自动化实验仿真系统使用手册.doc

ATS-1.0 自动化基础实验仿真系统 用户使用手册北京东方仿真控制技术有限公司，版权所有，2000_2003 自动化实验仿真教学系统（ATS）是北京东方仿真控制技术有限公司在1999年推出的一种实验类仿真教学产品。该系统适用于自动化专业及与自动化专业相关的一些专业仿真实验教学，其被控装置为“三水槽微型液位实验装置”和“串联压力罐实验装置”。自动化实验仿真教学系统（ATS）同样是以现代化的计算机软硬件技术为基础，以深入了解自动化基础实验过程、设备，控制系统及其各种操作为基础，通过开发出对象的一阶和二阶过程的动态特性数学模型，然后通过计算机动态实时模拟，并产生和真实教学实验一样的操作结果。从而达到让学生在计算机上模拟真实现场操作，进行实验，并得出和实际操作过程相吻合实验结果的目的。一、 ATS软件的运行环境要求： 1. 硬件环境要求 PC486/586以上微机 硬盘可用剩余空间大于100M 内存不小于16M 打印机一台（建议安装一台网络打印机，用来打印实验趋势曲线图） 2软件环境要求 操作系统为Microsoft Windows95(中文版)或Windows98（中文版）二、ATS结构及功能简介 2.1系统结构化工自动化基础实验数学模型 系统结构示意图如下图所示。系统由PC机操作站和化工自动化基础实验数学模型两部分组成。系统包含如下七个实验项目（可扩为11个实验）： 实验一： 对象特性的实验测试 实验二： 调节器参数对调节质量的影响 实验三： 简单调节系统的投运和参数整定 实验四： 串级调节系统实验 实验五： 化工自动化基础综合实验 实验六： 比值调节系统实验 实验七： 前馈调节系统实验2.2系统功能：2.2.1实验装置模拟操作功能实验装置模拟操作功能是将现场真实实验装置、设备及流程图形化、模拟化，学生可以在实验装置上进行模拟操作，得到与真实实验操作相似的实验结果及现象。2.2.2系统复位回零功能系统复位回零功能将你目前的所有操作状态恢复到初始状态（即回零）。方便学生对某一实验反复进行实验操作、观察实验现象。 2.2.3实验在线指导功能实验在线指导功能是利用实验的在线指导书在学生操作实验需要时随时打开，指导学生进行实验操作，减少了教师的负担。并在指导书中详细介绍了该实验的实验目的、实验原理、实验内容、实验装置、实验步骤、注意事项、要求。其界面及其操作和WIN98的在线帮助相同。2.2.4实物素材展示功能 实物素材展示功能展示与本实验有关的真实现场装置、仪表、控制阀、接线柜、调节器、变送器等素材照片。学生可以通过此素材照片和仿真实验装置进行对照，加强感性认识。 2.2.5模拟DDZ-III型表的面板操作功能模拟DDZ-III型表的面板操作功能，是将DDZ-III型表模拟化，学生可以在该表面板上进行如下操作：*对调节阀手动和自动控制状态的切换；*自动状态下对调节阀参数给定值的给定；*对调节器参数的设置功能： 控制参数的设置（比例度、积分时间、微分时间的设置） 正反作用状态的选择 内外给定状态的选择2.2.6实验数据时时趋势记录功能 趋势时时记录，数据显示功能；随同实验的进行，该功能将实验中每一个参数的变化趋势做记录，并以曲线的形式表现出来。而参数在某一时刻的值，我们利用拖动一条白色直线到该时刻，那么该时刻参数的值会显示出来。 趋势曲线的前翻、后翻功能；在一个显示页上显示不全所有曲线趋势图时，利用前翻、后翻功能，可以观察到所有的曲线趋势图。 趋势曲线的放大和缩小功能；该功能可对曲线任意部分进行放大、缩小，以便学生对曲线趋势的观察。 趋势曲线的打印功能； 将所做实验参数点的各个时刻值，在坐标纸上以描点形式打印出来，最后需要你将这些点连接成一条趋势曲线。2.2.7系统报警功能 在实验中，系统可以对因不当操作所引起的参数超限提供报警显示。 实验过程中，当水位大于80mm或一号罐压力大于100KPa、二号罐压力大于80KPa、三号罐压力大于55KPa时将提供报警显示。三、 软件的安装与卸载软件的安装：1 将安装光盘放入光驱中，使用文件管理功能（资源管理器或我的电脑窗口）浏览光盘内容，找到SETUP.EXE文件后, 双击该文件进入安装界面;2 一直点击 选项，进行安装。整个安装过程，大约需要4分钟，下图是正在将主程序安装到您的计算机上。3 在上面的主程序安装完成后。就可以运行ATS系统了。 软件的卸载：1. 您可以在桌面的开始程序自动化基础实验仿真系统中点击卸载，进入如下的卸载画面。选择AUTOMATIC 选项，然后点击NEXT按钮。2进入如下开始卸载画面后，大约需要2分钟时间。3卸载到最后出现如下画面，点击FINISH按钮，完成软件的卸载。4您也可以在控制面板中的添加/删除程序里，将自动化基础实验仿真系统程序删除。四、ATS软件操作方法1 ATS软件的启动 在ATS软件按装完成后，点击“开始”按钮，将鼠标移到系统菜单“程序”下的“自动化基础实验仿真系统”，运行“ATS2000”启动ATS软件。先弹出一个系统窗口，如图3-1所示点击基础知识，进入基础知识菜单窗口，如图3-2所示图32 基础知识窗口 用鼠标点击相应的蓝色文字即可进入该部分的相关内容。点击仿真操作部分，即可进入本实验操作选择窗口。如图3-3所示。 图3-3 仿真操作选择窗口在仿真操作选择窗口内，共7个实验可选，单击实验名称，即进入选中的实验操作界面。此界面右下角有一返回按钮，点击它即可退出此菜单。退出时也会显示退出窗口，下图3-4为退出窗口。图3-4 退出窗口五、各实验的使用方法进入各实验操作画面前，先对实验整体画面及功能有了解，然后我们就可以对实验进行操作了。 实验整体介绍在菜单窗口中选中一个（以实验三为例）实验，点击“简单调节系统的投运和参数整定”文字后，即可进入实验三的操作界面。 图3-5 实验操作画面在该仿真操作界面中：上边一栏的左部分为实验的名称，右部分有7个按钮，依次为控制屏页、曲线图页、报警信息、实验指导书、设备介绍、实验装置、修改设备参数按钮，点击各按钮进入不同的画面。控制屏页用来看控制回路连线及开关的切换位置。曲线图页用来看实验参数曲线变化及参数的值，做部分数据的记录。报警信息页是用来显示当某参数超出限定值时的报警信息情况。实验指导书在线指导与实验的有关信息。其操作方法和WINDOWS98操作系统的在线帮助一样。实验设备是对本实验所用的现场实际设备素材演示。实验装置是介绍本实验所用装置简介。修改设备参数是提供给客户修改本实验所涉及到的水槽截面积及管道的流通能力的相关参数。 下边一栏的左部分为软件的开发商，右部分有2个按钮，即：实验复位、返回菜单页。实验复位的功能是将所做实验进行初始化；返回菜单页是将目前状况返回到实验菜单页，在菜单页可以换做其他实验，也可以重新做刚才的实验，退出ATS系统也必须在主菜单页中点击返回按钮。关于实验的趋势图的数据读取： 图 - 实验过程曲线趋势图 图 - 数据的读取在实验数据记录曲线图上： 我们可以通过左右拖动一条白色直线来读取任意时刻任意变化参数的值；在右栏中显示了变量名称、变量在该时刻的值，下面是变量在曲线中的颜色；按动“前翻”、“后翻”按钮观察更前时间的参数曲线； 在曲线图中按住鼠标左键圈定一区域，按动“缩小”、“放大”按钮可以对该区域进行缩小、放大处理。如图3-11。 图- 局部放大后的曲线图关于实验的报警显示 在操作画面上按报警信息按钮，进入报警信息画面。如图 图 3-12 报警信息图 点击“翻回前页”按钮，返回流程图页面。点击“确认”按钮，对该报警以确认。实验一 对象特性实验测定一、 实验目的1、掌握对象静态特性的测试方法。2、掌握对象动态特性的测试方法。3、通过实验了解对象的非线性情况。二、 实验装置微型液位实验装置。(在仿真实验中，我们将其做图形化处理，可以在上面对仪表、阀门等进行操作)三、实验内容（一） 实验原理所谓简单调节系统（单回路控制系统）是由测量元件、调节器、调节阀和被控对象等基本环节组成。单回路控制系统根据其被控变量的类型的不同可以分为温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液位控制系统等。虽然这些控制系统名称不同，但它们都包含静态特性和动态特性的特性。静态特性（稳态性能）是指在稳定状态时，系统输出与输入的关系。动态特性（动态性能）是指当系统的输入信号发生变化，或系统中出现扰动，此时输出信号的变化特性。稳态性能的好坏通常用稳态误差表示。它反映了系统的控制精度。动态性能主要反映系统响应的快速性。评价系统动态性能好坏的性能指标主要为调节时间和超调量。获取对象静态特性和动态特性一般有分析法和实验法。分析法（Analytical Method）是对系统各部分的运行机理进行分析，根据它们所依据的物理规律或其他规律写出相应的运动方程。实验法（Experimental Method）是人为的给系统施加某种测试信号记录其输出响应，并同适当的数学模型去逼近。常用的实验测试方法有阶跃干扰法和矩形脉冲干扰法。本实验是应用阶跃干扰试验来测取对象的静态特性和动态特性。阶跃干扰法测定对象的静态特性比较简单，即依次改变输入参数，记录稳态时对应的输出参数的数值，从而求得对象的静态特性。而对象动态特性的阶跃干扰法试验CSJLsy_ex1是将对象的输入参数突然作一阶跃变化，随即记录对象输出参数随时间变化的过渡过程曲线，即阶跃响应曲线。（二）实验内容1、应用阶跃干扰法测取液位对象的静态特性。2、应用阶跃干扰法测取液位对象的动态特性。四、实验步骤（一）对象静态特性的测试步骤1、点击进入试验1“对象静态特性的测试”操作画面。（先点击画面右下角的“实验复位”，首次开始实验时，系统默认为已经初始化状态。 使实验过程初始化。即恢复实验开始前状态） 2、用鼠标左键按动 按钮，弹出调节器操作面板，如右图所示选定为“手动控制”方式（系统默认为“手动控制”，并拖动其输出指针，使调节器T2的电流输出为4mA。开始时为默认4mA，可以不做拖动) 3、启动泵 P1（用鼠标点击该泵，泵变绿色，表示该泵已经开启）。并将手动阀1 全开。（开启方法为用鼠标左键按住阀门处的红色小按钮，上下拖动，阀门开度就可以在0-100%间游动）此时因调节器T2的输出为4mA，经电气转换器转换为0.02MPa气压信号加于调节阀V1的膜头上（调节阀是气关式的），此时它处于全关状态。因而管道中的流量为零，故流量变送器输出电流应为4mA。4、改变调节器T2的输出指针使其电流输出为8mA，（即用鼠标左键按住左图中的蓝色小指针，然后拖动到合适位置使输出电流为8mA）记下此时流量变送器FT1的流量输出值 及稳定后水槽1的液位值. 5、以后依次改变调节器T2的输出指针，使其电流输出依次为12mA、16mA、20mA，并记下各种情况下的流量变送器FT1的流量输出值及稳定时水槽1的液位值。（二）对象动态特性的测试步骤1、 点击进入试验“对象动态特性的测试”操作画面。点击画面右下角的“实验复位”，使实验过程初始化。2、 将切换开关K打到与调节器T1输出相通的位置。（一种方法是在控制屏页 中按动如下图实验1-3所示的手柄，进行两个调节器的切换，另一种方法是在流程图页进行切换如图实验1-4），按动 调节器T1按钮，弹出“调节器T1”操作面板，选定“手动控制方式”， 并拖动其输出指针（即兰色小指针），使调节器T1的电流输出为12mA。 图 实验1-3图 实验1-4 图 实验1-53、将切换开关K打到与调节器T2输出相通的位置。（如上图 实验1-5所示）按动 调节器T2按钮，弹出“调节器T2”操作面板，选定“手动控制方式”， 并拖动其输出指针，使调节器T2的电流输出为5mA。4、再将切换开关K打到与调节器T1输出相通的位置，这时有12mA的输出信号被电气转换器转换成0.06MPa气压信号加于调节阀V1膜头上，使调节阀V1处于半开位置。5、启动泵P1，并逐渐打开手动阀1，等待水槽液位逐渐趋于稳定（在流程图页点击曲线图页 按钮，调出曲线图，由趋势记录曲线看出该参数是否稳定）。6、待液位L1及L2稳定后，瞬间将切换开关K打到与调节器T2输出相通的位置（方法如上所述），此时T2的5mA输出被转换成（5-4）0.08/16+0.02=0.025MPa气压信号加于调节阀V1膜头上（基本全关），此时便有一阶跃干扰施加于对象上。7、此后观察液位变化的记录曲线，一直到液位达到新的稳态值为止，实验方告结束。五、实验注意事项实验前应认真检查所用实验装置和控制系统工作是否是处于初始状态。如果没在初始状态，要按下“实验复位”。实验完全做完后，点击返回菜单页按钮，然后在菜单页中左侧点击退出实验按钮,退出ATS实验系统。实验二 调节器参数对调节质量的影响一、实验目的1、 掌握调节器参数的变化对调节质量的影响。2、 了解调节通道的对象特性对调节质量的影响。3、 了解干扰位置的变化对调节质量的影响。二、实验装置微型液位实验装置。（见流程图页）三、实验内容（一）实验原理控制系统控制质量的好坏，并无绝对标准，主要需根据工艺要求而定。通常，作为理论分析，规定一些控制指标来评价控制系统质量的好坏，如果控制系统设计合理，控制器参数选择得当，使控制指标符合一定要求，就认为这个控制系统是满足工艺要求的。当被调参数确定后，影响被调参数波动的干扰因素主要是调节参数。干扰变量由干扰通道施加在对象上，起破坏作用，使被调参数偏离；调节参数由调节通道施加在对象上，使被调参数回复起校正作用。对于一个控制系统来说，干扰通道和控制通道的容量和容量数不一样，或者干扰进入系统的位置不同。控制质量也不同。本实验就是研究当通道容量数不一样和干扰进入系统位置不同时，系统控制质量如何变化。（二）实验内容1、 改变调节器参数、Ti、Td，测取相应的过渡过程曲线。2、 改变调节通道长短，测取相应的过渡过程曲线。3、 改变干扰位置，测取相应的过渡过程曲线。四、实验步骤1、 进入实验二操作画面。（进入方法见实验一）2、 熟悉操作画面上各功能操作。点击画面右下角的“实验复位”，使实验过程初始化。3、 按动 调节器T2 按钮，弹出调节器T2面板，将其设定为“手动方式”。（系统在刚开始所有仪表默认为手动方式）。启动泵P1，并逐渐打开手动阀1，直至全开（其它手动阀应关死）。（操作方法见实验一各仪表，设备的操作方法）4、 用鼠标拖动调节器T2输出指针（即前面提到的兰色小指针见实验一），使其输出为12mA，等待被调参数L2逐渐稳定下来。5、 当被调参数L2稳定不变时（在曲线画面中可以看到其稳定与否），用鼠标点击调节器T2的给定按钮，使给定值指针（黑针）与测量值指针（红针）重合，即偏差为零。按动 参数整定 按钮，弹出控制参数整定面板，设定其=100%、Ti=3000（实际为无穷大）、Td=0。将调节器T2切换到“自动方式”，然后进行以下实验。 DDZ-III仪表操作方法 控制参数的调节操作方法注：其它实验的仪表操作和参数设置和上面的一样。 在以后的实验中不再做具体说明。6、改变比例度时对过渡过程的影响将调节器T2的微分时间Td置0，积分时间Ti置最大（置3000即可），并将比例度置大于100%。利用改变给定值（改变10%）的方法给系统施加一个干扰，观察记录参数L2，获得L2的第一条过渡过程曲线。待过渡过程稳定后，由大到小改变比例度（每次减小20%）。在每次改变一个比例度时，同样利用改变给定值的方法对系统施加干扰（可正、反向施加），获得若干条过渡过程曲线，直至比例度减小到出现不良的过渡过程为止。记录每一条曲线对应的比例度值。在某一个比例度时，系统会呈见4：1的衰减振荡过渡过程，在实验过程中，注意寻求这一过渡过程曲线。并记录这一条曲线对应的比例度值。7、改变积分时间Ti时对过渡过程的影响将比例度放在比步骤6中使衰减比为4：1时较大的某一数值（约大于20%）上，把积分时间Ti置最大（3000秒），然后由大到小改变积分时间Ti。每改变一个积分时间，用上述同样的方法给系统施加一个干扰，获得若干条L2的过渡过程曲线。在实验过程中，注意寻求达到4：1衰减振荡的过渡过程曲线，并记录每一条曲线对应的Ti值。8、改变微分时间Td对过渡过程的影响把、Ti重新放在使过渡过程为n=4:1的一条曲线的数值上，然后由小到大改变微分时间Td。用同样的方法给系统施加一个干扰，获得若干条L2过渡过程曲线。在实验过程中，同样注意寻求达到4：1衰减振荡时的过渡过程，并记录出现这些过程的每一条曲线时对应的控制参数值。值得提出的是，仔细观察本实验中加入微分作用的效果。如果不明显或反而不良的现象，结合实验对象分析其原因。9、干扰位置不同时对过渡过程的影响a、将、Ti、Td放在使过程过程为n=4:1的一条曲线的数值上。待系统处于稳定状态之后，将切换开关K打到与调节器T1相通的位置。按动 调节器T1按钮，弹出调节器T1面板，将其设定为“手动方式”后，用鼠标拖动调节器T1输出指针，使其输出为4mA。b、 将开关K打到与调节器T3相通的位置。按动 调节器T3按钮，弹出调节器T3面板，将其设定为“手动方式”后，用鼠标拖动调节器T3输出指针，使其输出为12mA。然后再将切换开关K打到与调节器T1相通的位置。C、启动泵P2，并打开手动阀3和关闭手动阀4。此时因调节阀V2是气开式的,且有0.02Mpa的气压信号加于其膜头上，故V2全关。此时没有干扰流量。(1) 在做好本步骤a-c三项准备工作后，如果液位L2已经稳定下来，瞬间将切换开关K打到与调节器T3相通的位置。此时V2膜头上压力变成0.06Mpa(V2半开)，于是有一干扰流量加于槽1。在此干扰作用下，被调参数将会出现一个调节过程。(2)当调节过程结束后，将切换开关K打到与调节器T1相通的位置。这时V2又被关死，此时又将出现一个相反方向的调节过程。这时可将手动阀3关死，而将手动阀4打开。(3)当上述过渡过程结束并达到稳定后，瞬间将切换开关K又打到调节器T3相通的位置，于是便有一个相同的干扰直接加于槽2中，这样又会出现一个调节过程。10、改变调节通道长短对过渡过程的影响a、当上述调节过程结束后，将切换开关K打到与调节器T1相通的位置。将手动阀1关死，再将手动阀2全开，此时调节作用直接加于槽2。b、槽1不再有水下流且L2稳定不变时，瞬间将切换开关K到与调节器T3相通的位置，此时便有一个相同的干扰加于槽2中，于是出现一个过渡过程。说明：上面9、10项实验中所用的干扰量，可根据具体情况适当变更，以利于调节为宜。比较上面几个实验所得到的特性曲线，说明调节通道与干扰通道的不同，对调节质量影响的规律。五、实验注意事项实验前应认真检查所用实验装置和控制系统工作是否是处于初始状态。如果没在初始状态，要按下“实验复位”。实验完全做完后，点击返回菜单页按钮，然后在菜单页中左侧点击退出实验按钮,退出ATS实验系统。实验三、简单调节系统的投运和参数整定一、实验目的1、 掌握简单调节系统的投运方法；2、4：1衰减法整定调节器参数。二、实验装置微型液位实验装置。三、实验内容（一）实验原理所谓控制系统投运就是将系统从手动切换到自动工作状态。这一过程是通过控制器上的手动自动切换开关从手动位置切换到自动位置来完成的，但这种切换必须保证无扰动的进行。即手自动切换过程中，不造成系统的扰动。不破坏系统原有的平衡状态。也就是不改变原先控制阀的开度。所谓控制系统的整定，就是对于一个已经设计并安装就绪的控制系统，通过控制器参数（s、Ti、Td）的调整，使得系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。对于不同的系统，整定的目的要求可能不一样。对于单回路控制系统控制器参数整定的要求就是通过选择合适的控制器参数，使过渡过程呈现4：1衰减过程。控制器参数整定的方法很多，可分为两大类：一类是理论计算方法；另一类是工程整定方法。常用的工程整定方法有经验试凑法、临界比例度法、衰减曲线法、反应曲线法等。（二）实验内容1、 进行手动遥控操作练习；2、 练习调节器从手动到自动的无扰动切换；3、 进行自动调节器的投运；4、进行调节器参数整定。四、实验步骤1、进入实验三操作画面。点击画面右下角的“实验复位”，使实验过程初始化。2、熟悉操作画面上各功能操作。按动 调节器T2按钮，弹出调节器T2面板，将其设定为“手动方式”。启动泵P1，并逐渐打开手动阀1，直至全开。3、用鼠标拖动调节器T2输出指针（相当于电型仪表的硬手动），进行手动遥控操作练习，直至被调液位参数稳定在给定值上。4、当手动遥控操作使被调参数等于给定值并稳定不变时，反复练习做调节器从手动到自动的无扰动切换。5、练习完了以后，将调节器T2恢复到手动位置，并用鼠标拖动调节器T2的输出指针，使其输出为12mA。等待被调参数L2逐渐稳定下来。6、当被调参数L2稳定不变时，用鼠标点击调节器T2的给定按钮，使给定值指针（黑针）与测量值指针（红针）重合，即偏差为零。这时迅速将调节器T2切换到自动。完成调节器的投运。7、按动 参数整定 按钮，弹出控制参数整定面板，设定其Ti=0、Td=0。根据液位调节系统调节器的比例度大致范围是20-80%，将比例度预设在某一数值上。然后用4：1衰减法整定调节器参数。方法是：观察在该比例度下过渡过程曲线的情况，增大或减小调节器的比例度。在每改变一个比例度值时，利用改变给定值的方法给系统施加一个干扰，看被调参数L2的过渡过程曲线变化的情况，直至在某一个比例度时系统出现4：1衰减振荡，那么此时的比例度则为4：1衰减比例度s，而过渡过程振荡周期即为操作周期Ts。有了s和Ts后，根据经验公式计算出系统所要求的调节器的参数、Ti和Td值。8、根据计算求得的调节器参数值，设置到调节器上。方法是：先将比例度设置到比计算值大一些的数值上，然后把积分时间放到求得的数值上，再慢慢放上微分时间，最后把比例度减小到计算值上。观察调节过程曲线，如果不太理想，可作适当调整，获得满意的调节效果为止。（注意：若要调整Ti或Td时，应保持Td/Ti比值不变）。五、实验注意事项实验前应认真检查所用实验装置和控制系统工作是否是处于初始状态。如果没在初始状态，要按下“实验复位”。实验完全做完后，点击返回菜单页按钮，然后在菜单页中左侧点击退出实验按钮,退出ATS实验系统。实验四、串级调节系统实验一、实验目的1、 熟悉串级调节系统的结构组成，掌握串级调节系统的连接方法。2、 掌握串级调节系统的投运方法。3、 掌握运用两步法整定主、副调节器参数。4、 比较在干扰作用下串级调节与简单调节质量的不同。5、 研究选用不同的副参数构成串级调节系统时，调节质量的变化。6、研究干扰加于系统不同位置（主环和副环）时，串级调节质量的变化。二、实验装置微型液位实验装置。三、实验内容（一） 实验原理按照调节系统的结构，可以分为简单调节系统和复杂调节系统。凡是具有两个或者两个以上被调参数、变送器、调节器、调节阀组成的自动调节系统，称为复杂调节系统。目前常用的复杂调节系统主要有串级调节系统，均匀调节系统，比值调节系统，前馈反馈自动调节系统和选择性调节系统，分程控制系统。凡用两个调节器串接工作，主调节器的输出作为副调节器的给定值，由副调节器操纵阀门动作，这样的结构系统称为串级调节系统。在串级调节系统中，采用了主、副两台调节器。其中主调节器的输出作为副控制器的给定，而由副控制器的输出去控制控制阀。达到控制的目的。串级系统由于副环具有快速抗干扰功能，对于进入副环内的干扰具有很强的抑制作用。因此，同样大小的干扰作用于副环与作用于主环，对主变量的影响不一样。作用于副环的干扰，由于受到副环的抑制作用，结果对主变量的影响就比较小；而作用于主环的干扰，由于此时副环的快速抗干扰性能未能得到发挥，因此，干扰对主变量的影响就比较大。串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象的特性，使等效副对象的时间常数减小，系统的工作频率提高。同时由于串级控制系统具有主副两台控制器，使控制系统的总放大倍数增大，系统的抗干扰能力增强。因此，串级控制系统的控制质量要比单回路控制系统高。（二）实验内容1、 以液位L1为副参数，液位L2为主参数构成液面-液面串级调节系统，进行系统的投运和参数整定。2、 比较上述串级调节系统和L2为被调参数构成简单调节系统时的调节质量 。3、 比较分别以液位L1和流量F1为副参数，构成串级调节系统时调节质量的变化。研究干扰分别加于槽1和槽2时，串级调节系统调节质量的变化。四、实验步骤（一）串级调节系统的投运和参数整定1、进入实验四“液位L2（主参数）-液位L1（副参数）”操作画面。（主调节器为T2，副调节器为T1）。2、熟悉操作画面上各功能操作。点击画面右下角的“实验复位”，使实验过程初始化。3、根据被调参数的调节要求和V1是气开阀的情况，确定主、副调节器的正、反作用方向。（在开始前，系统已选定好）4、将主、副调节器均置于“手动方式”，（已设置好）并调节副调节器T1的输出电流，使其输出为12mA。5、启动泵P1，并逐渐打开手动阀V1，直至全开。此时主、副参数L2和L1开始缓缓上升，并逐渐趋于稳定。6、待主、副参数稳定不变时，按先副后主的顺序依次进行主、副调节器的投运操作（注意：事先预置P、I、D参数，并保证无扰动切换）。7、投运工作完成后，应用两步法整定调节器参数。方法是：将主调节器T2的比例度设为100%，积分时间放最大，微分时间放最小。然后按简单调节系统的方法整定好副调节器T1的参数。然后再按一般简单调节系统的整定方法整定主调节器T2的参数，使主参数呈现4：1衰减振荡的过渡过程。（主调节器T2用“比例+积分”作用，副调节器T1用“纯比例”作用）。（二）比较串级调节系统与简单调节系统的调节质量1、 保持上述实验不变，给系统施加一阶跃干扰，从而得到串级调节时的调节过程。首先，关闭手动阀4，打开手动阀3。弹出调节器T3面板，将其设定为“手动方式”，手动改变其输出为4mA。2、 启动泵P2。这时由调节器T3输出的4mA信号，经电气转换器后有0.02Mpa的气压信号加于调节阀V2膜头上，因该阀为气开式的，故这时的干扰流量为零。3、 在串级调节稳定时，通过改变调节器T3的输出显示值，瞬间将调节器T3的输出增大到12mA。于是便有一个干扰加于槽1，由趋势图可观测记录到此干扰作用下的调节过程（干扰量的大小可根据具体情况确定或变更。下同）。4、 当调节过程结束后，将调节器T3输出恢复至4mA，这时便出现一相反方向的过渡过程。在这期间，可以将手动阀3关死，而将手动阀4打开。5、 待上一过渡过程结束并达到稳定后，瞬间将调节器T3输出增大到12mA这时便有一同样大小的干扰加于槽2中，由趋势图可观测记录到此干扰作用下的调节过程。从而完成了干扰加于不同位置时，串级调节过程的实验。然后进行在干扰作用下简单调节的实验。6、按动画面右上角 实验四（2）按钮进入实验四“简单调节回路（液位L2）”操作画面。点击画面右下角的“实验复位”，使实验过程初始化。判断调节器T2的正-反作用是否改变，并使其控制参数保持不变。7、调节器T2切换到手动，改变其输出值使其输出为12mA。8、启动泵P1，并逐渐打开手动阀1，直至全开，这时液位L2开始上升。待L2稳定后，将调节器T2投入自动。按串级调节实验相同的步骤，通过改变调节器T3输出的变化，分别将干扰加于槽1和槽2中，并观测记录相应的调节过程曲线，留待分析。（三）选用不同的副参数构成串级调节系统时调节质量的变化下面以流量F1为副参数、L2为主参数的串级调节系统，当干扰分别加于槽1和槽2时，该系统的调节过程的实验。1、 按动画面右上角 实验四（3） 按钮，进入实验四“液位L2（主参数）-流量F1（副参数）”操作画面。（主调节器为T2，副调节器为T1）。点击画面右下角的“实验复位”，使实验过程初始化。2、 根据被调参数的调节要求和V1是气开阀的情况，确定主、副调节器的正、反作用方向。（已选定好）3、 将主、副调节器均置于“手动方式”，并调节副调节器T1的输出电流，使其输出为12mA。4、 启动泵P1，并逐渐打开手动阀1，直至全开，此时液位开始上升。5、 当主、副参数稳定后，按先副后主的顺序进行主、副调节器的投运工作。6、 运用两步法整定主、副调节器参数。7、 当参数整定完后，保持调节器的这一参数下进行下述实验。8、 将调节器T3设定为“手动方式”，手动改变其输出为4mA。启动泵P2，打开手动阀3，关闭手动阀1。9、 在主、副参数稳定的情况下，瞬间将调节器T3输出增大到12mA，此时便有一干扰加于槽1，观察记录在此干扰作用的调节过程。10、 当上一过程结束后，将调节器T3输出重新调回4mA，以除去干扰流量。此时有一相反方向的调节过程。同时，关闭手动阀3，打开手动阀4。11、 当这一相反的过程结束后，瞬间又将T3输出增大至12mA，此时便有一大小相同的干扰加于槽2中，观察记录下在此干扰作用下的调节过程。当过程结束后，实验到此结束。五、实验注意事项实验前应认真检查所用实验装置和控制系统工作是否是处于初始状态。如果没在初始状态，要按下“实验复位”。实验完全做完后，点击返回菜单页按钮，然后在菜单页中左侧点击退出实验按钮,退出ATS实验系统。实验五： 化工自动化基础综合实验一、实验目的掌握简单调节系统的构成、系统投运方法和步骤、调节器参数的整定及其对调节质量的影响。二、实验装置仿真压力装置见流程图页三、 实验内容（一）实验原理由系统流程图看出，本实验是三个压力贮罐串联起来，各压力罐之间用阀门连接起来的三阶对象。具有0.14MPa压力的稳定气源，由总管分两路进入本实验装置。一路由阀门7、8，调节阀V1和转子流量计FT1，进入1#罐，由1#罐经阀门R13进入2#罐，由2#罐经阀门R14进入3#贮罐，由3#罐经阀门R15排入大气。三个贮罐在稳态条件下，其工作压力分别为80、60、40KPa。罐与罐之间的气阻采用针形阀调节。另一路是作为施加干扰的信号源，它经电磁阀S、转子流量计、阀门分别从每一个贮罐底部进入。阀门9、10、11分别对应1#、2#、3#罐，可以使干扰从不同位置进入对象，干扰量的大小由转子流量计指示。（二）实验内容在流程图上，构成以2#贮罐压力P2为被调参数，调节量经1#贮罐进入，干扰量从3#贮罐进入的简单压力调节系统。(1).广义对象特性的测试；(2).系统投运和参数整定；(3).比较干扰从不同位置进入时对调节质量的影响。四、 实验步骤1、静态工作点的调整 （已做好，这里不需要再做） 1#、2#、3#贮罐的静态工作点GZD分别为80、60、40KPa。在此工况下调节阀的开度为50%。因此在实验前应进行静态工作点的调整。即改变调节器的输出，使调节阀便处于50%开度的位置，电气转换器的输出压力为0.06MPa。然后打开阀门7，8，使1#、2#、3#贮罐的压力满足各自的要求。调整完毕后，此时转子流量F1的指示即为通过工艺设备的额定流量。2、干扰量的调整（已做好，这里不需要再做）打开阀门S，打开电磁阀。如果干扰是从1#贮罐进入，则调整阀门9，如果干扰是从2#贮罐进入，则调整阀门10，如果干扰是从3#贮罐进入，则调整阀门11。观察转子流量计F2的指示，即为干扰流量。调整完毕后，再关闭电磁阀待用。3、对象特性的测试所谓“通道”就是输入信号与输出信号之间的联系。干扰通道就是干扰作用与被控变量之间的信号联系。控制通道是控制作用与被控变量之间的信号联系。在一个控制系统中，干扰作用与控制作用是相对独立而存在的，有干扰就有控制，没有干扰也就无需控制。TXGN测试对象控制通道的特性是将系统处于开环稳定情况下，加一阶跃干扰信号，观察被调参数的变化曲线，就得到包括调节阀在内的广义对象的特性。测试对象干扰通道特性是将系统处于开环状态稳定状态下，加一干扰流量于被测对象上，观察干扰流量和被调参数的曲线，就得到干扰通道对象的特性。在测试的过程中，为保证试验的准确性，应在相同的条件下，重复测试2-3次，然后取平均值。4、调节系统的投运和参数整定投运就是自动调节系统投入生产运行的简称。投运是在工艺生产过程比较稳定的情况下进行的 ，要求手动、自动切换前后不应产生新的干扰，即无扰动切换。在自动调节系统的实际使用时，调节器的参数置于何值才能满足工艺指标的要求，这是一个重要问题，反之，调节器参数配置不当，不但不起到应有的作用，反而引起发散振荡造成事故影响生产。因此，调节器参数的工程整定具有十分重要的意义。调节器参数的整定，在工程上主要有经验法，临界比例度法和反应曲线法。本实验应用临界比例度法进行参数整定。所谓临界比例度法是调节器在纯比例的情况下直接对闭环调节系统进行实验，以获得等幅振荡的过程，其调节器的比例度称为临界比例度k，过渡过程的周期称为临界周期Tk。用临界比例度法整定调节器参数的步骤如下：（1）调节系统稳定后，将调节器的积分时间Ti置于最大，比例度置于30%，然后在调节系统处于自动状态下，加入干扰，观察调节器输出和调节过程的变化情况，如调节过程是发散的应扩大比例度，直到持续振荡四次至五次等幅振荡，则此时即为临界状态。（2）由临界比例度和临界周期根据经验公式计算出实际的比例度和积分时间值。（3）在调节系统投自动后，把调节器参数然后置于调节器上.再打开电磁阀给系统加入干扰，观察过渡过程曲线，看是否得到4：1衰减振荡过程。若过渡过程不够理想，则稍加调整调节器参数，直至满意为止。五、实验注意事项实验前应认真检查所用实验装置和控制系统工作是否是处于初始状态。如果没在初始状态，要按下“实验复位”。实验完全做完后，点击返回菜单页按钮，然后在菜单页中左侧点击退出实验按钮,退出ATS实验系统。 为了加深同学们对所学知识的理解，提高实际动手能力，因此，各项实验的方法、步骤及需要记录的曲线、数据表格，均由同学们自己拟定，交指导教师审查和批准后进行实验。下面只对一些有关的问题加以说明，供同学们在制定实验方案、操作步骤和实际操作时参考。 静态工作点是工艺要求的正常额定工作状态。 对象特性的测试，是指自动调节系统处于开环状态下，对调节对象施加一阶跃信号，获得的阶跃响应曲线。 对于干扰从不同位置进入的实验，要求再做干扰分别从1#或2#贮罐底部进入时，对过渡过程的影响。实验六： 比值调节系统实验一、实验目的1、熟悉比值调节系统的结构组成，掌握比值调节系统的连接方法。2、掌握比值调节系统的投运方法。3、掌握运用两步法整定主、副调节器参数。4、比较在干扰作用下比值调节与简单调节质量的不同。5、研究选用不同的副参数构成比值调节系统时，调节质量的变化。6、研究干扰加于系统不同位置（主环和副环）时，比值调节质量的变化。二、实验装置微型液位实验装置。（见实验流程画面）三、实验内容（一）实验原理在化工、炼油及其他工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系，比例一旦失调将影响生产或造成事故。通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之为流量比值调节系统。在生产中把主要物料（或不可控物料）定为主物料，而另一物料按主物料进行配比称之为从物料。比值控制系统就是要实现从物料流量（即副流量）F2与主物料流量（即主流量）F1成一定比值关系，满足如下关系式：K=F2/F1（式中K为副流量与主流量的比值）在实际生产过程控制中，比值调节系统除了实现一定比例的混合外，还能起到在扰动量影响被控过程质量指标之前及时控制的作用。而且当最终质量指标难于测量、变送时，可以采用比值调节系统，使生产过程在最终质量达到预期指标下安全正常地进行，因为比值调节具有前馈调节的实质。本次实验首先通过流量F1与流量F2组成的单闭环、双闭环比值调节系统实验，使同学们熟悉基本的比值调节系统的结构组成、构成方法；然后可以了解以液位L2为主参数构成的串级比值（变比值）调节系统的结构组成。其次，在此实验的基础上，经受一次比值调节系统的投运方法及其主、副调节器参数整定的基本训练。（二）实验内容1、以F1为主流量、F2为副流量构成的单闭环比值调节系统，进行系统的投运和参数整定。2、以F1为主流量、F2为副流量构成的双闭环比值调节系统，进行系统的投运和参数整定。3、以液位L2为主参数，以F1为主流量、F2为副流量构成的串级比值（变比值）调节系统。四、实验步骤（一） 单闭环比值调节系统实验和参数整定1、进入“实验六（1）单闭环比值调节系统实验“操作画面。（主流量调节器为T1，副流量调节器为T2）。2、熟悉操作画面上各功能操作。点击画面右下角的“实验复位”，使实验过程初始化。3、根据被调参数的调节要求和V1、V2是气开阀的情况，确定调节器T1、T2的正、反作用方向。（已选定好）。弹出调节器T1、T2面板，将T1、T2调节器均置于“手动方式”，并调节T1、T2调节器的输出电流，使其输出约为10mA。4、启动泵P1、P2，并逐渐打开手动阀2、4直至全开。此时主、副流量F1、F2大约相同（因比值系数K初始化值为1），液位L2开始缓缓上升。5、主、副流量F1、F2稳定不变时，进行副流量调节器T2的投运操作（注意：事先预置P、I、D参数，并保证无扰动切换）。6、当投运工作完成后，按照随动调节系统的整定要求，整定副流量调节器T2的参数。方法步骤为：进行比值系数计算及现场整定；将副流量调节器T2的积分时间置于最大值（3000秒），调节比例度由大到小，找到系统处于振荡与不振荡的临界过程为止；适当增大比例度（一般为20%左右），然后慢慢减小积分时间，找到系统处于振荡与不振荡的临界过程或微振荡的过程为止。（整定过程中施加干扰的方法是通过改变主流量调节器T1的输出值来实现。）（二）双闭环比值调节系统实验和参数整定1、 进入“实验六（2）双闭环比值调节系统实验”操作画面。（主流量调 节器为T1，副流量调节器为T2）。点击画面右下角的“实验复位”，使实验过程初始化。弹出调节器T1、T2面板，将T1、T2调节器均置于“手动方式”，并调节T1、T2调节器的输出电流，使其输出约为10mA。2、 启动泵P1、P2，并逐渐打开手动阀2、4直至全开。此时主、副流量F1、F2大约相同（因比值系数K初始化值为1），液位L2开始缓缓上升。3、待主、副流量F1、F2稳定不变时，先进行副流量调节器T2的投运操作（注意：事先预置P、I、D参数，并保证无扰动切换）。4、当投运工作完成后，按照随动调节系统的整定要求，先整定副流量调节器T2的参数。方法步骤为：进行比值系数计算及现场整定；将副流量调节器T2的积分时间置于最大值（3000秒），调节比例度由大到小，找到系统处于振荡与不振荡的临界过程为止；适当增大比例度（一般为20%左右），然后慢慢减小积分时间，找到系统处于振荡与不振荡的临界过程或微振荡的过程为止。（整定过程中施加干扰的方法是通过改变主流量调节器T1的输出值来实现。）5、当副流量调节器T2参数整定完成后，可进行主流量调节器T1的参数整定。可按一般简单调节系统的整定方法整定，使主流量呈现4：1衰减振荡的过渡过程。（三）串级比值（变比值）调节系统实验1、 进入“实验六（3）串级比值调节系统实验”操作画面。主参数（液位L2）调节器为T2，副参数（比值K）调节器为T1。点击画面右下角的“实验复位”，使实验过程初始化。2、 弹出调节器T1、T3面板，将T1、T3调节器均置于“手动方式”，并调节T1、T3调节器的输出电流，使其输出约为10mA。3、 启动泵P1、P2，并逐渐打开手动阀2、4直至全开。此时主、副流量F1、F2大约相同（因调节器T1、T3的输出值大约相同），液位L2开始缓缓上升。4、 待主、副流量F1、F2稳定不变时，先进行副调节器T1的投运操作（注意：事先预置P、I、D参数，并保证无扰动切换）。5、 当副调节器T1投运工作完成后，可进行主调节器T2的投运