A3000过程控制实验指导书(实验用)

1、 A3000过程控制实验系统实验指导书V3.0 第一章安全注意事项与设备使用安全注意事项：在安装、操作、维护或检查本系统之前一定仔细阅读以下安全注意事项。在熟悉设备的知识、安全信息及全部有关注童事项以后使用。在本使用说明书中，将安全注意事项等级分为“危险”和“注意”。！危险：不正确的操作造成的危险情况，将导致死亡或重伤的发生。！注意：不正确的操作造成的危险情况，将导致一般或轻微的伤害或造成物体的硬件损坏。注意：根据情况的不同，“注意”等级的事项也可能造成严重后果。请遵循两个等级的注意事项，因为它们对于个人安全都是重要的。1.防1止触电尽管系统经过多层保护，还是请用户注意以下安全事项。！危险严格

2、要求系统可靠接地，包括现场对象系统，控制系统，接地电阻不大于4欧姆。当通电或正在运行时，请不要进行任何维护、维修操作，不要打开机柜后门，接线箱盖子，变频器前盖板，否则会发生触电的危险。即使电源处于断开时，除维护、维修外，请不要接触任何具有超过安全电压的裸露端子，否则接触各种充电回路可能造成触电事故。请不要用湿手操作设定各种旋钮及按键，以防止触电。对于电缆，请不要损伤它，不要对它加过重的应力，使它承载重物或对它钳压。否则可能会导致触电。包括布线或检查在内的工作都应由专业技术人员进行。在开始布线或维修之前，请断开电源，经过10分钟以后，用万用表等检测剩余电压后进行。1.防2止烫伤！危险不要接触热水

3、管道，避免高温烫伤。在热水没有冷却时，不要打开锅炉，不要进行任何维修维护工作。请尽量控制水温在70度以下，以免高温烫伤，提高产品寿命。防3止损坏！危险在水泵运行状态，绝对禁止进行水泵切换控制操作，否则可能损坏变频器。！危险在水箱水位没有达到一定高度，不能启动调压器输出，否则可能损坏加热器。该系统增加了硬件的连锁保护，但是也要在操作时注意。系统应远离可燃物体。系统发生故障时，请断开电源。否则系统可能因电流过大导致火灾。各个端子上加的电压只能是使用手册上所规定的电压，以防止爆裂、损坏等等。确认电缆与正确的端子相连接，否则，可能会发生爆裂、损坏等等事故。始终应保证正负极性的正确，以防止爆裂、损坏等。

4、1.现4场系统组成A3000现场系统(A3000-FS和A3000-FBS)包括三水箱，一个锅炉，一个强制换热器,两个水泵，两个流量计，一个电动调节阀。其他还包括加热管，大水箱。图见1-4-1。1.控5制系统组成A3000控制系统(A3000-CS)包括了传感器执行器I/O连接板、三个可换的子控制系统板，第三方控制系统接口板。整个部分设计在一个工业机柜中，开放性极强。一个前门，保证了设备防尘、散热等需要。内部结构设计合理，布线完全按照工业要求，整齐、可靠。系统结构如图所示。左边是机柜布置简图，右边是各个控制系统的半模拟屏简图。A3000高级过程控制实验系统独创现场系统概念，而不是对象系统。现场

5、系统包括了实验对象单元、供电系统、传感器、执行器（包括变频器及调压器）、以及半模拟屏，从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境。1、A3000特点（1）现场系统通过一个现场控制箱，集成供电系统、变频器、移相调压器、以及现场继电器，所有驱动电力由现场系统提供。它仅需通过标准接线端子接收标准控制信号即能完成所有实验功能。从而实现了现场系统与控制系统完全独立的模块化设计。（2）现场控制箱侧面是工业标准接线端子盒。这种标准信号接口可以使现场系统与用户自行选定的DCS系统、PLC系统、DDC系统方便连接，甚至用户自己用单片机组成的系统都可以对现场系统进行控制。（3）现场系统的设计另外

6、的优势是保证动力线与控制线的电磁干扰隔离。（4）现场系统的设计保证了控制系统只需要直流低压就可以了，使得系统设计更模块化，更安全、具有更大的扩展性。12.78锅炉0.09A3000-FS系统结构原理图如图2-1-1所示。10.049.87-013大功率加热管，滞后启动清错设定频率Ei.SEj图2-1-1*3000现场系统结箱一个锅炉R统，一个硬件联锁保护系统匚个工业用板式换热器，两个水泵;0.00调整的滞町执行器系1.02X-大储水箱30001 统包括5个温度、3个液位、1个压力，1个电磁流量计，1个涡轮流量计，1个电动调节阀，两个电磁阀，2个液位开关。2、现场系统面板左侧设置：0电源：220

7、VAC单相电源开关，380VAC三相电源开关。0开关：三个旋钮开关，分别是1#、2#工频电源开关，以及变频器控制水泵的开关。可以拔出上面水泵的电力连线，连接到不同的位置，从而更改革个水泵的电力来源。可以是工频，也可以是变频器。如果用户不需要变频调速，则建议全部使用工频控制。按照设计，使用变频器控制的水泵，其面板对应的指示灯可能不工作，因为变频器可能输出0-50Hz,而继电器不能工作。0两个拨动开关，分别是现场系统照明用电源开关，以及变频器STF（正转）控制开关。注意在机柜上还有并联的一个STF控制端，如果要设置工作模式，请断开该控制端。为了避免控制逻辑太复杂，我们一般不连接机柜上的这个开关。0

8、电压表：显示加在调压器上的电压值。0变频器：对于A3000FBS系统，则具有ProfibusDP控制端子。面板右侧是现场系统的模拟屏，安装有5个指示灯和滞后管系统的两手动调节阀。当两个水泵、两个电磁阀开启时，其状态指示灯分别点亮。当锅炉内水位超过低限液位开关时，液位开关闭合，联锁控制指示灯点亮，可以开始对锅炉加热。3、支路分析现场系统包含两个支路。支路1有1#水泵，换热器，锅炉，还可以直接注水到三个水箱以及锅炉。支路2有2#水泵，压力变送器，电动调节阀，三个水箱，还有一路流入换热器进行冷却。（1）支路1分析支路1包括左边水泵，1#流量计，电磁阀等组成，可以到达任何一个容器，锅炉以及换热器。水泵

9、可以使用变频器控制流量，电磁阀可能没有。由于支路1可以与锅炉形成循环水，可以做温度控制实验。为了保证加热均匀，应该使用动态水，本系统设计了一个水循环回路来达成此目的。即打开JV304、JV106、XV101，关闭其它阀门（注意JV104），开启1#水泵，则锅炉内的水通过1#水泵循环起来。锅炉内有高、低限两个液位开关，可以进行联锁保护。当锅炉内液位低于低限液位开关时，液位开关打开，加热器无法开启。当液位超过它时，液位开关合上，加热器信号连通，因此可以防止加热器干烧。高限液位开关有两个作用：第一，当锅炉内水温超过温度上限时，通过联锁控制，打开2#电磁阀，注入冷水，使锅炉内温度快速下降；第二，当锅炉

10、内水量超过液位上限时，高限液位开关闭合，通过联锁控制，关闭2#电磁阀，不再注入冷水。支路1上有一个工业用板式换热器，其冷、热水出口各有一个温度传感器，可以做热量转换实验。锅炉底部连接有滞后管系统。打开JV501、JV502，关闭JV503，锅炉内的水只流过第一段滞后管，进入储水箱。打开JV503，关闭JV502，水流过两段滞后管，即增加了滞后时间。在滞后管出口装有一个温度传感器，可以做温度滞后实验。(2)支路2分析支路2包括右边的水泵，2#流量计，压力变送器，电动调节阀。可以到达任何一个容器，锅炉以及换热器。水泵可以使用变频器控制流量，也可以使用电动调节阀，对于小流量使用调节阀比较准确，对于要

11、求快速控制的，则使用变频器比较方便。支路2有一个电动调节阀，配合三个水箱(各装一个压力变送器)，可以做单容、双容、三容实验，以及液位串级实验、换热器温度串级实验，以及换热器解藕控制实验。水箱装有压力变送器，测得水箱的压力信号，之后转换为液位信号。 组态王组态软件，除了从程序组中可以打开组态王程序，安装完组态王中后，在系统桌面上也会生成组态王工程管理器的快捷方式，名称为“组态王6.5”。STEP7是用于SIMATICS7-200,S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件。它可以运行在Windows98、Windows2000、WindowsMe、WindowsXP操作系统上。我们所

12、采用的通讯方式为PC/PPI编程电缆，用于S7-200编程口RS-485与PC机RS-232端口的连接。编程语言可以使用梯形图(LadderDiagram)、功能块图(FunctionBlockDiagram)、语句表(StatementList，也称指令表)。温度、压力、液位和流量1、Pt100热电阻由于我们的系统被测介质不会超过100度,所以一般采用Ptioo热电阻，以便获得比较高的精度。当然也可能使用热电偶，以便让学生学会更多的温度测量方案。Pt100使用两线制或三线制接法，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

13、时，连接导线的电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，如图所示。Pt100电阻在零度时为100欧姆，温度每升高一度，电阻增加大约0.4欧姆，但是不是非常线性的。使用万用表就可以测量温度。现场系统的温度传感器为热电阻，量程为C,采用导线补偿，即将、短接。输出信号为电流信号。温度变送器零点、量程调节方式：将热电阻换成Q标准电阻，调整零点调节螺钉，当测量仪表显示时，零点已调好。将热电阻换成Q标准电阻，调整量程调节螺钉，当测量仪表显示时，量程已调好。一

14、般情况下，温度变送器在出厂时已校好，不需用户调整。温度的范围在当前温度到，之间，最好不要超过C。按照学校要求，可能有热电偶，一般使用康-铜热电偶。2、液位压力传感器液位压力传感器是两线制接法，输出信号为420mA电流信号。如图2-2-2所示:传感器变送电路o24VDCoaib图2-2-2压力传感器接线原理图-端口ab之间接负载（250500Q）。检验压力传感器信号时，在ab之间串一个标准电阻，然后测其上的压降，可以算出ab间的电流。无水时应显示3.854.00mA，吹入空气，电流值增大。液位传感器实际是一个压力传感器。当水箱中没有水时，ab间的电流应当为4.00mA（标准状态），但由于安装位置

15、原因，ab间的电流约为3.84.0mA（百特仪表量程范围设为420mA）。如果误差比较大，贝I可以在控制系统中进行校正。例如如果测量值低于4毫安，则直接显示0。然后测量值上加上一定高度，从而获得比较准确的液位高度。一般过程控制不要求这个绝对高度。注意：加电几分钟后才能获得准确数值。液位的控制范围在0%-85%之间，而电流范围在4-17.5mA之间。压力的控制范围在35%-70%之间，而电流范围10-15.5mA之间。3、涡轮流量计涡轮流量计有两种，一种是直接脉冲输出，然后连接到流量积算仪，或者脉冲计数器，例如ADAM4080,采集卡的计数器端等；一种是带4-20毫安标准两线制信号输出。脉冲输出

16、型涡轮流量计采用三线制接法，如图2-2-3：三=o12VDC涡轮流量计一o_TLT1-图2-2-3涡轮流量计接线原理图涡轮流量计输出脉冲信号，具有一个流量系数（例如LWGY-15型号为760780立方米/小时，LWGY-10型号为15501570Hz/立方米/小时）。需要经过流量积算仪或其他频率计数器才能获得4-20毫安的数据。如果发现有涡轮流量计的水泵支路水流量不够，请确认JV104打开，JV304关闭。否则就需要拆下涡轮流量计滤网进行清洗。采用4-20毫安标准两线制的涡轮流量计则直接按照如图2-2-4接法：传感器变送电路O24VDCoa信号正图2-2-4涡轮变送器接线原理图丫b信号负 注意

17、：LWGYA-15型号的量程范围0-5立方/小时。该型号测量小流量（0.6立方/小时）信号下精度不足。流量控制范围可以0%-32%。为了保证低流量下的精度，我们可以使用满量程1.2立方/小时的涡轮流量计LWGYA-10，所以如果超过量程，则可以关闭少一些阀门。流量控制范围可以0%-100%。4、电磁流量计电磁流量计采用四线制接法，如图2-2-5所示220VAC电磁流量计420mADCco图2-2-5电磁流量计接线原理图一般不要在没有水的情况下给电磁流量计加电。使用前请仔细阅读产品说明书。开启水泵，将电磁流量计信号输入百特仪表（量程设为03立方/小时），会看见流量值。电磁流量计液晶屏上会显示瞬时

18、流量与累积流量值。注意：不要在没有水的情况下给电磁流量计加电。加电几分钟后才能获得准确数值。为了保证低流量下的精度，我们使用了满量程3立方/小时的电磁流量计，依据水泵的最大流量。流量控制范围可以0%-55%。5西门子变频器西门子变频器可以BOP面板操作，可以4-20毫安控制，可以使用PROFIBUS-DP总线控制。西门子变频器是带PROFIBUS-DP总线的，通过PROFIBUS-DP总线与控制器连接。可以由单相/三相230V直流供电，本系统采用220V单相交流电。单相电源接线方式如图2-2-7所示：图2-2-6MICROMASTER420变频器的连接端子可遗fh越謎洁!aMICMhSASIE

19、K.百只A+4t宦鬧机图2-2-7电源接线方式本系统使用了变频器的STF功能，其控制线接端子5和8，速度调节控制线接端子3和4，端子U、V接负载。变频器的操作面板上需要提供24V直流电源。即使变频器不处于运行状态，其电源输入线，直流回路端子和电动机端子上仍然可能带有危险电压。因此，断开开关以后还必须等待5分钟，保证变频器放电完毕，再开始安装工作。注意：变频器的控制电缆，电源电缆和与电动机的连接电缆的走线必须相互隔离。不要把它们放在同一个电缆线槽中/电缆架上。使用前请参照产品说明书（中文）420opichn.pdf按钮功匕匕厶冃功能说明状态显示LCD显示变频器当前的设定值。起动变频器按此键起动变

20、频器。缺省值运行时此键是被封锁的。为了使此键的操作有效，应设定P0700=1。停止变频器OFF1：按此键，变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车.缺省值运行时此键被封锁；为了允许此键操作，应设定P0700=1。OFF2:按此键两次（或一次，但时间较长）电动机将在惯性作用下自由停车。此功能总是“使能”的。改变电动机的转动方向按此键可以改变电动机的转动方向。电动机的反向用负号（）表示或用闪烁的小数点表示。缺省值运行时此键是被封锁的，为了使此键的操作有效，应设定P0700=1。电动机点动在变频器无输出的情况下按此键，将使电动机起动，并按预设定的点动频率运行。释放此键时，变频器停车。如果变频器/电动机正

21、在运行，按此键将不起作用。功匕匕厶冃此键用于浏览辅助信息。变频器运行过程中，在显示任何一个参数时按下此键并保持不动2秒钟，将显示以下参数值（在变频器运行中，从任何一个参数开始）：直流回路电压（用d表示-单位：V）输出电流（A）输出频率（Hz）输出电压（用o表示-单位：V）5由P0005选定的数值（如果P0005选择显示上述参数中的任何一个（3,4，或5），这里将不再显示）。连续多次按下此键，将轮流显示以上参数。跳转功能在显示任何一个参数（rXXXX或PXXXX）时短时间按下此键，将立即跳转到rOOOO,如果需要的话，您可以接着修改其它的参数。跳转到rOOOO后，按此键将返回原来的显示点。访问参

22、数按此键即可访问参数增加/减少数值按此键即可增加/减少面板上显示的参数数值。一些重要参数的含义P0010开始快速调试0准备运行1快速调试30工厂的缺省设置值P0700选择接通/断开/反转（on/off/reverse）命令源0工厂设置值1基本操作面板（BOP）2模入端子/数字输入6来自总线命令。如果使用Profibus总线，则需要设置这个参数。注意要P0917=0。P1000选择目标频率设定值来源0无频率设定值1用BOP控制频率的升降2模拟设定值6来自总线命令。如果使用Profibus总线，则需要设置这个参数。注意要P0917=0。P0004参数过滤器2变频器4PI比例积分控制器10设定值通道

23、和斜坡函数发生器20通讯22变频器PID控制参数P0003参数访问级变频器的参数有4个用户访问级；即标准访问级，扩展访问级，专家访问级和维修级。访问的等级由参数P0003来选择。对于大多数应用对象，只要访问标准级（P0003=1）和扩展级（P0003=2）参数就足够了。如果使用总线控制，可以使用P0003=3，具有更高等级访问更多参数。P0970复位到原厂默认值操作常用操作模式有三种：BOP面板操作。一般先P0010=30,P970=1，把其他参数复位，然后设定P0010=0、P0700=1、P1000=1。4-20毫安控制，一般先P0010=30,P970=1，把其他参数复位，然后P0010

24、=0、P0700=2、P1000=2。Profibus总线控制，一般先P0010=30,P970=1，把其他参数复位，然后P0010=0、P0700=6、P1000=6。具体请参考多媒体系统。在设定好之后，并不一定需要STF启动拨动开关，而直接就可以通过P0700的不同设置来启动，例如面板，或者总线命令。调试和操作步骤调试在基本操作面板上进行。变频器通电后，液晶屏在厂参数设置状态。厂0。状态下，按进入 # 显按匝童腹键直到显示P0700（其值为1时才能启用BOP面板控制），按修改P0010参数值为1，进入快速调试模式。设定P1000参数值为1，表示用BOP操作面板控制。中|直到显示厂000按启

25、，显示数值从0变化到5，此时变频按箜同器已启动，按键可以启动水泵运转。设定P1080和P1082参数值，分别为设置电动机频率的最小（0Hz）、最大值（50Hz）。以上几个参数设置顺序可颠倒，设置完后，应将P0010设为0,进入准备运行状态。，设定频率为3050之间，可听到继电器动作。若将水泵插线头接上,我们使用Profibus面板进行控制，使用PPO1数据结构。这是最简单的控制方式。具体请参考文件MM4_Profibus_Eng.pdf。频率对应的数值，0-0Hz16385-50.00HZ，可以提供如下转换公式：AV:=REAL_TO_WORD（16385*IN/50）;IN是目标频率，AV为

26、要输出的数值。5水泵水泵额定扬程6-10米，额定流量1-2立方/小时。注意，对于包括涡轮流量计的通道，如果要测量其流量，则出水阀门不要全打开，关闭一部分，使得流量少于1.2立方/小时。尽量使得流过水泵的水温不超过80度。水泵上的开关设置最好为“常开”。水泵不能无水空转，容许一定时间内堵转。如果发现水泵发热而不能转动，则可以拆开水泵下面的4个螺钉，脱离底座，上电然后看转叶轮转动，如果转动，然后再安装到底座上。如果发现调节阀已经全开，而水量不够，则可能水箱中水已经不够，请加水到水泵出口高到一定程度，最好超过10厘米。如果使用切换工频或变频控制，则要求停止后再切换。工作电压220V，误差不超过10%

27、。6电动调节阀电动调节阀采用四线制接线，电源为220VAC，其信号线分为输入控制信号和阀位输出信号（420mA）。接通220VAC电源后，打开保护盖，可以看见指示灯亮起，用百特仪表手动输出20mA（量程设置为420mA）到控制端，齿轮开始旋转，同时调节阀的轴向上移动到最大行程。若施加一个电流信号，调节阀不动作，可以测量信号线两端电阻值，大小为2500。反之，没有电阻值，表示信号线已断开。用百特仪表检验时，将调节阀的输出信号接到百特仪表，测量其电压值，若大于12V，则表示信号线断开。使用前请仔细阅读产品说明书。如果输入20毫安而没有全开，输入4毫安没有全部关闭，或者发现电机转动而轴不动（死转）。

28、则需要调整各个可调电阻。包括上限位、下限位等。至少不能电机转动而轴不动，久了就会损坏设备。实验1单容水箱液位定值控制实验一、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A3000现场系统，任何一个控制系统，万用表三、实验原理1、控制系统结构单容水箱液位定值（随动）控制实验，定性分析P,PI，PD控制器特性。控制逻辑如图5-2-1所示：水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变。被调量为水位H。使用P,PI,PID控制，看控制效果，进行

29、比较。控制策略使用PI、PD、PID调节。实际上，可以通过控制连接到水泵上的变频器来控制压力，效果可能更好。2、控制系统接线表测量或控制量测量或控制量标号使用PLC端口使用ADAM端口 下水箱液位LT103AI0AI0调节阀FV101AO0AO03、参考结果下闸板顶到铁槽顶距离（开度）5-6mm。比例控制器控制曲线如图所示。多个P值的控制曲线绘制在同一个图5-2-2上：F180P=221/P=24100.0050.0100.0075.0050.0025.0从图可见P=16时,图5-2-2比例控制器控制曲线有振荡趋势，P=24比较好。残差大约是8%。000.027:5131:3638:40000

30、.024:06P=l6PI控制器控制曲线如图5-2-3所示。选择P=24，然后把I从1800逐步减少。如图5-2-3所示，在这里I的大小对控制速度影响已经不大。从1=5时出现振荡，并且难以稳定了。I的选择很大，8-100都具有比较好的控制特性，这里从临界条件，选择I=8到20之间。PID控制器控制曲线如图5-2-4所示:P24I24120D8P420Dft图曲4都具有比较好的果。=2；000075.0050.0025.02比较好P24I8D4PID控制器控制制量来看,P=24,I=8,DP=24,I=20,D100.0ADAM4000模块控制的结果如图5-2-5所示。 # #进行比较。 3、使

31、用比例积分微分控制进行流量控制，要求能够得到稳定曲线。设定不同的积分参数，进行比较。五、实验内容与步骤1、系统连接（1）在A3000-FS上，打开手动调节阀JV201、JV206,调节下水箱闸板开度（可以稍微大一些），其余阀门关闭。（2）在A3000-CS上，将电磁流量计输出连接到AI0，AO0输出连到电动调节阀上。（3）打开A3000电源。在A3000-FS上，启动右边水泵。（4）启动计算机组态软件，进入实验系统选择相应的实验。启动调节器，设置各项参数，可将调节器的手动控制切换到自动控制。2、比例调节控制。（1）设置P参数，I参数设置到最大，D=0。观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳

32、定于给定值后，可以开始加干扰实验。（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1,观察过渡过程曲线，并记录余差大小。（4）增大P重复步骤5,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。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。3、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T”（积分器）由最大处设定到中间某一个

33、值，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Op。表二、不同Ti时的超调量Op积分时间常数Ti大中小超调量Op（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Ti下的超调量Op。表三、不同0值下的Op比例P大中小超调量Op（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。4、比例积分微分调节

34、（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。5、用临界比例度法整定调节器的参数（1）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：（2）待系统

35、稳定后，逐步减小调节器的比例度6（即1/P），并且每当减小一次比例度0，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6，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5-2-6为它的实验方块图。图5-2-6具有比例调节器的闭环系统（3）在图5-2-7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T。d图5-2-7具有周期

36、Tk的等幅振荡表5-2-1用临界比例度0k整定PID调节器的参数调节器参数调节器名称0kTi(S)Td(S)P20kPI2.201kT/1.2kPID1.60k0.5Tk0.125Tk（4）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T丿作适当调整。d实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题分析积分量I与被控系统的响应时间有什么关系。如果减少单容系统的容积，那么对控制系统的I是应该增大还是减少

37、。七、实验结果提交1、通过抓图方法，提交获得的曲线。2、根据曲线，分析P，PI，PID控制大致具有哪些趋势特征。3、给出各个控制条件下的超调量0p,残差，以及控制稳定所需要的时间。4、根据这些数据，分析P、I、D参数对控制系统的影响。实验2下水箱液位和进口流量串级控制实验一、实验目的1、学习闭环串级控制的原理。2、了解闭环串级控制的特点。3、掌握闭环串级控制的设计。4、初步掌握闭环串级控制器参数调整。二、实验设备A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。（该实验要求中、下水箱均配置液位传感器）三、实验原理单回路控制系统解决了工艺生产过程自动化中大量的参数定值问题。但是，随着现代工业生产的

38、迅速发展，工艺操作条件的要求更加严格，对安全运行和经济性及对控制质量的要求也更高。但回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求，在这样的情况下，串级控制系统就应运而生。1、串级控制系统的结构串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到广泛地应用，串级控制系统是指不止采用一个控制器，而是将两个或几个控制器相串级，是将一个控制器的输入作为下一个控制器设定值的控制系统。2、串级控制系统的名词术语主被控参数：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。副被控参数：在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引入的中间辅助变量。主被控过程：由主参数表征其特性的生产过程，主回路所包含的过程，是整个过程的一

39、部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。副被控过程：由副被控参数为输出的生产过程，副回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为控制参数。主调节器：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制调节阀动作。副回路：由副调节器、副被控过程、副测量变送器等组成的闭合回路。主回路：由主调节器、副回路、主被控过程及主测量变送器等组成的闭合回路。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。当生产过程处于稳定状态时，它的

40、控制量与被控量都稳定在某一定值。当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同扰动，分为三种情况：（1）在副对象上的扰动副对象加上扰动后，副调节就立即发出校正信号，控制执行对象（工程上一般是调节阀的开度，而本实验装置中是泵电机的转速）动作，以克服扰动对主被控参数的影响。如果扰动量不大，经过副回路的及时控制一般不影响被控量，如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正，但还将影响被控量；此时再有主回路的进一步调节，从而使被控量回到平衡时的值。（2）主对象上的扰动主对象加上扰动后，主回路产生校正作用，由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对被控量的影响比单回路系统时要小。（3）一

41、次扰动和二次扰动同时存在如果一、二次扰动的作用使主，副被控参数同时增大或减少时，主、副调节器对调节阀（或泵电机转速）的控制方向一致的，即大幅度关小或开大阀门（或大幅度地使泵电机加速或减速），加强控制作用，使主被控量很快地回到给定值上。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大，另一个减少，此时主、副调节器控制调节阀的方向是相反的，调节阀的开度只要作较小变动即满足控制要求。3、串级控制系统的特点综上分析可知，串级控制系统副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使控制品质得到进一步提高。串级控制系统是改善和提高控制品质的一种极为有效的控制方案。它与单回路反馈控制系统比较，由

42、于在系统结构上多了一个副回路，所以具有以下一些特点：（1）改善了过程的动态特性串级控制系统比单回路控制系统在结构上多了一个副回路。它的容量滞后减少了，过程的动态特性得到改善，使系统的响应加快，控制更为及时。（2）提高了系统工作频率串级系统由于存在一个副回路，改善了过程特性，等效过程的时间常数减小了，从而提高了系统的工作频率，使振荡周期缩短，改善了系统的控制质量。（3）具有较强的抗扰动能力在串级控制系统中，主、副调节器放大系数的乘积愈大，则系统的抗扰动能力愈强，控制质量愈好。串级控制系统由于存在副回路，只要扰动由副回路引入，不等它影响到主参数，副回路立即进行调节，这样，该扰动对主参数的影响就会大

43、大地减小，从而提高了主参数控制质量，所以说串级控制系统具有较强抗扰动能力。（4）具有一定的自适应能力串级控制系统，就其主回路来看是一个定值控制系统，而副回路则是一个随动系统，主调节器的输出能按照负荷和操作条件的变化而变化，从而不断改变副调节器的给定值，使副回路调节器的给定值适应负荷并随操作条件而变化，即具有一定的自适应能力。正确合理地设计一个串级控制系统是要其能充分发挥如上所述系统的各种特点。在系统设计时应包括主、副回路的设计，主、副调节器控制规律的选择及正、反作用方式的确定。4、主、副回路的设计串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计以及主、

44、副回路关系的考虑。下面介绍设计原则。（1）主参数的选择和主回路的设计串级控制系统由主回路和副回路组成。主回路是一个定值控制系统。对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。否则应选用一个与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性。（2）副参数的选择和副回路的设计副参数的选择副参数的选择应使副回路的时间常数小，时延小，控制通道短，这样可使等效过程的时间常数大大减

45、小，从而加快需要的工作频率，提高响应速度，缩短过渡过程时间，改善系统的控制品质。总之，为了充分发挥副回路的超前、快速作用，在扰动影响主参数之前就加以克服，必须设法选择一个可测的、反映灵敏的参数作为副参数。副回路应包括生产过程中变化剧烈、频繁而且幅度大的主要扰动，并尽可能多地包括一些扰动。由上所述，串级控制系统副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强的特点。在副回路设计时，要充分发挥这一特点，把生产过程中的主要扰动（并可能多的把其它一些扰动）包括在副回路中，以尽量减少对主参数的影响，提高主参数的控制质量。如此次实验就是以下水箱的水位为主参数与上水箱的水位为副参数的串级控制系统。在选择副参数进行副回路

46、设计时，必须注意主、副过程时间常数的匹配问题。因为它是串级控制系统正常运行的主要条件，是保证安全生产、防止共振的根本措施。如果副过程的时间常数比主过程小得多，这时副回路反应灵敏，控制作用快，但此时副回路包含的扰动少，对于过程特性的改善也就少了；相反，如果副过程的时间常数大于或接近于主过程的时间常数，这时副回路对于改善过程特性的效果较明显。但是，副回路反应较迟钝，不能及时有效地克服扰动，并将明显地影响参数。如果主、副过程的时间常数较接近，这时主副回路间的动态联系十分密切，当一个参数发生振荡时，会使另一个参数也发生振荡，这就是所谓的“共振”，它不利于生产的正常进行。串级控制系统主、副过程时间常数的

47、匹配是一个比较复杂的问题。原则上，主副过程时间常数之比应是3到10范围内。在工程上，应根据具体过程的实际情况与控制要求来定。若设置串级控制系统主要是利用副回路能迅速克服主要扰动的话，则副回路的时间常数以小一点为好，只要将主要扰动包括在副回路中即可，若设置串级控制系统，是由于副回路过程时间常数过大，为了改善过程特性，则副过程时间常数可以适当取大一些。但是，副过程的时间常数均不宜过大和过小。（3）副回路设计应考虑工艺上的合理性：过程控制系统是为工业生产服务的，设计串级控制系统，应考虑和满足生产工艺要求，注意系统的控制参数必定是先影响副参数，再去影响主参数的这种串联对应关系，然后再考虑其它因素。副回

48、路的设计还应考虑经济性的原则。（4）串级控制系统参数的选择对控制参数的选择，一般可考虑：1）、选择可控性良好的参数作为控制参数。2）、所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的系数，并应保证大于主要扰动通道的放大系数，以实现对主要扰动进行有效控制并提高控制质量。3）、所选控制参数应同时考虑经济性与工艺上的合理性。5、主、副调节器控制规律的选择在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控制规律的基本出发点。主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无余差，因此，主调节器应选PI或PID控制规律。副参数的设置是为了保证主参

49、数的控制质量，允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就可以了。一般不引入积分控制规律。因为副参数允许有余差，而且副调节器的放大系数较大，控制作用强，余差小，若采用积分规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。一般也不引入微分控制规律，因为副回路本身起着快速作用，再引入微分规律会使调节阀动作过大，对控制不利。6、主、副调节器正、反作用方式的选择为了满足生产工艺的要求，确保串级控制系统正常运行，主、副调节器正、反作用方式必须正确选择。根据生产工艺条件和调节阀形式确定副调节器的正反作用方式；最后再根据主、副参数的关系，决定主、副调节器的正、反作用方式。在单回路控制系统设计中

50、所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须为负反馈。对于串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则是使整个控制系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。7、串级控制系统主、副调节器正、反作用方式的确定为了满足生产工艺指标的要求，为了确保串级控制系统的正常运行，主、副调节器正、反作用方式必须正确的选择。在具体选择时，是在调节阀气开、气关型式已经选定的基础上进行的。首先根据工艺生产安全等原则选择调节器的气开、气关形式；然后根据生产工艺条件和调节阀形式确定副调节器的正、反作用方式；最后再根据主、副参数的关系，决定主调节器的正、反作用方式。如在单回路控制系统设计中

51、所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须采用负反馈。对于串级控制系统来说，主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系统系数极性乘积必须为正值。各环节放大系数极性的正负是这样规定的：对于调节器的KC，当测量值增加，调节器的输出也增加，则KC为负（即正作用调节器）；反之，KC为正（即反作用调节器）。调节器为气开，则KV为正，气关则KV为负。过程放大系数极性是：当过程的输入增大时，即调节阀开大，其输出也增大，则KO为正；反之K0为负。串级控制系统由于增加了副回路，对于进入副回路的干扰有较强的克服能力。定性来看，串级控制系统的副回路是一个随动控制系统

52、，而主回路是一个定值系统。当主对象时间常数较大时，可认为1：1的比例环节，从而使副回路中原来应属于主对象的那部分环节的影响消除，它使系统的振荡频率提高，加快了系统的响应，改善了控制品质。串级控制系统由于副环具有快速抗干扰功能，对于进入副环的干扰具有很强的抑制作用。因此，对于同样大小的干扰作用于主、副环，对主变量的影响是不同的。作用于副环的干扰，由于受到副环的抑制作用，结果对于主变量的影响就比较小；而作用于主环的干扰，由于此时副环的快速抗干扰能力未能得到发挥，因此干扰对主变量的影响就比较大。8、液位流量串级控制设计在A3000高级过程控制实验系统中，能够完成多个串级试验，除了双容液位可以组成串级

53、实验之外，单容的液位和流量也可以组成串级实验，如图6-1-1所示。实验以串级控制系统来控制下水箱液位，以第二支路流量为副对象，右边水泵直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。下水箱为主对象，流量的改变需要经过一定时间才能反应到液位，时间常数比较大，时延大。如图所示，设计好下水箱和流量串级控制系统。将主调节器的输出送到副调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。由上分析副调节器选纯比例控制，正作用，自动。主调节器选用比例控制或比例积分控制，反作用，自动。反复调试，使第二支路的流量快速稳定在给

54、定值上，这时给定值应与副反馈值相同。待流量稳定后，通过变频器快速改变流量，加入扰动。若参数比较理想，且扰动较小，经过副回路的及时控制校正，不影响下水箱的液位。如果扰动比较大或参数并不理想，则经过副回路的校正，还将影响主回路的温度，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使液位调回到给定值上。当使用第一动力支路把扰动加在下水箱时，扰动使液位发生变化，主回路产生校正作用，克服扰动对液位的影响。由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对主回路的液位影响较小。各个回路独立调整结束，使得主调节器输出与副调节器给定值相差不是太远。我们利用前面的实验中的PID数据。而副控制器只进行P调节。副回路对FT

55、102进行控制，这个反应比较快，副回路的控制目的是很快把流量控制回给定值。可以通过另一个动力支路加入部分液位干扰。主回路对下水箱液位进行控制。可以在下水箱中加入主回路干扰，要平衡这个干扰，则需要经过流量调整，通过FT102来平衡这个变化。9、串级控制设计测量或控制量测量或控制量标号使用控制器端口电磁流量计FT102AI1下水箱液位LT103AI0调节阀FV101AO010、控制效果控制曲线如图6-1-3所示。在系统稳定后，副回路增加的扰动，从图上可见这个扰动对系统影响很小。图6-1-3液位流量串级四、实验要求1、设计串级控制器。2、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。五、实验内容与步骤1、在A3000-FS上，打开手动调节阀JV201、JV206,调节下水箱闸板具有一定开度