計算機控制技術(shù)及應(yīng)用-實驗教學(xué)大綱.doc

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《計算機控制技術(shù)及應(yīng)用》實驗教學(xué)大綱 課程編號：16121043，16120043 大綱執(zhí)筆人：丁建強 課程名稱：計算機控制技術(shù)及應(yīng)用 大綱審批人： 英文名稱：Computer control technology and applications 課程學(xué)時：54 實驗學(xué)時：18 實驗室名稱：計算機控制技術(shù)實驗室 實驗課性質(zhì)：非獨立設(shè)課 適用專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程、測控技術(shù)與儀器（儀表自動化）、電氣工程與自動化 1. 本課程實驗教學(xué)目的與要求 通過實驗要求學(xué)生掌握計算機控制系統(tǒng)的構(gòu)成、原理和實現(xiàn)的方法，了解常規(guī)傳感器、執(zhí)行機構(gòu)智能儀表和數(shù)據(jù)采集模塊的使用，掌握被控對象特性的測試方法，掌握PID控制的整定方法，掌握計算機監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件的使用，并為進一步學(xué)習DCS控制系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。 2. 主要儀器設(shè)備及現(xiàn)有臺套數(shù) AE2000A實驗對象 6套 AE2000A過程控制實驗裝置 6套 萬用表、實驗連接線、數(shù)據(jù)通信線 6套 工控機 40臺 DCS控制柜（內(nèi)含2個交換機） 3套 3. 實驗課程內(nèi)容和學(xué)時分配 序號 實驗項目名稱 目的要求 學(xué)時分配 實驗類型 每組人數(shù) 必開、選開 1 實驗1: 實驗裝置基本操作 1、 了解實驗裝置結(jié)構(gòu)和組成。 2、 了解信號的傳輸方式和路徑。 3、 掌握實驗裝置的基本操作。 4、 掌握液位傳感器調(diào)節(jié)零位。 5、 熟悉智能儀表的使用 3 基礎(chǔ)性實驗 6 必開 2 實驗2: 對象特性測試 1、 熟悉單容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線。 2、 根據(jù)由實際測得的單容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法分別確定它們的參數(shù)。 3 設(shè)計性實驗 6 必開 3 實驗3: 二位式溫度控制 1、 熟悉實驗裝置，了解二位式溫度控制系統(tǒng)的組成。 2、 掌握位式控制系統(tǒng)的工作原理、控制過程和控制特性。 3 設(shè)計性實驗 6 必開 4 實驗4: 上水箱液位PID整定 1、 熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成 2、 了解利用智能調(diào)節(jié)儀進行控制的工作原理。 3、 了解P、PI和PID調(diào)節(jié)時的過程圖形曲線。 4、 了解P、PI和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。 3 設(shè)計性實驗 6 必開 5 實驗5: 鍋爐水溫控制 1、 熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成 2、 了解計算機直接數(shù)字控制DDC的工作原理。 3、 進一步熟悉P、PI和PID調(diào)節(jié)時的過程圖形曲線。 4、 進一步熟悉P、PI和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。 3 設(shè)計性實驗 6 必開 6 實驗6: 渦輪流量計的流量控制 1、 了解渦輪流量計的結(jié)構(gòu)及其使用方法。 2、 熟悉單回路流量控制系統(tǒng)的組成。 3 設(shè)計性實驗 6 必開 4. 實驗項目的內(nèi)容和要求 4.1. 實驗項目名稱：實驗1:實驗裝置基本操作 4.1.1. 實驗內(nèi)容 1)、設(shè)備的連接與檢查。 2)、系統(tǒng)連線。 3)、啟動實驗裝置。 4)、上、下水箱液位傳感器的檢測。 5)、 智能調(diào)節(jié)儀的使用。 6)、 溫度傳感器的檢測。 7)、 MCGS組態(tài)環(huán)境與運行環(huán)境的使用。 4.1.2. 實驗要求 1)、記錄閥門狀態(tài)、系統(tǒng)連線。 2)、檢測并分析壓力變送器和溫度變送器輸出信號是否正常。 3)、設(shè)置智能調(diào)節(jié)儀參數(shù)，并作好記錄。 4)、啟動MCGS，記錄MCGS菜單和工作臺面窗口。 5)、完成實驗報告。 6)、通過實驗，要求學(xué)生掌握實驗裝置的基本結(jié)構(gòu)、操作方法，掌握一階系統(tǒng)的特性傳輸特性。 4.2. 實驗項目名稱：實驗2:對象特性測試 4.2.1. 實驗內(nèi)容 1)、實驗裝置的連接與啟動，設(shè)置好智能調(diào)節(jié)儀參數(shù)。 2)、啟動MCGS，選擇對象特性測試算法，設(shè)定給定值，觀察系統(tǒng)的被調(diào)量。 3)、迅速增加給定值，記錄此引起的階躍響應(yīng)的過程參數(shù)，繪制變化曲線。 4)、直到進入新的平衡狀態(tài)，再次記錄平衡時的數(shù)據(jù)。 5)、分析并計算階躍響應(yīng)過程曲線參數(shù)。 4.2.2. 實驗要求 1)、記錄閥門狀態(tài)、系統(tǒng)連線。 2)、記錄兩次平衡時的儀表輸出值、水箱水位高度h1、儀表顯示值。 3)、根據(jù)實驗原理中所述的方法，計算出一階環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)（水箱的時間常數(shù)）。 4)、完成實驗報告。 4.3. 實驗項目名稱：實驗3:二位式溫度控制 4.3.1. 實驗內(nèi)容 1)、實驗裝置的連接與啟動，，設(shè)置好智能調(diào)節(jié)儀參數(shù)。 2)、啟動MCGS，選擇二位式溫度控制算法，調(diào)節(jié)好設(shè)定值和回差dF的值。 3)、利用組態(tài)軟件記錄控制過程曲線。待穩(wěn)定振蕩2~3個周期后，觀察位式控制過程曲線的振蕩周期和振幅大小，記錄實驗曲線。 4)、改變回差dF，重復(fù)上一內(nèi)容。 5)、把動力水路切換到鍋爐夾套，啟動實驗裝置的供水系統(tǒng)，給鍋爐的外套加流動冷卻水，重復(fù)上面的實驗內(nèi)容。 4.3.2. 實驗要求 1)、記錄閥門狀態(tài)、系統(tǒng)連線。 2)、記錄鍋爐內(nèi)膽位式控制過程的曲線圖，求出的振蕩周期和振幅大小。 3)、記錄不同dF時的系統(tǒng)被控制量的過渡過程曲線，求出相應(yīng)的振蕩周期和振蕩幅度大小。 4)、記錄加冷卻水時被控量的過程曲線，并比較振蕩周期和振蕩幅度大小的變化情況。 5)、通過實驗，得出dF值對雙位控制系統(tǒng)性能的影響關(guān)系。 6)、完成實驗報告。 4.4. 實驗項目名稱：實驗4:上水箱液位PID整定 4.4.1. 實驗內(nèi)容 1)、實驗裝置的連接與啟動，設(shè)置好智能調(diào)節(jié)儀參數(shù)。 2)、啟動MCGS，選擇上水箱液位PID整定算法。 3)、進行比例調(diào)節(jié)控制：設(shè)定給定值，調(diào)整P參數(shù)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動，一般可通過改變設(shè)定值實現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。 4)、進行比例積分調(diào)節(jié)（PI）控制：設(shè)定給定值，調(diào)整P、I參數(shù)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動，一般可通過改變設(shè)定值實現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。 5)、進行比例積分微分調(diào)節(jié)（PID）控制：設(shè)定給定值，調(diào)整P、I、D參數(shù)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。 6)、利用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 4.4.2. 實驗要求 1)、記錄閥門狀態(tài)、系統(tǒng)連線，畫出單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖。 2)、作出P調(diào)節(jié)器控制時，不同δ值下的階躍響應(yīng)曲線。 3)、作出PI調(diào)節(jié)器控制時，固定δ和不同Ti值時的階躍響應(yīng)曲線。 4)、作出PID控制時的階躍響應(yīng)曲線和相應(yīng)的的數(shù)字PID參數(shù)。 5)、記錄采用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的過程和結(jié)果。 6)、完成實驗報告。 4.5. 實驗項目名稱：實驗5:鍋爐水溫控制 4.5.1. 實驗內(nèi)容 1)、實驗裝置的連接與啟動，連接ICP7017和ICP7024數(shù)據(jù)采集模塊。 2)、啟動MCGS，選擇鍋爐水溫控制算法。 3)、進行比例調(diào)節(jié)控制：設(shè)定給定值，調(diào)整P參數(shù)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動，一般可通過改變設(shè)定值實現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。 4)、進行比例積分調(diào)節(jié)（PI）控制：設(shè)定給定值，調(diào)整P、I參數(shù)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動，一般可通過改變設(shè)定值實現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。 5)、進行比例積分微分調(diào)節(jié)（PID）控制：設(shè)定給定值，調(diào)整P、I、D參數(shù)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。 6)、利用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 4.5.2. 實驗要求 1)、記錄閥門狀態(tài)、系統(tǒng)連線。 2)、作出P調(diào)節(jié)器控制時，不同δ值下的階躍響應(yīng)曲線。 3)、作出PI調(diào)節(jié)器控制時，固定δ和不同Ti值時的階躍響應(yīng)曲線。 4)、作出PID控制時的階躍響應(yīng)曲線和相應(yīng)的的數(shù)字PID參數(shù)。 5)、記錄采用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的過程和結(jié)果。 6)、比較分析采用DDC控制方案的特點。 7)、完成實驗報告。 4.6. 實驗項目名稱：實驗6:渦輪流量計的流量控制 4.6.1. 實驗內(nèi)容 1)、實驗裝置的連接與啟動，連接流量積算變送儀。 2)、啟動MCGS，選擇渦輪流量計的流量控制算法。 3)、進行比例積分調(diào)節(jié)（PI）控制：設(shè)定給定值，調(diào)整P、I參數(shù)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動，一般可通過改變設(shè)定值實現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。 4)、進行比例積分微分調(diào)節(jié)（PID）控制：設(shè)定給定值，調(diào)整P、I、D參數(shù)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。 4.6.2. 實驗要求 1)、記錄閥門狀態(tài)和系統(tǒng)連線。 2)、作出PI調(diào)節(jié)器控制時，固定δ和不同Ti值時的階躍響應(yīng)曲線。 3)、作出PID控制時的階躍響應(yīng)曲線和相應(yīng)的的數(shù)字PID參數(shù)。 4)、分析渦輪流量計的流量控制特點，比較PI和PID控制算法的效果。 5)、完成實驗報告。 說明：實驗2－實驗6屬于設(shè)計性實驗，在給定實驗?zāi)康暮蛯嶒灄l件的前提下，學(xué)生可在老師的指導(dǎo)下自行設(shè)計實驗方案，選擇連接方案，實施操作程序，進行結(jié)果分析。 5. 考核方式 5.1. 實驗報告 實驗報告采用統(tǒng)一格式編寫，每個實驗都包括：實驗者姓名、班級/學(xué)號、組號、實驗日期、開始/結(jié)束時間。 每個實驗包括的內(nèi)容如下： 實驗1: 實驗裝置基本操作 1)、 記錄閥門狀態(tài)和實驗連線。 2)、 壓力變送器和水位數(shù)據(jù) 3)、 智能調(diào)節(jié)儀參數(shù) 4)、 溫度變送器數(shù)據(jù) 5)、 MCGS菜單和工作臺面窗口 6)、 心得體會： 實驗2: 對象特性測試 1)、 記錄閥門狀態(tài)和實驗連線。 2)、 第一次和第二次平衡時的儀表輸出值、水箱水位高度h1、儀表顯示值。 3)、 記錄一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)和曲線 4)、 數(shù)據(jù)分析和心得體會。 實驗3: 二位式溫度控制 1)、 記錄閥門狀態(tài)和實驗連線。 2)、 設(shè)置某一回差dF，記錄有代表性的鍋爐內(nèi)膽位式控制過程曲線圖，標出振蕩周期和振幅大小。 3)、 改變回差dF，記錄控制過程曲線圖，標出振蕩周期和振幅大小。 4)、 加冷卻水后，記錄控制過程曲線圖，標出dF、振蕩周期和振幅大小。 5)、 數(shù)據(jù)分析和心得體會。 實驗4: 上水箱液位PID整定 1)、 記錄閥門狀態(tài)和實驗連線。 2)、 單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖 3)、 作出P調(diào)節(jié)器控制時的階躍響應(yīng)曲線。 4)、 作出PI調(diào)節(jié)器控制時的階躍響應(yīng)曲線。 5)、 畫出PID控制時的階躍響應(yīng)曲線。 6)、 數(shù)據(jù)分析和心得體會。 實驗5: 鍋爐水溫控制 1)、 記錄閥門狀態(tài)和實驗連線。 2)、 不同比例系數(shù)K時的余差和超調(diào)量 3)、 PI調(diào)節(jié)時，固定比例度δ，改變不同Ti值時的超調(diào)量σp。 4)、 PD調(diào)節(jié)時，固定比例度δ，改變不同微分時間值Td時的超調(diào)量和余差 5)、PID調(diào)節(jié)時，擇合適的P、I和D參數(shù)，獲得的一條較滿意的動態(tài)曲線(要求標出時間軸和縱軸單位)。 6)、 數(shù)據(jù)分析和心得體會。 實驗6: 渦輪流量計的流量PI和PID調(diào)節(jié)實驗 1)、 記錄閥門狀態(tài)和實驗連線。 2)、 不同比例系數(shù)K時的余差和超調(diào)量 3)、 PI調(diào)節(jié)時，擇合適的P、I參數(shù)，獲得的一條較滿意的動態(tài)曲線(要求標出時間軸和縱軸單位)。 4)、 PID調(diào)節(jié)時，擇合適的P、I和D參數(shù)，獲得的一條較滿意的動態(tài)曲線(要求標出時間軸和縱軸單位)。 5)、 數(shù)據(jù)分析和心得體會。 5.2. 考核方式 5.2.1. 實驗課的考核方式 對學(xué)生的預(yù)習、實驗及報告情況進行綜合評定，其中學(xué)生的預(yù)習、實驗情況在實驗過程中進行，實驗報告在實驗過后進行。 學(xué)生的預(yù)習、實驗情況通過檢查預(yù)習報告、提問、出勤記錄等形式。實驗報告的評分按報告內(nèi)容和實驗要求來評定。 5.2.2. 實驗課考核成績確定 學(xué)生的預(yù)習、實驗情況占實驗成績的1/3,實驗報告的成績占實驗成績的2/3。實驗成績占課程總成績按30％。 6. 實驗教材、參考書 6.1. 教材 丁建強,任曉,盧亞平. 計算機控制技術(shù)及應(yīng)用[M].第1版.北京:清華大學(xué)出版社,2012 徐大誠,鄒麗新,丁建強.微型計算機控制技術(shù)及應(yīng)用[M].第1版.北京:高等教育出版社,2003 6.2. 參考書 浙江中控科教儀器設(shè)備有限公司.AE2000A過程控制實驗裝置使用手冊.2004年 北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司.MCGS用戶手冊.2004年