，在a，b两端产生与温度相对应的电位差；该电桥为直流电桥。 1

-

图15-1 温度测量及放大电路

4．温度控制系统与实验十三的直流电机转速控制相类似，虽然控制对象不同，被控参数有差别，但对于计算机闭环控制系统的结构，却是大同小异，都有相同的工作原理，共同的结构及特点。 四、实验步骤

1、实验接线

用导线将温度控制单元24V的“+” 输入端接到直流稳压电源24V的“+”端； 用导线将温度控制单元0～5V的“+”输入端接到数据采集卡的“DA1”的输出端，同时将温度变送器的“+”输出端接到数据采集卡的“AD1”处；

打开实验平台的电源总开关。 2、脚本程序的参数整定及运行

启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”，运行实验软件。 顺序点击虚拟示波器界面上的“程器)；

在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制技术应用算法”文件夹下选中“温度控制”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；

点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；观察温度加热器内温度的变化。

当控制温度稳定在设定值后，再点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，重新配置P、I、D的参数或改变算法的运行步长，等加热器温度冷却后再次启动程序，并观察运行结果。

实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。

注：为了更好地观测温度曲线，本实验中可将“分频系数”设置到最大。 五、实验报告要求

1．画出温度控制系统的方框图。

2．分析P、I、D控制参数对温度加热器中温度控制的影响。 六、参考程序

dim pv,sv,ei,ex,ey,k,ti,td,q0,q1,q2,op,x,Ts,ux,tv ‘变量定义 sub Initialize(arg) WriteData 0 ,1 end sub

sub TakeOneStep (arg) ‘初始化函数 2

pv = ReadData(1) '当前温度电压测量值 sv=50 '设置温度 k=20 ti=5 td=0

”按钮和工具栏上的 “

” 按钮(脚本编

-

Ts= '采样时间100ms ei=((sv-35)/30+ -abs(pv) '当前偏差

q0=k*(ei-ex) '比例项 if Ti=0 then

q1=0

else

q1=K*Ts*ei/Ti '积分项 end if

q2=k*td*(ei-2*ex+ey) /Ts ey=ex ex=ei

op=op+q0+q1+q2 if op>= then

op= end if if op<=1 then op=1 end if

tv=35+30*(abs(pv)

TTTRACE \"温度=%f\ TTRACE \"op=%f\ TTRACE \"ei=%f\ TTRACE \"pv =%f\ WriteData op ,1 end sub

sub Finalize (arg) WriteData 0 ,1 end sub 3

'微分项 '输出温度 ‘退出函数 -

实验十六 单容水箱液位定值控制系统

一、实验目的

1. 理解单容水箱液位定值控制的基本方法及原理； 2. 了解压力传感器的使用方法； 3. 学习PID控制参数的配置。 二、实验设备

1. THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验台平台

2. THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根) 3. PC机1台(含软件“THBDC-1”) 4. THBDY-1单容水箱液位控制系统 三、实验原理

单容水箱液位定值控制系统的控制对象为一阶单容水箱，主要的实验项目为单容水箱液位定值控制。其执行机构为微型直流水泵，正常工作电压为24V。

直流微型水泵控制方式主要有调压控制以及PWM控制，在本实验中采用PWM控制直流微型水泵的转速来实现对单容水箱液位的定值控制。PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理参考实验十三的相关部分。控制器采用了工业过程控制中所采用的最广泛的控制器——PID控制器。通过计算机模拟PID控制规律直接变换得到的数字PID控制器，它是按偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)组合而成的控制规律。

水箱液位定值控制系统一般有由电流传感器构成大电流反馈环。在高精度液位控制系统中，电流反馈是必不可少的重要环节。这里为了方便测量与观察反馈信号，通常把电流反馈信号转化为电压信号：反馈端输出端串接一个250Ω的高精度电阻。

本实验电压与液位的关系为：

四、实验步骤

1、实验接线

将水箱面板上的“LT –”与实验台的“GND”相连接；水箱面板上的“LT +”与实验台的“AD1”相连接。

将水箱面板上的“输入 –”与实验台的“GND”相连接；水箱面板上的“输入 +”与4

H液位=（V反馈-1）×

单位：mm

水箱液位控制系统方框图为：

-

实验台的“DA1”相连接。

将水箱面板上的“输出 –”与“水泵电源–”连接；水箱面板上的“输出 +”与“水泵电源+”连接。

打开实验平台的电源总开关。 2、压力变送器调零

本实验在开始实验前必须对压力变送器调零操作。具体方法为： 将水箱中打满水，然后再全部放到储水箱中；

旋开压力变送器的后盖，用小一字螺丝刀调节压力变送器中电路板上有“Z”标识的调零电位器，让压力变送器的输出电压为1V；

再次向水箱中打水，并观察水箱液位与压力变送器输出电压的对应情况，其对应关系为：H液位=（V反馈-1）×（当液位为10cm时，输出电压应为左右），如不对应，再重复步骤、直到对应为至；

如果步骤1）、2）、3）还不能调好水箱液位与压力变送器输出电压的对应情况，那么

可适度调节压力变送器中电路板上有“S”标识的增益电位器，再重复步骤、、直到对应为至。但在实际应用中，增益电位器的调节要慎用，一般不调节。

3、脚本程序的参数整定及运行

启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”，运行实验软件。 顺序点击虚拟示波器界面上的“程器)；

在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制技术应用算法”文件夹下选中“水箱控制”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；

点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；观察水箱内液位的变化。

当水箱液位稳定在设定值后，再点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，重新配置P、I、D的参数或改变算法的运行步长，再次启动程序，并观察运行结果。

实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。

注意：① 为了更好地观测液位曲线，本实验中可将“分频系数”设置到最大。 ② 直流水泵电源的正反接，可以控制水泵正反转，最好保证水泵处于正转状态；

③ 实验时出水阀的开度一般调节至整个阀开度的70%左右； ④ 由于本实验是基础应用型实验，其液位的控制精度在10%内即可。

五、报告要求

1. 画出水箱控制系统的方框图；

2. 分析P、I、D控制参数对水箱控制系统的影响；

3. 分析水箱控制系统的出水口开度大小对水箱控制系统的影响。 六、参考程序

dim pv,sv,ei,ex,ey,K,Ti,Td,q0,q1,q2,op,h ‘变量定义 sub Initialize(arg) '初始化函数 5

”按钮和工具栏上的 “

” 按钮(脚本编

-

WriteData 0 ,1 end sub

sub TakeOneStep (arg) '算法运行函数 pv = ReadData(1) '当前测量值 h=(pv-1)*

TTTRACE \"pv=%f\ TTRACE\"液位h=%f\

sv=10 ‘水箱液位的控制高度，单位cm K= Ti=5 Td=0 Ts= ei=(sv/+1)-pv q0=k*(ei-ex) if Ti=0 then q1=0 else

q1=K*Ts*ei/Ti end if

q2=k*td*(ei-2*ex+ey) /Ts ey=ex ex=ei

op=op+q0+q1+q2

if op<= then op= end if if op>= then op= end if

TTRACE\"op=%f\ WriteData op ,1 end sub

sub Finalize (arg) WriteData 0 ,1 end sub

6

P参数 ‘I参数 ‘D参数 '采集周期200ms '当前偏差 '比例项 '积分项 '微分项 '输出值限幅 '退出函数 ‘ -

附录

7

-

位置式

dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,op,h,mx,pvx

sub Initialize(arg) '初始化函数 WriteData 0 ,1 mx=0 8

-

pvx=0 end sub

sub TakeOneStep (arg) '算法运行函数 pv = ReadData(1) '当前测量值 h=(pv-1)*

TTTRACE \"pv=%f\ TTRACE\"液位h=%f\ sv=10 K= Ti=5 Td=0

Ts= ei=(sv/+1)-pv q0=k*ei if Ti=0 then mx=0 q1=0 else

mx=K*Ts*ei/Ti end if

q2=k*Td*(pvx-pv) /Ts q1=q1+mx

if op<= then op= end if pvx=pv op=op+q0+q1+q2 9

'采集周期

'当前偏差 '比例项 '当前积分项 '微分项 '输出值限幅 -

if op>= then op= end if

TTRACE\"op=%f\

WriteData op ,1 end sub

sub Finalize (arg) WriteData 0 ,1 end sub

10

'退出函数