现场总线控制系统实验装置实验指导书

TIANHUANGTEACHINGAPPARATUSES天煌教仪过程控制实训系列THPCAT2型现场总线控制系统实验装置（PROFIBUS现场总线仪表侧）现场总线控制系统实验装置实验指导书天煌教仪浙江天煌科技实业有限公司绪论现场总线技术是当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，它的出现标志着自动化控制技术又一个新时代的开始。现场总线是连接设置在控制现场的仪表与设置在控制室内的控制设备的数字化、串行、多站通信的网络。其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。现场总线技术的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化，使自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进，形成新型的网络集成式全分布式控制系统现场总线控制系统FCS（FIELDBUSCONTROLSYSTEM）。现场总线实现了微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信，因为其开放式、数字化、多站点通信、低带宽的特性。所以可以很方便地与因特网（INTERNET）、企业内部网（INTERANET）相连。随着近年来现场总线控制技术的日益成熟和完善，其在工业现场的应用已经非常普遍，如何把这种能体现现代控制主流的技术应用到教学实验装置，是本套实验装置所要解决的问题。本套现场总线控制系统，是在原有传统过程控制实验装置基础上，通过PROFIBUS协议进行数据传输和交换的现场总线模块替代常规的现场检测和变送装置，采用工业以太网与上位机进行通讯和远程控制，从而使整个控制系统实现网络化和数字化。本系统既可以为高校本科自动化相关专业的学生提供一个理解和把握现代主流控制技术的实践平台，又可以为高校研究生和教师提供一个自动化理论研究的平台。目录绪论I目录II第一章控制系统的组成及认识实验1第一节、现场总线控制系统（FCS）的组成与认识实验1第二节、下位机软件中的硬件配置和程序结构4第三节、上位机组态软件简介9第二章被控对象特性测试25第一节、单容水箱特性测试25第二节、双容水箱特性测试32第三章单回路控制系统实验37第一节单回路控制系统的概述37第二节、上水箱液位PID整定实验41第三节、串接双容水箱液位PID整定实验45第四节、锅炉内胆水温PID控制实验48第五节、锅炉夹套水温PID控制实验52第六节、单闭环流量PID控制实验55第四章串级控制系统实验58第一节、串级控制系统概述58第二节、水箱液位串级控制实验60第三节、上水箱液位与进水流量串级控制系统64第四节、锅炉内胆水温与水流量串级控制实验68第五章前馈反馈控制系统实验71第一节、下水箱液位前馈反馈控制实验71第二节、锅炉内胆水温前馈反馈控制系统76第六章比值控制系统实验79第七章解耦控制系统实验83第一节、锅炉夹套与内胆水温解耦控制系统85第二节、并联水箱液位解耦控制实验88第八章滞后控制系统实验91第一节、盘管出水口温度滞后控制实验91第二节、盘管出水口流量纯滞后控制系统95第一章控制系统的组成及认识实验第一节、现场总线控制系统（FCS）的组成与认识实验一、系统简介本现场总线控制系统是基于PROFIBUS和工业以太网通讯协议、在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统。整个实验装置分为上位控制系统和控制对象两部分，上位控制系统流程图如图11所示图11上位控制系统流程图控制对象总貌图如图12所示。二、系统组成本实验装置对象主要由网孔板、不锈钢储水箱、有机玻璃水箱、电加热锅炉由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成、纯滞后盘管等组成。在实验屏的下面布置有储水箱和两套供水系统。两路独立的供水系统（主副回路），分别由两只独立的水泵驱动供水，主回路采用现场总线仪图12控制对象总貌图表，副回路采用常规仪表。主要包括磁力泵、电动调节阀、气动调节阀、电磁流量计、涡轮流量计、压力变送器、液位变送器、差压变送器、温度传感器等。管路系统采用快速连接管道，可以自由拆装组合，管路中设置了电磁阀，可以实现手自动切换。在调节阀的旁路设计有旁路阀。1被控对象（1）水箱包括大容积的不锈钢储水箱1套、有机玻璃工作水箱4只，容积大于40升。有机玻璃工作水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于直接观察液位的变化和记录结果。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。除此之外，储水箱还设计了液位报警保护系统，以免水泵空转而影响水泵的使用寿命。2加温锅炉及盘管不锈钢加温锅炉，包括加热层（加温内筒）和冷却层（冷却夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。模拟工业现场的管道输送和滞后环节的纯滞后盘管，为了确保大滞后时间常数，设计长度达20多米，管径为15MM。2检测装置压力传感器、变送器采用SIEMENS带PROFIBUSPA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、下水箱的液位进行检测，其精度为05级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。温度传感器本装置采用五个PT100传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。五个PT100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUSPA通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外四路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成420MADC电流信号。PT100传感器精度高，热补偿性能较好。流量传感器、转换器流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。涡轮流量计型号LWGY10，流量范围012M3/H，精度10。输出420MA标准信号。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUSPA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。3执行机构调节阀采用SIEMENS带PROFIBUSPA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。由CPU直接发送的数字信号控制阀门的开度，本气动调节阀自动进行零点校正，使用和校正都非常方便。变频器本装置采用SIEMENS带PROFIBUSDP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。水泵本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。其中一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。可移相SCR调压装置采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为420MA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。电磁阀在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为2W16025；工作压力最小压力为0KG/2，最大压力为7KG/2；工作温度580。4控制器控制器采用SIEMENS公司的S7300CPU，型号为3152DP，本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUSDP通讯功能的DP通讯接口。5空气压缩机用于给气动调节阀提供气源，电动机的动力经连杆带动活塞做往复运动，使汽缸、活塞、阀组所组成的密闭空间容积产生周期变化，完成吸气、压缩、排气的空气压缩过程，压缩空气经绕有冷却翅片的排气铜管、单向阀进入储气罐。空压机设有气量自动调节系统，当储气罐内的气压超过额定排气压力时，压力开关会自动切断电源使空压机自动停止工作，当储气罐内的气体压力因外部设备的使用而下降到额定排压以下0203MPA时，气压开关自动复位，空压机又重新工作，使储气罐内压缩空气压力保持在一定范围内。三、总线控制柜总线控制柜有以下几部分构成1、控制系统供电板该板的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V，给主控单元和DP从站供电。2、控制站控制站主要包含CPU、以太网通讯模块、DP链路、分布式I/ODP从站和变频器DP从站构成。3、温度变送器PA温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP链路。四、系统特点被控参数全面,涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。本装置由控制对象、综合上位控制系统、上位监控计算机三部分组成。真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。执行器中既有气动调节阀，又有变频器、可控硅移相调压装置，调节系统除了有设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下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。系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业实际的性能要求。能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。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实现。五、系统软件系统软件分为上位机软件和下位机软件两部分，下位机软件采用SIEMENS的STEP7，上位机软件采用SIEMENS的WINCC，上、下位机软件在后面的实验中将分别叙述。第二节、下位机软件中的硬件配置和程序结构本套控制系统下位机编程软件采用SIEMENS公司的下位编程软件STEP7。一、STEP7简介STEP7是用于SIMATICS7300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENSSIMATIC工业软件的组成部分。STEP7以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统，总体说来，它有如下功能特性可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展为功能摸板和通讯处理器赋参数值强制和多处理器模式全局数据通讯使用通讯功能块的事件驱动数据传送组态连接二、STEP7的安装将STEP7CD放入PC机的CDROM驱动器，安装程序将自动启动，根据安装程序界面的提示即可安装完毕。如果安装程序没有自动启动，可在CDROM的以下路径中找到安装程序驱动器/STEP7/DISK1/SETUPEXE一旦安装完成并已重新启动计算机，“SIMATICMANAGERSIMATIC管理器”的图标将显示在WINDOWS桌面上。三、STEP7的硬件配置和程序结构一般来说，要在STEP7中完成一个完整自动控制项目的下位机程序设计，要经过设计自动化任务解决方案、生成项目、组态硬件，生成程序、传送程序到CPU并调试等步骤，其结构流程图如图13所示。图13程序设计结构流程图从其流程图来看，设计自动化任务解决方案是首要的，它是根据实际项目的要求进行设计，本实验指导书对此不做过多地阐述。在生成项目和传送程序到CPU并调试步骤之间，有先组态硬件后生成程序和先生成程序后组态硬件两种方案可供选择，两种方案本质都是一样的，设计者可根据具体情况和自己的习惯来选择其中一种。下面，我们就选择第一种方案，从生成项目开始，逐步介绍如何完成一个自动化控制项目的下位机程序设计。（一）生成项目1双击桌面上的“SIMATICMANAGER”图标，则会启动STEP7管理器及STEP7新项目创建向导如图14所示。图14STEP7新项目创建向导2按照向导界面提示，点击“NEXT”，选择好CPU型号，本示例选择的CPU型号为CPU3152DP，设置CPU的MPI地址为2，点击“NEXT”，在出现的界面中选择好你所熟悉的编程语言（有梯形图、编程指令、流程图等可供选择），点击“FINISH”，项目生成完毕，启动后STEP7管理器界面如图15所示。图15STEP7管理器界面（二）组态硬件硬件组态的主要工作是把控制系统的硬件在STEP7管理器中进行相应地配置，并在配置时对模块的参数进行设定。1、鼠标左键单击STEP7管理器左边窗口中的“SIMATIC300STATION”项，则右边窗口中会出现“HARDWARE”和“CPU3152DP1”两个图标，双击图标“HARDWARE”，打开硬件配置窗口如图16所示。图16硬件配置窗口2、整个硬件配置窗口分为四部分，左上方为为模块机架，左下方为机架上模块的详细内容，右上方是硬件列表，右下方是硬件列表中具体某个模块的功能说明和订货号。3、要配置一个新模块，首先要确定模块放置在机架上的什么地方，再在硬件列表中找到相对应的模块，双击模块或者按住鼠标左键拖动模块到安放位置，放好后，会自动弹出模块属性对话框，设置好模块的地址和其他参数即可。4、按照上面的步骤，逐一按照实际硬件排放顺序配置好所有的模块，编译通过后，保存所配置的硬件。5、点击“开始设置控制面板”,鼠标左键双击控制面板中的“SETPG/PCINTERFACE”图标，选择好你的PC机和CPU的通讯接口部件后点击“OK”按钮退出。6、把控制系统的电源打开，把CPU置于STOP或者RUNP状态，回到硬件配置窗口，点击图标，下载配置好的硬件到CPU中，把CPU置于RUN状态（如果下载程序时CPU置于RUNP状态，则可省略这一步），如果CPU的SF灯不亮，亮的只有绿灯，表明硬件配置正确。7、如果CPU的SF灯亮，则表明配置出错，点击硬件配置窗口标，则配置错的模块将有红色标记，反复修改出错模块参数，保存并下载到CPU，直到CPU的SF灯不亮，亮的只有绿灯为止。（三）程序结构配置好硬件之后，回到STEP7管理器界面窗口，鼠标左键单击窗口左边的“BLOCK”选项，则右边窗口中会出现“OB1”图标，“OB1”是系统的主程序循环块，“OB1”里面可以写程序，也可以不写程序，根据需要确定。STEP7中有很多功能各异的块，分别描述如下1、组织块（OGANIZATIONBLOCK,简称OB）。组织块是操作系统和用户程序间的接口，它被操作系统调用。组织块控制程序执行的循环和中断、PLC的启动、发送错误报告等。你可以通过在组织块里编程来控制CPU的动作。2、功能函数块（FUNCTIONBLOCK,简称FB）。功能函数块为STEP7系统函数，每一个功能函数块完成一种特定的功能，你可以根据实际需要调用不同的功能函数块。3、函数（FUNCTION,简称FC）。函数是为了满足用户一种特定的功能需求而由用户自己编写的子程序，函数编写好之后，用户可对它进行调用。4、数据块（DATABLOCK,简称DB）。数据块是用户为了对系统数据进行存储而开辟的数据存储区域。5、数据类型（DATATYPE,简称UDT）。它是用户用来对系统数据定义类型的功能模块。6、变量标签（VARIABLETABLE,简称VAT）。用户可以在变量标签中加入系统变量，并对这些变量加上用户易懂的注释，方便用户编写程序或进行变量监视。如果你要加入某种块，可在右边窗口（即出现“OB1”的窗口）空白处单击鼠标右键选择“INSERTNEWOBJECT”选项，在其下拉菜单中鼠标左键单击你所要的块即可。添加好了你所要的块之后就是程序编写了，鼠标左键双击你所要编写程序的块即可编写程序了（编写程序的指令和语法可参考SIEMENSASETTAGBIT“LSQX“,1SETTAGBIT“SJBB“,0”三条语句，点击确定按钮。选中“历史曲线”控件，单击鼠标右键，在打开的菜单中，选择“属性”项。在打开的对话框中，选择“属性”“其它”“显示”项，单击鼠标右键，打开如图134所示的历史曲线对象属性窗口。图134历史曲线对象属性窗口选择“动态对话框”项，按图135进行变量连接。图135变量连接用同样的方法，分别定义其它几个按钮。系统完全组态好的画面如图136所示。图136系统完全组态好的画面6保存组态画面点击菜单“文件”“保存”，保存组态画面。第二章被控对象特性测试被控对象数学模型的建立通常用下列二种方法。一种是分析法，即根据过程的机理，物料或能量平衡关系求得它的数学模型；另一种是用实验的方法确定。本章主要介绍后者，即被控对象对典型输入信号的响应来确定它的数学模型。由于此法较简单，因而在过程控制中得到了广泛地应用。第一节、单容水箱特性测试一、实验目的1掌握单容水箱阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线。2根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。二、实验设备1THPCAT2型现场总线控制系统实验装置。2计算机及相关软件。3万用电表一只。三、实验原理图图21单容水箱特性测试结构图由图21可知，对象的被控制量为水箱的液位H，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1，手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时Q10Q200（21）动态时，则有Q1Q2（22）DTV式中V为水箱的贮水容积，为水贮存量的变化率，它与H的关系为DTV，AD即A（23）THA为水箱的底面积。把式（23）代入式（22）得Q1Q2A（24）DT基于Q2，RS为阀V2的液阻，则上式可改写为HQ1ASRHDT即ARSHKQ1T或写作（25）1SQHTSK式中TARS，它与水箱的底面积A和V2的RS有关；KRS。式（25）就是单容水箱的传递函数。若令Q1（S），R0常数，则式（25）可改为H（S）KTK1/SR0TK10对上式取拉氏反变换得（26）/0TERTH当T时，H（）KR0，因而有KH（）/R0输出稳态值/阶跃输入当TT时，则有HTKR01E10632KR00632H式（26）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22所示。当由实验求得图22所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63所对应的时间，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，切线与稳态值交点图22单容水箱的单调上升指数曲线所对应的时间就是时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数如式（25）所示。图23单容水箱的阶跃响应曲线如果对象的阶跃响应曲线为图23，则在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为HSTSKE1四、实验控制系统流程图本实验控制系统的流程图如图24所示。上水箱液位检测信号LT1为标准的模拟信号，直接传送到SIEMENS的模拟量输入模块SM331，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUSDP总线上，PROFIBUSDP总线上挂接有控制器CPU3152DP（CPU3152DP为PROFIBUSDP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。本实验的执行机构为带PROFIBUSPA通讯接口的阀门定位器，挂接在PROFIBUSPA总线上，PROFIBUSPA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUSDP总线交换数据，PROFIBUSDP总线上挂接有控制器CPU3152DP，这样控制器CPU3152DP发出的控制信号就经由PROFIBUSDP总线到达PROFIBUSPA总线来控制执行机构阀门定位器。图24实验控制系统流程图五、实验内容与步骤本实验选择上水箱作为被测对象（也可选择下水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F21、F23、F26全开，将上水箱出水阀门F210开至适当开度，其余阀门均关闭。管路连接将变频泵出水口和支路2进水口连接起来；将支路2出水口和左上水箱进水口连接起来；将左上水箱出水口和储水箱进水口连接起来。1接通控制柜和控制台的相关电源，并启动磁力驱动泵，接通空压机电源。控制柜无需接线。2打开作上位控制的PC机，点击“开始”菜单，选择弹出菜单中的“SIMATIC”选项，再点击弹出菜单中的“WINCC”，再选择弹出菜单中的“WINCCCONTROLCENTER62”,进入WINCC资源管理器，打开组态好的上位监控程序，点击管理器工具栏上的“激活（运行）”按钮，进入实验主界面如图25所示。3鼠标左键点击实验项目“一阶单容水箱对象特性测试实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图26所示。在实验界面的左边是实验流程图，右边是参数整定，下面一排六个切换键的功能如下“实验流程”键系统进入正常测试状态时，实验界面左边就会显示实验流程图，当点击“历史曲线”键时，实验流程图将会被历史曲线所覆盖，如需转到实验流程图，应点击“实验流程”键就可在实验界面左边再现实验流程图。“参数整定”键系统进入正常测试状态时，实验界面右边就会显示参数整定画面，当你点图25实验主界面点击“实时曲线”或“数据报表”键时，参数整定画面的下半部分将会被实时曲线或数据报表所覆盖，如需转到参数整定，点击“参数整定”键即可在实验界面右边再现参数整定画面。“实时曲线”键系统进入正常测试状态时，实时曲线是不显示的，如果需要观察实时曲线，点击“实时曲线”键，即可在实验界面右下方显示实时曲线。“历史曲线”键系统进入正常测试状态时，历史曲线是不显示的，如果需要观察历史曲线，点击“历史曲线”键，即可在实验界面左边显示历史曲线。“数据报表”键系统进入正常测试状态时，数据报表是不显示的，如果需要数据报表，点击“数据报表”键，即可在实验界面右下方显示历史曲线。“返回主菜单”键实验结束，需退出实验时，点击“返回主菜单”键，即关闭当前实验界面返回实验主界面。图26实验界面4在上位机实验界面窗口给定阀门开度值（既可拉动输出值旁边的滚动条，也可直接在输出值显示框中输入阀门开度值），使水箱的液位处于某一平衡位置。5点击实验界面下边的“实时曲线”键，在界面的右下方将显示液位的变化曲线。6在上位机实验界面窗口改变给定的阀门开度值，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），使水箱液位上升或下降，经过一定时间的调节后，水箱的液位进入新的平衡状态，其响应曲线如图27所示。图27单容箱特性响应曲线7观察上位机监控界面上水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。8实验曲线所得的结果填入下表。参数值测量值放大系数K周期T时间常数液位H正阶跃输入负阶跃输入平均值六、实验报告1画出单容水箱特性测试实验的结构框图。2根据实验测得的数据和曲线，分析并计算出单容水箱液位对象时的参数及传递函数。3、实验心得体会。七、思考题1在实验进行过程中，为什么不能任意改变出水口阀开度的大小2用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关3、如果采用中水箱做实验，其响应曲线与上水箱的曲线有什么异同并分析差异原因。第二节、双容水箱特性测试一、实验目的1熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。2根据由实测双容液位的阶跃响应曲线，确定其传递函数。二、实验设备1THPCAT2型现场总线控制系统实验装置。2计算机及相关软件。3万用电表一只。三、原理说明双容水箱对象特性测试系统原理图如图28所示。图28双容水箱对象特性测试系统A结构图B方框图由图28可知，被测对象由两个水箱相串联组成，故称其为双容对象。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。根据本章第一节单容水箱特性测试的原理，可知双容水箱的数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述GSG1SG2S2711221STKSTK式中KK1K2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。本实验中被测量为下水箱的液位，当上水箱的输入量有一阶跃增量变化时，两个水箱的液位变化曲线如图29所示。由图29可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图29A）；而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图29B），即下水箱液位的响应有滞后，其滞后的时间与阀F110和F111的开度大小密切相关。双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。在图210所示的阶跃响应曲线上求取1H2（T）|TT104H2时曲线上的点B和对应的时间T1；2H2（T）|TT208H2时曲线上的点C和对应的时间T2。图29双容水箱液位的阶跃响应曲线（A）上水箱液位（B）中水箱液位图210双容水箱液位的阶跃响应曲线然后，利用下面的近似公式计算式28阶跃输入量输入稳态值OHXK22916TT2212105074221T032T1/T2046由上述两式中解出T1和T2，于是得到如式（27）所示的传递函数。在改变相应的阀门开度后，对象可能会出现滞后特性，这时可由S形曲线的拐点P处作一切线，它与时间轴的交点为A，OA对应的时间即为对象响应的滞后时间。于是得到双容滞后（二阶滞后）对象的传递函数为211S21ESTKSG四、实验控制系统流程图本实验控制系统的流程图如图211所示。图211实验控制系统的流程图下水箱液位检测信号LT3为标准的PA信号，挂接在PROFIBUSPA总线上，PROFIBUSPA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUSDP总线交换数据，PROFIBUSDP总线上挂接有控制器CPU3152DP（CPU3152DP为PROFIBUSDP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。本实验的执行机构为带PROFIBUSPA通讯接口的阀门定位器，挂接在PROFIBUSPA总线上，PROFIBUSPA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUSDP总线交换数据，PROFIBUSDP总线上挂接有控制器CPU3152DP，这样控制器CPU3152DP发出的控制信号就经由PROFIBUSDP总线到达PROFIBUSPA总线来控制执行机构阀门定位器。五、实验内容与步骤本实验选择下水箱作为被测对象（也可选择上大水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F21、F22、F24、F26全开，将上水箱出水阀门F210和下水箱出水阀F212开至适当开度，其余阀门均关闭。管路连接将变频泵出水口和支路2进水口连接起来；将支路2出水口和左上水箱进水口连接起来；将下水箱出水口和储水箱进水口连接起来。1、接通控制柜的相关电源，并启动磁力驱动泵和空压机。2、打开作上位控制的PC机，点击“开始”菜单，选择弹出菜单中的“SIMATIC”选项，再点击弹出菜单中的“WINCC”，再选择弹出菜单中的“WINCCCONTROLCENTER62”,进入WINCC资源管理器，打开组态好的上位监控程序，点击管理器工具栏上的“激活（运行）”按钮，进入的实验主界面如本实验指导书第二章第一节中的图25所示。3、鼠标左键点击实验项目“二阶双容水箱对象特性测试实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图212所示。图212实验界面在实验界面的左边是实验流程图，右边是参数整定，下面一排六个切换键的功能同实验指导第二章第一节所描述的功能相同。4在上位机实验界面窗口给定阀门开度值（既可拉动输出值旁边的滚动条，也可直接在输出值显示框中输入阀门开度值），使输出值设置为一个合适的值（一般为最大值的4070，不宜过大，以免水箱中水溢出），经过一段时间后，水箱的液位处于某一平衡位置。5、液位平衡后，突增（或突减）输出值的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录下此时的输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如图213所示。6、点击实验界面下边的按钮，可切换到实时曲线、历史曲线和数据报表。7、根据实验所得的曲线报表和记录的数据，按公式（28）计算K值，再根据图210中的实验曲线求得T1、T2值，写出对象的传递函数。图213双容水箱液位阶跃响应曲线六、实验报告要求1、画出双容水箱液位特性测试实验的结构框图。2、根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出双容水箱液位对象的参数及传递函数。七、思考题1、做本实验时，为什么不能任意改变两个出水阀门开度的大小2、用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关3、如果采用上水箱和中水箱做实验，其响应曲线与用中水箱和下水箱做实验的曲线有什么异同试分析产生差异的原因。4、引起双容对象滞后的因素主要有哪些第三章单回路控制系统实验第一节单回路控制系统的概述一、单回路控制系统的概述图31为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。图31单回路控制系统方框图二、干扰对系统性能的影响1干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。干扰通道的放大系数KF会影响干扰加在系统中的幅值。若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为TF，则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。即时间常数TF越大，则系统的动态偏差就愈小。通常干扰通道中还会有纯滞后环节，它使被调参数的响应时间滞后一个值，但不会影响系统的调节质量。2干扰进入系统中的不同位置。复杂的生产过程往往有多个干扰量，它们作用在系统的不同位置，如图32所示。同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。图32扰动作用于不同位置的控制系统三、控制规律的选择PID控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。1比例P调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。其传递函数为GCSKP311式中KP为比例系数，为比例带。2比例积分PI调节PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。其传递函数为GCSKP1132S1ITSI式中TI为积分时间。3比例微分PD调节这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。因此一般不用于流量和液位控制系统。PD调节器的传递函数为GCSKP1TDS1TDS331式中TD为微分时间。4比例积分微分PID调节器PID是常规调节器中性能最好的一种调节器。由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。它的传递函数为GCSKP1TDS1TDS34S1ITS1IT图33表示了同一对象在相同阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。图33各种控制规律对应的响应过程四、调节器参数的整定方法调节器参数的整定一般有两种方法一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程实验整定法有以下四种（一）经验法若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。表31为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微分作用，微分时间常数按TDTI计算。314表31经验法整定参数参数系统TIMINTDMIN温度2060310053流量40100011压力3070043液位2080二临界比例度法图34具有周期TS的等幅振荡这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI，TD0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图34所示。根据临界比例度K和振荡周期TS，按表32所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到41衰减为目标。表32临界比例度法整定调节器参数调节器参数调节器名称TISTDSP2KPI22KTS/12PID16K05TS0125TS临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。（三）衰减曲线法（阻尼振荡法）图3541衰减曲线法图形在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图35所示的41衰减过程为止。这时的比例度称为41衰减比例度，用S表示之。相邻两波峰间的距离称为41衰减周期TS。根据S和TS，运用表33所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。表33衰减曲线法计算公式调节器参数调节器名称（）TIMINTDMINPSPI12S05TSPID08S03TS01TS（四）动态特性参数法所谓动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据第二章中对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数（K、T、等），利用表34所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为41时调节器的相关参数。如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（41衰减）就有难度，此时应采用动态特性参数法进行整定。表34经验计算公式调节器参数调节器名称（）TITDP100TKPI1110033PID085100T205第二节、上水箱液位PID整定实验一、实验目的1、了解单容液位定值控制系统的结构与组成。2、掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。3、研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。4、了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。5、掌握在FCS控制系统中现场检测信号的传送和控制信号的网络传输路径。二、实验设备1THPCAT2型现场总线控制系统实验装置。2计算机及相关软件。3万用电表一只。三、实验原理图36上水箱单容液位定值控制系统A结构图B方框图本实验系统结构图和方框图如图36所示。被控量为左上水箱（也可采用右上水箱或者下水箱）的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到的左上水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。四、实验控制系统流程图本实验控制系统的流程图如图37所示。图37验控制系统的流程图左上水箱液位检测信号LT1为标准的模拟信号，直接传送到SIEMENS的模拟量输入模块SM331，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUSDP总线上，PROFIBUSDP总线上挂接有控制器CPU3152DP（CPU3152DP为PROFIBUSDP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。本实验的执行机构为带PROFIBUSPA通讯接口的阀门定位器，挂接在PROFIBUSPA总线上，PROFIBUSPA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUSDP总线交换数据，PROFIBUSDP总线上挂接有控制器CPU3152DP，这样控制器CPU3152DP发出的控制信号就经由PROFIBUSDP总线到达PROFIBUSPA总线来控制执行机构阀门定位器。五、实验内容与步骤实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F21、F23、F24、F26全开，将上小水箱出水阀门F210开至适当开度（3080），其余阀门均关闭。管路连接将变频泵出水口和支路2进水口连接起来；将支路2出水口和上小水箱进水口连接起来；将上小水箱出水口和储水箱进水口连接起来。1、接通控制柜电源，并启动磁力驱动泵和空压机。2、打开作上位控制的PC机，点击“开始”菜单，选择弹出菜单中的“SIMATIC”选项，再点击弹出菜单中的“WINCC”，再选择弹出菜单中的“WINCCCONTROLCENTER62”,进入WINCC资源管理器，打开组态好的上位监控程序，点击管理器工具栏上的“激活（运行）”按钮，进入的实验主界面如本实验指导书第二章第一节中的图25所示。3、鼠标左键点击实验项目“左上水箱液位PID整定实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图38所示。图38实验界面在实验界面的左边是实验流程图，右边是参数整定，下面一排六个切换键的功能同本实验指导第二章第一节所描述的功能相同。4、在上位机监控界面中点击“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过设定值或输出值旁边相应的滚动条或输出输入框来实现。5、启动磁力驱动泵，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少输出量，使左上水箱的液位平衡于设定值。6、按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定PI调节器的参数，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。7、待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰（1）突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面两种仅供参考）（2）将气动调节阀的旁路阀F25开至适当开度，突然打开电磁阀；（3）将上水箱出水阀F210开至适当开度；（改变负载）以上几种干扰均要求扰动量为控制量的515，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面两种干扰方法仍稳定在原设定值），观察计算机记录此时的设定值、输出值和参数，液位的响应过程曲线将如图39所示。图39液位的响应过程曲线8、分别适量改变调节器的P及I参数，重复步骤7，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。9、分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤48，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。六、实验报告要求1、画出单容水箱液位定值控制实验的结构框图。2、用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。3、根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。4、比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。5、分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。七、思考题1、如果采用下水箱做实验，其响应曲线与中水箱的曲线有什么异同并分析差异原因。2、改变比例度和积分时间TI对系统的性能产生什么影响第三节、串接双容水箱液位PID整定实验一、实验目的1、通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。2、掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定与投运方法。3、分析P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。4、理解双容液位定值控制系统采用FCS控制方案的实现过程。二、实验设备（同前）三、实验原理本实验以左上水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT2检测到的下水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。本实验系统结构图和方框图如图310所示。图310双容液位定值控制系统A结构图B方框图四、实验控制系统流程图同本章第二节。五、实验内容与步骤本实验选择左上水箱和下水箱串联作为双容对象（也可选择左上水箱和右上水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F21、F23、F24、F26全开，将上小水箱出水阀门F210、下水箱出水阀门F212开至适当开度（要求F210开度稍大于F212的开度），其余阀门均关闭。管路连接将变频泵出水口和支路2进水口连接起来；将支路2出水口和上小水箱进水口连接起来；将下水箱出水口和储水箱进水口连接起来。然后接通控制系统电源，打开用作上位监控的的PC机，进入实验界面的操作和所打开的实验主界面与本实验指导书第二章第一节中所描述的相同。在实验主界面中选择本实验项即“串接双容水箱液位PID整定实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图311所示。图311实验界面具体实验内容与步骤可根据本实验的目的与原理并参照实验指导书第三章第二节“上水箱液位PID整定实验”中的相应步骤进行。六、实验报告要求1、画出双容水箱液位定值控制实验的结构框图。2、用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。3、根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。4、比较不同PI参数对系统的性能产生的影响。5、分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实验系统的作用。6、描述检测和控制信号在FCS控制网络中的传输路径。七、思考题1、如果采用上水箱和下水箱做实验，其响应曲线与本实验的曲线有什么异同并分析产生差异的原因。2、改变比例度和积分时间TI对系统的性能产生什么影响3、为什么本实验比单容液位定值控制系统更容易引起振荡要达到同样的动态性能指标，在本实验中调节器的比例度和积分时间常数要怎么设置第四节、锅炉内胆水温PID控制实验一、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、了解PID参数自整定的方法及其参数整定在整个系统中的重要性。4、分析锅炉内胆动态水温与静态水温在控制效果上有何不同之处5、理解锅炉内胆水温定值控制采用FCS控制方案实现的过程。二、实验设备（同前）三、实验原理本实验以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。本实验要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻TT1检测到的锅炉内胆温度信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制单相调压模块的输出电压（即电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。在锅炉内胆水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于加热过程容量时延较大，所以其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。本实验系统结构图和方框图如图312所示。图312锅炉内胆温度特性测试系统A结构图B方框图可以采用两种方案对锅炉内胆的水温进行控制（一）锅炉夹套不加冷却水（静态）（二）锅炉夹套加冷却水（动态）显然，两种方案的控制效果是不一样的，后者比前者的升温过程稍慢，降温过程稍快。无论操作者采用静态控制或者动态控制，本实验的上位监控界面操作都是一样的。四、实验控制系统流程图本实验控制系统流程图如图313所示。图313实验控制系统流程图本实验主要涉及两路信号，一路是现场测量信号锅炉内胆温度，另外一路是控制移相调压模块输出的控制信号。锅炉内胆温度的检测装置为PT100热电阻，PT100热电阻检测到的信号传送给温度变送器，本系统采用带PROFIBUSPA通讯接口的温度变送器，挂接在PROFIBUSPA总线上，PROFIBUSPA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUSDP总线交换数据，PROFIBUSDP总线上挂接有控制器CPU3152DP，这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。本实验的执行机构为移相调压模块，移相调压模块所需的