計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用-實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱.doc

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《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用》實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱 課程編號(hào)：16121043，16120043 大綱執(zhí)筆人：丁建強(qiáng) 課程名稱：計(jì)算機(jī)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(shí)：54 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：18 實(shí)驗(yàn)室名稱：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 實(shí)驗(yàn)課性質(zhì)：非獨(dú)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(dòng)化）、電氣工程與自動(dòng)化 1. 本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的與要求 通過實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成、原理和實(shí)現(xiàn)的方法，了解常規(guī)傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)智能儀表和數(shù)據(jù)采集模塊的使用，掌握被控對(duì)象特性的測試方法，掌握PID控制的整定方法，掌握計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件的使用，并為進(jìn)一步學(xué)習(xí)DCS控制系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。 2. 主要儀器設(shè)備及現(xiàn)有臺(tái)套數(shù) AE2000A實(shí)驗(yàn)對(duì)象 6套 AE2000A過程控制實(shí)驗(yàn)裝置 6套 萬用表、實(shí)驗(yàn)連接線、數(shù)據(jù)通信線 6套 工控機(jī) 40臺(tái) DCS控制柜（內(nèi)含2個(gè)交換機(jī)） 3套 3. 實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配 序號(hào) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱 目的要求 學(xué)時(shí)分配 實(shí)驗(yàn)類型 每組人數(shù) 必開、選開 1 實(shí)驗(yàn)1: 實(shí)驗(yàn)裝置基本操作 1、 了解實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)和組成。 2、 了解信號(hào)的傳輸方式和路徑。 3、 掌握實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn) 6 必開 2 實(shí)驗(yàn)2: 對(duì)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(shí)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(jì)性實(shí)驗(yàn) 6 必開 3 實(shí)驗(yàn)3: 二位式溫度控制 1、 熟悉實(shí)驗(yàn)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(jì)性實(shí)驗(yàn) 6 必開 4 實(shí)驗(yàn)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(jìn)行控制的工作原理。 3、 了解P、PI和PID調(diào)節(jié)時(shí)的過程圖形曲線。 4、 了解P、PI和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。 3 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn) 6 必開 5 實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制DDC的工作原理。 3、 進(jìn)一步熟悉P、PI和PID調(diào)節(jié)時(shí)的過程圖形曲線。 4、 進(jìn)一步熟悉P、PI和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。 3 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn) 6 必開 6 實(shí)驗(yàn)6: 渦輪流量計(jì)的流量控制 1、 了解渦輪流量計(jì)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(jì)性實(shí)驗(yàn) 6 必開 4. 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容和要求 4.1. 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：實(shí)驗(yàn)1:實(shí)驗(yàn)裝置基本操作 4.1.1. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1)、設(shè)備的連接與檢查。 2)、系統(tǒng)連線。 3)、啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)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(yùn)行環(huán)境的使用。 4.1.2. 實(shí)驗(yàn)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(hào)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(dòng)MCGS，記錄MCGS菜單和工作臺(tái)面窗口。 5)、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 6)、通過實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：實(shí)驗(yàn)2:對(duì)象特性測試 4.2.1. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1)、實(shí)驗(yàn)裝置的連接與啟動(dòng)，設(shè)置好智能調(diào)節(jié)儀參數(shù)。 2)、啟動(dòng)MCGS，選擇對(duì)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(jìn)入新的平衡狀態(tài)，再次記錄平衡時(shí)的數(shù)據(jù)。 5)、分析并計(jì)算階躍響應(yīng)過程曲線參數(shù)。 4.2.2. 實(shí)驗(yàn)要求 1)、記錄閥門狀態(tài)、系統(tǒng)連線。 2)、記錄兩次平衡時(shí)的儀表輸出值、水箱水位高度h1、儀表顯示值。 3)、根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中所述的方法，計(jì)算出一階環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)（水箱的時(shí)間常數(shù)）。 4)、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 4.3. 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：實(shí)驗(yàn)3:二位式溫度控制 4.3.1. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1)、實(shí)驗(yàn)裝置的連接與啟動(dòng)，，設(shè)置好智能調(diào)節(jié)儀參數(shù)。 2)、啟動(dòng)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(gè)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(shí)驗(yàn)曲線。 4)、改變回差dF，重復(fù)上一內(nèi)容。 5)、把動(dòng)力水路切換到鍋爐夾套，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的供水系統(tǒng)，給鍋爐的外套加流動(dòng)冷卻水，重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。 4.3.2. 實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)，得出dF值對(duì)雙位控制系統(tǒng)性能的影響關(guān)系。 6)、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 4.4. 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：實(shí)驗(yàn)4:上水箱液位PID整定 4.4.1. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1)、實(shí)驗(yàn)裝置的連接與啟動(dòng)，設(shè)置好智能調(diào)節(jié)儀參數(shù)。 2)、啟動(dòng)MCGS，選擇上水箱液位PID整定算法。 3)、進(jìn)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(duì)系統(tǒng)加擾動(dòng)信號(hào)（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動(dòng)，一般可通過改變?cè)O(shè)定值實(shí)現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動(dòng)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(jìn)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(duì)系統(tǒng)加擾動(dòng)信號(hào)（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動(dòng)，一般可通過改變?cè)O(shè)定值實(shí)現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動(dòng)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(jìn)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(duì)系統(tǒng)加擾動(dòng)信號(hào)。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)，固定δ和不同Ti值時(shí)的階躍響應(yīng)曲線。 4)、作出PID控制時(shí)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(shí)驗(yàn)報(bào)告。 4.5. 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：實(shí)驗(yàn)5:鍋爐水溫控制 4.5.1. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1)、實(shí)驗(yàn)裝置的連接與啟動(dòng)，連接ICP7017和ICP7024數(shù)據(jù)采集模塊。 2)、啟動(dòng)MCGS，選擇鍋爐水溫控制算法。 3)、進(jìn)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(duì)系統(tǒng)加擾動(dòng)信號(hào)（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動(dòng)，一般可通過改變?cè)O(shè)定值實(shí)現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動(dòng)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(jìn)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(duì)系統(tǒng)加擾動(dòng)信號(hào)（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動(dòng)，一般可通過改變?cè)O(shè)定值實(shí)現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動(dòng)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(jìn)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(duì)系統(tǒng)加擾動(dòng)信號(hào)。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)，固定δ和不同Ti值時(shí)的階躍響應(yīng)曲線。 4)、作出PID控制時(shí)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(diǎn)。 7)、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 4.6. 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：實(shí)驗(yàn)6:渦輪流量計(jì)的流量控制 4.6.1. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1)、實(shí)驗(yàn)裝置的連接與啟動(dòng)，連接流量積算變送儀。 2)、啟動(dòng)MCGS，選擇渦輪流量計(jì)的流量控制算法。 3)、進(jìn)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(duì)系統(tǒng)加擾動(dòng)信號(hào)（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動(dòng)，一般可通過改變?cè)O(shè)定值實(shí)現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動(dòng)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(jìn)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(duì)系統(tǒng)加擾動(dòng)信號(hào)。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)，固定δ和不同Ti值時(shí)的階躍響應(yīng)曲線。 3)、作出PID控制時(shí)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(jì)的流量控制特點(diǎn)，比較PI和PID控制算法的效果。 5)、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 說明：實(shí)驗(yàn)2－實(shí)驗(yàn)6屬于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，在給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)條件的前提下，學(xué)生可在老師的指導(dǎo)下自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選擇連接方案，實(shí)施操作程序，進(jìn)行結(jié)果分析。 5. 考核方式 5.1. 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 實(shí)驗(yàn)報(bào)告采用統(tǒng)一格式編寫，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都包括：實(shí)驗(yàn)者姓名、班級(jí)/學(xué)號(hào)、組號(hào)、實(shí)驗(yàn)日期、開始/結(jié)束時(shí)間。 每個(gè)實(shí)驗(yàn)包括的內(nèi)容如下： 實(shí)驗(yàn)1: 實(shí)驗(yàn)裝置基本操作 1)、 記錄閥門狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)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(tái)面窗口 6)、 心得體會(huì)： 實(shí)驗(yàn)2: 對(duì)象特性測試 1)、 記錄閥門狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)連線。 2)、 第一次和第二次平衡時(shí)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(huì)。 實(shí)驗(yàn)3: 二位式溫度控制 1)、 記錄閥門狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)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(biāo)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(biāo)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(biāo)出dF、振蕩周期和振幅大小。 5)、 數(shù)據(jù)分析和心得體會(huì)。 實(shí)驗(yàn)4: 上水箱液位PID整定 1)、 記錄閥門狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)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(shí)的階躍響應(yīng)曲線。 4)、 作出PI調(diào)節(jié)器控制時(shí)的階躍響應(yīng)曲線。 5)、 畫出PID控制時(shí)的階躍響應(yīng)曲線。 6)、 數(shù)據(jù)分析和心得體會(huì)。 實(shí)驗(yàn)5: 鍋爐水溫控制 1)、 記錄閥門狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)連線。 2)、 不同比例系數(shù)K時(shí)的余差和超調(diào)量 3)、 PI調(diào)節(jié)時(shí)，固定比例度δ，改變不同Ti值時(shí)的超調(diào)量σp。 4)、 PD調(diào)節(jié)時(shí)，固定比例度δ，改變不同微分時(shí)間值Td時(shí)的超調(diào)量和余差 5)、PID調(diào)節(jié)時(shí)，擇合適的P、I和D參數(shù)，獲得的一條較滿意的動(dòng)態(tài)曲線(要求標(biāo)出時(shí)間軸和縱軸單位)。 6)、 數(shù)據(jù)分析和心得體會(huì)。 實(shí)驗(yàn)6: 渦輪流量計(jì)的流量PI和PID調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn) 1)、 記錄閥門狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)連線。 2)、 不同比例系數(shù)K時(shí)的余差和超調(diào)量 3)、 PI調(diào)節(jié)時(shí)，擇合適的P、I參數(shù)，獲得的一條較滿意的動(dòng)態(tài)曲線(要求標(biāo)出時(shí)間軸和縱軸單位)。 4)、 PID調(diào)節(jié)時(shí)，擇合適的P、I和D參數(shù)，獲得的一條較滿意的動(dòng)態(tài)曲線(要求標(biāo)出時(shí)間軸和縱軸單位)。 5)、 數(shù)據(jù)分析和心得體會(huì)。 5.2. 考核方式 5.2.1. 實(shí)驗(yàn)課的考核方式 對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)及報(bào)告情況進(jìn)行綜合評(píng)定，其中學(xué)生的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)情況在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)報(bào)告在實(shí)驗(yàn)過后進(jìn)行。 學(xué)生的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)情況通過檢查預(yù)習(xí)報(bào)告、提問、出勤記錄等形式。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的評(píng)分按報(bào)告內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)要求來評(píng)定。 5.2.2. 實(shí)驗(yàn)課考核成績確定 學(xué)生的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)情況占實(shí)驗(yàn)成績的1/3,實(shí)驗(yàn)報(bào)告的成績占實(shí)驗(yàn)成績的2/3。實(shí)驗(yàn)成績占課程總成績按30％。 6. 實(shí)驗(yàn)教材、參考書 6.1. 教材 丁建強(qiáng),任曉,盧亞平. 計(jì)算機(jī)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(qiáng).微型計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)裝置使用手冊(cè).2004年 北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司.MCGS用戶手冊(cè).2004年