《控制系统调试与优化实验》教学大纲
英文名称：Experiment of Control Systems Commissioning & Optimization
课程编号：D080710085
课程简介：高等学校自动化专业的独立性实验课，使学生在掌握自动控制的基本原理及必要的现代控制理论方面的基础知识，熟练掌握各种分析方法，了解各种控制系统调试方法和优化原则的基础上，加强对控制理论的理解和认识，将理论与实践有机地结合起来，培养学生一定的实际动手能力、分析问题及解决问题的能力。
学 分：1 分
总 学 时：30。
适用对象：自动化
先修课程：电路基础、自动控制理论、热工过程控制系统、集散控制系统、火电厂程序控制系统
承担学院、实验室：电气与信息工程学院自动化实验室
一、实验教学目标与要求
实验教学目标：
1、掌握以运算放大电路为核心元件构造各种典型环节和对象的方法，掌握以运算放大电路为核心元件构造PID调节器的方法，了解控制系统的模拟整定方法，熟悉典型环节的结构及其对阶跃激励信号的响应特性。
2、掌握过程控制的基本概念、单回路系统的组成及调节器参数的整定方法、串级控制系统的组成及主副调节器参数的整定方法。了解过程控制系统的调试、投运和维护。掌握过程控制过程中的关键环节和技术手段。
3、能够运用计算机仿真和测控技术的专业知识，开展仿真实验和样机试验，并获得有效结论。用 MATLAB 语言对系统进行计算，以及不同参数上的 PID 调节和对系统动态特性，静态特性的影响。
4、掌握常用的MATLAB 相关函数的使用方法，掌握判定系统稳定性、定量计算系统稳态误差和动态性能指标的方法，掌握系统校正与计算机辅助仿真实验的基本方法。了解控制系统参数优化方法。
实验教学要求：
要求学生掌握一定的实验技能，运用自动化领域的基本理论、基本方法和基本技能，在热工自动化、检测与自动化仪表、信息处理、计算机应用等领域从事系统分析、设计、运行和科技开发等培养一定的工程实践能力。
表1 实验教学目标-毕业要求关系表
实验教学目标 | 毕业要求 | 指标点 | 与毕业要求指标点关联度 |
1 | 工程知识 | 3.掌握扎实的专业知识，具备从事自动化行业工作所必需的专业技能，并能够将上述知识和技能用于解决复杂工程及技术问题 | H |
4 | 问题分析 | 4.具有综合运用所学理论知识对复杂工程问题进行分析的能力 | H |
2,3 | 系统方案设计/开发 | 5.能够设计针对复杂工程问题的解决方案，并在设计中体现创新意识；能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究 | H |
注：表格中的实验教学目标为前面陈述的实验教学目标；表中"H（高）、M（中）、L（弱）"表示课程与各项毕业要求的关联度。
二、实验项目名称和学时分配
表2 实验项目名称及学时分配表
序号 | 实验项目名称 | 学时 分配 | 必开 或选开 | 实验 类型 | 分组 人数 | 所支持实验 教学目标点 |
1 | 典型环节的模拟实验 | 2 | 必做 | 验证 | 4～6 | 1 |
2 | 调节对象及PID调节器的模拟 | 2 | 必做 | 验证 | 4～6 | 1,4 |
3 | 单回路控制系统的模拟实验 | 4 | 必做 | 综合 | 4～6 | 1,4 |
4 | 采用SIMULINK的系统仿真 | 2 | 选做 | 综合 | 4～6 | 3 |
5 | PID参数整定仿真 | 4 | 必做 | 综合 | 4～6 | 3,4 |
6 | 串级控制系统调试仿真 | 4 | 必做 | 综合 | 4～6 | 3,4 |
7 | 优化参数 | 4 | 选做 | 综合 | 4～6 | 3 |
8 | 单变量参数寻优 | 4 | 选做 | 综合 | 4～6 | 3 |
9 | 系统状态空间的设计 | 4 | 选做 | 综合 | 4～6 | 3,4 |
10 | 流量定值控制系统调试实验 | 4 | 选做 | 综合 | 4～6 | 2 |
11 | 下水箱液位与流量串级控制系统调试实验 | 4 | 选做 | 综合 | 4～6 | 2 |
12 | 管道批量流量控制系统调试实验 | 4 | 选做 | 综合 | 4～6 | 2 |
13 | 单闭环流量比值控制系统调试实验 | 4 | 选做 | 综合 | 4～6 | 2 |
注：所支持的实验教学目标点为第一大点中的实验教学目标。
三、单项实验项目的内容、要求
1．基础性实验
（1）典型环节的模拟实验
实验内容：比例环节、积分环节、实际微分环节和一阶惯性环节的阶跃响应。
实验目的：掌握用运算放大器构造各种典型环节和对象的方法；观察并分析典型环节和对象的阶跃响应典线，以及有关参数对阶跃响应的影响。
主体设备或软件环境要求：模拟仪、记录仪。
（2）调节对象及PID调节器的模拟
实验内容：对象和PID控制器的阶跃响应。
实验目的：掌握用运算放大器构造各种调节对象和PID控制器的方法；观察并分析各调节对象对象的阶跃响应典线，观察并分析P、PI、PD、PID的阶跃响应典线，以及有关参数对阶跃响应的影响。
主体设备或软件环境要求：模拟仪、记录仪。
2．设计或综合性实验
（1）单回路控制系统的模拟实验
实验内容：单回路控制系统调节器参数的整定。
实验目的：测取有自平衡能力调节对象的动态特性性能指标，整定出PI调节器的参数。
主体设备或软件环境要求：模拟仪、记录仪。
（2）采用SIMULINK的系统仿真
实验内容：控制系统仿真常用基本模块的使用。
实验目的：熟悉SIMULINK工作环境和特点;掌握线性系统仿真常用基本模块的用法;掌握SIMULINK的建模和仿真方法;掌握子系统的创建和封装。
主体设备或软件环境要求：计算机；MATLAB软件。
（3）PID参数整定仿真
实验内容：单回路控制系统中不同调节规律的调节器的参数整定。
实验目的：了解被控对象的特性对控制系统控制品质的影响；掌握不同调节规律的调节器（P、PI、PID）对控制系统控制品质的影响；熟悉MATLAB软件中Simulink工具箱的使用方法及在控制系统设计仿真中的应用；掌握单回路控制系统中不同调节规律的调节器的参数整定方法。
主体设备或软件环境要求：计算机；MATLAB软件。
（4）串级控制系统调试仿真
实验内容：仿真串级控制系统；串级控制系统的主、副PID控制器参数的整定；分别绘制单回路控制和串级控制时一次扰动和二次扰动作用下的系统输出响应曲线。
实验目的：掌握串级控制系统的组成和原理；通过串级和单回路控制的对比仿真，加深对串级控制的认识；掌握串级控制系统的主、副PID控制器参数的整定过程；理解串级控制系统的抗扰动性能。
主体设备或软件环境要求：计算机；MATLAB软件。
（5）优化参数
实验内容：示例使用优化函数进行单变量优化、线性规划和多变量优化。
实验目的：了解Matlab优化工具箱；学会使用优化函数。
主体设备或软件环境要求：计算机；MATLAB软件。
（6）单变量参数寻优
实验内容：函数f(x)=x3-2x-5,采用黄金分割法、二次插值法和MATLAB内部库函数fminbnd求[0 5]区间极小值和位置，精度0.0001。
实验目的：掌握黄金分割法原理和仿真方法；掌握二次插值法原理和仿真方法；学会使用fminbnd函数。
主体设备或软件环境要求：计算机；MATLAB软件。
（7）系统状态空间的设计
实验内容：三菱变频器的工作模式切换；参数设置；参数清除；运行模式设定。
实验要求：熟练掌握变频器面板的操作方法，熟悉各种运行模式，掌握变频器运行基本参数设定方法。
主要仪器：三菱变频器。
（8）流量定值控制系统调试实验
实验内容：比较P、PI调节器对流量控制系统无差度和动态性能的影响。
实验目的：通过实验熟悉流量控制系统的组成和工作原理
主体设备或软件环境要求：过程控制实验装置；万用电表一只；计算机；打印机。
（9）下水箱液位与流量串级控制系统调试实验
实验内容：选择下水箱和电动调节阀支路流量组成串级控制系统，整定出主、副调节器参数，投运串级控制系统后，待液位稳定于给定值时将阶跃扰动分别作用于副对象和主对象。
实验目的：了解液位流量串级控制系统的组成原理；掌握液位流量串级控制系统调节器参数的整定与投运方法；了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。
主体设备或软件环境要求：过程控制实验装置；万用电表一只；计算机；打印机。
（10）管道批量流量控制系统调试实验
实验内容：比较P、PI调节器对温度控制系统无差度和动态性能的影响。
实验目的：通过实验熟悉温度控制系统的组成和工作原理
主体设备或软件环境要求：过程控制实验装置；万用电表一只；计算机；打印机。
（11）单闭环流量比值控制系统调试实验
实验内容：选择电动调节阀支路和变频器支路组成流量比值控制系统，整定副回路的调节器参数。待变频器支路流量稳定于给定值时加干扰。
实验目的：了解流量比值控制系统的原理与结构组成；掌握比值系数的计算方法；掌握比值控制系统调节器参数的整定与投运方法。
主体设备或软件环境要求：过程控制实验装置；万用电表一只；计算机；打印机。
四、实验教材或实验指导书
[1]控制系统调试与优化实验指导书．长沙：自编教材，2018
2．参考书：
[1]边立秀．热工自动控制系统[M]．中国电力出版社．2001
[2]王建辉，顾树生主编.自动控制原理(第2版)[M].北京：清华大学出版社，2014.
五、考核方法
教师根据学生每次实验表现以及实验报告情况等给出该课程实验分数，并作为该课程的成绩一部分纳入该课程的总成绩。
表3 实验教学目标-考核方式关系表
序号 | 实验教学目标点 | 考核方式 | 考核成绩占比% | 考核依据 |
1 | 1,2,3,4 | 根据学生实验课的出勤、实验表现；操作情况及实验报告、理论考试等进行评分。 | 1．平时总成绩占到课程成绩的40％，实验报告占60％。 2．平时成绩分为两个部分：一部分为实验到课率，另一部分为实验操作成绩。验收包括学生答辩、教师质询和测试。 3．总成绩为课程两部分的总和，按百分制给出成绩 | 实验报告内容完整、格式规范、数据真实、结论准确给90-100；实验报告内容大致完整、格式规范、数据真实、结论有说服力给75-89等等。 |
注：（1）实验教学目标点为第一大点中的实验教学目标；（2）考核方式可为实验报告、大作业、试卷、现场提问、讨论等。