AE2000型仪表实验指导书

AE2000系统说明书PAGEPAGE80AD:杭州市滨江区六和路中控科技园D区三楼TEL:+8657186667888──AE2000型过程控制实验系统使用手册智能仪表实验指导书

目录TOC\o"1-3"\h\z第一章系统熟悉实验 3实验一、实验装置的基本操作（一） 3实验二、实验装置的基本操作（二） 5实验三、AE2000-YB软件熟悉实验 7第二章系统主题实验 9实验一、一阶单容水箱对象特性测试实验 9实验二、二阶双容中水箱对象特性测试实验 15实验三、锅炉内胆温度二位式控制实验 21实验四、单容水箱液位PID整定实验 27实验五、串接双容中水箱液位PID整定实验 34实验六、锅炉内胆水温PID整定实验（动态） 38实验七、锅炉夹套水温PID整定实验（动态） 45实验八、流量计流量PID整定实验 52实验九、上水箱液位和涡轮流量串级控制实验 58实验十、锅炉内胆和夹套温度串级控制系统 62实验十一、电磁和涡轮流量计流量比值控制系统实验 67实验十二、上水箱中水箱液位串级控制实验 71实验十三、换热器热水出口温度控制实验 74实验十四、下水箱对象特性测试实验 80实验十五、三容下水箱液位PID整定实验 84

第一章系统熟悉实验实验一、实验装置的基本操作（一）系统结构的熟悉和液位传感器的校准一、实验目的了解实验装置的结构和组成。了解信号的传输方式和路径。掌握实验装置的基本操作。掌握液位传感器的校准方法。二、实验设备AE2000型过程控制实验装置，万用表。三、实验内容设备的连接与检查关闭阀门，往AE2000型过程控制对象的储水箱灌水，水位达到总高度的90％以上时停止灌水。打开以齿轮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。关闭上水箱泄水阀。检查电源开关是否关闭。系统连线将I/O信号面板上水箱液位的切换开关设置在1～5V位置上。不需连线。启动实验装置将实验装置电源插头接到单相220V交流电源上。打开总电源漏电保护空气开关。打开电源总开关，电源指示灯点亮。打开24VDC电源开关，24VDC电源指示灯点亮。水箱液位传感器的校准水箱液位传感器测量范围：0~10Kp上；24VDC电源供电，4~20mA电流输出，两线制接法。校准前先打开电源总开关，接通24V开关电源，检查直流电压是否为24V，用万用表在接线口测量确认。确认后可以开始校准。校准方法：零位校准（1~5V对应液位0~1000mm）打开出水阀排空上水箱中的水后，关闭出水阀。用万用表20V直流电压档测量I/O信号面板上的上水箱液位的电压值，此时上水箱液位为零，调节上水箱液位传感器的零位电位器，使测量的电压值为1.00V。增益校准打开水泵的220V供电电源开关，上水箱开始进水。当上水箱液位达到溢流口时，关闭水泵电源开关，从水箱刻度尺上读出测量值。记录万用表20V直流电压档测量的上水箱液位的电压值，测量值=（电压值-1）×200mm，若不是，调节上水箱液位传感器的增益电位器，使电压值经过换算后和测量值吻合。重复步骤1)、2)，复调零位和增益。直到液位为零时电压显示为1V，最大值时电压与实际测量值吻合。注：调好以后就不再调。调节其他水箱液位传感器与调节上水箱液位传感器方法一样。注：液位传感器的校准一般在出厂前已完成。四、预习熟读AE2000型过程控制系统实验装置的系统说明书，重点熟悉对象系统结构和液位传感器的校准。

实验二、实验装置的基本操作（二）智能仪表的熟悉一、实验目的了解实验装置结构和组成。了解信号的传输方式和路径。掌握实验装置的基本操作。熟悉智能仪表的使用。二、实验设备AE2000型过程控制实验装置、万用表、实验连接线。三、实验内容设备的连接与检查关闭出水阀，向AE2000型过程控制对象的储水箱灌水，水位达到总高度的90％以上时停止灌水。打开以齿轮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。关闭上水箱泄水阀。检查电源开关是否关闭。系统连线将I/O信号接口面板上的上水箱液位的钮子开关打到1～5V位置。用实验连接线将上水箱液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV的+极），上水箱液位－（负极）接到智能调节仪的2端（即RSV的－极）。将智能调节仪的4~20mA输出端的7端（即正极）接至调节阀的4~20mA输入端的+端（即正极），将智能调节仪的4~20mA输出端的5端（即负极）接至调节阀的4~20mA输入端的－端（即负极）。三相电源、单相Ⅰ、单相Ⅱ、的空气开关打在关的位置启动实验装置将实验装置电源插头接到220V的交流电源。打开总电源漏电保护开关和电源总钥匙开关，电源指示灯亮。按下电源控制屏上的启动按钮，开启电源，交流电压表指示电网电压。四、实验步骤开启所有空气开关。打开24V电源开关，检查直流电压指示是否为24V，并用万用表在接线口测量确认。打开空气开关，接通智能调节仪，按照调节仪设置使用说明，调试控制方式，比例系数，积分系数，微分系数，输入规格，输入范围，输出规格，通讯地址，通讯波特率，自/手动输出等参数。手动输出一定的值，观察调节阀的动作和阀位。五、预习熟读AE2000型过程控制系统实验装置的产品使用说明；掌握人工智能仪表的使用方法。

实验三、AE2000-YB软件熟悉实验一、实验目的了解组态软件的组成和使用。熟悉实验软件的操作。了解上位机通信的一般知识。二、实验设备AE2000型过程控制实验装置、计算机、RS232-485转换器三、实验内容设备连接将RS232-485转换器的RS232端接到计算机的串口1（COM1），RS485端通过串口线连接到AE2000高级过程控制实验装置的串口端。给任意一个智能调节仪上电，按照表1-1设置好参数：表1-1参数代号设定值参数代号设定值参数代号设定值CtrL1dIP1oPH80P3dIL0CF0I500dIH100Baud9600bit/sD0oP14addr1Sn33oPL0实验内容与步骤启动计算机按照说明书接好上水箱的供水管路，将上水箱液位信号送至调节仪，调节仪的控制信号送往调节阀，即组成一个单闭环的控制回路。在显示桌面双击“MCGS组态环境”图标，启动MCGS组态软件，打开AE2000型过程控制系统实验装置的组态软件，观察并熟悉组态方法，熟悉实验内容及掌握组态软件与智能仪表之间通讯的组态步骤与要求。操作组态软件中各个工具，学习并熟悉组态软件的基本应用。进入实验系统操作监控实验程序在文件菜单中选择打开工程选项，打开已经组态好的AE2000实验系统工程软件。按F5进入MCGS运行环境，点击进入仪表过程控制实验系统，熟悉实验内容，进入每个实验，观看各项功能。四、预习熟悉AE2000型系统说明书中“MCGS组态软件”和“智能调节仪面板”部分的内容。

第二章系统主题实验实验一、一阶单容水箱对象特性测试实验一、实验目的熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。根据实际测得单容水箱液位阶跃响应曲线，确定其参数。二、实验设备AE2000型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。三、系统结构框图单容水箱的系统结构框图如图2-1所示。图2-1单容水箱系统结构图四、实验原理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，手动改变对象输入信号（阶跃信号），同时记录对象输出数据或阶跃响应曲线。根据已给定对象模型结构形式，对数据进行处理，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，泄水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：式中，T为水箱的时间常数，T=R2*C，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）=RO/S，RO为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为：当t=T时，则有：h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞)即h(t)=KR0(1-e-t/T)当t→∞时，h（∞）=KR0，因而有K=h（∞）/R0=输出稳态值/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2-2所示。当由实验求得图2-2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（∞）。图2-2阶跃响应曲线五、实验内容和步骤设备的连接和检查关闭出水阀，往AE2000型过程控制对象的储水箱灌水90％左右。打开以齿轮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。打开上水箱泄水阀，开至适当的开度。检查电源开关是否关闭。系统连线如图2-3所示，将I/O信号板上上水箱液位钮子开关拨到1～5V位置。将上水箱液位+接一号智能调节仪1端，上水箱液位－接调节仪2端。将智能调节仪的4~20mA输出端7端接调节阀的4~20mA输入端的+端），将智能调节仪5端接调节阀4~20mA输入端的－端。同时调节阀的+，-端接上500欧姆电阻两端，即把4~20mA的电流控制信号转换成2~10VDC控制信号。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。调节阀的~220V电源开关打在关的位置。智能调节仪的~220V电源开关打在关的位置。图2-3实验连线图启动实验装置将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。打开电源带漏电保护空气开关。打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。实验步骤开启24VDC电源开关和仪表电源开关，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。启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验如图2-4所示：图2-4、实验软件界面点击设置输出按钮，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<25。开启单相泵电源开关，启动动力支路。将被控参数液位高度控制在20%处（一般为7cm）。观察系统的被调量：上水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录调节仪输出值，以及水箱水位的高度h1和智能仪表的测量显示值并填入表2-1。表2-1仪表输出值（0~100）水箱水位高度h1（cm）仪表显示值（cm）迅速增加仪表手动输出值，增加5%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，它们均可在上位软件上获得。以所获得的数据绘制变化曲线。表2-2T（秒）水箱水位h1(cm)仪表读数(cm)直到进入新的平衡状态。再次记录平衡时的下列数据，并填入表2-3。表2-3仪表输出值（0~100）水箱水位高度h1（cm）仪表显示值（cm）将仪表输出值调回到步骤5）前的位置，再记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。填入表2-4。表2-4t（秒）水箱水位h1(cm)仪表读数(cm)重复上述实验步骤。注：图2-4实验结果是在阀门开度60％，泄水阀全开的情况下得到的。六、实验报告要求作出一阶环节的阶跃响应曲线。根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。七、注意事项本实验过程中，出水阀不得任意改变开度大小。阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止因读数误差和其他随机干扰影响对象特性参数的精确度。一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。八、思考题在做本实验时，为什么不能任意上水箱泄水阀变化阀的开度大小？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?

实验二、二阶双容中水箱对象特性测试实验一、实验目的熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。根据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、实验设备AE2000型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。三、实验原理双容水箱的系统结构框图如图2-5所示。图2-5双容水箱系统结构图图2-6变化曲线如图2-5所示，这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，输出量是下水箱的水位h2。当输入量有一个阶跃增加ΔQ1时，输出量变化的反应曲线如图2-6所示的Δh2曲线。它不再是简单的指数曲线，而是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O上。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τC代表之。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：式中K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分别为阀V2和V3的液阻，C1和C2分别为上水箱和中水箱的容量系数。式中的K、T1和T2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。具体做法是在图2-7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(∞)时曲线上的点上和对应的时间t1；3）、h2（t）|t=t2=0.8h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t2。然后，利用下面的近似公式计算式2-1中的参数K、T1和T2。其中：对于式（2-1）所示的二阶过程，0.32〈t1/t2〈0.46。当t1/t2=0.32时，可近似为一阶环节；当t1/t2=0.46时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2（此时T1=T2=T=(t1+t2)/2*2.18）图2-7阶跃响应曲线四、实验步骤设备的连接和检查打开以齿轮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。打开上水箱泄水阀和中水箱的泄水阀，开至适当的开度。检查电源开关是否关闭。系统连线接线如图2-8所示：图2-8实验接线图将中水箱液位+接到一号智能调节仪的信号输入端1，中水箱液位－（负端）接到智能调节仪的2端。将智能调节仪的4~20mA输出端的7端（即正极）接至调节阀的4~20mA输入端的+端（即正极），将智能调节仪的4~20mA输出端的5端（即负极）接至调节阀的4~20mA输入端的－（即负极）。同时调节阀的+，-端接上500欧姆电阻两端，即把4~20mA的电流控制信号转换成2~10VDC控制信号。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。调节阀的~220V电源开关打在关的位置。智能调节仪的~220V电源开关打在关的位置。启动实验装置将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。打开电源带漏电保护空气开关。打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。实验步骤开启24VDC电源开关，中水箱液位传感器输出信号为1~5V电压信号，调整好仪表输入规格参数与其他各项参数，开始校准液位传感器的零位和增益，仪表输出方式设为手动输出，初始值为0。启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验界面如图2-9所示。图2-9实验软件界面开启水泵电源开关，启动动力支路，手动将仪表的输出值迅速上升到小于等于10，将被控参数液位高度控制在20%处（一般为5cm）。观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录调节仪输出值，以及水箱水位的高度h2和智能仪表的测量显示值并填入表2-5。表2-5仪表输出值（0~100）水箱水位高度h2（cm）仪表显示值（cm）迅速增加仪表手动输出值，增加10%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，均可在上位软件上获得各项参数和数据，并绘制过程变化曲线。表2-6T（秒）水箱水位h2(cm)仪表读数(cm)直到进入新的平衡状态。再次记录测量数据，并填入表2-7。表2-7仪表输出值（0~100）水箱水位高度h2（cm）仪表显示值（cm）将仪表输出值调回到步骤5）前的位置，再记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。填入表2-8。表2-8T（秒）水箱水位h2(cm)仪表读数(cm)重复上述实验步骤。注：图2-9实验结果是在阀门开度60％，泄水阀全开的情况下得到的。五、注意事项实验过程中，上中水箱的出水阀不得任意改变开度大小。阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止影响对象特性参数的精确性。一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。六、实验报告要求作出二阶环节的阶跃响应曲线。根据实验原理中所述的方法，求出二阶环节的相关参数。试比较二阶环节和一阶环节的不同之处。七、思考题在做本实验时，为什么不能任意变化下水箱泄水阀的开度大小？用两点法和用切线法对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点？

实验三、锅炉内胆温度二位式控制实验一、实验目的熟悉实验装置，了解二位式温度控制系统的组成。掌握位式控制系统的工作原理、控制过程和控制特性。二、实验设备AE2000型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。三、实验原理温度传感器温度测量通常采用热电阻元件（感温元件）。它是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。其电阻值与温度关系式如下：Rt＝Rt0[1+α(t-t0)]式中Rt——温度为t(如室温20℃)时的电阻值；Rt0——温度为t0(通常为0℃)α——电阻的温度系数。可见，由于温度的变化，导致了金属导体电阻的变化。这样只要设法测出电阻值的变化，就可达到温度测量的目的。虽然大多数金属导体的电阻值随温度的变化而变化，但是它们并不能都作为测温用的热电阻。作为热电阻的材料一般要求是：电阻温度系数大、电阻率要适中、热容量要小；在整个测温范围内，应具有稳定的物理、化学性质和良好的重复性；并要求电阻值随温度的变化呈线性关系。但是，要完全符合上述要求的热电阻材料实际上是有困难的。根据具体情况，目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜。本装置使用的是铂电阻元件PT100，并通过温度变送器（测量电桥或分压采样电路或者上I人工智能工业调节器）将电阻值的变化转换为电压信号。铂电阻元件是采用特殊的工艺和材料制成，具有很高的稳定性和耐震动等特点，还具有较强的抗氧化能力。在0~650℃的温度范围内，铂电阻与温度的关系为：Rt＝Rt0(1+At+Bt2+Ct3)式中Rt——温度为t(如室温20℃)时的电阻值；Rt0——温度为t0(通常为0℃)A、B、C是常数，一般A=3.90802*10－31/℃，B=-5.802*10－71/℃，C=-4.2735*10－121/℃。Rt-t的关系称为分度表。不同的测温元件用分度号来区别，如Pt100、CU50等。二位式温度控制系统二位控制是位式控制规律中最简单的一种。本实验的被控对象是1.5KW电加热管，被控制量是复合小加温箱中内套水箱的水温T，智能调节仪内置继电器线圈控制的常开触点开关控制电加热管的通断，图2-10为位式调节器的工作特性图，图2-11为位式控制系统的方块图。图2-10位式调节器的特性图由图2-10可见，在一定的范围内不仅有死区存在，而且还有回环。因而图2-11所示的系统实质上是一个典型的非线性控制系统。执行器只有“开”或“关”两种极限输出状态，故称这种控制器为两位调节器。该系统的工作原理是当被控制的水温测量值VP=T小于给定值VS时，即测量值〈给定值，且当e=VS-VP≥dF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380V电源而加热。随着水温T的升高，Vp也不断增大，e相应变小。若T高于给定值，即Vp〉Vs，e为负值，若e≤-dF时，则两位调节器的继电器线圈断开，常开触点复位断开，切断电加热管的供电。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2-11位式控制系统的方块图如图2-11位式控制系统的方框图所示，温度给定值在智能仪表上通过设定获得。被控对象为锅炉内胆，被控制量为内胆水温。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2-12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2-12双位控系统的过程曲线四、实验内容与步骤设备的连接和检查打开以齿轮泵为动力的支路至锅炉内胆的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。将锅炉内胆的泄水阀开至适当开度。检查电源开关是否关闭。系统连线接线如图2-13所示。图2-13系统连线图按图2-13所示，利用AE2000型实验装置组成控制系统。调节仪20mA信号+端经过调节仪的继电器常开触点RSV（I/V转换）（－）端，从（+）引出的另一端接三相电加热管控制信号输入正（+）。20mA信号负端接三相电加热管控制信号输入负（－）。锅炉内胆信号接调节仪的输入端。启动电源，在仪表或上位机设好各项参数以及设定值和回差dF的值。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2-14所示。图2-14实验软件界面系统运行后，组态软件自动记录控制过程曲线。待稳定振荡2~3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。实验数据记录如表2-9。表2-9S（秒）T（℃）适量改变给定值的大小，重复实验步骤4）。停止加热，加大冷水水流量，使锅炉内胆的水冷却后，重复上述的实验步骤。注：图2-14实验结果是在阀门开度20％，通内胆阀全开、通夹套阀全闭，设定值35℃，回差3的情况下得到的,注意1号仪表是用来手动设定调节阀开度的，1，2端必须连接一个正常信号（1～5V）仪表才壳正常工作。五、注意事项实验前，锅炉内胆的水位必须高于热电阻的测温点（即低水位报警灯不亮）。给定值必须要大于常温。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。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，保存每次实验记录的数据和曲线。六、实验报告画出不同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。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。综合分析位式控制特点。七、思考题为什么缩小dF值时，能改善双位控制系统的性能？dF值过小有什么影响？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？

实验四、单容水箱液位PID整定实验一、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AE2000型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。三、实验原理图2-15图2-15为单回路水箱液位控制系统。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。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δ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δ，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①、②、③所示。图2-16P、PI和PID调节的阶跃响应曲线四、实验内容和步骤设备的连接和检查关闭出水阀，往AE2000型过程控制对象的储水箱灌水，水位达到总高度的90％以上时停止灌水。打开以齿轮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。打开上水箱泄水阀，开至适当的开度。检查电源开关是否关闭。系统连线如图2-17所示：图2-17单容水箱液位PID参数整定控制接线图将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到1～5V位置。将上水箱液位+（正极）接到一号智能调节仪的1端（即RSV的正极），将上水箱液位－（负极）接到智能调节仪的2端（即RSV的负极）。将智能调节仪的4~20mA输出端的7端（即正极）接至调节阀的4~20mA输入端的+端（即正极），将智能调节仪的4~20mA输出端的5端（即负极）接至调节阀的4~20mA输入端的－（即负极）。同时调节阀的+，-端接上500欧姆电阻两端，即把4~20mA的电流控制信号转换成2~10VDC控制信号。智能调节仪的~220V的电源开关打在关的位置。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。启动实验装置将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。打开电源带漏电保护空气开关。打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。开启24VDC电源开关，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。启动智能仪表，设置好仪表参数。比例调节控制启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统选择相应的实验，如图2-18所示：图2-18实验软件界面打开调节阀和单相电源泵开关，开始实验。设定给定值，调整比例系数（K）。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。减小比例系数重复步骤4，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。增大比例系数重复步骤4，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。选择合适的比例系数，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。比例积分调节器（PI）控制在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置积分时间（Ti）不为0，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。固定比例系数值（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σp。表2-10不同Ti时的超调量σp积分时间常数Ti大中小超调量σp固定积分时间于某一中间值，然后改变比例系数的大小，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σp。表2-11不同K值下的σp比例系数K大中小超调量σp选择合适的K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。比例积分微分调节（PID）控制在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。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从50%突变至60%来实现）。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：在只有比例调节作用下（将积分时间放到最大，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%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δk，δk＝1/Km，相应的振荡周期就是临界周期Tm。据此，按下表可确定PID调节器的三个参数δ、Ti和Td。图2-20具有周期Tm的等幅振荡表2-12用临界比例度δk整定PID调节器的参数调节器参数调节器名称比例度δ（δ＝1/K）积分时间Ti(S)微分时间Td(S)P2δkPI2.2δk0.85TmPID1.7δk0.5Tm0.13Tm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的衰减振荡），则要在表格给出参数的基础上，对δ、Ti（或Td）作适当调整。注：图2-18中设定值15cm，比例系数20，积分时间20秒，微分时间3秒，泄水阀全开。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P调节器控制时，不同δ值下的阶跃响应曲线。作出PI调节器控制时，不同δ和Ti值时的阶跃响应曲线。画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。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？

实验五、串接双容中水箱液位PID整定实验一、实验目的熟悉单回路双容液位控制系统的组成和工作原理。研究系统分别用P、PI和PID调节器时的控制性能。定性地分析P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。二、实验设备AE2000型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。三、实验原理图2-21双容水箱液位控制系统的方框图图2-21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、实验内容与步骤设备的连接和检查关闭出水阀，往AE2000型过程控制对象的储水箱灌水至90％。打开以齿轮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。打开上水箱泄水阀和中水箱的泄水阀，开至适当的开度。检查电源开关是否关闭。系统连线如图2-22所示。图2-22实验接线图将I/O信号接口板上的中水箱液位的钮子开关打到1～5V位置。将中水箱液位+（正极）接一号智能调节仪的1端（即RSV的正极），中水箱液位－（负极）接智能调节仪的2端（即RSV的负极）。将智能调节仪的4~20mA输出端的7端（即正极）接至调节阀的4~20mA输入端的+端（即正极），将智能调节仪的4~20mA输出端的5端（即负极）接至调节阀的4~20mA输入端的－（即负极）。同时调节阀的+，-端接上500欧姆电阻两端，即把4~20mA的电流控制信号转换成2~10VDC控制信号。智能调节仪的~220V的电源开关打在关的位置。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。启动实验装置将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。打开电源带漏电保护空气开关。打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。开启24VDC电源开关，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。调节器控制按图2-21所示的结构接成单回路的实验系统。其中被控对象是两个水箱，被控制量是中水箱的液位高度。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，微分时间置于0，比例设置于最大值处，即此时调节器为比例调节（P）。开启相关仪器和计算机软件，进入相应的实验，如图2-23所示。图2-23软件界面图在开环状态下，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）。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。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）。五、实验报告要求画出双容水箱液位控制实验系统的结构图。按图2-22要求接好实验线路，经老师检查无误后投入运行。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。六、注意事项实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。水泵启动前，泄水阀门应关闭，待水泵启动后，再逐渐开启泄水阀，直至适当开度。在老师的指导下，开启计算机系统。七、思考题实验系统在运行前应做好哪些准备工作？为什么双容液位控制系统比单容液位控制系统难于稳定？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？为什么微分作用的引入必须缓慢进行？这时的比例系数K是否要改变？为什么？调节器参数（K、Ti和Td）的改变对整个控制过程有什么影响？

实验六、锅炉内胆水温PID整定实验（动态）一、实验目的了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用。改变P、PI、PD和PID的相关参数，观察它们对系统性能的影响。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AE2000型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。三、实验原理图2-24温度控制系统原理图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、实验内容与步骤设备的连接与检查按图2-25所示方块图的要求接成实验系统。电源空气开关打在关的位置。将锅炉内胆水温+端（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV的正极），将锅炉内胆水温－端（负极）接到智能调节仪的2端（即RSV的负极）。将智能调节仪的4~20mA输出端的7端（即正极）接至单相SCR移相调压装置的4~20mA输入端的+端（即正极），将智能调节仪的4~20mA输出端的5端（即负极）接至单相SCR移相调压装置的4~20mA输入端的－端（即负极）。图2-25实验接线图启动实验装置将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。打开电源带漏电保护空气开关。打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。打开单相加热管电源开关。开启24VDC电源，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。打开以齿轮泵为动力的支路至锅炉内胆的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。将锅炉内胆的泄水阀开至适当开度。启动单相泵往锅炉内胆进水，直到低水位报警灯熄灭为止。开启相关仪器和计算机软件，进入相应的实验，如图2-26所示：图2-26实验软件界面把智能调节器置于“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℃），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。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系数时的余差和超调量。每当改变值K后，再加同样大小的阶跃信号，比较不同K时的ess和σp，并把数据填入表2-12中。表2-12不同比例系数K时的余差和超调量K大中小essσp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）比例积分（PI）调节器控制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。固定比例系数值（中等大小），然后改变积分时间常数值，观察加入扰动后被调量的动态曲线，并记录不同积分时间值时的超调量σp。表2-13不同Ti值时的超调量σp积分时间常数Ti大中小超调量σp固定积分时间于某一中间值，然后改变比例系数的大小，观察加扰动后被调量的动态曲线，并记下相应的超调量σp。表2-14不同K值时的超调量σp比例系数K大中小超调量σp选择合适的比例系数和积分时间，使系统瞬态响应曲线为令人满意的曲线。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。比例微分调节器（PD）控制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）。固定比例系数K值（中间值），改变微分时间常数的大小，观察系统在阶跃输入作用下相应的动态响应曲线。表2-15不同微分时间值时的超调量和余差微分时间Td大中小essσp选择合适的P和D值，使系统瞬态响应为一条令人满意的动态曲线。比例积分微分（PID）调节器控制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。增大比例系数，并同时增大积分时间，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。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。选择合适的P、I和D参数，以获得一条较满意的动态曲线。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确定，这种方法既简单又较实用，它的具体做法是：按图2-27所示接好实验系统，逐步减小调节器的比例度δ（1/K），直到系统的被调量出现等幅振荡为止。如果响应曲线发散，则表示比例度δ调得过小，应适当增大之，使曲线出现等幅振荡为止。图2-27具有比例调节器的闭环系统图2-28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δK表示，δK＝1/Km，Km为临界比例系数；相应的振荡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。图2-28具有周期TK等幅振荡表2-16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δTi(S)Td(S)P2δKPI2.2δK0.85TKPID1.7δK0.5TK0.13TK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δ、Ti和Td。PID参数自整定的连续温度控制当发现上I人工智能调节效果不佳时可启动自整定功能（具体操作参考上I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。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。注：图2-26实验结果是在阀门开度20％，通内胆阀全开、通夹套阀全闭，设定值35℃的情况下得到的，参数设置比例系数20，积分时间60秒，微分时间10秒。五、实验报告要求。画出温度控制系统的方块图。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。作出比例调节器控制时，不同比例系数值时的阶跃响应曲线，得到的结论是什么？分析PI调节器控制时，不同P和I值对系统性能的影响？绘制用PD调节器控制时系统的动态波形。绘制用PID调节器控制时系统的动态波形。绘制用PID自整定控制时系统的动态波形。六、注意事项实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。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？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？为什么要整定P、I、D参数？连续温控与断续温控有何区别？为什么？

实验七、锅炉夹套水温PID整定实验（动态）一、实验目的了解不同单回路温度控制系统的组成与工作原理。研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用。改变P、PI、PD和PID的相关参数，观察它们对系统性能的影响。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。分析动态的温度单回路控制和静态的温度单回路控制不同之处。二、实验设备AE2000型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。三、实验原理图2-29温度控制系统图2-29为一个闭环单回路的锅炉夹套温度控制系统的结构框图，锅炉夹套为动态循环水。实验之前，变频器、丹麦泵供水系统在通过阀将锅炉夹套的水装至适当高度。实验投入运行以后，变频器再以固定的频率使锅炉夹套的水处于循环状态。静态闭环单回路的锅炉内胆温度控制，没有循环水加以快速热交换，而单相电加热管功率为4.5KW，加热过程相对快速，散热过程相对比较缓慢，调节的效果受对象特性和环境的限制，在精确度和稳定性上存在一定的误差。增加了循环水系统后，便于热交换及加速了散热能力，相比于静态温度控制实验，在控制的精度性，快速性上有了很大的提高。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，采用工业智能PID调节。四、实验内容与步骤设备的连接与检查按图2-29所示方块图的要求接成实验系统。接法如图2-30。图2-30实验接线图电源空气开关打在关的位置。将锅炉夹套水温+（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV的正极），将锅炉夹套水温－（负极）接到智能调节仪的2端（即RSV的负极）。将智能调节仪的4~20mA输出端的7端（即正极）接至单相SCR移相调压装置的4~20mA输入端的+端（即正极），将智能调节仪的4~20mA输出端的5端（即负极）接至单相SCR移相调压装置的4~20mA输入端的－（即负极）。启动实验装置将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。打开电源带漏电保护空气开关。打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。打开单相加热管电源开关。开启24VDC电源，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。比例调节器（P）控制打开以齿轮泵为动力的支路至锅炉内胆的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。关闭出水阀，打开单相泵电源，往锅炉内胆灌水，直到低水位报警灯熄灭时停止灌水。变频器支路打开，给锅炉夹套以循环冷却水。开启相关仪器和计算机，运行软件，进入相应的实验，如图2-30所示。图2-30实验软件界面把智能调节器置于“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℃），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。启动丹麦泵、变频器，加循环水。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“手动”切换至“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：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系数时的余差和超调量。每当改变值K后，再加同样大小的阶跃信号，比较不同K时的ess和σp，并把数据填入表2-17中。表2-17不同比例P时的余差和超调量K大中小essσp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）改变变频器的输出频率，观察并记录在当前比例K时的余差和超调量。待系统稳定后，再改变输出频率，比较不同输出频率时的ess和σp，并把数据填入表2-18中。表2-18不同频率（Hz）输出时的余差和超调量变频器频率大（Hz）中（Hz）小（Hz）Kessσp比例积分（PI）调节器控制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。固定比例K值（中等大小），然后改变积分时间常数值，观察加入扰动后被调量的动态曲线，并记录不同Ti值时的超调量σp。表2-19不同Ti值时的超调量σp积分时间常数大中小超调量σp固定Ti于某一中间值，然后改变比例系数的大小，观察加扰动后被调量的动态曲线，并记下相应的超调量σp。表2-20不同δ值时的超调量σp比例系数大中小超调量σp选择合适的K和Ti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。比例微分调节器（PD）控制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K值（中间值），改变微分时间常数的大小，观察系统在阶跃输入作用下相应的动态响应曲线。表2-21不同D时的超调量和余差微分时间大中小essσp选择合适的K和Td值，使系统的瞬态响应为一条令人满意的动态曲线。比例积分微分（PID）调节器控制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。增加比例系数，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。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。选择合适的K、Ti和Td，以获得一条较满意的动态曲线。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确定，这种方法既简单又较实用，它的具体做法是：按图2-31所示接好实验系统，逐步减小调节器的比例度δ（1/K），直到系统的被调量出现等幅振荡为止。如果响应曲线发散，则表示比例度δ调得过小，应适当增大之，使曲线出现等幅振荡为止。图2-31具有比例调节器的闭环系统图2-32为被调量作等幅振荡时的曲线。此时对应的比例度δ就是临界比例度，用δK表示；相应的振荡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。图2-32具有周期TK等幅振荡表2-22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δTi(S)Td(S)P2δKPI2.2δK0.85TKPID1.7δK0.5TK0.13TK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δ、Ti和Td。PID参数自整定的连续温度控制当发现上I人工智能调节效果不佳时可启动自整定功能（具体操作参考上I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。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。注：夹套水温控制中，滞后较大，干扰较多，一般来说很难用普通PID控制来调节至稳定，在实验十中我们将尝试用串级控制的方式来调节夹套水温。五、实验报告要求。画出温度控制系统的方块图。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。作出比例调节器控制时，不同δ值时的阶跃响应曲线，得到的结论是什么？分析PI调节器控制时，不同P和I值对系统性能的影响？绘制用PD调节器控制时系统的动态波形。绘制用PID调节器控制时系统的动态波形。绘制用PID自整定控制时系统的动态波形。分析动态的温度单回路控制和静态的温度单回路控制不同之处。六、注意事项实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。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？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？

实验八、流量计流量PID整定实验一、实验目的了解电磁流量计的结构及其使用方法。熟悉单回路流量控制系统的组成。试比较涡轮流量计和电磁流量计之间的不同之处。二、实验设备AE2000型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。三、实验原理流量单回路控制系统如图2-33所示。图2-33流量控制系统四、实验内容与步骤设备的连接与检查接线方法如图2-34所示。图2-34实验接线图先将涡轮流量计的+端（正极）接到流量积算变送仪的3（即RSV的正极），将涡轮流量计的－端（负极）接到流量积算变送仪的5（即RSV的负极）。再将流量积算变送仪的4~20mA输出接至该仪表的转换电阻上转换成1~5V的电压信号，再将此信号接至智能调节仪的1端和2端。最后将智能调节仪的4~20mA输出端的7端（即+极）接至调节阀的4~20mA输入端的+端（即正极），将智能调节仪的4~20mA输出端的5端（即负极）接至调节阀的4~20mA输入端的－（即负极）。同时调节阀的+，-端接上500欧姆电阻两端，即把4~20mA的电流控制信号转换成2~10VDC控制信号。启动实验装置将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。打开电源带漏电保护空气开关。打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。开启24VDC电源，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。比例调节器（P）控制打开回路所组成的阀门，关闭通往其它动力回路的阀。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，使调节器工作在比例调节上。启动工艺流程并开启相关仪器和计算机系统，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）。运行MCGS组态软件，进入实验系统相关的实验,如图2-35所示。图2-35实验软件界面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（一般可以通过改变设定值的大小来实现）。经过一段时间的运行后，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K下系统的余差和超调量。表2-22不同K值时的余差和超调量K大中小essσp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。比例积分调节器（PI）控制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。固定比例K值（中等大小），然后改变调节器的积分时间常数值，观察加入阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同积分时间Ti值时的超调量σp。表2-23不同Ti值时的超调量σp积分时间常数大中小超调量σp固定Ti于某一中等大小的值，然后改变比例K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2-24不同K值下的超调量σp比例K大中小超调量σp选择合适的K和Ti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。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：待系统稳定后，逐步减小调节器的比例度δ（1/K），并且每当减小一次比例度（即增加K），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δ，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2-36所示。图2-36具有周期TK的等幅振荡图2-37具有比例调节器的闭环系统使系统作等幅振荡的比例度δ称为临界比例度，用δk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δ、Ti和Td。表2-25用临界比例度δk整定PID调节器的参数调节器参数调节器名称δTi(S)Td(S)P2δkPI2.2δkTk/1.2PID1.6δk0.5Tk0.125Tk必须指出，表中给出的参数仅是对调节器参数的一个初步调整，系统的性能仍有可能不够理想。对此，应在这个基础上，对参数作进一步调整。五、实验报告画出流量控制系统的实验线路图。用临界比例度法整定P、PI调节器的参数，并分别列出系统在这两种调节器控制下的余差和超调量。作出P调节器控制时，不同K值下的阶跃响应曲线。作出PI调节器控制时，不同K和Ti值时的阶跃响应曲线。六、注意事项实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。在老师的指导下进行实验。七、思考题从理论上分析调节器参数(K、Ti)的变化对控制过程产生什么影响？消除系统的余差为什么采用PI调节器，而不采用纯积分器？

实验九、上水箱液位和涡轮流量串级控制实验一、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1）、因为流量变化瞬速，做为副调节器调节对象，上水箱液位做为主调节器调节对象。控制框图如图9-1所示：图9-1、液位和涡轮流量串级控制框图四、实验内容和步骤1、设备的连接和检查：（1）、打开以丹麦泵、变频器、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。（2）、打开上、下水箱的出水阀至适当开度。（3）、检查电源开关是否关闭。2、系统连线图：图9-2、实验接线1）、如图9-2所示：将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到1~5v位置。2）、电源控制板上的三相电源、单相Ⅰ的空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。3）、调节阀的~220V电源开关打在关的位置。4）、将上水箱液位+（正极）接到任意第一块智能调节仪的1端（即RSV的正极），上水箱液位-（负极）接到智能调节仪的2端（即RSV的负极）。智能仪表的地址设为1，软件定义调节仪地址为1的调节器为主调节器，调节仪地址为2的调节器为副调节器。5）、将主调节仪的4~20mA输出接至转换电阻上转换成1~5V电压信号，再将此转换信号接至另一调节仪（副调节器）的1端和2端作为外部给定，涡轮流量计的测量信号转换为0.2~1V的信号后接入副调节器的3、2两端。调节器输出的4~20mA接变频器的4~20mA控制信号两端。同时调节阀的+，-端接上500欧姆电阻两端，即把4~20mA的电流控制信号转换成2~10VDC控制信号。（参考接线图9—2）3、启动实验装置1）、将实验装置电源插头接到380V的三相交流电源。2）、打开电源三相带漏电保护空气开关，电压表指示380V。3）、打开总电源钥匙开关,按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源。4、实验步骤1）、开启单相Ⅰ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。2）、启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验如图9-3所示：9-3、实验软件界面3）、设定主控参数和副控参数。主调节器的参数与单回路闭环控制设定方法一样，副调节器的参数主要的区别在于参数Sn应设为32，CF应设为8。4）、待系统稳定后，在上水箱给一个阶跃信号，观察软件的实时曲线的变化，并记录此曲线。5）、系统稳定后，在副回路上加干扰信号，观察主回路和副回路上的实时曲线的变化。记录并保存曲线。五、实验报告要求。1）、画出串级控制系统的控制方块图。2）、分析串级控制和单回路PID控制不同之处。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）、系统连接好以后，在老师的指导下，运行串级控制实验。七、思考题1）、在什么场合下需要使用串级控制?

实验十、锅炉内胆和夹套温度串级控制系统一、实验目的熟悉串级控制系统的结构与控制特点。掌握串级控制系统的投运与参数整定方法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AE2000型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。三、实验原理图2-41温度串级控制系统串级控制系统的组成图2-41为一温度串级控制系统。这种系统具有2个调节器、2个闭合回路和两个执行对象。2个调节器分别设置在主、副回路中，设在主回路的调节器称主调节器，设在副回路的调节器称为副调节器。两个调节器串联连接，主调节器的输出作为副回路的给定量，主、副调节器的输出分别去控制二个执行元件。主对象的输出为系统的被控制量锅炉夹套温度，副对象的输出是一个辅助控制变量。串级系统的抗干扰能力串级系统由于增加了副回路，对于进入副环内的干扰具有很强的抑制作用，因此作用于副环的干扰对主被控量的影响就比较小。系统的主回路是定值控制，而副回环是一个随动控制。在设计串级控制系统时，要求系统副对象的时间常数要远小于主对象。此外，为了指示系统的控制精度，一般主调节器设计成PI或PID调节器，而副调节器一般设计为比例P控制，以提高副回路的快速响应。在搭实验线路时，要注意到两个调节器的极性（目的是保证主、副回路都是负反馈控制）。串级控制系统与单回路的控制系统相比串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象的特性，使等效对象的时间常数减小，系统的工作频率提高，改善了系统的动态性能，使系统的响应加快，控制及时。同时，由于串级系统具有主副两只控制器，总放大倍数增大，系统的扰干扰能力增强。因此，它的控制质量要比单回路控制系统高。串级控制系统的投运和整定有一步整定法，也有两步整定法，即先整定副回路，后整定主回路。四、实验步骤设备的连接和检查打开回路所组成的阀门，关闭通往其他动力的阀门。出水阀要开到适当的开度。检查电源开关是否关闭。系统连线图图2-42实验接线图电源控制板上的单相电源空气开关、单相泵电源开关和变频器电源开关打在关的位置。调节阀的～220V电源开关打在关的位置。将锅炉夹套水温的+端（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV的+极），将锅炉夹套水温的－端（负极）接到该调节仪的2端（即RSV的负极）。仪表地址设为1，软件地址为1的调节器为主调节器，调节仪地址为2的为副调节器。将主调节仪的4～20mA输出接至转换电阻上转换成1～5V的电压信号，再将此信号接至副调节器的1端和2端作为外部给定，锅炉内胆的测量信号转换成0.2～1V的电压信号接入副调节器的3、2端。调节器输出的4～20mA接调节阀4～20mA控制信号两端。注：a、需将I/O面板上锅炉内胆的钮子开关打到0.2～1V上。b、两仪表的参数设置与实验九相同。启动实验装置将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。打开电源带漏电保护空气开关。打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。打开单相泵电源。打开变频器电源，频率设置为50Hz左右。运行软件，进入相应的实验，如图2-43所示：图2-43实验软件界面正确设置PID调节器：副调节器：纯比例（P）控制，正作用，自动，KC2（副回路的开环增益）较大。主调节器：比例积分（PI）控制，反作用，自动，KC1〈KC2（KC1主回路开环增益）。待系统稳定后，类同于单回路控制系统那样，对系统加扰动信号，扰动的大小与单回路时相同。通过反复对副调节器和主调节器参数的调整，使系统具有较满意的动态响应和较高的控制精度。五、实验报告要求扰动作用于主、副对象，观察对主变量（被控制量）的影响。观察并分析副调节器KP的大小对系统动态性能的影响。观察并分析主调节的KP与Ti对系统动态性能的影响。六、思考题试述串级控制系统为什么对主扰动具有很强的抗扰动能力？如果副对象的时间常数不是远小于主对象的时间常数时，这时副回路抗扰动的优越性还具有吗？为什么？一步整定法的依据是什么？串级控制系统投运前需要做好那些准备工作？主、副调节器的内、外给定如何确定？正、反作用如何设置？本实验中主、副调节器的极性应如何确定？为什么副回路中的副调节器不设计为PI调节器？改变副调节器比例放大倍数的大小，对串级控制系统的扰动能力有什么影响？试从理论上给予说明。分析串级系统比单回路系统控制质量高的原因。实验十一、电磁和涡轮流量计流量比值控制系统实验一、实验目的1）、了解各种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）、试了解比值控制在工业上的应用。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、比值系统组成原理在各种生产过程中，需要使两种物料的流量保持严格的比例关系是常见的，例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。而且往往其中一个流量随