S7200控制实验指导书.doc

S S7 7- -2 20 00 0 控控制制实实验验指指导导书书 承德石油高等专科学校承德石油高等专科学校 2005.122005.12 目 录 目目 录录 .1 西门子西门子 PLC 简介简介.1 一、PLC 概述 .2 二、PLC 的工作原理 .2 三、PLC 模拟量扩展模块EM235 .3 四、实验程序开放的变量.3 五、组态软件使用说明.5 系统实验系统实验.7 实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验.7 实验三、锅炉内胆温度二位式控制实验.17 实验四、上水箱液位 PID 整定实验 .23 实验五、二阶中水箱液位 PID 整定实验 .29 实验六、锅炉内胆水温 PID 整定实验（动态） .32 实验七、电磁流量计流量 PID 整定实验 .38 实验八、电磁和涡轮流量计流量比值控制实验.42 实验九、上水箱中水箱液位串级控制实验.46 实验十、锅炉内胆温度与流量前馈-反馈控制实验 .49 西门子西门子 PLC 简介简介 一、一、 PLC 概述概述 可编程程序控制器（Programmable Controller）通常也称为可编程控制器。它是以 微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术而发展起来的一种通用的工业自动 控制装置；具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，本系统 采用在工业领域有着广泛应用的西门子 S7200 系列 PLC 作为主控制器，完成一套过程控 制实验系统，涵盖了可编程控制器、信号和信息处理、传感技术、工程 检测、模式识别、控制理论、自动化技术、智能控制、过程控制 、自动化仪表、计算机应用和控制、计算机控制系统等课程的教学实验与 研究。 S7-200 系列小型 PLC 可以应用于各种自动化系统。如图 1-1 所示，S7200PLC 由主机、 输入/输出接口、电源、模块扩展接口和外部设备接口、计算机编程软件等几个主要部分 组成。 图 1-1、S7200-PLC 系统组成 二、二、 PLC 的工作原理的工作原理 PLC 是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在 PLC 运行时，CPU 根据 用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期 性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结 束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对 输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。 PLC 扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。 PLC 在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子 的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随 即关闭输入端口，进入程序执行阶段。 PLC 在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的 运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程 序的执行而改变。 输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段 送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输 出设备工作。 三、三、 PLC 模拟量扩展模块模拟量扩展模块EM235 EM235 模块为 S7200PLC 的模拟量扩展模块，只要将模拟量的扩展接口线与主机扩展 口相连，即可完成 PLC 的扩展。EM235 硬件结构如图所示： 图 1-2、EM235 硬件图 四、四、 实验程序开放的变量实验程序开放的变量 表 1： 实验输入通道输出通道设定值测量值输出值 1、一阶上水箱对象 特性测试实验 00/VD100VD104 2、二阶中水箱对象 特性测试实验 10/VD200VD204 SV：VD3043、锅炉内胆温度位 式控制实验 00 DF：VD308 VD300VD312 4、上水箱液位 PID 控制实验 00VD404VD400VD408 5、二阶中水箱 PID 控制实验 10VD504VD500VD508 6、锅炉内胆温度控 制实验（动态） 00VD604VD600VD608 7、电磁流量计流量 PID 控制实验 00VD704VD700VD708 电磁：0 电磁： VD804 电磁： VD800 8、流量比值控制实 验 涡轮：1 0 比值 K：VD880 涡轮： VD850 VD808 主控：1 主控： VD954 主控： VD950 9、上、中水箱液位 串级控制实验 副控：0 0 副控： VD958 副控： VD900 VD908 温度：0 温度： VD1004 温度： VD1000 流量： VD1054 10、锅炉内胆温度 与流量前馈-反馈 控制实验流量：1 0 K：VD1080 流量： VD1050 VD1012 表 2： 主回路比例积分微分采样时间 VD2012VD2020VD2024VD2016 单回路单回路 PIDPID 调调 节节 P0I0D0 主回路副回路 比例积分微分 采样时 间 比例积分微分 采样时 间 VD2112VD2120VD2124VD2116VD2012VD2020VD2024VD2016 串级串级 调节调节 P1I1D1P0I0D0 VB0 实验选实验选 择判断择判断 SEL 五、五、 组态软件使用说明组态软件使用说明 打开 RTGK-2PLC.MCGS 组态软件，点击运行按钮，进入 PLC 组态的实验界面。 1、选择所需实验，点击即可进入。例如：进入实验四、上水箱液位 PID 参数整定控制实 验。 如上图所示：进入实验后，通过设置按钮设置给定值、比例系数、积分时间、微分 时间。其中红色的动态棒图表示设定值（SV）的大小，绿色的动态棒图表示测量（PV） 的大小，蓝色的动态棒图表示输出值（OP）的百分比大小。黑框内显示的是给定值和测 量值的动态实时曲线。 实时曲线、历史曲线、数据浏览、自动运行、通讯成功、退出本实验六个按钮分别 实现实时曲线的实时放大、实验曲线的永久记录、自动运行和手动运行的切换、通讯状 态的显示和退出实验的功能。 系统实验系统实验 实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验 一、实验目的一、实验目的 1）、熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。 2）、根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们 的参数。 二、实验设备二、实验设备 过程控制实验装置，配置：西门子 PLC、万用表、上位机软件、计算机、PC/PPI 电 缆线、实验连接线。 三、系统结构框图三、系统结构框图 单容水箱如图 1-1 所示： 图 1-1、单容水箱系统结构图 四、实验原理四、实验原理 阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器， 手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线， 然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。 图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。单 容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。 如图 1-1 所示，设水箱的进水量为 Q1，出水量为 Q2，水箱的液面高度为 h，出水阀 V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得： 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： 式中，T 为水箱的时间常数（注意：阀 V2的开度大小会影响到水箱的时间常数）， T=R2*C，K=R2为过程的放大倍数，R2为 V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。令输入流量 Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位的高度为： 当 t=T 时，则有： h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h() 即 h(t)=KR0(1-e-t/T) 当 t时，h（）=KR0，因而有 K=h（）/R0=输出稳态值/阶跃输入 上式表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图 1-2 所示。当由 实验求得图 1-2 所示的阶跃响应曲线后，该曲线 上升到稳态值的 63%所对应时间，就是水箱的时 间常数 T，该时间常数 T 也可以通过坐标原点对 响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时 间就是时间常数 T，其理论依据是： 上式表示 h（t）若以在原点时的速度 图 1-2、 阶跃响应曲线 h1( t ) h1( ) 0.63h1() 0 T h（）/T 恒速变化，即只要花 T 秒时间就可达到稳态值 h（）。 五、实验内容和步骤五、实验内容和步骤 1 1、设备的连接和检查、设备的连接和检查 1）、关闭阀 26，将储水箱灌满水（至最高高度）。 2）、打开阀 1、阀 2、阀 3、阀 9、阀 22、阀 23，关闭动力支路上通往其它对象的切 换阀。 3）、打开上水箱的出水阀 21 至适当开度。 4）、检查电源开关是否关闭。 2 2、系统连线、系统连线 接线方法如图 1-3 所示： 图 1-3、 实验接线图 1）、将 I/O 信号接口面板上的上水箱液位的钮子开关打到 OFF 位置。 2）、将上水箱液位+（正极）接到 S7200PLC 的 A/I0的正极，上水箱液位-（负端）接 到 S7200PLC 的 A/I0的负极。 3）、将 S7200PLC 的 A/O0输出端的正极接至电动调节阀 420mA 输入端的+（即正极）, 将 S7200PLC 的 A/O0输出端的负极接至电动调节阀 420mA 输入端的-（即负极）。 4）、单相电源的空气开关打在关的位置 3 3、启动实验装置、启动实验装置 1）、将实验装置电源插头接到 380V 三相电源上。 2）、打开漏电保护及单相电源空气开关。 3）、打开电源总开关，按下启动按钮即可开启电源。 4 4、实验步骤、实验步骤 1）、打开单相泵、电动调节阀、S7200PLC、24VDC 的电源开关。 2）、启动计算机 MCGS 组态软件，进入实验系统相应的实验如图 1-4 所示： 图 1-4、实验软件界面 3）、双击设定输出按钮，进行设定输出值的大小，这个值根据阀门开度的大小来给定， 一般初次设定值测量值，且当 e=VS-VPdF 时，调节器的继电器线圈接通，常开触点变成常闭，电加热管接通 380V 电 源而加热。随着水温 T 的升高，Vp 也不断增大，e 相应变小。若 T 高于给定值，即 VsVp，e=Vg-Vi=负值，若 e-dF 时，则两位调节器的继电器线圈断开，常闭触点变成 常开，切断电加热管的供电。由于这种控制方式具有冲击性，易损坏元器件，只是在对 控制质量要求不高的系统才使用。 图 3-2、位式控制系统的方块图 如图 3-2 位式控制系统的方框图所示，温度给定值在智能仪表上通过设定获得。被 控对象为锅炉内胆中的三相电热管，被控制量为内胆水温。它由铂电阻 PT100 测定，输 入到智能调节仪上。根据给定值加上 dF 与测量的温度相比较向继电器线圈发出控制信号， 从而达到控制水箱温度的目的。 由过程控制原理可知，双位控制系统的输出是一个断续控制作用下的等幅振荡过程， 如图 3-3 所示。因此不能用连续控制作用下的衰减振荡过程的温度品质指标来衡量，而 用振幅和周期作为品质指标。一般要求振幅小，周期长，然而对同一双位控制系统来说， 若要振幅小，则周期必然短；若要周期长，则振幅必然大。因此通过合理选择中间区以 使振幅在限定范围内，而又尽可能获得较长的周期。 图 3-3、 两位式控系统的过程曲线 四、实验内容与步骤四、实验内容与步骤 1 1、设备的连接和检查、设备的连接和检查 1）、关闭阀 26，将储水箱灌满水（至最高高度）。 2）、打开手动阀 12、阀 14、阀 20、阀 25，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀。 3）、打开锅炉内胆的出水阀 24 至适当开度。 4）、检查电源开关是否关闭 2 2、系统连线、系统连线 ) . 0 接线方法如图 3-4 所示： 图 3-4、系统连线图 1）、将 I/O 信号接口面板上的锅炉水温的钮子开关打到 OFF 位置。 2）、将锅炉水温+（正极）接到 S7200PLC 的 A/I0的正极，锅炉水温-（负端）接到 S7200PLC 的 A/I0的负极。 3）、将 S7200PLC 的 A/O0输出端的正极接至单相 SCR 可调压装置的 420mA 输入端的+ 端（即正极），将 S7200PLC 的 A/O0输出端的负极接至单相 SCR 可调压装置的 420mA 输 入端的-（即负极）。 4）、单相、三相电源的空气开关打在关的位置 3 3、启动实验装置、启动实验装置 1）、将实验装置电源插头接到 380V 三相电源上。 2）、打开漏电保护及单相、三相电源空气开关。 3）、打开电源总开关，按下启动按钮即可开启电源。 4 4、实验步骤、实验步骤 1）、打开变频器电源开关，向锅炉内胆加水至适当高度。 2）、调节变频器频率，打开 S7200PLC、电加热管、24VDC 电源开关。 3）、在软件里调节好各项参数以及设定值和回差 dF 的值。 4）、在老师的指导下，启动计算机，进入 MCGS 组态环境运行软件，进入相应的实验。 如图 3-5 所示： 图 3-5、实验软件界面 5）、系统运行后， 组态软件自动记录控制过程曲线。待稳定振荡 23 个周期后，观 察位式控制过程曲线的振荡周期和振幅大小，记录实验曲线。 实验数据记录如下： S（秒） T（） 6）、适量改变给定值的大小，重复实验步骤 4）。 7）、把动力水路切换到锅炉夹套，启动实验装置的供水系统，给锅炉的外套加流动冷 却水，重复上述的实验步骤。 五、注意事项五、注意事项 1）、实验前，锅炉内胆的水位必须高于热电阻的测温点。 2）、给定值必须要大于常温。 3）、实验线路全部接好后，必须经指导老师检查认可后，方可接通电源开始实验。 4）、在老师指导下将计算机接入系统，利用计算机显示屏作记录仪使用，并保存每 次实验记录的数据和曲线。 六、实验报告六、实验报告 1）、画出不同 dF 时的系统被控制量的过渡过程曲线，记录相应的振荡周期和振荡 幅度大小。 2）、画出加冷却水时，被控量的过程曲线，并比较振荡周期和振荡幅度大小。 3）、综合分析位式控制特点。 七、思考题七、思考题 1）、为什么缩小 dF 值，能改善双位控制系统的性能？ 2）、为什么实际的双位控制特性与理想的双位控制特性有着明显的差异？ 实验四、上水箱液位实验四、上水箱液位 PIDPID 整定实验整定实验 一、一、 实验目的实验目的 1）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。 2）、分析分别用 P、PI 和 PID 调节时的过程图形曲线。 3）、定性地研究 P、PI 和 PID 调节器的参数对系统性能的影响。 二、二、 实验设备实验设备 过程控制实验装置，配置：西门子 PLC、万用表、上位机软件、计算机、PC/PPI 电 缆线、实验连接线。 三、实验原理三、实验原理 图 4-1 为单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上 用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制 一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上 水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制， 采用工业 PLC 控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路 系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控 制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量 变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数 是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重 要的工作。 一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度 的大小不仅会影 响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积 分的作用，不仅能实现系统无余差，而且 只要参数 ，Ti 调节 合理，也能使系统具有良好的动态性能。 比例积分微分 S7200PLC电动调节阀上水箱 液位变送器 + 给定 液位 图 4-1、实验原理图 扰动 （PID）调节器是在 PI 调节器的基础上再引入微分 D 的作用，从而使系统既无余差存在， 又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，P、PI、PID 调节 系统的阶跃响应分别如图 4-2 中的曲线、所示。 图 4-2、P、PI 和 PID 调节的阶跃响应曲线 四、实验内容和步骤四、实验内容和步骤 1 1、设备的连接和检查、设备的连接和检查 1）、关闭阀 26，将储水箱灌满水（至最高高度）。 2）、打开手动阀 1、阀 2、阀 3、阀 22、阀 23，关闭动力支路上通往其他对象的切换 阀。 3）、打开上水箱的出水阀 21 至适当开度。 4）、检查电源开关是否关闭。 2 2、系统连线、系统连线 接线方法如图 4-3 所示： 1）、将 I/O 信号接口面板上的上水箱液位的钮子开关打到 OFF 位置。 2）、将上水箱液位+（正极）接到 S7200PLC 的 A/I0的正极，上水箱液位-（负端）接 到 S7200PLC 的 A/I0的负极。 3）、将 S7200PLC 的 A/O0输出端的正极接至电动调节阀 420mA 输入端的+端（即正极） ，将 S7200PLC 的 A/O0输出端的负极接至电动调节阀 420mA 输入端的-（即负极）。 4）、单相电源的空气开关打在关的位置。 图 4-3、上水箱液位 PID 参数整定控制接线图 3 3、启动实验装置、启动实验装置 1）、将实验装置电源插头接到 380V 三相电源上。 2）、打开漏电保护及单相电源空气开关。 3）、打开电源总开关，按下启动按钮即可开启电源。 4 4、实验步骤、实验步骤 1）、打开单相泵、电动调节阀、S7200PLC、24VDC 电源开关。 2）、启动计算机 MCGS 组态软件，进入实验系统相应的实验如图 4-4 所示。 （一）、比例（P）调节 1）、打开单相泵电源开关，开始实验。 2）、设定给定值，调整 P 参数。 3）、待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改 变设定值实现）。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差 大小。 4）、减小 P 重复步骤 3，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 图 4-4、实验软件界面 5）、增大 P 重复步骤 3，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 6）、选择合适的 P，可以得到较满意的过渡过程曲线。改变设定值（如设定值由 50变为 60），同样可以得到一条过渡过程曲线。 7）、注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。 （二）、比例积分调节器（PI）控制 1）、在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置 I 参数不为 0，观 察被控制量是否能回到设定值，以验证 PI 控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。 2）、固定比例 P 值（中等大小），改变 PI 调节器的积分时间常数值 Ti，然后观察 加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同 Ti 值时的超调量 p。 表一、不同 Ti 时的超调量 p 积分时间常数 Ti大中小 超调量 p 3）、固定 I 于某一中间值，然后改变 P 的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波 形，据此列表记录不同值 Ti 下的超调量 p。 表二、不同 值下的 p 比例 P大中小 超调量 p 4）、选择合适的 P 和 Ti 值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过 渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值（如设定值由 50%变为 60%）来获得。 （三）、比例积分微分调节（PID）控制 1）、在 PI 调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把软件界面上设 置 D 参数，然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲 线，并与实验（二）PI 控制下的曲线相比较，由此可看到微分 D 对系统性能的影响。 2）、选择合适的 P、Ti 和 Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶 跃输入可由给定值从 50%突变至 60%来实现）。 3）、在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录。 （四）、用临界比例度法整定调节器的参数 在实现应用中，PID 调节器的参数常用下述实验的方法来确定。用临界比例度法去整 定 PID 调节器的参数是既方便又实用的。它的具体做法是： 1）、待系统稳定后，逐步减小调节器的比例度 （即 1/P），并且每当减小一次比 例度 ，待被调量回复到平衡状态后，再手动给系统施加一个 5%15%的阶跃扰动，观察 被调量变化的动态过程。若被调量为衰减的振荡曲线，则应继续减小比例度 ，直到输 出响应曲线呈现等幅振荡为止。如果响应曲线出现发散振荡，则表示比例度调节得过小， 应适当增大，使之出现等幅振荡。图 4-5 为它的实验方块图。 比比例例度度被被控控过过程程执执行行元元件件 检检测测元元件件 给定量 调节器 R(t) C(t) e 输出量 图 4-5、具有比例调节器的闭环系统 2）、在图 4-6 系统中，当被调量作等幅荡 时，此时的比例度 就是临界比例度，用 k表 示之，相应的振荡周期就是临界周期 Tk。据此， 按下表可确定 PID 调节器的三个参数 、Ti 和 Td。 图 4-6、具有周期 TK的等幅振荡 表三 、用临界比例度 k 整定 PID 调节器的参数 调节器参数 kTi(S)Td(S) 调节器名称 P2k PI2.2kTk/1.2 PID1.6k0.5Tk0.125Tk 3）、必须指出，表格中给出的参数值是对调节器参数的一个初略设计，因为它是根 据大量实验而得出的结论。若要取得更满意的动态过程（如：在阶跃作用下，被调参量 作 4：1 地衰减振荡），则要在表格给出参数的基础上，对 、Ti（或 Td）作适当调整。 五、五、实验报告要求实验报告要求 1）、画出单容水箱液位控制系统的方块图。 2）、用接好线路的单回路系统进行投运练习，并叙述无扰动切换的方法。 3）、用临界比例度法整定调节器的参数，写出三种调节器的余差和超调量。 4）、作出 P 调节器控制时，不同 值下的阶跃响应曲线。 5）、作出 PI 调节器控制时，不同 和 Ti 值时的阶跃响应曲线。 6）、画出 PID 控制时的阶跃响应曲线，并分析微分 D 的作用。 7）、比较 P、PI 和 PID 三种调节器对系统无差度和动态性能的影响。 六、注意事项六、注意事项 实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。 七、思考题七、思考题 1）、实验系统在运行前应做好哪能些准备工作？ 2）、为什么要强调无扰动切换？ 3）、试定性地分析三种调节器的参数 、（、Ti）和（、Ti 和 Td）。的变化 对控制过程各产生什么影响？ 4）、如何实现减小或消除余差？纯比例控制能否消除余差？ 实验五、二阶中水箱液位实验五、二阶中水箱液位 PIDPID 整定实验整定实验 一、实验目的一、实验目的 1、熟悉单回路双容液位控制系统的组成和工作原理。 2、研究系统分别用 P、PI 和 PID 调节器时的控制性能。 3、定性地分析 P、PI 和 PID 调节器的参数对系统性能的影响。 二、实验设备二、实验设备 过程控制实验装置，配置：万用表、S7200PLC、MCGS 软件、计算机、PC/PPI 电缆线、 实验连接线。 三、实验内容与步骤三、实验内容与步骤 1 1、设备的连接和检查、设备的连接和检查 1）、将储水箱灌满水（至最高高度）。 2）、打开以丹麦泵、电动调节阀组成的动力支路至上水箱的出水阀 1、阀 4、阀 9、 阀 21、阀 23，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。 3）、中水箱的出水阀 22 至适当开度。 4）、查电源开关是否关闭。 2 2、系统连线、系统连线 接线方法如图 5-1 所示： 1)、 PLC 电源开关打在关的位置。 2)、 将 I/O 信号接口板上的中水箱液位的钮子开关打到 15V 位置。 3)、将中水箱液位+接到 PLC 的 AI1 通道的端，下水箱液位（负端）接到 PLC 的 AI1 通道的端。 4)、 将 PLC 的 AO0 通道的端接至电动调节阀的 420mA 输入端的+端（即正 极），将 PLC 的 AO0 通道的端接至电动调节阀的 420mA 输入端的（即负极）。 3 3、启动实验装置、启动实验装置 1)、 将实验装置电源插头接到 220V 的单相交流电源。 2)、 打开电源带漏电保护空气开关。 3)、打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。 4)、开启 PLC 电源开关，启动 PLC。 图 5-1、实验接线图 4 4、实验步骤、实验步骤 1）、开启相关仪器和计算机软件，进入相应的实验，如图 5-2 所示。 2）、在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被调量调到给定值（一般把液面高 度控制在水箱高度的 50%处）。 3）、计算机显示屏的曲线，待被调量基本稳定于给定值后，即可将调节器由“手动” 位置切换到到“自动”状态，使系统变为闭环控制运行。 4）、系统的输出趋于平衡不变后，加入阶跃扰动信号（一般可通过改变设定值的大小 来实现）。 图 5-2、 软件界面图 四、实验报告要求四、实验报告要求 1）、画出双容水箱液位控制实验系统的结构图。 2）、按图 5-1 接好实验线路，经老师检查无误后投入运行。 3）、画出 PID 控制时的阶跃响应曲线，并分析微分 D 对系统性能的影响。 五、注意事项五、注意事项 1）、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。 2）、水泵启动前，出水阀门应关闭，待水泵启动后，再逐渐开启出水阀，直至适当开 度。 3）、在老师的指导下，开启计算机系统。 六、思考题六、思考题 1）、实验系统在运行前应做好哪些准备工作？ 2）、为什么双容液位控制系统比单容液位控制系统难于稳定？ 3）、试用控制原理的相关理论分析 PID 调节器的微分作用为什么不能太大？ 4）、为什么微分作用的引入必须缓慢进行？这时的比例系数 K 是否要改变？为什么？ 5）、调节器参数（K、Ti 和 Td）的改变对整个控制过程有什么影响？ 实验六、锅炉内胆水温实验六、锅炉内胆水温 PIDPID 整定整定实验（动态）实验（动态） 一、实验目的一、实验目的 1）、了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。 2）、研究 P、PI、PD 和 PID 四种调节器分别对温度系统的控制作用。 3）、改变 P、PI、PD 和 PID 的相关参数，观察它们对系统性能的影响。 4）、了解 PID 参数自整定的方法及参数整定在整个系统中的重要性。 二、实验设备二、实验设备 过程控制实验装置，配置：西门子 PLC、万用表、上位机软件、计算机、PC/PPI 电 缆线、实验连接线。 三、 实验原理实验原理 S S7 72 20 00 0P PL LC C电电加加热热管管 温温度度传传感感器器 给给定定值值 温温度度 + + - - T T e e 图 6-1、温度控制系统原理图 本系统所要保持的恒定参数是锅炉内胆温度给定值，即控制的任务是控制锅炉内胆 温度等于给定值。根据控制框图，采用 PID 调节。 四、实验内容与步骤四、实验内容与步骤 1 1、设备的连接和检查、设备的连接和检查 1）、关闭阀 26，将储水箱灌满水（至最高高度）。 2）、打开手动阀 20、阀 12、阀 14、阀 25，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀。 3）、打开锅炉内胆的出水阀 24 至适当开度。 4）、检查电源开关是否关闭。 2 2、系统连线、系统连线 接线方法如图 6-2 所示： 图 6-2 实验接线图 1）、将 I/O 信号接口面板上的锅炉水温的钮子开关打到 OFF 位置。 2）、将锅炉水温+（正极）接到 S7200PLC 的 A/I0的正极，锅炉水温-（负端）接到 S7200PLC 的 A/I0的负极。 3）、将 S7200PLC 的 A/O0输出端的正极接至单相 SCR 可调压装置的 420mA 输入端的+ 端（即正极），将 S7200PLC 的 A/O0输出端的负极接至单相 SCR 可调压装置的 420mA 输 入端的-（即负极）。 4）、单相、三相电源的空气开关打在关的位置。 4 4、启动实验装置、启动实验装置 1）、将实验装置电源插头接到 380V 三相电源上。 2）、打开漏电保护及单相、三相电源空气开关。 3）、打开电源总开关，按下启动按钮即可开启电源。 5 5、实验步骤、实验步骤 1）、打开变频器电源开关，向锅炉内胆加水至适当高度。 2）、调节变频器频率，打开 S7200PLC、电加热管、24VDC 电源开关。 3）、在老师的指导下，启动计算机，进入 MCGS 组态环境运行软件，进入相应的实验。 如图 6-3 所示： 图 6-3、实验软件界面 （一）、比例调节器（P）控制 1)、运行 MCGS 组态软件，进入相应的实验，把 PLC 置于“手动”，输出值为小于等 于 50，把温度设定于某给定值（如：将水温控制在 40。C），设置各项参数，使调节器工 作在比例（P）调节器状态，此时系统处于开环状态。 2）、观察实时或历史曲线，待水温（由 PLC 的温度显示器指示）基本稳定于给定值 后，将调节器的开关由“手动控制”点击至“自动运行”状态，使系统变为闭环控制运 行。待基本不再变化时，加入阶跃扰动（可通过改变设定值来实现）。观察并记录在当 前比例 P 时的余差和超调量。每当改变值 P 后，再加同样大小的阶跃信号，比较不同 P 时的 ess 和 p，并把数据填入表一中。 表一、不同比例度 时的余差和超调量 P 大 中 小 ess p 3）、记录实验过程各项数据绘成过渡过程曲线。（数据可在软件上获得） （二）、比例积分（PI）调节器控制 1）、在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，加入积分（“I”）作用， 观察被控制量能否回到原设定值的位置，以验证系统在 PI 调节器控制下没有余差。 2）、固定比例 P 值（中等大小），然后改变积分时间常数 I 值，观察加入扰动后被 调量的动态曲线，并记录不同 I 值时的超调量 p。 表二、不同 Ti 值时的超调量 p P 大中小 超调量 p 3）、固定 I 于某一中间值，然后改变比例 P 的大小，观察加扰动后被调量的动态曲 线，并记下相应的超调量 p。 表三、不同 值时的超调量 p 比例 P大中小 超调量 p 4）、选择合适的 P 和 I 值，使系统瞬态响应曲线为一条令人满意的曲线。此曲线可 通过改变设定值(如把设定值由 50%增加到 60%)来实现。 （三）、比例微分调节器（PD）控制 1）、在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，引入微分作用“D”。固 定比例 P 值（中间值），改变微分时间常数 D 的大小，观察系统在阶跃输入作用下相应 的动态响应曲线。 表四、不同 D 时的超调量和余差 D 大中小 ess p 2）、选择合适的 P 和 D 值 ，使系统的瞬态响应为一条令人满意的动态曲线。 （四）、比例积分微分（PID）调节器控制 1）、在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，引入积分（“I”）作用， 使被调量回复到原设定值。减小 P，并同时增大 I，观察加扰动信号后的被调量的动态曲 线，验证在 PI 调节器作用下，系统的余差为零。 2）、在 PI 控制的基础上加上适量的微分作用“D”，然后再对系统加扰动（扰动幅 值与前面的实验相同），比较所得的动态曲线与用 PI 控制时的不同处。 3）、选择合适的 P、I 和 D ，以获得一条较满意的动态曲线。 （五）、用临界比例度法整定 PID 调节器的参数 在实际应用中，PID 调节器的参数常用下述实验的方法来确定，这种方法既简单又较 实用，它的具体做法是： 比比例例度度被被控控过过程程执执行行元元件件 检检测测元元件件 给定量 调节器 R(t) C(t) e 输出量 图 6-4、具有比例调节器的闭环系统 1)、按图 6-2 所示接好实验系统，逐步减小调节器的比例度 （1/P），直到系统的 被调量出现等到幅振荡为止。如果响应曲线发散，则表示比例度 调得过小，应适当增 大之，使曲线出现等幅振荡为止。 2）、图 6-5 为被调量作等幅振荡 时的曲线。此时对应的比例度 就是 临界比例度，用 K表示；相应的振荡 周期就是临界振荡周期 TK。据此按下表 确定 PID 调节器的参数。 6-5、具有周期 TK 等幅振荡 表五、用临界比例度法整定调节器的参数 调节器参数 调节器名称 Ti(S)Td (S) P2K PI2.2KTK/1.2 PID1.6K0.5TK0.125TK 3）、必须指出，表格中给出的参数仅是对调节器参数的一个初步整定。使用上述参 数的调节器很可能使系统在阶跃信号作用下，达不到 4：1 的衰减振荡。因此若获得理想 的动态过程，应在此基础上，对表中给出的参数稍作调整，并记下此时的 、Ti 和 Td。 五、实验报告要求五、实验报告要求 1）、画出温度控制系统的方块图。 2）、用临界比例度法整定三种调节器的参数，并分别作出系统在这三种调节器控制下 的阶跃响应曲线。 3）、作出比例调节器控制时，不同 值时的阶跃响应曲线？得到结论是什么？ 4）、分析 PI 调节器控制时，不同 P 和 I 值对系统性能的影响？ 5）、绘制用 PD 调节器控制时系统的动态波形。 6）、绘制用 PID 调节器控制时系统的动态波形。 7）、绘制用 PID 自整定控制时系统的动态波形。 六、注意事项六、注意事项 1）、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。 2）、系统连接好以后，在老师的指导下，运行温度控制实验。 七、思考题七、思考题 1）、在阶跃扰动作用下，用 PD 调节器控制时，系统有没有余差存在？为什么？ 2）、在温度控制系统中，为什么用 PD 和 PID 控制，系统的性能并不比用 PI 控制有明 显地改善？ 3）、为什么要整定 P、I、D 参数？ 4）、连续温控与断续温控有何区别？为什么？ 实验七、电磁流量计流量实验七、电磁流量计流量 PIDPID 整定整定实验实验 一、实验目的一、实验目的 1）、了解涡轮流量计的结构及其使用方法。 2）、熟悉单回路流量控制系统的组成。 二、实验设备二、实验设备 过程控制实验装置，配置：西门子 PLC、万用表、上位机软件、计算机、PC/PPI 电 缆线、实验连接线。 三、实验原理三、实验原理 图 7-1、流量控制系统框图 四、实验内容与步骤四、实验内容与步骤 1 1、设备的连接和检查、设备的连接和检查 1）、关闭阀 26，将储水箱灌满水（至最高高度）。 2）、打开手动阀 10、阀 20、阀 21、阀 22、阀 23，关闭动力支路上通往其他对象的切 换阀。 3）、检查电源开关是否关闭 2 2、系统连线、系统连线 1）、先将电磁流量计的+（正极）接到 S7200PLC 的 A/I0（正极），将电磁流量计的- （负极）接到 S7200PLC 的 A/I0（负极）。 2）、最后将 S7200PLC 的 A/O0输出端的正极接至变频器 420mA 输入端的+端（即正极） ，将 S7200PLC 的 A/O0输出端的负极接至变频器 420mA 输入端的-（即负极），变频器的 公共端、正转、切换短接。 3）、单相电源的空气开关打在关的位置 3 3、启动实验装置、启动实验装置 1）、将实验装置电源插头接到 380V 三相电源上。 2）、打开漏电保护及单相电源空气开关。 3）、打开电源总开关，按下启动按钮即可开启电源。 4 4、实验步骤、实验步骤 1）、开启变频器、S7200PLC、电磁流量计、24VDC 的电源开关。 2）、在老师的指导下，启动计算机，进入 MCGS 组态环境运行软件，进入相应的实验。 如图 7-2 所示： 图 7-2、实验软件界面 （一）、比例调节器（P）控制 1）、启动工艺流程并开启相关仪器，在开环状态下，利用调节器的手动操作按钮把 被调量管道的流量调到给定值（一般把流量控制在流量量程的 50%处）。 2）、观察计算机显示屏上实时的响应曲线，待流量基本稳定于给定值后，即可将 “手动控制”状态切换到“自动运行”状态，使系统变为闭环控制运行。待系统的流量 趋于平衡不变后，加入阶跃信号（一般可通过改变设定值的大小来实现）。经过一段时 间运行后，系统进入新的平稳状态。由记录曲线观察并记录在不同的比例 P 下系统的余 差和超调量。 表一、不同值时的余差和超调量 P 大中小 ess p 3）、记录软件中的实时曲线的过程数据作出一条完整的过渡过程曲线，记录表格自 拟。 （二）、比例积分调节器（PI）控制 1）、在比例调节控制实验的基础上，加上积分作用“I”，即把“I”（积分）设置 为一参数，根据不同的情况，设置不同的大小。观察被控制量能否回到原设定值的位置， 以验证系统在 PI 调节器控制下，系统的阶跃扰动无余差产生。 2）、固定比例 P 值（中等大小），然后改变调节器的积分时间常数 I 值，观察加入 阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同 I 值时的超调量 p。 表二、不同 Ti 值时的超调量 p 积分时间常数 I大中小 超调量 p 3）、固定 I 于某一中等大小的值，然后改变比例 P 的大小，观察加阶跃扰动后被调 量的动态波形，并列表记录不同值的超调量。 表三、不同 P 值下的超调量 p 比例 P大中小 超调量 p 4）、选择合适的 P 和 I 值，使系统对阶跃输入（包括阶跃扰动）的输出响应为一条 较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值(如把设定值由 50%变为 60%)来获得。 （三）、用临界比例度法整定调节器的参数 在实际应用中，PID 调节器的参数常用下述实验的方法来确定，具体的做法是： 1）、待系统稳定后，逐步减小调节器的比例度 ，并且每当减小一次比例度，待被 调量回复到平衡状态后，再手动给系统施加一个 5%15%的阶跃扰动，然后观察被调量变 化的动态过程。若被调量为衰减的振荡曲线，则应继续减小比例度 ，直到输出响应曲 线呈等幅振荡为止，如果响应曲线出现发散，则表示比例度调得过小，应适当增大，使 被调量变为等幅振荡。如图 7-3 所示。 图 7-3、具有周期 TK 的等幅振荡 2）、使系统作等幅振荡的比例度 称为临界比例度，用 k 表示之，相应的振荡 周期就是临界振荡周期 Tk。按下表可确定 PID 调节器的三个参数 、Ti 和 Td。 表四、用临界比例度 k 整定 PID 调节器的参数 调节器参数 调节器名称 Ti(S)Td(S) P2k PI2.2kTk/1.2 PID1.6k0.5Tk0.125Tk 3）、必须指出，表中给出的参数仅是对调节器参数的一个初步调整，系统的性能仍 有可能不够理想。对此，应在这个基础上，对参数作进一步调整。 五、实验报告五、实验报告 1）、画出流量控制系统的实验线路图。 2）、用临界比例度法整定 P、PI 调节器的参数，并分别列出系统在这两种调节器控制 下的余差和超调量。 3）、作出 P 调节器控制时，不同 值下的阶跃响应曲线。 4）、作出 PI 调节器控制时，不同 和 Ti 值时的阶跃响应曲线。 六、注意事项六、注意事项 1）、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。 2）、在老师的指导下进行实验。 七、思