1、第一章 實驗裝置說明第一節 系統概述一、概述“DDD-Z05-IK型過控綜合自動化控制系統實驗平臺”是由實驗控制對象、實驗控制臺及上位監控PC機三部分組成。它是本企業根據工業自動化及其他相關專業的教學特點，并吸收了國內外同類實驗裝置的特點和長處，經過精心設計，多次實驗和反復論證而推出的一套全新的綜合性實驗裝置。本裝置結合了當今工業現場過程控制的實際，是一套集自動化儀表技術、計算機技術、通訊技術、自動控制技術及現場總線技術為一體的多功能實驗設備。該系統包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數，可實現系統參數辨識，單回路控制，串級控制，前饋-反饋控制，滯后控制、比值控制，解耦控制等多種控制形式。本裝置

2、還可根據用戶的需要設計構成AI智能儀表，DDC遠程數據采集，DCS分布式控制，PLC可編程控制，FCS現場總線控制等多種控制系統，它既可作為本科，?？?，高職過程控制課程的實驗裝置，也可為教師、研究生及科研人員對復雜控制系統、先進控制系統的研究提供一個物理模擬對象和實驗平臺。 學生通過本實驗裝置進行綜合實驗后可掌握以下內容：1傳感器特性的認識和零點遷移；2自動化儀表的初步使用；3變頻器的基本原理和初步使用；4電動調節閥的調節特性和原理；5測定被控對象特性的方法；6單回路控制系統的參數整定；7串級控制系統的參數整定；8復雜控制回路系統的參數整定；9控制參數對控制系統的品質指標的要求；10控制系統的

3、設計、計算、分析、接線、投運等綜合能力培養；11各種控制方案的生成過程及控制算法程序的編制方法。二、系統特點l 真實性、直觀性、綜合性強，控制對象組件全部來源于工業現場。l 被控參數全面，涵蓋了連續性工業生產過程中的液位、壓力、流量及溫度等典型參數。l 具有廣泛的擴展性和后續開發功能，所有I/O信號全部采用國際標準IEC信號。l 具有控制參數和控制方案的多樣化。通過不同被控參數、動力源、控制器、執行器及工藝管路的組合可構成幾十種過程控制系統實驗項目。l 各種控制算法和調節規律在開放的實驗軟件平臺上都可以實現。實驗數據及圖表在上位機軟件系統中很容易存儲及調用，以便實驗者進行實驗后的比較和分析。l

4、 多種控制方式：可采用AI智能儀表控制、DCS分布式控制、S7-200或S7-300PLC可編程控制、DDC遠程數據采集控制等多種控制方式。l 充分考慮了各大高校自動化專業的大綱要求，完全能滿足教學實驗、課程設計、畢業設計的需要，同時學生可自行設計實驗方案，進行綜合性、創造性過程控制系統實驗的設計、調試、分析，培養學生的獨立操作、獨立分析問題和解決問題的能力。三、實驗裝置的安全保護體系1三相四線制總電源輸入經帶漏電保護裝置的三相四線制斷路器進入系統電源之后又分為一個三相電源支路和三個不同相的單相支路，每一支路都帶有各自三相、單相斷路器。總電源設有三相通電指示燈和380V三相電壓指示表，三相帶燈

5、熔斷器作為斷相指示。2控制屏上裝有一套電壓型漏電保護和一套電流型漏電保護裝置。3控制屏設有服務管理器（即定時器兼報警記錄儀），為學生實驗技能的考核提供一個統一的標準。4各種電源及各種儀表均有可靠的自保護功能。5強電接線插頭采用封閉式結構，以防止觸電事故的發生。6強弱電連接線采用不同結構的插頭、插座，防止強弱電混接。第二節 DDD-Z05-IK型過控綜合自動化控制系統對象實驗對象總貌圖如圖1-1所示：圖1-1 實驗對象總貌圖本實驗裝置對象主要由水箱、鍋爐和盤管三大部分組成。供水系統有三路：一路由三相（380V恒壓供水）磁力驅動泵、電動調節閥、直流電磁閥、渦輪流量計及手動調節閥組成；一路由變頻器、

6、三相磁力驅動泵（220V變頻調速）、渦輪流量計及手動調節閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅動泵（220V變頻調速）、渦輪流量計及手動調節閥組成。一、被控對象由不銹鋼儲水箱、有機玻璃上水箱、不銹鋼鍋爐汽包、4.5KW三相電加熱模擬鍋爐(由不銹鋼鍋爐內膽加溫筒和封閉式鍋爐夾套構成)、盤管和敷塑不銹鋼管道等組成。1水箱：包括上水箱、儲水箱。上水箱采用淡藍色優質有機玻璃，不但堅實耐用，而且透明度高，便于學生直接觀察液位的變化和記錄結果。上水箱尺寸為：D=25cm，H=20cm；水箱結構獨特，由三個槽組成，分別為緩沖槽、工作槽和出水槽，進水時水管的水先流入緩沖槽，出水時工作槽的水經過帶燕尾槽的隔板流入出

7、水槽，這樣經過緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩定，便于觀察。水箱底部均接有擴散硅壓力傳感器與變送器，可對水箱的壓力和液位進行檢測和變送。上水箱和汽包可組成二階系統、雙閉環串級控制系統。儲水箱由不銹鋼板制成，尺寸為：長×寬×高=68cm×52×43，完全能滿足上、汽包的實驗供水需要。儲水箱內部有兩個橢圓形塑料過濾網罩，以防雜物進入水泵和管道。2. 鍋爐汽包：不銹鋼精制而成，可利用它進行虛假水位模擬實驗。3模擬鍋爐：是利用電加熱管加熱的常壓鍋爐，包括加熱層（鍋爐內膽）和冷卻層（鍋爐夾套），均由不銹鋼精制而成，可利用它進行溫度實驗。做溫度實驗時，冷卻層的

8、循環水可以使加熱層的熱量快速散發，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測其溫度，可完成溫度的定值控制、串級控制，前饋-反饋控制，解耦控制等實驗。4盤管：模擬工業現場的管道輸送和滯后環節，長37米（43圈），在盤管上有三個不同的溫度檢測點，它們的滯后時間常數不同，在實驗過程中可根據不同的實驗需要選擇不同的溫度檢測點。盤管的出水通過手動閥門的切換既可以流入鍋爐內膽，也可以經過渦輪流量計流回儲水箱。它可用來完成溫度的滯后和流量純滯后控制實驗。5管道及閥門：整個系統管道由敷塑不銹鋼管連接而成，所有的手動閥門均采用優質球閥，徹底避免了管道系統生銹的可能性。有效提高了實驗裝置的使用年限

9、。其中儲水箱底部有一個出水閥，當水箱需要更換水時，把球閥打開將水直接排出。二、檢測裝置1壓力傳感器、變送器：三個壓力傳感器分別用來對上、中、下三個水箱的液位進行檢測，其量程為05KP，精度為0.5級。采用工業用的擴散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供24V直流電源，輸出：420mADC。2溫度傳感器：裝置中采用了六個Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，分別用來檢測鍋爐內膽、鍋爐夾套、盤管（有3個測試點）以及上水箱出口的水溫。Pt100測溫范圍：-200+420。經過調節器的溫度變送器，可將溫度信號轉換成420mA直流電

10、流信號。Pt100傳感器精度高，熱補償性較好。3流量傳感器、變送器：三個渦輪流量計分別用來對由電動調節閥控制的動力支路、由變頻器控制的動力支路及盤管出口處的流量進行檢測。它的優點是測量精度高，反應快。采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供24V直流電源。流量范圍：01.2m3/h；精度：1.0%；輸出：420mADC。三、執行機構1電動調節閥：采用智能直行程電動調節閥，用來對控制回路的流量進行調節。電動調節閥型號為：QSTP-16K。具有精度高、技術先進、體積小、重量輕、推動力大、功能強、控制單元與電動執行機構一體化、可靠性高、操作方便等優點，電源為單相220V，控制信號為420mADC或15V

11、DC，輸出為420mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。2水泵：本裝置采用磁力驅動泵，型號為16CQ-8P，進口直徑：16，出口直徑：12，溫度:<=100，流量為30升/分，揚程為8米，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。本裝置采用兩只磁力驅動泵,一只為三相380V恒壓驅動，另一只為三相變頻220V輸出驅動。實驗裝置采用兩套不銹鋼磁力驅動泵（上海永勝制泵有限公司生產），一套是380V恒壓供水，另一套是220V變頻控制供水。它是將永磁聯軸器的工作原理應用于離心泵的新產品，具有全密封、無泄露、耐腐蝕的特點。它以靜密封取代動密封，使泵的過流部件處于完全密封狀態，

12、徹底解決了其它泵（如丹麥泵、齒輪泵等）機械密封無法避免的跑、冒、漏、滴之弊病，選用耐腐蝕、高強度的不銹鋼作為制造材料。結構緊湊、外形美觀、體積小、噪音低、運行可靠、使用維修方便。3電磁閥：在本裝置中作為電動調節閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號為：2W-160-25 ；工作壓力：最小壓力為0Kg/2，最大壓力為7Kg/2 ；工作溫度：580；工作電壓：24VDC。4三相電加熱管：由三根1.5KW電加熱管星形連接而成，用來對鍋爐內膽內的水進行加溫，每根加熱管的電阻值約為50左右。5全隔離三相交流調壓模塊：全隔離三相交流調壓模塊內部集三相電相位檢測、移相電路、觸發電路和三組反并聯單向可控硅于

13、一體，用420mA標準電流信號自動控制來達到改變可控硅導通角來實現三相負載電壓從0V到電網全電壓的無級可調，本裝置采用了上海順科固體繼電器有限公司的STY-380D35A，配套使用的有三相同步變壓器TB-3?？梢詫崿F溫度的連續控制。第三節 DDD-Z05-IK型過控綜合自動化控制系統實驗平臺“DDD-Z05-IK型過控綜合自動化控制系統實驗平臺”主要由控制屏組件、智能儀表控制組件、遠程數據采集控制組件、DCS分布式控制組件、PLC控制組件等幾部分組成。一、控制屏組件1SA-01電源控制屏面板充分考慮人身安全保護，裝有漏電保護空氣開關、電壓型漏電保護器、電流型漏電保護器。圖1-2為電源控制屏示意

14、圖。合上總電源空氣開關及鑰匙開關，此時三只電壓表均指示380V左右，定時器兼報警記錄儀數顯亮，停止按鈕燈亮。此時打開照明開關、變頻器開關及24V開關電源即可提供照明燈，變頻器和24V電。按下啟動按鈕，停止按鈕燈熄，啟動按鈕燈亮，此時合上三相電源、單相、單相、單相空氣開關即可提供相應電源輸出，作為其他設備的供電電源。圖1-2 電源控制屏示意圖2SA-02 I/O信號接口面板該面板的作用主要是通過航空插頭（一端與對象系統連接）將各傳感器檢測信號及執行器控制信號同面板上自鎖緊插孔相連，便于學生自行連線組成不同的控制系統。3三相移相SCR調壓裝置、位式控制接觸器采用三相可控硅移相觸發裝置，輸入控制信號

15、為420mA標準電流信號，其移相觸發角與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓用來控制電加熱器的端電壓，從而實現鍋爐溫度的連續控制。位式控制接觸器和AI-708儀表一起使用，通過AI-708儀表輸出繼電器觸點的通斷來控制交流接觸器的通斷，從而完成鍋爐水溫的位式控制實驗。二、智能儀表控制組件1AI智能調節儀表掛件采用上海萬迅儀表有限公司生產的AI系列全通用人工智能調節儀表，其中SA-12智能調節儀控制掛件為AI-818型，SA-13智能位式調節儀為AI-708型。AI-818型儀表為PID控制型，輸出為420mADC信號；而AI-708型儀表為位式控制型，輸出為繼電器觸點型開關量信號。AI系列儀表通過

16、RS485串口通信協議與上位計算機通訊，從而實現系統的實時監控。AI儀表常用參數設置：CtrL：控制方式。CtrL0，采用位式控制；CtrL1，采用AI人工智能調節/PID調節；CtrL2，啟動自整定參數功能；CtrL3，自整定結束。Sn：輸入規格。Sn21，Pt100熱電阻輸入；Sn32，0.21VDC電壓輸入；Sn33，15VDC電壓輸入。DIL：輸入下限顯示值，一般DIL0。DIH：輸入上限顯示值。輸入為液位信號時，DIH50.0；輸入為熱電阻信號時，DIH100；輸入為流量信號時，DIH100。OP1：輸出方式，一般OP14為420mA線性電流輸出。CF：系統功能選擇。CF0為內部給定

17、，反作用調節；CF1為內部給定，正作用調節；CF8為外部給定，反作用調節；CF9為外部給定，正作用調節。Addr：通訊地址。單回路實驗Addr1；串級實驗主控為Addr1，副控為Addr2；三閉環實驗主控為Addr1，副控為Addr2，內環為Addr3。實驗中各儀表通訊地址不允許相同。P、I、D參數可根據實驗需要調整，其他參數請參考默認設置。有關AI系列儀表的使用請參考說明書上相關的內容。2SA-14比值、前饋補償及解耦裝置掛件比值、前饋補償裝置同調節器一起使用，其原理如圖1-3所示。上面一路作為比值器，輸入電壓經過電壓跟隨器、反相比例放大器、反相器輸出05V電壓，可以實現流量的單閉環比值、雙

18、閉環比值控制系統實驗；當上面一路作為干擾輸入，下面一路作為調節器輸出時，兩路相加或相減（通過鈕子開關切換），再經過I/V變換輸出420mA電流，這部分構成一個前饋補償器，可以實現液位與流量、溫度與流量的前饋-反饋控制系統實驗。圖1-3 比值、前饋補償器原理圖解耦裝置同調節器一起使用，其原理如圖1-4所示。上面一路的輸入對輸出的影響，以及下面一路的輸入對輸出的影響均為1：1的關系；兩路之間相互的影響通過可調比例放大器及加法器實現。值得注意的是上面一路對下面一路的影響可通過鈕子開關選擇相加或相減，可以實現鍋爐內膽與鍋爐夾套的溫度、上水箱液位與出口水溫的解耦控制系統實驗。圖1-4 解耦裝置原理圖第四

19、節 軟件介紹MCGS組態軟件：本裝置中智能儀表控制方案、遠程數據采集控制方案和S7-200PLC控制方案均采用了北京昆侖公司的MCGS組態軟件作為上位機監控組態軟件。MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統，可運行于Microsoft Windows95/98/NT/2000等操作系統。MCGS 5.1為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發平臺，能夠完成現場數據采集、實時和歷史數據處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業監控網絡等功能。有關

20、MCGS軟件的使用請參考配套的手冊及光盤。第五節 實驗要求及安全操作規程一、實驗前的準備實驗前應復習教科書有關章節，認真研讀實驗指導書，了解實驗目的、項目、方法與步驟，明確實驗過程中應注意的問題，并按實驗項目準備記錄等。實驗前應了解實驗裝置中的對象、水泵、變頻器和所用控制組件的名稱、作用及其所在位置。以便于在實驗中對它們進行操作和觀察。熟悉實驗裝置面板圖，要求做到：由面板上的圖形、文字符號能準確找到該設備的實際位置。熟悉工藝管道結構、每個手動閥門的位置及其作用。認真作好實驗前的準備工作，對于培養學生獨立工作能力，提高實驗質量和保護實驗設備都是很重要的。二、實驗過程的基本程序1明確實驗任務；2提

21、出實驗方案；3畫實驗接線圖；4進行實驗操作，做好觀測和記錄；5整理實驗數據，得出結論，撰寫實驗報告。在進行本書中的綜合實驗時，上述程序應盡量讓學生獨立完成，老師給予必要的指導，以培養學生的實際動手能力，要做好各主題實驗，就應做到：實驗前有準備；實驗中有條理，實驗后有分析。三、實驗安全操作規程1實驗之前確保所有電源開關均處于“關”的位置。2接線或拆線必須在切斷電源的情況下進行，接線時要注意電源極性。完成接線后，正式投入運行之前，應嚴格檢查安裝、接線是否正確，并請指導老師確認無誤后，方能通電。3在投運之前，請先檢查管道及閥門是否已按實驗指導書的要求打開，儲水箱中是否充水至三分之二以上，以保證磁力驅

22、動泵中充滿水，磁力驅動泵無水空轉易造成水泵損壞。4在進行溫度試驗前，請先檢查鍋爐內膽內水位，至少保證水位超過液位指示玻璃管上面的紅線位置，無水空燒易造成電加熱管燒壞。5實驗之前應進行變送器零位和量程的調整，調整時應注意電位器的調節方向，并分清調零電位器和滿量程電位器。6儀表應通電預熱15分鐘后再進行校驗。7小心操作，切勿亂扳硬擰，嚴防損壞儀表。第二章 對象特性測試實驗被控對象數學模型的建立通常采用下列二種方法。一種是分析法，即根據過程的機理，物料或能量平衡關系求得它的數學模型；另一種是用實驗的方法確定。本裝置采用實驗方法通過被控對象對階躍信號的響應來確定它的參數及數學模型。由于此法較簡單，因而

23、在過程控制中得到了廣泛地應用。第一節 單容自衡水箱液位特性測試實驗一、實驗目的1掌握單容水箱的階躍響應測試方法，并記錄相應液位的響應曲線；2根據實驗得到的液位階躍響應曲線，用相應的方法確定被測對象的特征參數K、T和傳遞函數；二、實驗設備 DDD-Z05-I實驗對象及DDD-Z05-IK控制屏、DDD-Z05-III 電源控制柜一臺、SA-12掛件一個、SA-13A掛件一個、計算機一臺、萬用表一個、實驗連接線若干。三、實驗原理所謂單容指只有一個貯蓄容器。自衡是指對象在擾動作用下，其平衡位置被破壞后，不需要操作人員或設備等干預，依靠其自身重新恢復平衡的過程。圖2-1所示為單容自衡水箱特性測試結構圖

24、及方框圖。閥門F1-1、F2-14和F1-6全開，設上水箱流入量為Q1，改變電動調節閥V1的開度可以改變Q1的大小，上水箱的流出量為Q2，改變出水閥F1-9的開度可以改變Q2。液位h的變化反映了Q1與Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的過程。若將Q1作為被控過程的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控過程的數學模型就是h與Q1之間的數學表達式。圖2-1 單容自衡水箱特性測試系統（a）結構圖 （b）方框圖根據動態物料平衡關系有Q1-Q2=A (2-1)將式(2-1)表示為增量形式Q1-Q2=A (2-2)式中：Q1，Q2，h分別為偏離某一平衡狀態的增量； A水箱截面積。在平衡時，Q1=Q2，0；當Q1發

25、生變化時，液位h隨之變化，水箱出口處的靜壓也隨之變化，Q2也發生變化。由流體力學可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線性關系。但為了簡化起見，經線性化處理后，可近似認為Q2與h成正比關系，而與閥F1-9的阻力R成反比，即Q2= 或 R= (2-3) 式中：R閥F1-9的阻力，稱為液阻。將式(2-2)、式(2-3)經拉氏變換并消去中間變量Q2，即可得到單容水箱的數學模型為W0（s）= (2-4) 式中T為水箱的時間常數，TRC；K為放大系數，KR；C為水箱的容量系數。若令Q1（s）作階躍擾動，即Q1（s）=，x0=常數，則式(2-4)可改寫為H（s）=×=K-對上式取拉氏反變換

26、得h(t)=Kx0(1-e-t/T) (2-5)當t>時，h（）-h（0）=Kx0，因而有K= (2-6) 當t=T時，則有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h() (2-7) 式（2-5）表示一階慣性環節的響應曲線是一單調上升的指數函數，如圖2-2（a）所示，該曲線上升到穩態值的63%所對應的時間，就是水箱的時間常數T。也可由坐標原點對響應曲線作切線OA，切線與穩態值交點A所對應的時間就是該時間常數T，由響應曲線求得K和T后，就能求得單容水箱的傳遞函數。圖2-2 單容水箱的階躍響應曲線如果對象具有滯后特性時，其階躍響應曲線則為圖2-2（b），在此曲線的拐點D處

27、作一切線，它與時間軸交于B點，與響應穩態值的漸近線交于A點。圖中OB即為對象的滯后時間，BC為對象的時間常數T，所得的傳遞函數為：H(S)= (2-8) 四、實驗內容與步驟本實驗選擇作上水箱為被測對象，實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-6、F2-14全開，將出水閥門F1-9開至適當開度（40%-70%），其余閥門均關閉。 1將“SA-12智能調節儀控制” 掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內RS485通訊口上，將控制屏右側RS485通訊線通過RS485/232轉換器連接到計算機串口1，并按照下面的控制屏接線說明連接實驗系統。文字部分強電接通電源控制柜電源總開關，打開

28、鑰匙開關，控制屏上單相的L、N端接到智能調節儀電源的L、N端弱電上水箱液位LT1信號250歐姆（1-5V）的+、-端對應接到智能調節儀1、2端調節儀輸出7、5端對應接到SA-13A電動調節閥控制信號輸入+、-端表2-1 儀表控制單容水箱特性測試實驗接線說明本實驗為開環控制，不需要設置PID參數，其他參數為：Sn=33；CF=0；ADDR=1；diH=50;dil=0;上水箱出水閥開度40%-70%2接通總電源空氣開關和鑰匙開關， 直流電壓指示24V，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相空氣開關，給智能儀表上電。3打開上位機MCGS組態環境，打開“智能儀表控制系統”工程，然后進入MCGS運行

29、環境，在主菜單中點擊“實驗一、單容自衡水箱對象特性測試”，進入實驗一的監控界面。4將智能儀表輸出值設置為一個合適的值（40%-70%），此操作需通過調節儀表實現。5按下電源控制柜啟動按鈕，打開磁力泵電源旋鈕開關，磁力驅動泵上電打水，適當增加/減少智能儀表的輸出量，使上水箱的液位處于某一平衡位置，記錄此時的儀表輸出值和液位值。6待液位平衡后，突增（或突減）智能儀表輸出量的大小，使其輸出有一個正（或負）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便離開原平衡狀態，經過一段時間后，水箱液位進入新的平衡狀態，記錄下此時的儀表輸出值和液位值，液位的響應過程曲線將如圖2-

30、3所示。圖2-3 單容液位階躍響應曲線7根據前面記錄的液位值和儀表輸出值，按公式（2-6）計算K值，再根據圖2-2中的實驗曲線求得T值，寫出對象的傳遞函數。五、實驗報告要求1畫出單容水箱液位特性測試實驗的結構框圖。2根據實驗得到的數據及曲線，分析并計算出單容水箱液位對象的參數及傳遞函數。六、思考題1做本實驗時，為什么不能任意改變出水閥F1-9開度的大?。?用響應曲線法確定對象的數學模型時，其精度與那些因素有關？3如果采用鍋爐汽包做實驗，其響應曲線與的曲線有什么異同？并分析差異原因。第二節 雙容水箱特性的測試一、實驗目的1掌握雙容水箱特性的階躍響應曲線測試方法；2根據由實驗測得雙容液位的階躍響應

31、曲線，確定其特征參數K、T1、T2及傳遞函數；二、實驗設備（同前）三、原理說明圖2-4 雙容水箱對象特性測試系統(a)結構圖 (b)方框圖由圖2-4所示，被測對象由兩個不同容積的水箱相串聯組成，故稱其為雙容對象。自衡是指對象在擾動作用下，其平衡位置被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預，依靠其自身重新恢復平衡的過程。根據本章第一節單容水箱特性測試的原理，可知雙容水箱數學模型是兩個單容水箱數學模型的乘積，即雙容水箱的數學模型可用一個二階慣性環節來描述：G(s)=G1(s)G2(s)= (2-9) 式中Kk1k2，為雙容水箱的放大系數，T1、T2分別為兩個水箱的時間常數。本實驗中被測量為鍋爐汽包的液

32、位，當上水箱輸入量有一階躍增量變化時，兩水箱的液位變化曲線如圖2-5所示。由圖2-5可見，上水箱液位的響應曲線為一單調上升的指數函數（圖2-5 (a)）；而液位的響應曲線則呈S形曲線（圖2-5 (b)），即上水箱的液位響應滯后了，它滯后的時間與閥F1-9和F1-11的開度大小密切相關。圖2-5 雙容水箱液位的階躍響應曲線（a）上水箱液位 （b）鍋爐汽包液位雙容對象兩個慣性環節的時間常數可按下述方法來確定。在圖2-6所示的階躍響應曲線上求?。?1) h2（t）|t=t1=0.4 h2()時曲線上的點B和對應的時間t1；(2) h2（t）|t=t2=0.8 h2()時曲線上的點C和對應的時間t2。

33、圖2-6 雙容水箱液位的階躍響應曲線 然后，利用下面的近似公式計算式 (2-10) (2-11) (2-12) 0.32t1/t20.46由上述兩式中解出T1和T2，于是得到如式（2-9）所示的傳遞函數。在改變相應的閥門開度后，對象可能出現滯后特性，這時可由S形曲線的拐點P處作一切線，它與時間軸的交點為A，OA對應的時間即為對象響應的滯后時間。于是得到雙容滯后（二階滯后）對象的傳遞函數為：G（S）= (2-13) 四、實驗內容與步驟本實驗選擇上水箱和鍋爐汽包串聯作為被測對象，實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-6、F1-9、F2-14全開，將汽包出水閥F2-15開至適當的開

34、度（50%-70%），其余閥門均關閉。 1將SA-12掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內RS485通訊口上，將控制屏右側RS485通訊線通過RS485/232轉換器連接到計算機串口1，并按照下面控制屏接線說明連接實驗系統。文字部分強電接通電源控制柜電源總開關，打開鑰匙開關，控制屏上單相的L、N端接到智能調節儀電源的L、N端弱電汽包液位LT1信號250歐姆（1-5V）的+、-端對應接到智能調節儀1、2端調節儀輸出7、5端對應接到SA-13A電動調節閥控制信號輸入+、-端表2-2 儀表控制雙容水箱特性測試實驗接線說明2接通總電源空氣開關和鑰匙開關， 直流電壓指示24V，給壓力變送器上電，按

35、下啟動按鈕，合上單相空氣開關，給智能儀表上電。3打開上位機MCGS組態環境，打開“智能儀表控制系統”工程，然后進入MCGS運行環境，在主菜單中點擊“實驗二、雙容自衡水箱對象特性測試”，進入實驗二的監控界面。4將智能調節儀輸出值設置為一個合適的值（一般為最大值的4070%，不宜過大，以免水箱中水溢出），此操作需通過調節儀表實現。5按下電源控制柜啟動按鈕，打開磁力泵電源旋鈕開關，磁力驅動泵上電打水，適當增加/減少智能儀表的輸出量，使上水箱的液位處于某一平衡位置，記錄此時的儀表輸出值和液位值。6液位平衡后，突增（或突減）儀表輸出量的大小，使其輸出有一個正（或負）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜

36、過大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便離開原平衡狀態，經過一段時間后，水箱液位進入新的平衡狀態，記錄下此時的儀表輸出值和液位值，液位的響應過程曲線將如圖2-7所示。圖2-7 雙容水箱液位階躍響應曲線7根據前面記錄的液位和儀表輸出值，按公式（2-10）計算K值，再根據圖2-6中的實驗曲線求得T1、T2值，寫出對象的傳遞函數。二、實驗報告要求1畫出雙容水箱液位特性測試實驗的結構框圖。2根據實驗得到的數據及曲線，分析并計算出雙容水箱液位對象的參數及傳遞函數。三、思考題1做本實驗時，為什么不能任意改變兩個出水閥門開度的大?。?用響應曲線法確定對象的數學模型時，其精度與那些因素有關？3引起雙容對象滯

37、后的因素主要有哪些？第三章 單回路控制系統實驗第一節 單回路控制系統的概述一、單回路控制系統的概述圖3-1為單回路控制系統方框圖的一般形式，它是由被控對象、執行器、調節器和測量變送器組成一個單閉環控制系統。系統的給定量是某一定值，要求系統的被控制量穩定至給定量。由于這種系統結構簡單，性能較好，調試方便等優點，故在工業生產中已被廣泛應用。圖3-1 單回路控制系統方框圖二、干擾對系統性能的影響1干擾通道的放大系數、時間常數及純滯后對系統的影響。干擾通道的放大系數Kf會影響干擾加在系統中的幅值。若系統是有差系統，則干擾通道的放大系數愈大，系統的靜差也就愈大。如果干擾通道是一慣性環節，令時間常數為Tf

38、，則階躍擾動通過慣性環節后，其過渡過程的動態分量被濾波而幅值變小。即時間常數Tf越大，則系統的動態偏差就愈小。通常干擾通道中還會有純滯后環節，它使被調參數的響應時間滯后一個值，但不會影響系統的調節質量。2干擾進入系統中的不同位置。復雜的生產過程往往有多個干擾量，它們作用在系統的不同位置，如圖3-2所示。同一形式、大小相同的擾動作用在系統中不同的位置所產生的靜差是不一樣的。對擾動產生影響的僅是擾動作用點前的那些環節。 圖3-2 擾動作用于不同位置的控制系統三、控制規律的選擇PID控制規律及其對系統控制質量的影響已在有關課程中介紹，在此將有關結論再簡單歸納一下。1比例(P)調節純比例調節器是一種最

39、簡單的調節器，它對控制作用和擾動作用的響應都很快。由于比例調節只有一個參數，所以整定很方便。這種調節器的主要缺點是系統有靜差存在。其傳遞函數為：GC(s)= KP = (3-1) 式中KP為比例系數，為比例帶。2比例積分(PI)調節PI調節器就是利用P調節快速抵消干擾的影響，同時利用I調節消除殘差，但I調節會降低系統的穩定性，這種調節器在過程控制中是應用最多的一種調節器。其傳遞函數為：GC(s)=KP(1+)(1+) (3-2) 式中TI為積分時間。3比例微分(PD)調節這種調節器由于有微分的超前作用，能增加系統的穩定度，加快系統的調節過程，減小動態和靜態誤差，但微分抗干擾能力較差，且微分過大

40、，易導致調節閥動作向兩端飽和。因此一般不用于流量和液位控制系統。PD調節器的傳遞函數為： GC(s)=KP(1+TDs)(1+TDs) (3-3) 式中TD為微分時間。4比例積分微分(PID)調節器PID是常規調節器中性能最好的一種調節器。由于它具有各類調節器的優點，因而使系統具有更高的控制質量。它的傳遞函數為GC(s)=KP(1+TDs)(1+TDs) (3-4) 圖3-3表示了同一對象在相同階躍擾動下，采用不同控制規律時具有相同衰減率的響應過程。圖3-3 各種控制規律對應的響應過程四、調節器參數的整定方法調節器參數的整定一般有兩種方法：一種是理論計算法，即根據廣義對象的數學模型和性能要求，

41、用根軌跡法或頻率特性法來確定調節器的相關參數；另一種方法是工程實驗法，通過對典型輸入響應曲線所得到的特征量，然后查照經驗表，求得調節器的相關參數。工程實驗整定法有以下四種：（一）經驗法若將控制系統按照液位、流量、溫度和壓力等參數來分類，則屬于同一類別的系統，其對象往往比較接近，所以無論是控制器形式還是所整定的參數均可相互參考。表3-1為經驗法整定參數的參考數據，在此基礎上，對調節器的參數作進一步修正。若需加微分作用，微分時間常數按TD=()TI計算。表3-1 經驗法整定參數系 統參 數(%)TI(min)TD(min)溫 度20603100.53流 量401000.11壓 力30700.43液

42、 位2080(二)臨界比例度法圖3-4 具有周期TS的等幅振蕩這種整定方法是在閉環情況下進行的。設TI=，TD=0，使調節器工作在純比例情況下，將比例度由大逐漸變小，使系統的輸出響應呈現等幅振蕩，如圖3-4所示。根據臨界比例度k和振蕩周期TS，按表3-2所列的經驗算式，求取調節器的參考參數值，這種整定方法是以得到4：1衰減為目標。表3-2 臨界比例度法整定調節器參數 調節器參數調節器名稱TI(S)TD(S)P2kPI2.2kTS/1.2PID1.6k0.5TS0.125TS臨界比例度法的優點是應用簡單方便，但此法有一定限制。首先要產生允許受控變量能承受等幅振蕩的波動，其次是受控對象應是二階和二

43、階以上或具有純滯后的一階以上環節，否則在比例控制下，系統是不會出現等幅振蕩的。在求取等幅振蕩曲線時，應特別注意控制閥出現開、關的極端狀態。（三）衰減曲線法（阻尼振蕩法）圖3-5 4：1衰減曲線法圖形在閉環系統中，先把調節器設置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動觀察輸出響應的衰減過程，直至出現圖3-5所示的4：1衰減過程為止。這時的比例度稱為4：1衰減比例度，用S表示之。相鄰兩波峰間的距離稱為4：1衰減周期TS。根據S和TS，運用表3-3所示的經驗公式，就可計算出調節器預整定的參數值。表3-3 衰減曲線法計算公式 調節器參數調節器名稱（%）TI(min)TD(min)PSPI1.

44、2S0.5TSPID0.8S0.3TS0.1 TS （四）動態特性參數法所謂動態特性參數法，就是根據系統開環廣義過程階躍響應特性進行近似計算的方法，即根據第二章中對象特性的階躍響應曲線測試法測得系統的動態特性參數（K、T、等），利用表3-4所示的經驗公式，就可計算出對應于衰減率為4：1時調節器的相關參數。如果被控對象是一階慣性環節，或具有很小滯后的一階慣性環節，若用臨界比例度法或阻尼振蕩法（4：1衰減）就有難度，此時應采用動態特性參數法進行整定。表3-4 經驗計算公式調節器參數調節器名稱（%）TITDP×100%PI1.1×100%3.3PID0.85×100%2

45、0.5第二節 單容液位定值控制系統一、實驗目的1了解單容液位定值控制系統的結構與組成。2掌握單容液位定值控制系統調節器參數的整定和投運方法。3研究調節器相關參數的變化對系統靜、動態性能的影響。4了解P、PI、PD和PID四種調節器分別對液位控制的作用。二、實驗設備（同前）三、實驗原理圖3-6 上水箱單容液位定值控制系統(a)結構圖 (b)方框圖本實驗系統結構圖和方框圖如圖3-6所示。被控量為鍋爐汽包（也可采用上水箱或）的液位高度，實驗要求鍋爐汽包的液位穩定在給定值。將壓力傳感器LT2檢測到的鍋爐汽包液位信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調節器控制電動調節閥的開度，以達到控制鍋爐汽包液

46、位的目的。為了實現系統在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統的調節器應為PI或PID控制。四、實驗內容與步驟 本實驗選擇作上水箱為被測對象，實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-6、F2-14全開，將出水閥門F1-9開至適當開度（40%-70%），其余閥門均關閉。1. 將SA-12掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內RS485通訊口上，將控制屏右側RS485通訊線通過RS485/232轉換器連接到計算機串口1，并按照下面控制屏接線說明連接實驗系統。文字部分強電接通電源控制柜電源總開關，打開鑰匙開關，控制屏上單相的L、N端接到智能調節儀電源的L、N端弱電上水箱液位L

47、T1信號250歐姆（1-5V）的+、-端對應接到智能調節儀1、2端調節儀輸出7、5端對應接到SA-13A電動調節閥控制信號輸入+、-端表3-1 儀表單容液位定值控制接線說明參考參數：SV=8CM ;P=20;I=40;D=0Sn=33;CF=0；ADDR=1；diH=50;dil=0;2接通總電源空氣開關和鑰匙開關， 直流電壓指示24V，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相空氣開關，給智能儀表上電。3打開上位機MCGS組態環境，打開“智能儀表控制系統”工程，然后進入MCGS運行環境，在主菜單中點擊“實驗三、單容液位定值控制”，進入實驗三的監控界面。4設置智能儀表的各個參數(見參考參數),在

48、監控界面中點擊啟動儀表。5按下電源控制柜啟動按鈕，打開磁力泵電源旋鈕開關，磁力驅動泵上電打水，適當增加/減少智能儀表的輸出量，使上水箱的液位趨于設定值。6按本章第一節中的經驗法或動態特性參數法整定調節器參數，選擇PI控制規律，并按整定后的PI參數進行調節器參數設置。7待液位穩定于給定值后，將調節器切換到“自動”控制狀態，待液位平衡后，通過以下幾種方式加干擾：（1）突增（或突減）儀表設定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化；（此法推薦，后面二種僅供參考）（2）將電動調節閥的旁路閥F1-2（同電磁閥）開至適當開度,同時打開直流電磁閥的鈕子開關；（3）將進水閥F1-6開至適當開度；（改變負載

49、）以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的515，干擾過大可能造成水箱中水溢出或系統不穩定。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態，經過一段調節時間后，水箱液位穩定至新的設定值（采用后面三種干擾方法仍穩定在原設定值），記錄此時的智能儀表的設定值、輸出值和儀表參數，液位的響應過程曲線將如圖3-7所示。圖3-7 單容水箱液位的階躍響應曲線8分別適量改變調節儀的P及I參數，重復步驟7，用計算機記錄不同參數時系統的階躍響應曲線。9分別用P、PD、PID三種控制規律重復步驟48，用計算機記錄不同控制規律下系統的階躍響應曲線。第三節 雙容水箱液位定值控制系統一、實驗目的1通過實驗進一步了解雙容水箱液位的特性。2

50、掌握雙容水箱液位控制系統調節器參數的整定與投運方法。3研究調節器相關參數的改變對系統動態性能的影響。4研究P、PI、PD和PID四種調節器分別對液位系統的控制作用。二、實驗設備（同前）三、實驗原理本實驗以上水箱與鍋爐汽包串聯作為被控對象，鍋爐汽包的液位高度為系統的被控制量。要求鍋爐汽包液位穩定至給定量，將壓力傳感器LT2檢測到的鍋爐汽包液位信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調節器控制電動調節閥的開度，以達到控制鍋爐汽包液位的目的。為了實現系統在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統的調節器應為PI或PID控制。調節器的參數整定可采用本章第一節所述任意一種整定方法。本實驗系統結構圖

51、和方框圖如圖3-8所示。圖3-8 雙容液位定值控制系統(a)結構圖 (b)方框圖四、實驗內容與步驟本實驗選擇上水箱和鍋爐汽包串聯作為雙容對象,實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-6、F2-14全開，將上水箱出水閥門F1-9、汽包出水閥F2-15開至適當開度（F1-9F2-15），其余閥門均關閉。具體實驗內容與步驟可根據本實驗的目的與原理參照前一節單容液位定值控制中的相應方案進行。實驗的接線與第二章第二節雙容對象特性測試的接線說明完全一樣。值得注意的是手自動切換的時間為：當鍋爐汽包液位基本穩定不變（一般約為35cm）且的液位趨于給定值時切換為最佳。參考參數：SV=10cm；P

52、=20；I=60；D=0；Sn=33；CF=0；ADDR=1；diH=50;dil=0;上水箱出水閥開度：7090%汽包出水閥開度 ：50%-70%五、實驗報告要求1畫出雙容水箱液位定值控制實驗的結構框圖。2用實驗方法確定調節器的相關參數，寫出整定過程。3根據實驗數據和曲線，分析系統在階躍擾動作用下的靜、動態性能。4比較不同PI參數對系統的性能產生的影響。5分析P、PI、PD、PID四種控制方式對本實驗系統的作用。六、思考題1改變比例度和積分時間TI對系統的性能產生什么影響？2為什么本實驗比單容液位定值控制系統更容易引起振蕩？要達到同樣的動態性能指標，在本實驗中調節器的比例度和積分時間常數要怎

53、么設置？第四節 鍋爐內膽水溫定值控制系統一、實驗目的1了解單回路溫度控制系統的組成與工作原理。2研究P、PI、PD和PID四種調節器分別對溫度系統的控制作用。3了解PID參數自整定的方法及其參數整定在整個系統中的重要性。4分析鍋爐內膽動態水溫與靜態水溫在控制效果上有何不同之處？二、實驗設備DDD-Z05-I實驗對象及DDD-Z05-IK控制屏、DDD-Z05-III 電源控制柜一臺、SA-12掛件二個、SA-13A掛件一個、計算機一臺、萬用表一個、實驗連接線若干。三、實驗原理本實驗以鍋爐內膽作為被控對象，內膽的水溫為系統的被控制量。本實驗要求鍋爐內膽的水溫穩定至給定量，將鉑電阻TT1檢測到的鍋

54、爐內膽溫度信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調節器控制三相調壓模塊的輸出電壓（即三相電加熱管的端電壓），以達到控制鍋爐內膽水溫的目的。在鍋爐內膽水溫的定值控制系統中，其參數的整定方法與其它單回路控制系統一樣，但由于加熱過程容量時延較大，所以其控制過渡時間也較長，系統的調節器可選擇PD或PID控制。本實驗系統結構圖和方框圖如圖3-9所示。圖3-9 鍋爐內膽溫度特性測試系統(a)結構圖 (b)方框圖可以采用兩種方案對鍋爐內膽的水溫進行控制：（一） 鍋爐夾套不加冷卻水（靜態）（二） 鍋爐夾套加冷卻水（動態）顯然，兩種方案的控制效果是不一樣的，后者比前者的升溫過程稍慢，降溫過程稍快，過渡過程時間稍短。四、實驗內容與步驟本實驗選擇鍋爐內膽水溫作為被控對象，實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F2-1、F2-2、F1-12、F1-13全開，其余閥門關閉。給鍋爐內膽和夾套貯一定的水量（要求內膽至少高于液位指示玻璃管的紅線位置，注意：內膽溫度先加熱到一定程度時，再加冷卻水）。然后關閉閥F1-12，為給鍋爐夾套供冷水做好準備（本實驗采用動態加冷卻水） 1將SA-12掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內RS485通訊口上，將控制屏右側RS485通訊線通過RS485/