计算机过程控制系统(DCS)课程实验指导书

1、计算机过程控制系统（DCS）课程实验指实验一、单容水箱液位PID整定实验1、2、3、一、实验目的通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。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AE2000A型过程控制实验装置、JX-300X DCS控制系统、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、网线1根、24芯通讯电缆1根。三、实验原理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。本系统所要保持的参数是液位的给 定

2、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SUPCON JX-300X DC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。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5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

3、于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数5, 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）。但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而 对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。对于我们的实验系统，在 单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2-16中的曲线、所示。四、实验内容和步骤1、设备的检查和连接1）.关闭排水阀门，检查 AE2000A型过程

4、控制对象的储水箱水位是否达到总高度的以上，如不够，灌水。2）.打开以循环泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。3）.打开上水箱泄水阀，开至适当的开度。4）.检查电源开关是否关闭。2、系统连线如图2-17所示：DCS接线端子排HFHBDBGGAAD BF DH FE C5（I/O航空插座接线端子）单容水箱液位PID参数整定控制系统接线图线，按图2-17的连法，接到对应的 DCS接线端子排上。G EC4EC A65图 2-171）.将24芯通讯电缆I/O将24芯通讯电缆 H-1端即上水箱液位+ （正极）接到DCS接线端子排的5-E端（即SP313 电流信号输入板的

5、正极），将24芯通讯电缆H-4端上水箱液位（负极）接到DCS接线端子排的5-F端（即SP313电流信号输入板的负极）。500 Q电阻。将DCS接线端子排的6-G端（即SP322模拟信号输出板的正极），接至24芯通讯电缆H-19 端即调节阀的210V输入端的+端（即正极），DCS接线端子排的6-H端（即SP322模拟信号输 出板的负极），接至24芯通讯电缆H-20端即调节阀的210V输入端的-端（即负极），并且在 DCS接线端子排的6-G端和6-H端间连接一2）.用网线将上位机与 DCS连接起来。3）.电源控制板上的电源空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。3、启动DCS1）.将DCS控制柜的电

6、源插头接到 220V的单相交流电源。2）.打开DCS控制柜后的两个空气开关，给控制柜散热风扇、交换机和系统电源供电。3）.打开DCS控制柜前的两个电源开关，启动DCS系统。4、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）.将电源控制板上的“漏电保护开关”打开。,给实验装置和控制柜供电。,给循环泵供电。,给电动调节阀供电。开关，给信号检测仪表供电。“电源总开关”“单向泵”开关“调节阀”开关“ 24VDC电源”3）.打开4）.打开5）.打开6）.开启5、比例调节控制1）.启动“AdvanTrol-Pro 实时监控”软件，进入实验系统选择相应的实验，如图1所示：-濡EM t

7、tfl*)i n ikkJUi<$)ID EV 0$GflKfl4#:上水箱液位PTD参数整定控制实验上水菊7 Cl 0 cm图 1 Adva nTrol-Pro2）.点击“液位控制”下方数字（文本框）“实时监控一流程图”画面，弹出“显示仪表（回路）”窗口。点击“ 4#单回路”按钮，进入 “ AdvanTrol-Pro 实时监控软件一调整画面”M 粉蜀 jL& *1旦1县yj|如图2所示。创atI三J二一迂.AiIwstiItwI yriiS-U-J亘瞪AATH工琳卑桩：=冃钢陆a軒島1I0XW0高;琳呼100100蔺出上PR=u«.oo運吐帀IH.札W(1a祝HPir

8、)i tooWiiTW-».(1411(M 门 7ft电血1 II IIIfc例P =Fu：定鳖A141他鴨!RlCdiiiiD骨 I =.(iE 令快刑死 E ECvino林分n =0甘Dja?4?1行机啊：3C悟5ajQjuofe ICTiio.ni 7駅%lU：ZliClltl.S910:36：lD：lSr33IC：13e53W：E3S16'fl冇器t正偉用 反年用霑：I 9HbFT;51：IF!tS 1 QJffi韶IHI里I zmi# iw.WC无 0,0 lO注：图2或设定值图2 AdvanTrol-Pro实时监控软件一调整画面中设定值10cm比例系数40,积分时

9、间0.66分，微分时间3秒，泄水阀半开。10cm比例系数20，积分时间0.33分，微分时间3秒，泄水阀全开。3）.设定给定值，按表1逐一调整比例度（P）。4).5) .6) .7).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。按表1逐一调整比例度（继续减小比例度重复步骤度和临界振荡周期值。选择合适的比例系数（K）得到一条过渡过程曲线。注意：每当做完SV=10cm时，P）,重复步骤3,观察过渡过程曲线，并记录余差大小。3,观察过渡过程曲线，直到出现等幅震荡，并记临界比例，可以得到较满意的过渡过程曲线。改变

10、设定值，同样可以P=（1/K）x100%次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。比例度（P）%6030105稳态测量值PV余差(SV-PV)8）.当设定值表16、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，观察被控制量是否能回到设定值，以验证2）.选择合适的 K和Ti值（P=60%,Ti=0.66即在界面上设置积分时间（Ti ）不为0，PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。分），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（如设定值变化20%,SV由10cm变到12cm）来获得。7、比例积分微分调节（PID）控制1）.在PI调节器

11、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微分时间（Td）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 PI控制下的曲线相比较，由此可看到微分时间（Td）对系统性能的影响。2）.选择合适的K、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突变 20%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。&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）.在只有比例调节作用下（将积

12、分时间放到最大，微分时间放到最小），先把比例系数K放在较小值上，然后逐步增加调节器的比例系数，并且每当增加一次比例系数，待 被调量回复到平衡状态后，再手动给系统施加一个5%15喲阶跃扰动，观察被调量比例煎数 冇无讨变化的动态过程。若被调量为衰减的振荡曲线，则应继续增加比例系数，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，则表示比例系数调节得 过大，应适当减少，使之出现等幅振荡。图2-19为它的实验方块图。图2-19具有比例调节器的闭环系统2）.在图2-20系统中，当被调量作等幅荡时，此时的比例系数K就是临界比例系数，用Km表示之，此时的临界比例度为5k ,5 k= 1/Km，

13、相应的振荡周期就是临界周期Tm。4、PID调节器的三个参数5、Ti 和 Td。1、2、P调节器控制时，不同5值下的阶跃响应曲线。PI调节器控制时，不同5和 Ti值时的阶跃响应曲线。 PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分 D的作用。P、PI和PID三种调节器对系统无差度和动态性能的影响。1、2、据此，按下表可确定表2-12用临界比例度5 k整定PID调节器的参数节器参数调节器名称7、比例度5(5=1/K)积分时间Ti（S）微分时间Td（S）P25 kPI2.2 5 k0.85T mPID1.7 5 k0.5Tm0.13Tm3）.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

14、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的衰减振荡），则要在表格给出参数的基础上，对5、Ti （或Td）作适当调整。五、实验报告要求画出单容水箱液位控制系统的方块图。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。 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。 作出 作出 画出 比较八、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。 七、思考题实验系统在运行前应做好哪些准备工作？为什么要强调无扰动切换？试定性地分析三种调节器的参数K、（ K、Ti ）和（K Ti和Td）的变化对控制过程各产生

15、什么影响？如何实现减小或消除余差？纯比例控制能否消除余差？上水箱中水箱液位串级控制实验一、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、实验设备AE2000A型过程控制实验装置、JX-300X DCS控制系统、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、网线1根、24芯通讯电缆1根。三、实验原理上水箱液位作为副调节器调节对象，中水箱液位做为主调节器调节对象。控制框图如图12-1所示：扰动扰动主调节器副调节器调节阀1_*上水箱液位T1 丄*中水箱液位副回路

16、传感器1!<主回路 丨液位传感器212-1、上水箱、中水箱液位串级控制框图四、实验内容和步骤1、设备的连接和检查：（1 ）、打开以循环泵、调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门，关闭动力 支路上通往其他对象的切换阀门。中水箱的出水阀至全开。（2）、打开上水箱出水阀至半开，（3 ）、检查电源开关是否关闭DCS接线端子排55（I/O航空插座接线端子）上水箱、中水箱液位串级控制系统接线图 按图2-17的连法，接到对应的 DCS接线端子排上。图2-2I/O 线，H-1端即上水箱液位+ （正极）接到DCS接线端子排的5-E端（即SP313，将24芯通讯电缆H-2端即中水箱液位+ （正极

17、）接到DCS接线端子2、系统连线图：HFDBHFDBHFDBH-201H-4 11Q 1H-191H-2H-111GEC.AGECAGECA64641）.24芯通讯电缆将24芯通讯电缆 电流信号输入板的正极） 排的5-G端（即SP313电流信号输入板的正极），将24芯通讯电缆 H-4端上、中水箱液位一（负极、接到 DCS接线端子排的5-F端（即SP313电流信号输入板的负极）。将DCS接线端子排的6-G端（即SP322模拟信号输出板的正极），接至24芯通讯电缆H-19 端即调节阀的210V输入端的+端（即正极），DCS接线端子排的6-H端（即SP322模拟信号输 出板的负极），接至24芯通讯电

18、缆H-20端即调节阀的210V输入端的-端（即负极），并且在DCS接线端子排的6-G端和6-H端间连接-500 Q电阻。2) .用网线将上位机与 DCS连接起来。3) .源控制板上的电源空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。3、启动DCS1) .将DCS控制柜的电源插头接到 220V的单相交流电源。2) .打开DCS控制柜后的两个空气开关，给控制柜散热风扇、交换机和系统电源供电。3) .打开DCS控制柜前的两个电源开关，启动DCS系统。4、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。,给实验装置和控制柜供电。,给循环泵供电。,给电动调节阀供电。 开关，给信号检测仪表供电

19、。2) .将电源控制板上的“漏电保护开关”打开。“电源总开关”“单向泵”开关“调节阀”开关“ 24VDC电源”3) .打开4) .打开5) .打开6) .开启 5、上水箱、中水箱液位串级控制1).启动“ AdvanTrol-Pro实时监控”软件，进入实验系统选择相应的实验，如下图所示:咛I日辽 |寸一 硼世也2|灌.旦 2Lli<>Z+I123iq 75.曲陆4#：上、中水箱液位串级控制实龄rF r n吋 IS P1Q- II E，内环控制79.6外环控制10.0+4*图3、“ AdvanTrol-Pro实时监控”软件界面2).点击“内/外环控制”下方数字(文本框)，弹出“显示仪表

20、(回路)”窗口。 点击“4#串级”按钮，进入 “ AdvanTrol-Pro 实时监控软件一调整画面”如图4/图5所示。3).点击工具栏上址可完成“串级内环”与“串级外环”调整画面之间的切换。流程图按钮，返回图3“AdvanTrol-Pro 实时监控软件一流程图”*4* 丁 r .1 廿 W S WAte ttft I6惟1吗© -冲端 世 *£玛|竺bj|/叠 :师也W 彎丿LqrD：3IL23fifilSiifi工秤*c- afr i用; lTW： 阳區tv：匕 培定位刖= 拦鬼Lfin上 集 * ny=cm100. WO(I.HId0W(J-122目ft牡恚- 晡出上

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