以自動化系過程控制工程實驗室為背景，設計了基于B／S結構的虛擬實驗系統。系統的總體結構，采用VRML虛擬現實建模語言進行實驗設備及實驗環境的三維建模，實現了實驗室虛擬環境的構建；通過實驗室中基于Profibus現場總線的監控系統，設計了二階水槽系統建模數據采集實驗，并利用Matlab進行建模及液位的控制仿真；通過以上工作，實現了基于VRML和Matlab／Simulink仿真計算引擎的虛擬實驗系統。利用得到的數學模型和仿真模型，根據實際工程實驗控制器參數整定的要求，設計了基于遺傳算法的控制器參數優化方法，通過實際實驗的運行，驗證了優化后的PID參數對控制器參數的整定具有指導性。
實驗一：單回路液位控制系統實驗
一、實驗目的
1．通過實驗熟悉單回路反饋控制系統的組成和原理；
2．定性分析研究PID控制器參數對系統性能的影響；
3．分析對象參數對控制效果的影響；
4．分別從供水側和出水側施加擾動，研究PID控制器的擾動抑制能力。
二、實驗設備
安裝Kingview組態軟件和KingACT軟邏輯軟件的計算機一臺。
三、實驗原理
增加干擾水源相應的組態項目，干擾水源的模擬可在入水量上疊加一個較小的水量信號，并通過開關控制其是否有效。因此增加兩個變量，如下表。
表 1-1 單回路水箱控制系統增加的仿真變量表
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參數 |
變量名稱 |
變量類型 |
單位 |
下限 |
上限 |
初始值 |
|
干擾水源 |
干擾水源 |
Double |
L/s |
0 |
0.01 |
0.0001 |
|
干擾水源開關 |
干擾開關 |
Bool |
False |
四、 實驗方法與步驟
1．啟動KingACT編程系統，打開“單回路水箱液位控制（干擾）”工程文件。在對象組態圖中增加擾動水源組態。在原組態的基礎上增加一個加法器和選擇開關模塊，并進行變量連接，如圖所示。
2．啟動組態王工程管理器，打開“單回路水箱液位控制（干擾）”工程文件，在數據詞典中增加兩個變量，分別為“干擾開關”和“干擾水量”，并建立與OPC服務器的通道連接。調入仿真主畫面，增加干擾水源控制閥和干擾水量數值指示，分別與“干擾開關”和“干擾水量”進行動畫連接，如圖所示。
3．啟動KingACT運行系統，裝入“單回路水箱液位控制（干擾）”工程文件。
4．啟動KingACT OPC服務器，裝入“單回路水箱液位控制（干擾）.plc”文件，并置于運行狀態。
5．在組態王工程管理器中，將“單回路水箱液位控制（干擾）”切換至運行狀態。
6．為調節器設置PID參數。
7．啟動給水泵，調節器置于手操狀態，為水泵提供一控制電壓，并將出水閥置于50%開度，等待液位達到平衡狀態。
8．改變水位設定值，將調節器置于自動狀態，觀察液位變化情況。
9．通過打開干擾閥門和改變出水閥開度，分別施加進水和出水擾動，觀察液位變化情況。
10．調整PID參數，直到獲得較為滿意的結果。
11．通過參數設置改變水箱對象的面積，重新進行上述實驗。
五、 實驗報告要求
1．通過抓圖拷屏的方法提交獲得的實驗曲線。
2．根據實驗過程填寫下表，并分析水箱面積變化對調節器參數的影響。
表 1-2 單回路水箱液位控制系統實驗記錄表
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水箱面積 (cm2) |
比例系數 |
積分時間 (ms) |
微分時間 (ms) |
超調量 (%) |
過渡過程時間 |
3．分析PID定值調節和擾動抑制特性。
4．實驗報告。
六、思考題
1．如果要增加變化的干擾水源應如何增加?
