过程控制仿真系统实验指导书

1、 过程控制仿真系统实验指导书目 录前言3第一章 对象特性测试实验4第一节 测试对象特性的方法4实验一 上水箱特性测试实验14实验二 下水箱特性测试实验15实验三 二阶液位特性测试实验16实验四 温度加热器特性测试实验17实验五 调节阀特性测试实验18第二章 单闭环控制系统实验19实验一 压力单闭环控制系统实验22实验二 温度单闭环控制系统实验23实验三 液位单闭环控制系统实验24实验四 流量单闭环控制系统实验25实验五 二阶液位控制系统实验26第三章 串级控制系统实验27串级控制系统的设计与整定27实验一 上水箱液位和流量串级控制系统实验30实验二 上、下水箱液位串级控制系统实验32第四章 前

2、馈控制系统实验34前馈控制系统的原理34实验一 前馈反馈控制系统实验35前言过程控制模拟仿真系统是通过计算机仿真技术，将各种过程物理对象转换成数学模型，开发出对象的一阶和二阶过程的动态特性数学模型，计算机动态模拟，达到和真实的控制系统相一致的仿真目的，在教学实验应用方面具有很好的效果。 在仿真系统界面中，设置有各种过程控制器件，包括变频器、水泵、电动调节阀、压力变送器、温度变送器、液位变送器、流量变送器、加热器等。管道设置为两条回路，主回路用红色管道表示，副回路用白色管道表示，管道为动态流水显示。在系统运行状态下，只要打开流水管道，就会观察到动态流水过程，比较形象直观。同时，在各个器件上方的动

3、态文本里显示的是当前的实际值，水箱上标有液位刻度，可以直观的观察液位高度。系统最右上方一栏显示的是各器件变送的电流值，变送输出电流为标准电流420mA，右下方的为输入控制电流，是用来控制调节阀，加热器，变频器，输入电流为标准420mA。 该仿真系统将计算机内部变送电流数值通过牛顿模块输出为实际的电流值，而实际控制模拟输入电流又可通过牛顿模块转换为数字信号输入到计算机内。系统也同样设置了内、外控制选择按钮，选择内控，可以在系统内手动输入变频器电流以及其他输入信号；选择外控，则系统的的输入标准电流通过外部模拟输入来进行控制。同时，仿真系统还设置了过程曲线采集窗口，在系统运行时点击曲线测试就可以直观

4、的观察被控变量的变化趋势，也可以很方便的记录打印过程变化的曲线。该仿真系统能完成对象特性测试实验、单闭环控制系统实验、串级控制系统实验、流量比值控制系统实验、前馈反馈控制系统实验、Smith控制系统实验、解耦控制系统实验以及变比值控制系统实验等，在后面几章里将介绍仿真系统在各实验内容中的操作使用。第一章 对象特性测试实验第一节 测试对象特性的方法工业过程动态数学模型的表达方式很多，其复杂程度相差悬殊。对于数学模型，应根据实际应用情况提出适当的要求。一般说来，用于控制的数学模型并不要求十分准确。闭环控制本身具有一定的鲁棒性，模型本身的误差可视为干扰，而闭环控制在某种程度上具有自动消除干扰的能力。

5、实际生产过程的动态特性非常复杂，往往需要作很多近似处理。有些近似处理需要作线性化处理、降阶处理等，但却能满足控制的要求。建立数学模型有两个基本方法，即机理法和测试法。测试法一般只用于建立输入输出模型。它的特点是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外部特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深入掌握其内部机理。一、测试法求取传递函数通过简单的测试获得被被控对象的阶跃响应，进一步把它拟合成近似的传递函数，是建立被控对象数学模型简单有效的方法。用测试法建立被控对象的数学模型，首先要选定模型的结构。典型的工业过程的传递函数可以取为各种形式，例如：1、 一阶惯性环节加纯延迟一阶惯性环节的传递函数：延

6、迟环节的传递函数为：一阶加纯滞后对象的传递函数 图 3.1.1对于有纯滞后的一阶对象，滞后时间可直接由图中测量出纯滞后时间。2、二阶或高阶惯性环节加纯延迟在确定传递函数的形式后，要对函数中的各个参数与测试的响应曲线进行拟合。如果阶跃响应是如图3-2所示的S形单调曲线，就可以用一阶惯性加纯延迟对象的传递函数去拟合。增益K由输入输出的稳态值直接算出，而和T则可以用作图法确定。图 3.1.2在曲线的拐点p作切线，它与时间轴交于A点，与曲线的稳态渐进线交于B点。0A段的值即为纯滞后时间，CB段的值即为时间常数T，这样就确定了和T的数值。如图3-2所示。3、放大倍数K的求取阶跃反应曲线法概述这是一种开环

7、整定方法，即利用系统广义过程的阶跃响应特性曲线对调节器参数进行整定。具体做法是：对图3-6所示系统，先使系统处于开环状态。再在调节阀GV（s）的输入端施加一个阶跃信号，记录下测量变送环节Gm（s）的输出响应曲线y（t）。根据这个阶跃响应试验曲线将广义被控过程的传递函数近似表示如下：对于无自衡能力的广义过程，传递函数可写为： （1-2）对于有自衡能力的广义过程，传递函数可写为： （1-3）假设是单位阶跃响应，则式中各参数的意义如图3-7中所示。一、自恒一阶水箱PID控制参数求取方法：(1)过程控制一阶水箱广义K=值计算公式： 电机和阀门增益, 为阀门流量的非线性系数01 水箱增益，液位高度变化量

8、单位：m 流量的变化量单位：m/h 液位变送器增益广义被控对象的K值的求取方法： （01）一般取值0.7（2）根据阶跃反应曲线测量出和T的值，按照表1-2选取合适的计算方法，将参数代入公式计算出PID的数值，液位控制一般采用P、I控制方式。二、过程控制温度特性K值计算公式： 加热模块的K值, 为加热模块的非线性系数01 锅炉对象的K值 温度变送器的K值广义被控对象的K值的求取方法： （01）一般取值0.8（2）根据阶跃反应曲线测量出和T的值，按照表1-2选取合适的计算方法，将参数代入公式计算出PID的数值，液位控制一般采用P、I控制方式。注意：K值受锅炉水流Q的影响，水流大则K小，所以要在固定

9、PID参数下得到好的调节效果，必须保证进入锅炉水流大小的稳定。三、过程控制流量特性K值计算公式： 阀门和电机的K值, 为阀门流量的非线性系数01 单位：米 单位：m/h 流量变送器的K值广义被控对象的K值的求取方法： （01）一般取值0.7（2）根据阶跃反应曲线测量出和T的值，按照表1-2选取合适的计算方法，将参数代入公式计算出PID的数值，液位控制一般采用P、I控制方式。注意: 由于阀门主要是为得到流量的快速性，而设计成等百分比特性，阀门的K值在不同点有所不同，所以在控制流量的时候要选择适当的工作区间。一般选取30%70%工作流量。五：实验中应注意的问题1测试前系统处于正常的工作状态（平衡状

10、态），反应曲线的初始点应是输入信号的开始作阶跃信号的瞬间，这一段时间必须在记录纸上标出，以便推算纯滞后时间。测试与记录工作必须持续到输出参数达到新的稳态值。2在阶跃反应的曲线中，必须注意工作点与阶跃幅值的选取。3每次实验应在相同的条件下进行两次以上。只有在所测试数据相同时方为合格。4为了进行线性校验，可作正、负种两干扰进行比较，也可作不同扰动量的实验。5.调节器参数的整定是过程控制系统设计的核心内容之一。它的任务是：根据被控过程的特性确定PID调节器的比例度，积分时间TI及微分时间TD的大小。在简单的过程控制系统中，调节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要指标，保证系统具有一定的稳定裕量

11、。调节器参数整定的方法很多，概括起来可分为两大类：一是理论计算整定法。它主要依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法，频率特性法等，经过理论计算确定调节器的数值。这种方法不仅计算烦琐，而且过分依赖数学模型，所得到数据未必直接可用，还必须通过实际进行调整和修改。因此，理论计算整定法除了有理论指导意义外，工程实际中较少采用。二是工程整定法，它主要依靠工程经验，直接在过程控制的实验中进行，且方法简单，易于掌握，相当实用，从而在工程实际中被广泛采用。调节器的工程整定方法，主要有临界比例度法、衰减曲线法、阶跃响应曲线法。二 临界比例度法这是一种闭环整定方法。由于该方法直接在闭环系统中进行，不需测试过

12、程的动态特性，因此方法简单，使用方便，获得了广泛的应用。具体步骤如下：先将调节器的积分时间TI置于最大（TI=）微分时间TD置零（TD=0），比例度置为较大的数值，使系统投入闭环运行。待系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃扰动，并减小，直到系统出现如图3.8.1所示的等幅震荡，即临界震荡过程。记录此时的K（临界比例带）和等幅震荡周期TK。根据记录的K和TK，按表给出的经验公式计算出调节器的、TI及TD的参数。 图3.8.1 系统的临界震荡表3.8.1 采用临界比例度法的整定参数整定参数调节规律（%）TITDP2KPI2.2K0.85TKPID1.7K0.5TK0.125TK 需要指出的是，采用

13、这种方法整定调节器的参数时会受到一定的限制，如有些过程控制系统不允许进行反复震荡实验，像锅炉给水系统和燃烧控制系统等，就不能应用此法。再如某些时间常数较大的单容过程，采用比例调节时根本不可能出现等幅振荡，也就不能应用此法。三 衰减曲线法 这种方法临界比例度法相类似，所不同的是无需出现等幅振荡过程，具体方法如下：l 先置调节器积分时间TI=，微分时间TD=0，比例带置于较大的值。将系统投入运行。l 待系统工作稳定后，对设定值作阶跃扰动，然后观察系统的响应。若响应振荡衰减太快，就减小比例带；反之，则增大比例带。如此反复，直到出现如图3.8.2a所示的衰减比为4：1的振荡过程时，或者如图3.8.2b

14、所示的10：1振荡过程时，记录此时的值（设为S），以及TS的值（如图3.8.2a中所示），或者Tr的值（如图3.8.2b中所示）。图3.8.2 系统衰减振荡曲线l 按表中所给的经验公式计算、TI及TD的参数。表3.8.2 衰减曲线法整定计算公式衰减率 整定参数调节规律（%）TITD0.75PSPI1.2S0.5TSPID0.8S0.3TS0.1TS0.90PSPI1.2S2TrPID0.8S1.2Tr0.4Tr图3.8.2中，TS为衰减振荡周期，Tr为响应上升时间。 衰减曲线对多数过程都适用，该方法的缺点是较难确定4：1的衰减程度，从而较难得到准确的、TI及TD的值。根据阶跃响应试验曲线求得广

15、义过程的传递函数以后，就可以分别按表1-1、表1-2中的近似经验公式计算调节器的参数。表1-1 =0.75过程无自衡能力的整定计算公式调节规律GC（s）TITDP1/PI1.13.3PID0.8520.5表1-2 =0.75过程有自衡能力时的整定计算公式调节规律GC（s）0.20.21.5TITDTITDPPI3.30.8 T0PID20.50.81 T0+0.190.25T1在表1-1和表1-2中，没有考虑PD调节器的参数如何整定。若有需要，在=0.75的前提下，可在P调节器参数整定的基础上确定PD调节器的整定参数，即先按照上两表算出P调节器的值设为P，再按以下两式计算PD调节器的值和TD值

16、。=0.8P；TD=（0.250.3） (1-4)反应曲线法是由齐格勒（Ziegler）和尼科尔斯（Nichols）于1942年首先提出的。之后经过多次改进，还总结出不少调节器最佳参数整定公式。 对象数学模型的求取实例：15秒的延迟时间，T=74秒。水箱的k=0.72 广义的K=0.3618/T=15/74=0.2027=0.080671 P=12.3 I=49.5秒三分之一格水箱对象的传函：-13秒延迟。T=212秒。 流量变化0.153 水高度变化0.12米 水箱的k=0.7843 广义的K=0.3678/T=13/212=0.06132P=40.3 I=42.9二阶液位实验，=73秒；T

17、=165秒 流量变化0.153 水高度变化0.102米 水箱的k=0.666 广义的K=0.3123/T=73/165=0.4424P=4.222 I=132二阶液位第二次试验，1：3水箱容积。=120秒，T=300秒，流量变化0.177 水高变化0.102米/T=120/300=0.4水箱的k=0.5762 广义的K=0.27027P=4.447 I=240纯P调节P=4.8917-科恩库恩公式得到：P=8.628 I=220.2说明：用不同的公式计算出来的结果相差很大，所以做实验必需选择相对较好的公式，水箱一阶液位一般选用0.2前的公式。二阶选用大于0.2的公式。实验一 上水箱特性测试实验

18、一、实验目的了解仿真系统在本实验中的操作方法和注意事项，学会运用智能调节器和计算机控制仿真系统进行实验。通过实验，了解对象特性曲线的测量的思路和方法，掌握对象模型参数的求取方法。二、实验设备过程控制模拟仿真系统计算机、调节器（或控制计算机）三、实验步骤在实验开始前，先要保证挂箱通电，牛顿模块能正常工作，挂箱和计算机的串口要用通讯线连接起来，保证牛顿模块可以正常通讯。1了解实验内容，根据控制系统的方框图接好线路，确认无误后接通电源。2打开力控，点击运行，激活模拟仿真系统。3打开仿真系统的手动阀2、3、4，确认其他水阀为关闭状态。4设置调节器参数，使用手动输出功能，给上水箱液位一定值。5点击系统的

19、“变频器启动”按钮，将变频器和主调节阀置在内控状态下，给变频器和主调节阀分别输入一个合适的电流值，此时系统由变频器控制水泵经主回路进行恒压供水。6其它实验步骤和要求详见过程控制实验装置实验指导用书相关章节。 当然，也可以将变频器和主调节阀置在外控状态下，由计算机控制仿真系统完成本实验。四、实验报告 根据实验结果编写实验报告，并计算出K、T、的平均值，写出系统的广义传递函数（等效成惯性环节，K为静态增益，T为时间常数，为延迟时间）。实验二 下水箱特性测试实验一、实验目的了解仿真系统在本实验中的操作方法和注意事项，学会运用调节器和计算机控制仿真系统进行实验。通过实验，了解对象特性曲线的测量的思路和

20、方法，掌握对象模型参数的求取方法。二、实验设备过程控制模拟仿真系统计算机、调节器（或控制计算机）三、实验步骤在实验开始前，先要保证挂箱通电，牛顿模块能正常工作，挂箱和计算机的串口要用通讯线连接起来，保证牛顿模块可以正常通讯。1了解实验内容，根据控制系统的方框图接好线路，确认无误后接通电源。2打开力控，点击运行，激活模拟仿真系统。3打开仿真系统的手动阀7、4，确认其他水阀为关闭状态。4设置调节器参数，使用手动输出功能，给下水箱液位一定值。5点击系统的“变频器启动”按钮，将变频器和副调节阀置在内控状态下，给变频器和副调节阀输入一个合适的电流值，此时系统由变频器控制水泵经副回路给下水箱进行恒压供水。

21、6其它实验步骤和要求详见过程控制实验装置实验指导用书相关章节。当然，也可以将变频器和副调节阀置在外控状态下，由计算机控制仿真系统完成本实验。四、实验报告 根据实验结果编写实验报告，并计算出K、T、的平均值，写出系统的广义传递函数（等效成惯性环节，K为静态增益，T为时间常数，为延迟时间）。实验三 二阶液位特性测试实验一、实验目的了解仿真系统在本实验中的操作方法和注意事项，学会运用调节器和计算机控制仿真系统进行实验。通过实验，掌握二阶对象的特性曲线测量方法，测量时应注意的问题，对象模型参数的求取方法。二、实验设备过程控制模拟仿真系统计算机、调节器（或控制计算机）三、实验步骤在实验开始前，先要保证挂

22、箱通电，牛顿模块能正常工作，挂箱和计算机的串口要用通讯线连接起来，保证牛顿模块可以正常通讯。1. 了解实验内容，根据控制系统的方框图接好线路，确认无误后接通电源。2打开力控，点击运行，激活模拟仿真系统。3打开仿真系统中的手动阀2、3、4，并确认其他水阀为关闭状态。4点击系统的“变频器启动”按钮，将变频器和主调节阀置在内控状态下，给变频器和主调节阀输入一个合适的电流值，此时系统由变频器控制水泵由主回路进行恒压供水。5其它实验步骤和要求详见过程控制实验装置实验指导用书相关章节。当然，也可以将变频器和主调节阀置在外控状态下，由计算机控制仿真系统完成本实验。四、实验报告根据实验结果编写实验报告，并根据

23、K、T、平均值写出广义的传递函数。实验四 温度加热器特性测试实验一、实验目的了解仿真系统在本实验中的操作方法和注意事项，学会运用调节器和计算机控制仿真系统进行实验。通过模拟仿真实验，了解实际实验装置中加热系统的原理、作用及其操作方法。通过实验掌握对象特性的曲线测量方法，测量时应注意的问题，对象模型参数的求取方法。二、实验设备过程控制模拟仿真系统计算机、调节器（或控制计算机）三、实验步骤在实验开始前，先要保证挂箱通电，牛顿模块能正常工作，挂箱和计算机的串口要用通讯线连接起来，保证牛顿模块可以正常通讯。1了解实验内容，根据控制系统的方框图接好线路，确认无误后接通电源。2打开力控，点击运行，激活模拟

24、仿真系统。3为简化实验内容，系统默认锅炉内的水是满的，无需再向加热桶内注水。4将所有水阀都处于关闭状态。5将系统的加热器置为内控状态，给加热器输入一个合适的电流值。6其它操作步骤和实验要求详见过程控制实验装置实验指导用书相关章节。当然，也可以将加热器置在外控状态下，由计算机控制模拟仿真系统完成本实验。四、实验报告根据实验结果编写实验报告，并根据K、T、平均值写出广义的传递函数。实验五 调节阀特性测试实验一、实验目的了解仿真系统在本实验中的操作方法和注意事项，学会运用调节器和计算机控制模拟仿真系统进行实验。通过实验掌握对象特性的曲线测量方法，测量时应注意的问题，对象模型参数的求取方法。二、实验设

25、备过程控制模拟仿真系统计算机、调节器（或控制计算机）三、实验步骤在实验开始前，先要保证挂箱通电，牛顿模块能正常工作，挂箱和计算机的串口要用通讯线连接起来，保证牛顿模块可以正常通讯。1了解实验内容，根据控制系统的方框图接好线路，确认无误后接通电源。2打开力控，点击运行，激活模拟仿真系统。3打开仿真系统的手动阀2，并确认其他手动阀为关闭状态。4点击系统的“变频器启动”按钮，将变频器置在内控状态，主调节阀置在外控状态，给变频器输入一个合适的电流值，此时系统由变频器控制水泵由主回路进行恒压供水。5设置调节器处于手动状态，改变手动给定10%、20%、30%100%分别记录调节器的输出电流和流量计的流量（

26、调节阀的进出口压力保持不变）。6其它操作步骤和实验要求详见过程控制实验装置实验指导用书相关章节。当然，也可以将变频器和主调节阀置在外控状态下，由计算机控制模拟仿真系统完成本实验。四、实验报告 1、根据实验结果编写实验报告，并且以电流作为横坐标、流量作为纵坐标，画出特性曲线图。根据画出的特性曲线，判断阀体是快开特性，等百分比特性还是慢开特性。2、问题：变频器、水泵、压力变送器在此的作用？第二章 单闭环控制系统实验单回路控制系统又称简单控制系统,它由被控对象、传感器、变送器、控制器和执行器组成一个闭合回路，也称反馈控制系统。单回路控制系统是最简单、基本的一种控制系统，它适用于被控对象滞后时间比较小

27、、负荷和干扰变化不大、控制质量要求不很高的场合。单回路控制系统的设计和参数整定方法是各类复杂控制系统设计和整定的基础。在实验中应注意的问题：1测试前系统处于正常的工作状态（平衡状态），反应曲线的初始点应是输入信号的开始作阶跃信号的瞬间，这一段时间必须在记录纸上标出，以便推算纯滞后时间。测试与记录工作必须持续到输出参数达到新的稳态值。2在阶跃反应的曲线中，必须注意工作点与阶跃幅值的选取。3每次实验应在相同的条件下进行两次以上。只有在所测试数据相同时方为合格。4为了进行线性校验，可作正、负种两干扰进行比较，也可作不同扰动量的实验。5.调节器参数的整定是过程控制系统设计的核心内容之一。它的任务是：根

28、据被控过程的特性确定PID调节器的比例度，积分时间TI及微分时间TD的大小。在简单的过程控制系统中，调节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要指标，保证系统具有一定的稳定裕量。调节器参数整定的方法很多，概括起来可分为两大类：一是理论计算整定法。它主要依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法，频率特性法等，经过理论计算确定调节器的数值。这种方法不仅计算烦琐，而且过分依赖数学模型，所得到数据未必直接可用，还必须通过实际进行调整和修改。因此，理论计算整定法除了有理论指导意义外，工程实际中较少采用。二是工程整定法，它主要依靠工程经验，直接在过程控制的实验中进行，且方法简单，易于掌握，相当实用，

29、从而在工程实际中被广泛采用。调节器的工程整定方法，主要有临界比例度法、衰减曲线法。一、临界比例度法这是一种闭环整定方法。由于该方法直接在闭环系统中进行，不需测试过程的动态特性，因此方法简单，使用方便，获得了广泛的应用。具体步骤如下：1、将调节器的积分时间TI置于最大（TI=），微分时间TD置零（TD=0），比例度置为较大的数值，使系统投入闭环运行。2、待系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃扰动，并减小，直到系统出现如图2-1所示的等幅震荡，即临界震荡过程。记录此时的c r（临界比例带）和等幅震荡周期Tc r。3、根据记录的c r和Tc r，按表2-1给出的经验公式计算出调节器的、TI及TD的参

30、数。图2-1 系统的临界震荡过程表2-1 采用临界比例度法的整定参数 整定参数调节规律(%)TITDP2c rPI2.2c r0.85Tc rPID1.67c r0.5Tc r0.125Tc r需要指出的是，采用这种方法整定调节器的参数时会受到一定的限制，如有些过程控制系统不允许进行反复震荡实验，像加热器给水系统和燃烧控制系统等，就不能应用此法。再如某些时间常数较大的单容过程，采用比例调节时根本不可能出现等幅振荡，也就不能应用此法。图2-2由图2-2可知,此图为临界稳定.由乃氏稳定判据可知,在G(jw)曲线上点都随临界稳定点即|G(jw)|=1为临界稳定.在G(jw)曲线里面的都可以稳定,即|

31、G(jw)|1.因此在临界稳定上的点,我们只需增加比例带即减小比例增加增益就可以,获得|G(jw)|1即系统为稳定系统.二 衰减曲线法 这种方法和临界比例度法相类似，所不同的是无需出现等幅振荡过程，具体方法如下：1、置调节器积分时间TI=，微分时间TD=0，比例带置于较大的值。将系统投入运行。2、待系统工作稳定后，对设定值作阶跃扰动，然后观察系统的响应。若响应振荡衰减太快，就减小比例带；反之，则增大比例带。如此反复，直到出现如图2-3所示的衰减比为4：1的振荡过程时，记录此时的值（设为S），以及TS的值（如图2-3中所示）。当采用衰减比为10：1振荡过程时，应用上升时间Tr替代振荡周期TS计算

32、。图2-3 系统衰减振荡曲线图中，TS为衰减振荡周期，Tr为响应上升时间。3、 据表2-2中所给的经验公式计算、TI及TD的参数。表2-2 衰减曲线法整定计算公式衰减率 整定参数调节规律TITD0.75PSPI1.2S0.5TSPID0.8S0.3TS0.1TS0.9PSPI1.2S2TrPID0.8S1.2Tr0.4Tr衰减曲线对多数过程都适用，该方法的缺点是较难确定4：1的衰减程度，从而较难得到准确的、TI及TD的值。实验一 压力单闭环控制系统实验一、实验目的了解仿真系统在本实验中的操作方法和注意事项，学会运用调节器和计算机控制模拟仿真系统进行实验。通过实验掌握单回路控制系统的构成。学生可

33、自行设计，构成单回路流量、单容液位、双容液位和温度控制系统。掌握用阶跃响应曲线法来求取控制系统数学模型的特性参数、T0、K0，用临界比例度法整定单回路控制系统的PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用调节器仪表进行PID参数的自整定和自动控制的投运。掌握调节器的参数设置和手动、自动功能的使用方法。二、实验设备过程控制模拟仿真系统计算机、调节器（或控制计算机）三、实验步骤在实验开始前，先要保证挂箱通电，牛顿模块能正常工作，挂箱和计算机的串口要用通讯线连接起来，保证牛顿模块可以正常通讯。1了解实验内容，根据控制系统的方框图接好线路，确认无误后接通电源。2打开力控，点击运行，激活模拟仿

34、真系统。3打开仿真系统的水阀2，并确认其他水阀为关闭状态。4点击系统的“变频器启动”按钮，将变频器置在外控状态下，由调节器直接给变频器输入调节电流；主调节阀置在内控状态下并输入一个合适的电流值。5其它操作步骤和实验要求详见过程控制实验装置实验指导用书相关章节。当然，也可将变频器和主调节阀置在外控状态下，由计算机控制模拟仿真系统完成本实验。四、实验报告根据实验结果编写实验报告，并根据K、T、平均值写出广义的传递函数。实验二 温度单闭环控制系统实验一、实验目的了解仿真系统在本实验中的操作方法和注意事项，学会运用调节器和计算机控制模拟仿真系统进行实验。通过实验掌握单回路控制系统的构成，学生可自行设计

35、，构成温度控制单回路系统，采用临界比例度法、阶跃反应曲线法和整定单回路控制系统的PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用调节器仪表进行PID参数的自整定和自动控制的投运。二、实验设备过程控制模拟仿真系统计算机、调节器（或控制计算机）三、实验步骤在实验开始前，先要保证挂箱通电，牛顿模块能正常工作，挂箱和计算机的串口要用通讯线连接起来，保证牛顿模块可以正常通讯。1了解实验内容，根据控制系统的方框图接好线路，确认无误后接通电源。2打开力控，点击运行，激活模拟仿真系统。3为简化实验内容，系统默认锅炉内的水是满的，无需再向加热桶内注水。4确认水阀都为关闭状态。5将加热器置在外控状态下，由调

36、节器直接给加热器输入一个调节电流。6其他操作步骤和实验要求过程控制实验装置实验指导用书相关章节。当然，也可以将加热器置在外控状态下，由计算机控制模拟仿真系统完成本实验。四、实验报告根据实验结果编写实验报告，并根据K、T、平均值写出广义的传递函数。实验三 液位单闭环控制系统实验一、实验目的了解仿真系统在本实验中的操作方法和注意事项，学会运用调节器和计算机控制模拟仿真系统进行实验。通过实验掌握单回路控制系统的构成，学生可自行设计，构成单回路单容液位控制系统，并应用临界比例度法、阶跃反应曲线法和整定单回路控制系统的PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用调节器仪表进行PID参数的自整定

37、和自动控制的投运。二、实验设备过程控制模拟仿真系统计算机、调节器（或控制计算机）三、实验步骤在实验开始前，先要保证挂箱通电，牛顿模块能正常工作，挂箱和计算机的串口要用通讯线连接起来，保证牛顿模块可以正常通讯。1了解实验内容，根据控制系统的方框图接好线路，确认无误后接通电源。2打开力控，点击运行，激活模拟仿真系统。3打开仿真系统的水阀2、3、4，并确认其他水阀为关闭状态。4点击系统的“变频器启动”按钮，将变频器置在内控状态下，给变频器输入一个合适的电流值，由变频器控制水泵经主回路进行恒压供水；主调节阀置在外控状态下，由调节器从外部给调节电流。5其他操作步骤和实验要求详见过程控制实验装置实验指导用

38、书相关章节。当然，也可以将变频器和主调节阀置在外控状态下，由计算机控制模拟仿真系统完成本实验。四、实验报告根据实验结果编写实验报告，并根据K、T、平均值写出广义的传递函数。实验四 流量单闭环控制系统实验一、实验目的了解仿真系统在本实验中的操作方法和注意事项，学会运用调节器和计算机控制模拟仿真系统进行实验。通过实验掌握单回路控制系统的构成，学生可自行设计，构成单回路流量控制系统，并应用临界比例度法、阶跃反应曲线法和整定单回路控制系统的PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用调节器仪表进行PID参数的自整定和自动控制的投运。二、实验设备过程控制模拟仿真系统计算机、调节器（或控制计算机

39、）三、实验步骤在实验开始前，先要保证挂箱通电，牛顿模块能正常工作，挂箱和计算机的串口要用通讯线连接起来，保证牛顿模块可以正常通讯。1了解实验内容，根据控制系统的方框图接好线路，确认无误后接通电源。2打开力控，点击运行，激活模拟仿真系统。3打开仿真系统的水阀2、3、4，并确认其他水阀为关闭状态。4点击系统的“变频器启动”按钮，将变频器置在内控状态下，给变频器输入一个合适的电流值，由变频器控制水泵经主回路进行恒压供水；主调节阀置在外控状态下，由调节器从外部给调节电流。5其他操作步骤和实验要求详见过程控制实验装置实验指导用书相关章节。当然，也可以将变频器和主调节阀置在外控状态下，由计算机控制模拟仿真

40、系统完成本实验。四、实验报告根据实验结果编写实验报告，并根据K、T、平均值写出广义的传递函数。问题：设想如何产生流量扰动，还须加入其它什么设备，什么方法？实验五 二阶液位控制系统实验一、实验目的了解仿真系统在本实验中的操作方法和注意事项，学会运用调节器和计算机控制模拟仿真系统进行实验。通过实验掌握单回路控制系统的构成。学生可自行设计，构成双容液位控制系统，并应用临界比例度法、阶跃反应曲线法和整定单回路控制系统的PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用调节器仪表进行PID参数的自整定和自动控制的投运。二、实验设备过程控制模拟仿真系统计算机、调节器（或控制计算机）三、实验步骤在实验开

41、始前，先要保证挂箱通电，牛顿模块能正常工作，挂箱和计算机的串口要用通讯线连接起来，保证牛顿模块可以正常通讯。1了解实验内容，根据控制系统的方框图接好线路，确认无误后接通电源。2打开力控，点击运行，激活模拟仿真系统。3打开仿真系统的水阀2、3、4，并确认其他水阀为关闭状态。4点击系统的“变频器启动”按钮，将变频器置在内控状态下，给变频器输入一个合适的电流值，由变频器控制水泵经主回路进行恒压供水；主调节阀置在外控状态下，由调节器从外部给调节电流。5其他操作步骤和实验要求详见过程控制实验装置实验指导用书相关章节。当然，也可以将变频器和主调节阀置在外控状态下，由计算机控制模拟仿真系统完成本实验。四、实

42、验报告根据实验结果编写实验报告，并根据K、T、平均值写出广义的传递函数。第三章 串级控制系统实验串级控制系统的设计与整定当调节对象的动态特性比较复杂，而工艺对调节质量的要求又很高的时候，简单的单回路控制系统不能够满足要求。在这种情况下，需要在单回路控制系统图3-1 一般串级控制系统的基础上，采取其他措施，组成复杂控制系统，也称为多回路系统，如串级控制系统、带有补偿的控制系统以及解耦系统。如图所示的控制系统在结构上形成了两个闭环。一个闭环在里面，被称为副回路；一个闭环在外面，被称为主回路，以最终保证被调量满足工艺要求。这种由两个调节器串接在一起控制一个调节阀的系统叫做串级控制系统。主调节器具有自

43、己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。串级控制系统只比简单控制系统增加了一个测量变送元件和一个调节器，但是控制效果却有显著的提高，具有较好的控制性能，能够改善对象的动态特性，提高系统的工作频率，对负荷或操作条件的变化也有一定的自适应能力。一、串级控制系统的设计串级系统的种种特点都是因为增加副回路的缘故，副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。1、制定串级控制系统的方案，选择串级液位控制系统或串级流量控制系统。选择主被控参数、副被控参数、主控制器、副控制器来构成主回路、副回路，组成一个完整的串级控制系统。副回路应包含被控对象所受到的

44、主要干扰，副参数的选择应使副回路时间常数小，调节通道短，反应灵敏。2、选择串级控制的主、副控制器。副调节器的任务是要快动作以迅速抵消落在副环内的二次扰动，而且副参数并不要求无差，所以可选用调节速度叫快的P调节器。主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求，不允许被调量存在偏差，因此，住调节器必须具有积分作用。二、串级控制系统参数的整定 串级系统的整定要比简单系统复杂。由于两个调节器串接在一起，互相作用，影响参数的整定。所以在整定时，应尽量加大副调节器的增益以提高副环的频率，使主、副环的频率错开，减少相互之间的影响。 串级系统的整定，有两步整定法和一步整定法。1、两步整定法两步整定法是第一步整定

45、副回路的副调节器，第二步整定主回路的主调节器的串级系统整定方法。（1）先整定副回路。在系统工作状况稳定，主、副回路主调节器在纯比例作用的条件下，将主调节器的比例带置于100%处，按照单回路系统的整定方法来整定副回路。逐渐降低副调节器的比例带，如用4：1衰减法来整定副回路，则求出副参数在4：1衰减时的副调节器比例带2 S和操作周期T2 0。（2）整定主回路。使副调节器比例带置于2 S的数值上，逐渐降低主调节器的比例带1 S，求出同样衰减比时主回路的过渡过程曲线，记录此时主调节器的比例带1 S和操作周期T1 0。将上述步骤中求出的1 S、T1 0、2 S、T2 0 ,根据选用的调节器类型，按照4：

46、1衰减曲线的整定方法，求出主、副调节器的整定参数。（3）按照“先副后主、先比例次积分后微分”的原则，将计算得出的调节器参数置于各调节器之上。（4）加干扰实验进行验证，观察过程参数值，直至记录曲线符合控制要求为止。2、一步整定法（1）在系统工作状况稳定，主、副回路主调节器在纯比例作用的条件下，按表 3-1 “一步法比例带经验值表”所列数值，将副调节器调节到适当的经验值上。表3-1一步法比例带经验值表副参数比例带2放大倍数KC 2温度206051.7压力307031.4流量40802.51.25液位208051.25（2）利用单回路控制系统的参数整定方法来整定主调节器参数。（3）加干扰进行验证，观

47、察过渡过程曲线，根据KC 1、KC 2相匹配的原理，适当调整调节器参数，使主参数控制精度最好。（4）如果出现振荡现象，只要适当加大主、副调节器的任意一个比例带，即可消除振荡。三、串级系统控制质量测试与简单控制系统进行对比，通过对比实验，观察主要扰动及次要扰动作用于对象时，系统的控制过程。实验一 上水箱液位和流量串级控制系统实验一、实验目的了解仿真系统在本实验中的操作方法和注意事项，学会运用调节器和计算机控制模拟仿真系统进行实验。通过实验掌握串级控制系统的基本概念；串级控制系统的组成结构（即主被控参数、副被控参数、主调节器、副调节器、主回路、副回路）；串级控制系统的特点、串级控制系统的设计；串级

48、控制主、副控制回路的选择；串级控制系统参数整定方法，并将串级控制系统参数投运到实验中。二、实验设备过程控制模拟仿真系统计算机、调节器（或控制计算机）三、实验步骤在实验开始前，先要保证挂箱通电，牛顿模块能正常工作，挂箱和计算机的串口要用通讯线连接起来，保证牛顿模块可以正常通讯。1了解实验内容，根据控制系统的方框图接好线路，确认无误后接通电源。2打开力控，点击运行，激活模拟仿真系统。3打开仿真系统的水阀2、3、4，并确认其他水阀为关闭状态。4点击系统的“变频器启动”按钮，将变频器置在内控状态下，给变频器输入一个合适的电流值，由变频器控制水泵进行恒压供水；主调节阀置在外控状态下，由副调节器从外部给调

49、节电流；副调节阀置在内控状态下，待系统稳定后打开手动阀6，输入一合适的电流值，用来给控制系统的主回路加干扰信号，然后来观察“液位1”和“流量Q1”曲线的变化。5其他操作步骤和实验要求详见过程控制实验装置实验指导用书相关章节。当然，也可将变频器和主副调节阀置在外控状态下，由计算机控制模拟仿真系统完成本实验。四、实验报告1、根据实验结果编写实验报告。2、按3-2衰减曲线调节器参数计算表填写表格中的数据3-2衰减曲线调节器参数计算表 数据调节器实验数据查表计算值最终整定法S / %Ts/ min / %Ti / min终/ %Ti终/ min主调节器副调节器3、整理并附上记录仪的下列过渡过程曲线：（

50、1）整定副调节器时得到的4:1衰减曲线。（2）整定主调节器时得到的4:1衰减曲线。（3）主副调节器参数整定后，干扰作用于上水箱中，主变量H1的过渡过程曲线。（4）主副调节器参数整定后，干扰作用于流量中，主变量H1的过渡过程曲线。4、列表比较控制质量：表3-3串级控制系统控制质量的比较表干扰的位置最大偏差过渡时间（min）评价质量并简析原因干扰加入上水箱干扰加入流量中表3-4串级和简单控制系统控制质量的比较表干扰位置自控系统类型最大偏差过渡时间（min）评价质量并简析原因干扰加入上水箱中简单控制系统（PID）串级控制系统实验二 上、下水箱液位串级控制系统实验一、实验目的了解仿真系统在本实验中的操

51、作方法和注意事项，学会运用调节器和计算机控制模拟仿真系统进行实验。通过实验掌握串级控制系统的基本概念；串级控制系统的组成结构（即主被控参数、副被控参数、主调节器、副调节器、主回路、副回路）；串级控制系统的特点、串级控制系统的设计；串级控制主、副控制回路的选择；串级控制系统参数整定方法，并将串级控制系统参数投运到实验中。二、实验设备过程控制模拟仿真系统计算机、调节器（或控制计算机）三、实验步骤在实验开始前，先要保证挂箱通电，牛顿模块能正常工作，挂箱和计算机的串口要用通讯线连接起来，保证牛顿模块可以正常通讯。1了解实验内容，根据控制系统的方框图接好线路，确认无误后接通电源。2打开力控，点击运行，激

52、活模拟仿真系统。3打开仿真系统的水阀2、3、4，并确认其他水阀为关闭状态。4点击系统的“变频器启动”按钮，将变频器置在内控状态下，给变频器输入一个合适的电流值，由变频器控制水泵进行恒压供水；主调节阀置在外控状态下，由副调节器从外部给调节电流；副调节阀置在内控状态下，给一合适的电流值，待系统稳定后打开手动阀6、7，分别给控制系统的主副回路加干扰信号，然后来观察上下水箱液位曲线的变化。5其他操作步骤和实验要求详见过程控制实验装置实验指导用书相关章节。当然，也可以将变频器和主副调节阀置在外控状态下，由计算机控制模拟仿真系统完成本实验。四、实验报告1、根据实验结果编写实验报告。2、按3-5衰减曲线调节器参数计算表填写表格中的数据3-5衰减曲线调节器参数计算表 数据调节器实验数据查表计算值最终整定法S / %Ts/ min / %Ti / min终/ %Ti终/ min