CS2000型无纸记录仪实验指导书

C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 87651187 1 CS2000 高级过程控制实验装置高级过程控制实验装置 C3000 仪表控制实验指导书仪表控制实验指导书 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 2 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 3 目目 录录 第一部分 性能指标 3 1 1 简介 3 1 2 详细说明 3 1 3 输入信号 4 1 4 输出信号 5 1 5 其他参数 5 第二部分 实验 6 实验一 一阶单容水箱液位特性测试实验 7 实验二 二阶双容水箱液位特性测试实验 11 实验三 加热锅炉内胆温度特性测试实验 15 实验四 纯滞后对象特性测试实验 18 实验五 一阶单容水箱液位 PID 控制实验 21 实验六 二阶双容水箱液位 PID 控制实验 25 实验七 加热锅炉内胆水温 PID 控制实验 28 实验八 单回路 电磁 流量 PID 控制实验 31 实验九 双容水箱液位串级控制实验 33 实验十 流量单闭环比值控制实验 36 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 4 第一部分第一部分 性能指标性能指标 1 11 1 简介简介 C3000 过程控制器采用高亮度 宽视角的 5 6 英寸 TFT 液晶显示屏 在实时数显画面 中 根据组态的不同 最多能同时显示 6 路不同的数据 实时棒图和数显画面中 每一路 输入信号都有单独的实时报警提示 C3000 过程控制器具有 320 234 点阵 256 色显示 采 用 32M NAND Flash 作为历史数据的存储介质 还可通过 CF 卡将组态设置和历史数据保存 在计算机或其他设备中 将所需要的数据永久保存 1 21 2 详细说明详细说明 C3000 过程控制器 显 示5 6 英寸 TFT 液晶显示屏 外型尺寸 开孔尺寸 安装面板厚度 144mm 144mm 240mm 138mm 138 mm 1 5mm 8 0mm 重 量约 2 52kg 供 电 交流电源 47 63 Hz 86 264 V 直流电源 20 30 VDC 内部存储 外部转存 32M NAND Flash CF 卡 最大功耗30VA AC 30W DC 隔 离 500VAC 通道和地 250VAC 通道和通道 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 5 相对湿度10 85 无结露 工作温度 0 50 运输和存储温度 20 60 若无特殊指明 所有指标适用于 18 到 28 的温度范围 所有指标假定 5 分钟的暖机时间 温度系数从 10 到 18 及 28 到 55 为 0 005 1 31 3 输入信号输入信号 模拟量输入 类型量程范围相对精度 环境温度影响 10 1 1 V 1 1 V 0 2 0 1 10 10 V 10 10 V 0 05 0 05 100 100 mV 100 100 mV 0 05 0 05 直流电压 20 20 mV 20 20 mV 0 05 0 05 直流电流 0 20 mA 0 20 mA 0 05 0 05 热电阻量程范围 相对精度 不含冷端误差 环境温度影响 10 Pt100 200 800 0 5 0 05 JPt100 100 400 0 5 0 05 Cu50 50 140 1 0 0 05 热电偶量程范围 相对精度 不含冷端误差 环境温度影响 10 B600 800 2 4 0 1 E 200 1000 2 4 0 1 J 200 1200 2 4 0 1 200 100 3 3 K 100 1300 2 0 0 1 50 100 3 7 100 300 2 0 S 300 1600 1 5 0 1 200 100 1 9 T 100 380 1 6 0 1 N 200 1300 3 0 0 1 50 100 3 7 100 300 2 0 R 300 1600 1 5 0 1 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 6 WRe5 260 2300 4 6 0 1 WRe3 250 2300 4 6 0 1 开关量输入 开关量幅值低电平高电平相应周期 DI 输入5V 10V4 5V 10V同采样输入 频率输入 低电平小于 1V 高电平大于 4 5V 小于 10V 频率幅值响应周期量程范围相对精度 FI 输入0V 5V1s 10 10000 Hz 0 1 1 41 4 输出信号输出信号 模拟量输出 类型量程范围相对精度 环境温度影响 10 AO 输出 0 20 mA 0 2 0 1 继电器输出 继电器送出通断信号 为常开触点 响应周期同采样周期 PWM 脉冲宽度输出 输出的分辩率是 1 32 秒 31 5 毫秒 最短输出周期 1 秒 最长输出周期 999 秒 输 出精度与输出周期有关 1 51 5 其他参数其他参数 C3000 过程控制器 熔丝规 格 3 0A 250VAC 慢熔断型 使用时无需更换 配电规 格 每通道 50mA 24VDC 绝缘强 度 电源对地绝缘强度大于 2200VDC 1500VAC 漏电流 0 3mA 1 分钟 硬件看 门狗 集成 WATCHDOG 芯片 保证主机长期安全可靠运行 实时时 钟 采用硬件实时时钟 掉电后由锂电池供电 最大时钟误差 1 分 月 掉电保 护 所有数据保存在 FLASH 存储器中 无需后备电池 确保所有历史数据及组 态参数不会因掉电而丢失 报 警 最多 12 通道 250VAC 3A 继电器常开触点 或者同时具有 6 路常开和常闭触 点 通讯接口 提供 RS 485 和 RS 232C 两种通讯接口供用户选择 但不能同时使用 其中 RS 485 串行总线与主机隔离 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 7 通讯协 议 采用浙大中控 R Bus 通讯协议 通讯波特率有 5 种可选 即 1200bps 9600bps 19200bps 57600bps 和 115200bps 采样周 期 仪表的模拟量采样周期具有 1 秒 8 路 0 5 秒 4 路 0 25 秒 2 路 0 125 秒 1 路四种 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 8 第二部分第二部分 实验实验 我们针对 CS2000 型过程控制实验装置设计特性测试 位式控制 单回路 PID 控制 串级控制 比值控制五大类 10 个实验 关于 CS2000 型过程控制实验装置的具体操作请参 考 CS2000 型过程控制实验装置使用说明书 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 9 实验一 一阶单容水箱液位特性测试实验实验一 一阶单容水箱液位特性测试实验 一 实验目的一 实验目的 1 熟悉一阶对象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 实验器材二 实验器材 CS2000 型过程控制实验装置 配置 C3000 过程控制器 实验连接线 三 实验原理三 实验原理 单容水箱系统如图 1 1 所示 V2 LT Q2 Q1 手动设定 液位控制水箱 h V1 图 1 1 单容水箱系统示意图 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 2 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 222 QRh dt hd CR 在零初始条件下 对上式求拉氏变换 得 1Ts K 1CsR R sQ sH sG 2 2 2 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 10 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 R2C K R2为单容对象的放大倍数 R1 R2分别为 V1 V2阀的液阻 C 为水箱的容量 系数 令输入流量 Q1 的阶跃变化量为 R0 其拉氏变换式为 Q1 s R0 s R0为常量 则 输出液位高度的拉氏变换式为 T 1s KR s KR 1Tss KR sH 000 当 t T 时 则有 632 0 632KR 0 e1KRTh 0 1 0 即 T t 0 e1KRth 当 t 时 h KR0 因而有 K h R0 h 为输出稳态值 R0为阶跃输入 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 T h T KR e T KR dt tdh t T t t 0 0 0 0 上式表示 h t 若以在原点时的速度 h T 恒速变化 即只要花 T 秒时间就可达 到稳态值 h 0T h1 t 1h 1h63 0 图 1 2 一阶对象阶跃响应曲线 四 实验内容和步骤四 实验内容和步骤 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 11 此实验以上水箱的液位为检测对象 1 打开储水箱进水阀 主管路泵阀 副管路泵阀 关闭其他手阀 将储水箱灌满水 打 开上水箱进水阀 将其出水阀打开至适当开度 2 将上水箱的液位信号送至 C3000 过程控制器模拟量输入通道 1 将模拟量输出通道 12 信号送电动调节阀 具体接线如下所述 仪表回路的组态 点击 menu 进入组态 控制回路 PID 控制 回路 PID01 的设置 给定方式设为 内给定 测量值 PV 设为 AI01 其余默认即可 量程 0 100 3 打开控制台及实验对象电源开关 打开调节仪电源开关 打开主管路泵 电动调节阀 检测设备电源开关 4 进入组态画面 设定输入信号为 1 5V 电压信号 输出信号为 4 20mA 电流信号 再进 入调节画面 将调节仪设为手动 首先设定一个初始阀门开度 如 10 切换至监控 画面 观察液位变化 当液位趋于平衡时 将阀门开度及液位高度填入下表 阀门开度 输出值 液位高度 h1 mm 5 进入调节画面 改变阀门开度 如 30 记录阶跃响应得过程参数 填入下表 以此 数据绘制变化曲线 t s C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 12 h1 mm 6 切换至监控画面 观察液位变化 当液位趋于平衡时 将阀门开度及液位高度填入下 表 阀门开度 输出值 液位高度 h1 mm 7 进入调节画面 将阀门开度改回步骤 5 前的阀门开度 如 10 记录阶跃响应得过程 参数 填入下表 t s h1 mm 8 重复上述实验步骤 五 实验报告五 实验报告 1 作出一阶环节的阶跃响应曲线 2 根据实验原理中所述的方法 求出一阶环节的相关参数 六 注意事项六 注意事项 1 实验过程中 上水箱进出水阀不得任意改变开度大小 2 阶跃信号不能取得太大 以免影响正常运行 但也不能过小 以防止对象特性的不真 实性 一般阶跃信号取正常输入信号的 5 30 3 在输入阶跃信号前 过程必须处于平衡状态 七 思考题七 思考题 1 在做本实验时 为什么不能任意变化上水箱进出水阀的开度大小 2 用两点法和用切线对同一对象进行参数测试 它们各有什么特点 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 13 实验二 二阶双容水箱液位特性测试实验实验二 二阶双容水箱液位特性测试实验 一 实验目的一 实验目的 1 熟悉二阶对象的数学模型及其阶跃响应曲线 2 根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线 分析双容系统的飞升特性 二 实验器材二 实验器材 CS2000 型过程控制实验装置 配置 C3000 过程控制器 实验连接线 三 实验原理三 实验原理 双容水箱系统如图 2 1 所示 这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来 被调量是第 二水槽的水位h2 当输入量有一个阶跃增加 Q1时 被调量变化的反应曲线如图 2 2 所示 的 h2曲线 它不再是简单的指数曲线 而是呈 S 形的一条曲线 由于多了一个容器 就 使调节对象的飞升特性在时间上更加落后一步 在图中 S 形曲线的拐点 P 上作切线 它在 时间轴上截出一段时间 这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推 迟的程度 因此称容量滞后 通常以 C代表之 V2 LT Q2 Q1 手动设定 液位控制水箱 h1 V1 V3 LT Q3 液位控制水箱 h2 图 2 1 双容水箱系统示意图 设流量Q1为双容水箱的输入量 下水箱的液位高度h2为输出量 根据物料动态平衡关 系 并考虑到液体传输过程中的时延 其传递函数为 2 1 s 211 2 e 1sT1sT K sG sQ sH 式中 K R3 T1 R2C1 T2 R3C2 R2 R3分别为阀 V2 和 V3 的液阻 C1和C2分别为上 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 14 水箱和下水箱的容量系数 式中的K T1和T2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出 具体的做法是在图 2 2 所示的阶跃响应曲线上取 1 h2 t 稳态值的渐近线h2 2 h2 t t t1 0 4h2 时曲线上的点 A 和对应的时间t1 3 h2 t t t2 0 8h2 时曲线上的点 B 和对应的时间t2 0 T t 2h tc t 1t 2 2h8 0 2h4 0 A B 2h 图 2 2 一阶对象阶跃响应曲线 然后 利用下面的近似公式计算式 2 1 中的参数K T1和T2 值值值值值 值值值值值 0 2 R h K 16 2 tt TT 21 21 对于式 2 1 所示的二阶过程 0 32 t1 t2 0 46 当t1 t2 0 32时 为一阶环节 当t1 t2 0 46时 过程的传递函数G K 2 T 1 此时T1 T2 T 2 18 t1 t2 2 550741 2 1 2 21 21 t t TT TT 四 实验内容和步骤四 实验内容和步骤 此实验以上水箱的液位为检测对象 1 打开储水箱进水阀 主管路泵阀 副管路泵阀 关闭其他手阀 将储水箱灌满水 打 开上水箱进水阀 将上水箱通中水箱出水阀 中水箱出水阀打开至适当开度 2 将中水箱的液位信号送至 C3000 过程控制器模拟量输入通道 1 将模拟量输出通道 12 信号送电动调节阀 具体接线如下所述 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 15 仪表回路的组态 点击 menu 进入组态 控制回路 PID 控制 回路 PID01 的设置 给定方式设为 内给定 测量值 PV 设为 AI01 其余默认即可 量程 0 100 3 打开控制台及实验对象电源开关 打开调节仪电源开关 打开主管路泵 电动调节阀 检测设备电源开关 4 进入组态画面 设定输入信号为 1 5V 电压信号 输出信号为 4 20mA 电流信号 再进 入调节画面 将调节仪设为手动 首先设定一个初始阀门开度 如 10 切换至监控 画面 观察液位变化 当液位趋于平衡时 将阀门开度及液位高度填入下表 阀门开度 输出值 液位高度 h1 mm 5 进入调节画面 改变阀门开度 如 30 记录阶跃响应得过程参数 填入下表 以此 数据绘制变化曲线 t s h1 mm 6 切换至监控画面 观察液位变化 当液位趋于平衡时 将阀门开度及液位高度填入下 表 阀门开度 输出值 液位高度 h1 mm C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 16 7 进入调节画面 将阀门开度改回步骤 5 前的阀门开度 如 10 记录阶跃响应得过程 参数 填入下表 t s h1 mm 8 重复上述实验步骤 五 实验报告五 实验报告 1 作出二阶环节的阶跃响应曲线 2 根据实验原理中所述的方法 求出二阶环节的相关参数 3 试比较二阶环节和一阶环节的不同之处 六 注意事项六 注意事项 1 做本实验过程中 上中水箱出水阀不得任意改变开度大小 2 阶跃信号不能取得太大 以免影响正常运行 但也不能过小 以防止对象特性的不真 实性 一般阶跃信号取正常输入信号的 5 30 3 在输入阶跃信号前 过程必须处于平衡状态 七 思考题七 思考题 1 在做本实验时 为什么不能任意变化上中水箱出水阀的开度大小 2 用两点法和用切线对同一对象进行参数测试 它们各有什么特点 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 17 实验三 加热锅炉温度特性测试实验实验三 加热锅炉温度特性测试实验 一 实验目的一 实验目的 1 熟悉温度对象的数学模型及其阶跃响应曲线 2 根据由实际测得的温度阶跃响应曲线 分析加热系统的飞升特性 二 实验器材二 实验器材 CS2000 型过程控制实验装置 配置 C3000 过程控制器 实验连接线 三 实验原理三 实验原理 加热锅炉系统如图 3 1 所示 锅炉中装有电加热管 通过调压模块调压的方式来 调节加热功率 循环水流量可调 流入的冷水通过电加热管加热流出 在循环水流量 恒定的情况下 出口水温可以认为主要受电加热管影响 加热水箱对象可以被看作一 阶对象 与液位系统相比变化较慢 且存在着较大的滞后 TT 加热水箱 调压 模块 手动设定 Q Q 图 3 1 加热锅炉系统示意图 四 实验内容和步骤四 实验内容和步骤 此实验以加热锅炉内胆的水温为检测对象 循环水流量恒定 约 1 5L Min 1 打开储水箱进水阀 主管路泵阀 副管路泵阀 旁路阀 关闭其他手阀 将储水箱灌 满水 打开加热水箱进水阀 2 将加热锅炉内胆水温信号送至 C3000 过程控制器模拟量输入通道 1 将模拟量输出通道 12 信号送调压模块调节加热功率 具体接线如下所述 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 18 仪表回路的组态 点击 menu 进入组态 控制回路 PID 控制 回路 PID01 的设置 给定方式设为 内给定 测量值 PV 设为 AI01 其余默认即可 量程 0 100 3 打开控制台及实验对象电源开关 打开调节仪电源开关 打开主管路泵 电动调节阀 检测设备电源开关 4 进入组态画面 设定输入信号为 1 5V 电压信号 输出信号为 4 20mA 电流信号 再进 入调节画面 将调节仪设为手动 首先设定一个初始模块开度 如 50 切换至监控 画面 观察水温变化 当水温趋于平衡时 将调压模块开度及水温填入下表 调压模块开度 输出值 水温 t1 5 进入调节画面 改变调压模块开度 如 90 记录阶跃响应得过程参数 填入下表 以此数据绘制变化曲线 点击输出的设置按钮 改变输出值的大小 如 0 9 记录阶跃 响应得过程参数 填入下表 以此数据绘制变化曲线 t s t1 6 切换至监控画面 观察水温变化 当水温趋于平衡时 将调压模块开度 输出值 及 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 19 水温填入下表 调压模块开度 输出值 水温 t1 7 进入调节画面 将调压模块开度改回步骤 5 前的调压模块开度 如 50 记录阶跃响 应得过程参数 填入下表 t s t1 8 重复上述实验步骤 五 实验报告五 实验报告 1 作出加热水箱系统的阶跃响应曲线 2 根据实验一实验原理中所述的方法 求出加热水箱系统的相关参数 3 试比较温度系统与液位系统的不同之处 六 注意事项六 注意事项 1 做本实验过程中 内胆进出水阀不得任意改变开度大小 且不可过大 2 在输入阶跃信号前 过程必须处于平衡状态 七 思考题七 思考题 1 在做本实验时 为什么不能任意变化加热水箱进水阀的锅炉大小 2 温度系统的滞后与二阶液位系统的滞后引起的原因是否相同 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 20 实验四 纯滞后对象特性测试实验实验四 纯滞后对象特性测试实验 一 实验目的一 实验目的 1 熟悉纯滞后 温度 对象的数学模型及其阶跃响应曲线 2 根据由实际测得的纯滞后 温度 阶跃响应曲线 分析加热系统的飞升特性 二 实验器材二 实验器材 CS2000 型过程控制实验装置 配置 C3000 过程控制器 实验连接线 三 实验原理三 实验原理 调节仪 电加热管 T 温度变送器 给定值温度 图 4 1 纯滞后系统示意图 本系统所要保持的恒定参数是纯滞后温度给定值 根据控制框图 采用工业智能 PID 调节 四 实验内容和步骤四 实验内容和步骤 此实验以换热器热水出水的水温为检测对象 循环水流量恒定 约 1 5L Min 1 打开储水箱进水阀 主管路泵阀 副管路泵阀 旁路阀 关闭其他手阀 将储水箱灌 满水 打开加热水箱进水阀 2 将换热器热水出水水温信号送至 C3000 过程控制器的模拟量输入通道 1 将模拟量输出 通道 12 信号送调压模块调节加热功率 具体接线如下所述 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 21 仪表回路的组态 点击 menu 进入组态 控制回路 PID 控制 回路 PID01 的设置 给定方式设为 内给定 测量值 PV 设为 AI01 其余默认即可 量程 0 100 3 打开控制台及实验对象电源开关 打开调节仪电源开关 打开主管路泵 加热 检测 设备电源开关 4 进入组态画面 设定输入信号为 1 5V 电压信号 输出信号为 4 20mA 电流信号 再进 入调节画面 将过程控制器设为手动 首先设定一个初始调压模块开度 如 50 切 换至监控画面 观察水温变化 当水温趋于平衡时 将调压模块开度 换热器热水出 水的水温填入下表 调压模块开度换热器热水出水温度 t1 5 进入调节画面 改变调压模块开度 如 90 记录阶跃响应得过程参数 填入下表 以此数据绘制变化曲线 t s t1 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 22 6 切换至监控画面 观察水温变化 当水温趋于平衡时 将调压模块开度 换热器热水 出水的水温填入下表 调压模块开度换热器热水出水温度 t1 7 进入调节画面 将调压模块开度改回步骤 5 前的调压模块开度 如 50 记录阶跃响 应得过程参数 填入下表 t s t1 8 重复上述实验步骤 五 实验报告五 实验报告 1 作出换热器热水出水的水温的阶跃响应曲线 2 根据实验一实验原理中所述的方法 求出换热器热水出水系统的相关参数 六 注意事项六 注意事项 1 锅炉出水阀在实验过程中必须关闭 实验后可以打开将水排空 2 水流不可过大 以免溢出 七 思考题七 思考题 1 比较换热器热水出水的水温相关参数 看它们之间有何联系 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 23 实验五 一阶单容水箱液位实验五 一阶单容水箱液位 PIDPID 控制实验控制实验 一 实验目的一 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 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 实验器材二 实验器材 CS2000 型过程控制实验装置 配置 C3000 过程控制器 实验连接线 三 实验原理三 实验原理 给定值 PID调节器水箱 液位变送器 水箱液位 电调节阀 图 6 1 一阶单回路 PID 控制方框图 图 6 1 为一阶单回路 PID 控制方框图 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 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 24 图 6 2 P PI 和 PID 调节的阶跃响应曲线 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 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 6 2 中的曲线 所示 四 实验内容和步骤四 实验内容和步骤 此实验以上水箱液位控制水箱的液位为检测对象 1 开储水箱进水阀 主管路泵阀 副管路泵阀 关闭其他手阀 将储水箱灌满水 打开 上水箱进水阀 出水阀打开至适当开度 2 将上水箱的液位信号送至 C3000 过程控制器模拟量输入通道 1 将模拟量输出通道 12 信号送电动调节阀 具体接线如下所述 仪表回路的组态 点击 menu 进入组态 控制回路 PID 控制 回路 PID01 的设置 给定方式设为 内给定 测量值 PV 设为 AI01 其余默认即可 量程 0 100 3 打开控制台及实验对象电源开关 打开调节仪电源开关 打开主管路泵 电动调节阀 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 25 检测设备电源开关 4 进入组态画面 设定输入信号为 1 5V 电压信号 输出信号为 4 20mA 电流信号 再进 入调节画面 将调节仪设为手动 比例度 P 积分时间 I 微分时间 D 可分别设置 在 许多控制系统中 只需要一种或两种回路控制类型 例如只需要比例回路或者比例积 分回路 通过设置常量参数 可先选中想要的回路控制类型 如果不想要积分回路 可以把积分时间 I 设为无穷大 32768 如果不想要微分回路 可以把微分时间 D 置 为零 如果不想要比例回路 但需要积分或积分微分回路 可以把增益设为 100 首 先设定一个初始阀门开度 如 10 切换至监控画面 观察液位变化 当液位趋于平 衡时 再进行下一个步骤 5 比例 P 调节 1 设定给定值 将积分时间 I 设为无穷大 32768 把微分时间 D 置为零 调整 P 待液位平衡后点击状态切换按钮 将控制器投入运行 2 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 3 减小 P 重复步骤 2 观察过渡过程曲线 并记录余差大小 4 增大 P 重复步骤 2 观察过渡过程曲线 并记录余差大小 5 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 6 比例积分 PI 调节 1 在比例调节实验的基础上 加入积分作用 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 设定给定值 把微分时间 D 置为零 调整 P I 待液位平衡后点击状态切换按钮 将控制器投入运行 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 积分时间常数 I大中小 超调量 p 3 固定于某一中间值 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 I 下的超调量 p C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 26 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 7 比例积分微分 PID 调节 1 在 PI 调节器控制实验的基础上 再引入适量的微分作用 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 PI 控制下的曲线相 比较 由此可看到微分对系统性能的影响 设定给定值 调整 P I D 待液位平 衡后点击状态切换按钮 将控制器投入运行 2 在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录 五 实验报告五 实验报告 1 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 2 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 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 I 值时的阶跃响应曲线 5 画出 PID 控制时的阶跃响应曲线 并分析微分 D 的作用 6 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 1 每当做完一次试验后 必须待系统稳定后再做另一次试验 2 设定值不可过大 以免溢出 七 思考题七 思考题 1 为什么要强调无扰动切换 2 试定性地分析三种调节器的参数 I 和 I 和 D 的变化对控制过程各 产生什么影响 3 如何实现减小或消除余差 纯比例控制能否消除余差 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 27 实验六 二阶双容水箱液位实验六 二阶双容水箱液位 PIDPID 控制实验控制实验 一 实验目的一 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 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 实验器材二 实验器材 CS2000 型过程控制实验装置 配置 C3000 过程控制器 实验连接线 三 实验原理三 实验原理 给定值 PID调节器上水箱 液位变送器 水箱液位 电调节阀下水箱 图 7 1 二阶单回路 PID 控制方框图 图 7 1 为双容水箱液位控制系统 这也是一个单回路控制系统 它与实验四不同 的是有两个水箱相串联 控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度 具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响功能 显然 这种反馈控制系统的性 能完全取决于调节器 Gc s 的结构和参数的合理选择 由于双容水箱的数学模型是二 阶的 故它的稳定性不如单容液位控制系统 对于阶跃输入 包括阶跃扰动 这种系统用比例 P 调节器去控制 系统有余 差 且与比例度成正比 若用比例积分 PI 调节器去控制 不仅可实现无余差 而 且只要调节器的参数 K 和 Ti 调节得合理 也能使系统具有良好的动态性能 比例积分 微分 PID 调节器是在 PI 调节器的基础上再引入微分 D 的控制作用 从而使系统既 无余差存在 又使其动态性能得到进一步改善 四 实验内容和步骤四 实验内容和步骤 此实验以上 中水箱的液位为控制对象 1 储水箱进水阀 主管路泵阀 副管路泵阀 关闭其他手阀 将储水箱灌满水 打开上 水箱进水阀 将上水箱通中水箱出水阀 中水箱出水阀打开至适当开度 2 将中水箱的液位信号送至 C3000 过程控制器模拟量输入通道 1 将模拟量输出通道 12 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 28 信号送电动调节阀 具体接线如下所述 仪表回路的组态 点击 menu 进入组态 控制回路 PID 控制 回路 PID01 的设置 给定方式设为 内给定 测量值 PV 设为 AI01 其余默认即可 量程 0 100 3 打开控制台及实验对象电源开关 打开调节仪电源开关 打开主管路泵 电动调节阀 检测设备电源开关 4 进入组态画面 设定输入信号为 1 5V 电压信号 输出信号为 4 20mA 电流信号 再进 入调节画面 将调节仪设为手动 首先设定一个初始阀门开度 如 10 切换至监控 画面 观察液位变化 当液位趋于平衡时 再进行下一个步骤 5 设定给定值 调整 P I D 各参数 待液位平衡后点击状态切换按钮 将控制器投入 运行 6 在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录 五 实验报告五 实验报告 1 画出双容水箱液位控制实验系统的结构图 2 比较一阶与二阶对象控制的异同 六 注意事项六 注意事项 1 每当做完一次试验后 必须待系统稳定后再做另一次试验 2 设定值不可过大 以免溢出 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 29 七 思考题七 思考题 1 为什么双容液位控制系统比单容液位控制系统难于稳定 2 调节器参数 P I 和 D 的改变对整个控制过程有什么影响 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 30 实验七 加热锅炉内胆实验七 加热锅炉内胆 PIDPID 控制实验控制实验 一 实验目的一 实验目的 1 进一步熟悉温度控制系统 2 研究温度 PID 控制的特点 二 实验器材二 实验器材 CS2000 型过程控制实验装置 配置 C3000 过程控制器 实验连接线 三 实验原理三 实验原理 图 8 1 为一阶单回路 PID 温度控制的流程图 这也是一个单回路控制系统 控制 的目的是使锅炉内胆的温度等于给定值 与前面实验中锅炉内胆的二位式控制相比 PID 控制的精度更高 但需要仔细的设置好 PID 参数 温度控制一般调节变化较慢 TT 加热水箱 调压 模块 Q Q TC 图 8 1 一阶单回路 PID 温度控制示意图 四 实验内容和步骤四 实验内容和步骤 此实验以加热水箱的出口水温为控制对象 1 水箱进水阀 V8 主管路泵阀 副管路泵阀 旁路阀 关闭其他手阀 将储水箱灌满水 打开锅炉内胆进水阀 2 将锅炉内胆温度信号送至 C3000 过程控制器模拟量输入通道 1 将模拟量输出通道 12 送调压模块调节加热功率 具体接线如下所述 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 31 仪表回路的组态 点击 menu 进入组态 控制回路 PID 控制 回路 PID01 的设置 给定方式设为 内给定 测量值 PV 设为 AI01 其余默认即可 量程 0 100 3 打开控制台及实验对象电源开关 打开调节仪电源开关 打开主管路泵 加热 检测 设备电源开关 4 进入组态画面 设定输入信号为 1 5V 电压信号 输出信号为 4 20mA 电流信号 再进 入调节画面 将调节仪设为手动 首先设定一个初始调压模块开度 如 50 切换至 监控画面 观察水温变化 当水温趋于平衡时 再进行下一个步骤 5 设定给定值 调整 P I D 各参数 待液位平衡后点击状态切换按钮 将控制器投入 运行 6 在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录 五 实验报告五 实验报告 1 画出温度 PID 控制系统的方块图 2 绘出温度 PID 控制系统的调节曲线 与单容水箱液位 PID 控制及温度位式控制做比较 六 注意事项六 注意事项 1 实验时必须确定加热液位高于加热管的加热部分才可打开加热管电源 2 每当做完一次试验后 必须待系统稳定后再做另一次试验 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 32 七 思考题七 思考题 1 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 2 连续温控与断续温控有何区别 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 33 实验八 主回路流量实验八 主回路流量 PIDPID 控制实验控制实验 一 实验目的一 实验目的 1 通过实验熟悉单回路流量控制系统的组成和工作原理 2 定性地研究 P PI 和 PID 调节器的参数对流量控制系统性能的影响 3 熟悉主回路流量计的工作特点 二 实验器材二 实验器材 CS2000 型过程控制实验装置 配置 C3000 过程控制器 实验连接线 三 实验原理三 实验原理 图 8 1 为一阶单回路 PID 流量控制的流程图 这也是一个单回路控制系统 控制 的目的是使流量等于给定值 流量控制一般调节变化较快 Q FTFC 图 8 1 一阶单回路 PID 控制方框图 四 实验内容和步骤四 实验内容和步骤 此实验以主管路流量为控制对象 1 打开储水箱进水阀 主管路泵阀 副管路泵阀 关闭其他手阀 将储水箱灌满水 打 开下水箱进水阀 下水箱出水阀 2 将主回路流量信号送至 C3000 过程控制器模拟量输入通道 1 将模拟量输出通道 12 送 电动调节阀 具体接线如下所述 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 34 仪表回路的组态 点击 menu 进入组态 控制回路 PID 控制回路 PID01 的设置 给定方式设为 内给定 测量值 PV 设为 AI01 其余默认即可 量程 0 100 3 打开控制台及实验对象电源开关 打开调节仪电源开关 打开主管路泵 电动调节阀 检测设备电源开关 4 进入 C3000 设置画面 首先选择工程师登陆方式 设定第 5 路模拟量输入信号为 4 20mA 电流信号 量程为 0 10MPa 接着进行流量运算通道的设置 主要用于将差压变 送器的输出压力信号改换成流量信号 设置通道号 FLOW01 信号来源 AI05 量程范围 0 20 计算模型 以及补偿类型 不补偿 流体密度 1 最大流量 20 最大差压 10 设计温度 20 然后进行运算通道的设置 选择模拟量运算 设置通道号 VA01 量程范围 0 20 表达式 FLOW01 最后如要观看转换后的数据 则需进入监控画 面中的画面分组 然后加入新加入的分组 设置完输入 再设置输出 将 4 路模拟量 输出信号全部启动 量程为 0 100 设置为 4 20mA 电流信号 再进入调节画面 将调 节仪设为手动 首先设定一个初始阀门开度 如 10 切换至监控画面 观察流量变 化 当流量趋于平衡时 再进行下一个步骤 5 设定给定值 调整 P I D 各参数 待流量平衡后点击状态切换按钮 将控制器投入 运行 6 在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录 五 实验报告五 实验报告 1 画出流量控制系统的实验控制方框图 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 35 六 注意事项六 注意事项 1 每当做完一次试验后 必须待系统稳定后再做另一次试验 七 思考题七 思考题 1 从理论上分析调节器参数 I 的变化对控制过程产生什么影响 2 流量控制与液位控制及温度控制相比有什么特点 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 36 实验九 双容水箱液位串级控制实验实验九 双容水箱液位串级控制实验 一 实验目的一 实验目的 1 掌握串级控制系统的基本概念和组成 2 掌握串级控制系统的投运与参数整定方法 3 研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响 二 实验器材二 实验器材 CS2000 型过程控制实验装置 配置 C3000 过程控制器 实验连接线 三 实验原理三 实验原理 给定 主控 制器 电动 调节阀 液位变送器 上水箱 液位 上水箱 副控 制器 扰动 下水箱 液位 下水箱 扰动 液位变送器 图 10 1 二阶双容水箱液位串级控制方框图 图 10 1 为二阶双容水箱液位串级控制方框图 串级调节系统是一个双回路系统 实质上是把两个调节其串接起来 通过它们的协调工作 使一个被调量准确保持为给 定值 串级调节主要是用来克服落在副环内的扰动 这些扰动能在中间变量反应出来 很快就被副调节器抵消了 与单回路系统相比 干扰对被调量的影响可以减小许多倍 对于中间变量并无特殊要求 它的选择应该是 既能迅速反应扰动作用 又能使副环 包括更多的 特别是幅度大而频繁的扰动 主调节器的任务主要是克服落在副环以外的扰动 并准确保持被调量为给定值 由于副回路的存在 串级系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来一部分的对 象 起了改善对象特性的作用 与单回路系统相比 除了克服落在副环内的扰动以外 还提高了工作频率 加快了过渡过程 串级控制系统和简单控制系统的投运要求一样 必须保证无扰动切换 采用先副 回路后主回路的投运方式 即将主回路置于手动状态 以上水箱液位为控制对象 调 C3000 实验指导书 AD 杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL 86 571 86668735 37 整设置好副回路 PID 参数 然后再调整设置主回路的 PID 参数 四 实验内容和步骤四 实验内容和步骤 此实验以中水箱的液位为主控对象 上水箱的液位为副控对象 1 水箱进水阀 主管路泵阀 副管路泵阀 关闭其他手阀 将储水箱灌满水 打开上水 箱进水阀 将上水箱通中水箱出水阀 中水箱出水阀打开至适当开度 2 将上水箱的液位信号送至 C3000 过程控制器模拟量输入通道 3 中水箱的液位信号送至 C3000 过程控制器模拟量输入通道 2 将模拟量输出通道 12 送电动调节阀 具体接线 如下所述 仪表回路的组态 点击 menu 进入组态 控制回路 PID 控制 1 回路 PID02 的设置 给定方式设为 内给定 测量值 PV 设为 AI02 其余默认即 可 2 回路 PID03 的设置 给定方式设为 外给定 设定值 SV 设为 PID02 测量值 PV 设为 AI03 其余默认 按 ESC 退出