过程控制系统实验

1、1第一部分第一部分 产品使用说明产品使用说明一、概述生产与生活的自动化是人类长久以来所梦寐以求的目标，在 18 世纪自动控制系统在蒸汽机运行中得到成功的应用以后，自动化技术时代开始了。当经过20 世纪后半叶的快速发展，特别是计算机技术的广泛应用，进入 21 世纪的今天，自动控制的应用已相当普遍，自动化技术已成为当今举世瞩目的高技术之一，也是今后实现工业高度自动化重点发展的一个高科技领域。在石油、化工、制药、热工、材料和轻工等行业领域中，以温度、流量、液位、压力和成分为主要被控变量的控制系统都称为“过程控制” 。过程控制不仅在传统工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重

2、要的作用，而且在成为新建的规模大、结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分。在现代化工业生产中，过程控制技术正为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产效率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起越来越大的作用。二、AE2000 系统介绍 AE2000 型过程控制智能仪表控制实验装置是根据自动化专业及相关专业教学特点，吸取了国外同类实验装置的特点和长处，并与目前工业自动化现场紧密联系，采用了工业广泛上使用并处于领先的智能控制系统，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出的一套基于本科，着重于研究生教学、学科基地建设的实验设备。该设备涵盖了信号和信息处理 、 传感技术 、 工程检测 、模式

3、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。整个系统美观实用，功能多样，使用方便，既能进行验证性、设计性实验，又能提供综合性实验，可以满足不同层次的教学和研究要求。 本实验装置的检测信号、控制信号及被控信号均采用 ICE 标准，即电压05V 或 15V，电流 010m A 或 420mA。实验系统供电要求三相交流电：380V，外型尺寸： 重量： AE2000 型过程控制实验装置集多参数闭环控制为一体，由过程控制对象、智能仪表模块、智能远程数据采集模块、执行器模块、信号检测模块等组成，各个模块间可

4、以灵活组合，融合了工业上的主要控制手段，涉及了温度、压力、流量和液位等重要的过程控制参数。一） 、AE2000 系统主要特点1被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数。2执行器中既有电动调节阀（或气动调节阀）仪表类执行机构，又有变频器、2三相 SCR 移相调压等电力拖动类执行器。3调节系统除了有调节器的设定值阶跃扰动外，还有在对象中通过电磁阀和手操作阀制造各种扰动。4一个被调参数可在不同动力源、不同的执行器、不同的工艺线路下可演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。5某些检测信号、执行器在本对象中存在相互干扰，二者同时进行时要对原独立调节系统的被调参数进行重新整定，还可

5、对复杂调节系统比较优劣。6各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以控制。7实验数据及图表在 MCGS 软件系统中很容易存储及调用，以便实验者进行实验后的比较和分析。该系统设计本着工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才的培养原则出发。实验对象采用了很多工业现场常用检测控制装置，仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用 MCGS 工控组态软件，基型产品控制系统既有上位监控机加智能仪表控制系统，又有上位监控机加远程数据采集计算机 DDC 控制系统。扩展信号接口便于控制系统二次开发。对象系统还留有扩展连接口，以便进行 DCS 控制，计算机 DDC 控制，PLC

6、控制开发。学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能够很快适应环境进入角色。同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开发平台。二） 、AE2000 实验对象组成结构 过程控制实验对象系统包含有：不锈钢储水箱、强制对流换热系统、上下串接的有机玻璃双容上下小水箱、三相 4.5KW 电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套组成） ，纯滞后盘管实验装置。系统动力支路分两路组成：一路由单相丹麦格兰富循环水泵、电动调节阀、涡轮流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成；另一路由小流量水泵、变频调速器、小流量电磁流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。如图所示：3 三）

7、 、AE2000 实验对象中的各类检测变送及执行装置 AE2000 实验对象检测及执行装置包括：检测装置：三个扩散硅压力液位传感器分别用来检测小流量水泵管道压力、双容上小水箱、下小水箱液位。一个电磁流量、一个涡轮流量传感器分别用来检测小流量泵动力支路流量和单相格兰富水泵动力支路流量。四个 Pt100 热电阻温度传感器分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套和对流换热器冷水出口、热水出口、纯滞后盘管出口水温。执行装置：一个三相可控硅移相调压装置用来调节三相电加热管工作电压。一个电动调节阀，一个变频器。1、液位传感器使用说明工作原理：当被测介质（液体）的压力作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，

8、经归一化差分放大和输出放大器放大，最后经 V/A 电压电流转换器转换成与被测介质（液体）的液位压力成线性对应关系的 420mA 标准电流输出信号。接线如图所示：4接线说明：传感器的端子位于中继箱内，电缆线从中继箱的引线口接入，采用两线制接法。零点和量程调整：零点和量程调整电位器位于中继箱内。校正时打开中继箱盖，即可进行调整，左边的（Z）是调零电位器，右边的（R）是调量程电位器。2、温度传感器Pt100 热电阻工作原理：接线说明：连接两端元件热电阻采用的是三线制接法。采用三线制接法是为了减少测量误差。因为在多数测量中，热电阻远离测量电桥，因此与热电阻相连接的导线长，当环境温度变化时，连接导线的电

9、阻值将有明显的变化，为了消除连接导线阻值的变化而产生的测量误差，就采用了三线制接法。即在两端元件的两端分别引出两条导线，这两条导线（材料相同、长度、粗细相等）又分别加在电桥相邻的两个桥臂上，如上图所示。3、流量计（涡轮流量计、电磁流量计）1） 、涡轮流量计：00.6m3/h2)、电磁流量计：00.3 m3/h4、压力表测量范围：0.25MPa55、电动调节阀QSVP-16N 智能电动单座调节阀主要技术参数：执行机构型式：智能型直行程执行机构输入信号：010mA/420mADC/05VDC/15VDC输入阻抗：250/500输出信号：420mADC输出最大负载：时，h（）=KR0，因而有K=h（

10、）/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 h（）/T 恒速变化，即只要花 T 秒时间就可达到稳态值 h（） 。四、实验内容四、实验内容1、设备的连接和检查（1）关闭储水箱的出水阀 1 和阀 22，将 AE2000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度） 。（2）打开以丹麦泵、

11、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水图 1-2 阶跃响应曲线20阀门：阀 1、阀 4、阀 6，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门:阀 2、阀10、阀 17、阀 20。（3） 、打开上水箱的出水阀-阀 8 至适当开度。（4） 、检查电源开关是否关闭2、系统连线图图 1-3 实验接线图1）如图 1-3 所示，将 I/O 信号接口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）接到任意一个智能调节仪的 1 端（即 RSV 的+极），上小水箱液位-（负端）接到智能调节仪的 2 端（即 RSV 的-极） 。3）将智能调节仪的 420mA 输出端的 7 端（即+极）接

12、至电动调节阀的420mA 输入端的+端（即正极） ，将智能调节仪的 420mA 输出端的 5 端（即-极）接至电动调节阀的 420mA 输入端的-（即负极） 。4）电源控制与接口面板上的单相泵电源开关打在关的位置。5）电动调节阀的220V 电源开关打在关的位置 。6）智能调节仪的220V 输入的 L 端（即 9 端）和 N 端（即 10 端）也分别接单相（220V/5A）的 2L 端和 2N 端。7）三相电源、单相、单相的空气开关打在关的位置213、启动实验装置1）将实验装置电源插头接到三相 380V 的三相交流电源。2）打开电源三相带漏电保护空气开关和总电源钥匙开关。3）按下电源控制屏上的启

13、动按钮，即可开启电源，电压表指示 380V。4、实验步骤1）开启单相空气开关，根据仪表使用说明书和液位传感器使用说明调整好仪表各项参数和液位传感器的零位、增益，仪表输出方式设为手动输出，初始值为 0。2）启动计算机 MCGS 组态软件，进入实验系统相应的实验如图所示：3）双击设定输出按钮，设定输出值的大小，或者在仪表手动状态下，按住仪表的 STOP 键将仪表的输出值上升到所想设定的值，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(回差)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，220V 电源而加热。随着水温 T 的升高，Vp 也不断增大，e

14、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，切断电热丝的供电。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 31图 3-2 位式控制系统的原理框图如图 3-2 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。被控对象为复合水箱中的电热管，被控制量为内套水箱的水温。它由铂电阻 PT100 测定，输入到智能调节仪上。根据给定值加上回差 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

15、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 位式控系统的过程曲线五、实验内容五、实验内容 1）参照装置使用说明书，按图 3-2 所示的方块图，利用 AE2000 型实验装置组成控制系统。220V 交流电源相线经过调节仪的继电器常开触点一端，引出的另一端接单相电加热管，零线接单相电加热管的零线接插座。

16、热电阻信号接调节仪的热电阻输入端。2）启动电源，分别在仪表上调节好设定值和回差 dF 的值。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。如图所示： ) .0324）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（）5）适量改变给定值的大小，重复实验步骤 4） 。6）打开以变频器、齿轮泵、电磁流量计组成的动力支路，把进水管路切换到复合小加温箱上，启动实验装置的供水系统，给复合小加温箱的外套水箱加流动冷却水，重复上述的实验步骤。六、注意事项六、注意事项

17、1）温度给定值必须要大于常温。332）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。3）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。七、实验报告七、实验报告1）画出不同回差 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。八、思考题八、思考题1）为什么缩小回差 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？34实验四实验四 单容小水箱液位单容小水箱液位 P

18、IDPID 控制系统控制系统一、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、实验设备二、实验设备1）AE2000 型过程控制实验装置、上位机软件、计算机、RS232-485 转换器 1 只、串口线 1 根。2）万用表一只三、实验原理三、实验原理PID 控制器电动调节阀上小水箱液位变送器+给定液位图 4-1 一阶单容上水箱液位控制系统的原理框图扰动35系统结构示意图：系统结构示意图：图 4-1 为单回路上小水箱液位控制系统，单回路调节系统

19、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小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，采用工业智能仪表控制。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

20、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36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 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

21、和步骤四、实验内容和步骤设备的连接和检查：（1）将 AE2000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度） 。（2）打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门：阀 24、阀 8、阀 23，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门:阀 22、阀 21、阀 20、阀 9、阀 12。（3）打开大水箱的出水阀：阀 7，至适当开度。（4）检查电源开关是否关闭系统连线1）将 I/O 信号接口板上的上小水箱液位的钮子开关打到 OFF 位置。2）将上小水箱液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的 1 端（即 RSV 的+极） ，将上小水箱液位-（负端）接到智能调节仪的 2 端（即 RSV 的-

22、极） 。3）将智能调节仪的 420mA 输出端的 7 端（即+极）接至电动调节阀的 420mA输入端的+端（即正极） ，将智能调节仪的 420mA 输出端的 5 端（即-极）接至电动调节阀的 420mA 输入端的-（即负极） 。4）单相水泵电动机的 1L 端接 TKJ-2 电源控制屏上对应的单相（220V/5A）的1L 端（或单相（220V/5A）的 2L 端） ，将 1N 端接至单相（220V/5A）的 1N端（或单相（220V/5A）的 2N 端） 。 375）电动调节阀的220 输入的 L 端接单相 （220V/5A）的 3L 端，N 端接单相 （220V/5A）的 3N 端 。6）智能

23、调节仪的220V 输入的 L 端（即 9 端）和 N 端（即 10 端）也分别接单相 （220V/5A）的 3L 端和 3N 端。7）三相电源、单相、单相、单相的空气开关打在关的位置启动实验装置1）将实验装置电源插头接到三相 380V 的三相交流电源。2）打开电源三相带漏电保护空气开关和总电源钥匙开关。3）按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源，电压表指示 380V。4）开启单相空气开关，调整好仪表各项参数（仪表初始状态为手动且为 0）和液位传感器的零位。比例调节控制1）启动计算机 MCGS 组态软件，进入实验系统选择相应的实验，如图所示：2）启动智能仪表，设置各项参数，将调节器置于手动零，

24、启动动力支路，在上位机软件上按手动按钮，即可将调节仪的手动控制切换到自动控制。2）打开所有单相空气开关，开始实验。3）观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，即可将调节器的“手动”开关拨到“自动”状态。系统即投入闭环运行。386）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。7）减小 P 重复步骤 5，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。8）增大 P 重复步骤 5，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。9）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

25、变为 60） ，同样可以得到一条过渡过程曲线。10）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，即把“I” （积分器）由最大处（“关” ） 旋至中间某一位置，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 p3）Ti、Td 固定于某一中间值，然后改变 P 的大小，观

26、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 p4）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，即把在仪表上设置 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

27、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39 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

28、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 4-3 为它的实验方块图。图 4-3 具有比例调节器的闭环系统2）在图 4-3 所示的系统中，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 4-4 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调节器名称kTi(S)Td(S)P2kPI2.2kTk/1.2PID1.6k0.5Tk0.125Tk3） 、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 ) -

29、 e 40是根据大量实验而得出的结论。若要就得更满意的动态过程（例如：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。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框图。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

30、系统无差度和动态性能的影响。注意事项注意事项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。思考题思考题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？41实验五实验五 双容下小水箱液位控制实验双容下小水箱液位控制实验一、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

31、能的影响。二、实验设备二、实验设备1）AE2000 型过程控制实验装置、上位机软件、计算机、RS232-485 转换器 1 只、串口线 1 根。2）万用表一只3)系统结构框图42三、实验原理三、实验原理图 5-1 双容水箱液位控制系统的方框图图 5-1 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。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（

32、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 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、实验内容四、实验内容（一）比例（P）调节器控制1）按图 5-1 所示的结构接成单回路的实验系统。其中被控对象是下水箱，被控制量是下水箱的液位高度。2）把调节器置于“手动”状态，其智能仪表的积分时间常数置于 0，微分时间常数置于 0，比例设置于最大值处，即

33、此时的调节器为比例调节（P） 。3）开启相关仪器和计算机软件，进入相应的实验，如图所示：智能调节仪电动阀下小水箱液位变送器+给定液位上小水箱扰动扰动434)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） 。5）观察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。6）待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） ，经过一段时间运行后，系统进入了新的平衡状态。利用秒表和LT2 液位指示仪表记录整个过渡过程曲线。7）观测由计算机历史记录曲线

34、的不同比例 P 下的过渡过程曲线，记录系统的余差 ess和超调量 p 的大小 。 表 1 不同 值下的余差 ess和超调量 p 大 中 小ess p（二）比例积分调节器（PI）控制1）在比例调节器控制实验的基础上，加上积分作用，观察被控制量是否能回到原设定值的位置，以验证系统在 PI 调节器控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。 44 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。观察加上阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同值时的超调量 p。 表 2 不同 T 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

35、小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同 P 值下超调量。必须指出过小的 P 和过小的 I 都有会导致系统的不稳定。 表 3 不同 值时的超调量 p 比例度 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（设定值由 50%变为 60%）来获得。（三）比例积分微分调节器（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，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，以看出微分 D 对系统性能的影响。2）

36、选择合适的 P、I 和 D ，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%增至 60%来实现） 。（四） 、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 （1/P） ，并且每减小一次比例度，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 ，直到输出响应曲线是等幅振荡为止，如应曲线出现发散振荡，则表示比例度 调得过小，应适当增大，使之变为等幅振荡。图 6-2 为该系统的实

37、验方块图。45图 5-2 具有比例调节器的闭环的系统 2）在图 5-2 所示的系统中，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，根据图 5-3 所示的振荡曲线，按下表可确定 PID 调节器的三个参数 和 Ti 、Td 。图 5-3 具有周期 Tk 的等幅振荡 表 4 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)P2kPI2.2kTk/1.2PID1.6k0.5Tk0.125Tk 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调整，有可能系统的动态性能不够理想。因为表中数据是建立在大量实

38、验基础上得出的结论。若要获得更满意的动态过程（例如在阶跃作用下，输出作 4：1 地衰减振荡） ，则应对表格中给出的参数稍作适当调整。五、实验报告要求五、实验报告要求 - e 0K461）画出双容水箱液位控制实验系统的结构图。2）按图 5-2 要求接好实验线路，经老师检查无误后投入运行。3）用临界比例度法整定三种调节器的参数，并分别列出系统在这三种调节器控制下的余差和超调量。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 对系统性能的影响。7）综合评价 P、PI、和 P

39、ID 三种调节器对系统性能的影响。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）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，开启单片机控制屏和计算机系统。七、思考题七、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）有人说：由于积分作用增强，系统会不稳定，为此在积分作用增强的同时应增大比例度 ，你认为对吗？为什么？4）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？5）为什么微分作用的引入必须缓慢进行？这时的比例度 是否要改变？为

40、什么？6）调节器参数（、Ti 和 Td）的改变对整个控制过程有什么影响？47实验六、锅炉温度连续控制实验实验六、锅炉温度连续控制实验一、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1） 、AE2000 型过程控制实验装置，配置：计算机、RS232-485 转换器 1 只、串口线 1 根2） 、计算机软件系统 3）系统结构图 图 6-1 系

41、统结构框图 48三、实验原理三、实验原理 +给定值 - e T T 温度 图 6-2 温度控制系统图 6-1 为一个闭环单回路的锅炉内胆温度控制系统的结构框图，锅炉内胆为静态水，变频器、齿轮泵供水系统在实验之前通过阀 10 将锅炉内胆的水装至适当高度，阀 13 关闭。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，采用工业智能 PID 调节。四、实验内容四、实验内容（一）比例调节器（P）控制1）按图 6-2 所示方框图的要求接成实验系统。2）打开阀 2、阀 10，关闭阀 9、阀 13，启动变频器、齿轮泵往锅炉进水，约经1-2 分钟后，关闭变

42、频器。3）开启相关仪器和计算机软件，进入相应的实验，如图所示：调节仪电加热管温度传感器494)把智能调节器置于“手动” ，输出值为小于等于 10，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。5）运行 MCGS 组态软件，进入相应的实验，观察实时或历史曲线，待水温（由智能调节器的温度显示器指示）基本稳定于给定值后，将调节器的开关由“手动”位置拔至“自动”位置，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（可通过改变智能调节器的设定值来实现） 。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

43、，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 1 中。 表 1 不同比例度 时的余差和超调量P 大 中 小ess p6） 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 2 不同 Ti 值时的超调量 pP大中小超调量 p3）固定

44、 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 3 不同 值时的超调量 p比例 P大中小超调量 p4）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。50 表 4、不同 D 时的超调量和余差D 大 中 小essp2）选择合适的 P 和 D 值 ，

45、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

46、确定，这种方法既简单又较实用，它的具体做法是：图 6-3 具有比例调节器的闭环系统1)按图 6-3 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 6-4 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 图 6-4 具有周期 TK 等幅振荡 + e 51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。 表 5 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)P2KPI2.2KTK/1

47、.2PID1.6K0.5TK0.125TK3）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。（六）PID 参数自整定的连续温度控制 当发现 AI 人工智能调节效果不佳时可启动自整定功能（具体操作参考 AI人工智能工业调节器使用说明书） 。当自整定结束后，以前所设的 PID 参数会被整定出来的参数所代替，并自动将 CTRL 参数设为 3，这样就无法再次从面板上启动自整定功能，可以避免人为的误操作再次启动自整定。

48、之后系统直接将整定出来的参数投入运行。根据自整定得出的参数去控制被控对象，若对此效果不是很满意，可根据输出特性，在自整定参数的基础上适当修改一下参数，即可达到满意的效果。 一般通过自整定得出的 P、I、D 参数，效果都比较好。超调量小，过渡过程时间缩短。但如果一开始，温控对象的温度不是最低，也就是说自整定寻求的最大斜率并不一定是真正的。此时自整定得出的 P、I、D 参数并不一定很理想。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

49、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。523）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

50、续温控与断续温控有何区别？为什么？53实验七实验七 电磁流量计流量控制系统电磁流量计流量控制系统一、实验目的一、实验目的1）了解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。3）研究 P、PI 和 PID 调节器对系统的控制效果。4）改变 P、PI 和 PID 调节器的参数，观察它们对系统性能所产生的影响。二、实验设备二、实验设备1）AE2000 型过程控制实验装置：上位机软件、计算机、RS232-485 转换器 1 只、串口线 1 根。2）万用表一只三、实验原理三、实验原理 1、电磁流量计的工作原理简介电磁流量计由电磁流量传感器和电磁流量转换器组成，如图 7-1 所示。传感器能

51、将流量这个非电量变成极微弱的电信号，而转换器能将这个电信号转换成标准统一的连络信号：010mADC 或 420mADC 以及 01000Hz 的标准频率脉冲信号供后位仪表使用，达到流量测量的目的。 图 7-1 电磁流量计的组成1）传感器的工作原理电磁流量传感器是基于法拉第电磁感应定律而制成的，只是其中切割磁力线的导体不是一般的金属，而是具有一定电导率的液体或液固两相流体。在图 7-2中，当导电流体在磁场中的导管内作切割磁力线运动时，则在运动的流体内产 yxIsx B E54生感应电动势 E，此感应电动势的方向与流速 V 垂直，也与磁通密度 B 垂直，其大小与流速及磁通密度的乘积成正比。电动势由

52、一对金属电极检测，电动势E 的大小可用（1）式表示。 B磁通密度（T） ；D导管内径（m） ； K比例常数；图 7-2 传感器的工作原理 式中 K、D 为常数，由于采用恒流励磁，故 B 也是常数。由上式可知，体积流量 Q 与 E 成正比，因此，只要测出 E 就可确定流量 Q，这就是电磁流量传感器的工作原理。2）转换器的工作原理 图 7-3 是转换器的原理框图。图 7-3 转换器原理框图(1) VKBDE(3) 4 :(2)(1)(2) 4 : )2()/Q( , 23mEKBDQVDQS式可得式和由式表示可用量通过导管的瞬时体积流另一方面 S2 Is -ffU BED x；（通过导管的平均流速

53、)/smV55由图 7-3 可知，V/F 转换的频率信号 f 与励磁电流信号 Is 通过乘法器相乘后得到整机负反馈信号 uf与前置放大器的输出信号 u 相比较，其差值信号 经主放大器、采样保持电路、直流放大、V/F 转换器变成频率信号 f，使输出频率与流体感应电动势成正比，而与磁励电流变化、励磁线圈阻抗变化、供电电源电压变化及频率变化、开环电路传递系数的变化均无关系，大大降低了对元器件的要求， 实现了对感应电动势的高精度、高稳定、高可靠性的测量。光电隔离后的频率信号经分频后得到 01000Hz 的频率脉冲信号输出，同时经F/I 转换单元之后变成模拟量输出：010mA 或 420mA 或 020

54、mA。另外，频率信号进入显示电路，可实现对瞬时流量和累积总量的数字显示。时序脉冲发生器是产生各种脉冲波形，完成采样保持和三值波恒流励磁的作用，使整个转换器和传感器在各个脉冲的控制下同步地进行工作。转换器中所有电子器件均焊接在印制电路板上，而印制板则固定于铝合金制成的外壳内。3）电磁流量计型号与技术指标 型号：LDB-10LM1F0-0.16 技术指标：（1）流量范围：0.16m3/h （2）流速范围：0.5 m/s （3）额定工作压力：1.6MPa （4）电导率范围：被测介质电导率应不小于 10us/cm （5）精确度等级：1.0 （6）输出信号：010mA.DC （7）供电电源：220VAC

55、，50Hz2、流量单回路控制系统 图 7-4 流量控制系统 由上述实验可知，负反馈控制系统的一个主要优点是输出量（被控制量）经检测元件检测后反馈到系统的输入端与给定值相比较，所得的偏差信号经调节器处理后变成一个对被控过程的控制信号，从而实现被控制量排除系统内外扰动的影响而基本保持不变的目的。图 7-4 所示的流量控制系统就是这样一种系统。该系统的输出跟着给定量的大小而变化。 C12 56 流量控制系统与液位控制系统一样，它的控制质量完全取决于所用调节器的形式及其参数的大小 。比例调节 P 是调节比例度 来实现对系统的控制作用。一般言之， 越小，系统的余差也越小，但超调量等动态性能指标变差。反之

56、， 越大，系统的余差也越大，系统的动态过程缓慢，超调量变小。比例积分（PI）调节器产生的控制作用有 2 个部分：与偏差成比例部分和偏差的积分部分。由于积分的作用，可使系统无余差产生，但积分时间常数不能太小，不然系统会变成不稳定。比例积分微分（PID）调节器既可以实现系统无余差，又能改善系统的稳定度和响应的快速性，其可调参数有 3 个：、Ti 和 Td。四、实验内容与步骤四、实验内容与步骤1）利用实验装置,信号接口面板上电磁流量计的测量信号组成图 7-4 所示的单回路流量控制系统。2）把调节器置于“手动”状态，积分时间常数为零，微分时间常数为零，根据仪表使用说明设定比例 P，设置相关的参数，使调

57、节器工作在比例调节上。3）开启相关仪器和计算机，运行软件，进入相应的实验，如图所示：4)、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） 。4）运行 MCGS 组态软件，进入实验系统相关的实验。574）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，即可将调节器由“手动”状态切换到“自动”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 1 不同值时的余差和超

58、调量 P大中小 essp 5）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 2 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

59、，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 3 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，58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

60、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 7-5 所示。图 7-5 具有周期 TK 的等幅振荡 图 7-6 具有比例调节器的闭环系统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 4 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) P 2k PI 2.2k Tk/1.2 PID 1.6k 0.5Tk 0.125Tk3）必