sPLC实验指导书(V+V)

1、 S7300PLC实验指导明书目 录第一章 S7300PLC系 统2第一节、安装软件2第二节、软件使用简介20第三节、程序中的I/O接口及变量的说明24第四节、问题说明27第五节、用CP343-1以太网模块时注意事项29第二章 系 统 主 题 实 验31实验一、一阶单容水箱对象特性测试实验31实验二、二阶双容中水箱对象特性测试实验35实验三、锅炉内胆温度二位式控制实验39实验四、一阶单容水箱液位PID整定实验42实验五、二阶串接双容中水箱液位PID整定实验48实验六、锅炉内胆水温PID整定实验（动态）51实验七、主回路流量计流量PID整定实验57实验八、双容上中水箱液位串级PID控制实验62实

2、验九、锅炉内胆和夹套温度串级PID控制系统65实验十、涡轮流量和上水箱液位串级PID控制系统68实验十一、主回路和副回路流量比值控制系统实验71第一章 S7300PLC系 统第一节、安装软件一、安装STEP7软件把STEP7 V5.4光盘放进光驱内，数秒钟后，自动播放光盘内容，如图11所示。图11选择“简体中文”，点击“下一步>”后，如图12所示。图12选择“Step 7 V5.4 incl.SP3.1”、“Automation License Manager”， 点击“下一步>”后，开始安装，如图13所示。图13安装过程中会出现如图14所示。图14点击“下一步>”后，如图1

3、5所示。图15选择“接受许可协议的条款”，点击“下一步>”后，如图16所示。默认设置，直接点击“下一步>”后，如图17所示。图16图17如图17，选择“典型的”，点击“下一步>”后，如图18所示。图18选择“否，以后再传送许可证密匙”，点击“下一步>”后，如图19所示。在图19中，点击“install”后，进入安装过程，安装完毕后，会出现如图110所示的情况，请点击“关闭”。图19图110接着出现如图111所示的对话框，请选择“取消”，在这里我们暂时不设置PG/PC接口。接着会出现如图112所示的对话框，点击“是”，然后重新启动。安装完毕。图111图112二、安装SIM

4、ATIC SQL_SP3a安装WinCC之前需要安装SIMATIC SQL，这里我们安装的是SIMATIC SQL_SP3。把SIMATIC SQL_SP3光盘放进光驱内，数秒钟后，自动播放光盘内容（如若不自动播放，可浏览光盘，双击Start.exe文件），如图1-13所示。图1-13选择Install SQL Server 2000，如图1-14所示。图1-14接着点击Next，如图1-15所示。图1-15点击Yes。路径选择默认的，再点击Next，如图1-16.图1-16图1-17出现图1-17时，选择Default Password，再点击Welter继续下一步。如图1-18，点Next

5、。图1-18然后就进入安装过程。三、安装WINCC软件在安装WINCC之前，可能会提示需要安装Microsoft消息队列服务，如若出现这样的情况，请打开操作系统“开始”菜单并选择“设置” > “控制面板” > “添加或删除程序”， 单击左边菜单栏中的“添加或删除Windows组件”按钮，把“消息队列”选上，再点击下一步安装即可，如图1-19.图1-19然后把WINCC V6.0光盘放进光驱内，数秒钟后，自动播放光盘内容，如图120所示。图120选择“安装SIMATIC WINCC”，进入WINCC安装页面，如图121所示。点击“下一步（N）>”，出现如图122所示的对话框，阅

6、读过软件许可证协议后，点击“是（Y）”后进入如图123所示的画面。图121图122图123在“姓名（A）”和“公司（C）”栏中分别填入您的名字和公司名称，在“序列号（S）”栏中填入“0123456789”这十个数字，填写完毕后，点击“下一步（N）”，进入如图124所示的画面。默认目标路径，点击下一步，进入语言选择，勾选“中文（简体）”，点击下一步。再选择典型安装，如图1-25.图1-24图125点击“典型安装”后，进入下一步，如图126所示。图126选择“否（N），稍后执行授权。”，点击“下一步（N）>”，进入如图120的画面。再点击“下一步（N）>”，安装完毕后出现如图127的画

7、面。图127点击“下一步”进入安装过程，安装完毕后，重启计算机。第二节、软件使用简介在STEP7 V5.4软件中编写下位机程序，程序编写后下载到CPU中，在CPU中运行程序。上位机监控部分由WinCC完成。具体的操作方法请参阅STEP7编程手册和WinCC组态手册、通讯手册。一、STEP7STEP7是西门子公司针对S7300所开发的一款编程软件，可以通过MPI、PROFIBUS、工业以态网等接口实现PC和PLC之间的通讯，并在PC上对PLC下载和上载程序。具体操作如下：1. 运行STEP7，可以通过向导新建一个工程。 2. 打开“SIMATIC 300 STATION”中的“hardware”

8、，进入硬件组态窗口，选择正确的输入输出模块。注意配置好相应的输入输出规格，本系统输入模块采用1-5V直流电压模式，输出模块采用4-20mA电流模式。3. 在“BLOCKS”中添加所需编程模块，进行编程。STEP7可以很方便的在STL、LAD、FBD中切换编程方式。为方便编程，编程之前先把输入输出通道和所要的输入输出量对应起来。 4. 实验中我们主要用到的功能函数模块为FB41，它是集成的PID模块，主要结构如下： 5. 调试程序，直至无误，下载程序。6. 将PLC置于RUN模式，运行程序。如果PLC上的SF灯亮，则说明有系统错误，可以在：“PLC”->“module informatio

9、n”中观察，然后进行错误处理。二、WINCCWINCC是西门子公司开发的上位机组态软件，通过WINCC可以对控制对象进行检测和控制。具体操作如下：1. 运行WINCC。2. 新建一个工程，进入工程资源管理器。3. 在“变量管理器”中添加SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE驱动程序。4. 在相应的通讯接口类型中新建驱动连接。在新建的驱动连接中建立变量。注意，变量的地址要和PLC中的地址相对应。如图：5. 在图形编辑器中创建组态画面。画面中用到的变量一定要事先定义好。6. 保存并激活WINCC。运行工程，实现在上位机对控制对象的监控。第三节、程序中的I/O接口及变量的说明一、实验中I

10、/O通道说明对象系统I/O接口S7300PLC的I/O接口锅炉内胆温度信号（420mA）1#SM331模块AI0锅炉夹套温度信号（420mA）1#SM331模块AI1上水箱液位信号（420mA）1#SM331模块AI2中水箱液位信号（420mA）1#SM331模块AI3下水箱液位信号（420mA）1#SM331模块AI41#涡轮流量计流量信号（420mA）1#SM331模块AI52#涡轮流量计流量信号（420mA）1#SM331模块AI6换热器冷水进口温度（420mA）1#SM331模块AI7换热器冷水出口温度（420mA）2#SM331模块AI0换热器热水进口温度（420mA）2#SM331

11、模块AI1换热器热水出口温度（420mA）2#SM331模块AI2移相调压控制信号（420mA）SM332模块AO0变频器控制信号（420mA）SM332模块AO1电动调节阀控制信号（420mA）SM332模块AO2二、实验中变量说明实验变量号说明实验一MD4上水箱液位测量值MW16手动输入控制量实验二MD24中水箱液位测量值MW36手动输入控制量实验三MD44锅炉内胆温度测量值MD50锅炉内胆温度设定值MD54回差(DF)MD60设定值+回差MD66设定值-回差MD78控制量输出实验四MD204上水箱液位设定值MD400手动输入控制量MD208自动控制输出值显示MD200上水箱液位测量值显示

12、实验五MD224中水箱液位设定值MD410手动输入控制量MD228自动控制输出值显示MD220中水箱液位测量值显示实验六MD244锅炉内胆温度设定值MD420手动输入控制量MD248自动控制输出值显示MD240锅炉内胆温度测量值显示实验七MD841#涡轮流量计流量测量值MD2641#涡轮流量计流量设定值MD430手动输入控制量MD268自动控制输出值显示MD2601#涡轮流量计流量测量值显示实验八MD284主控设定值MD440主控手动输入控制量MD288主控自动控制输出值显示MD280主控测量值显示MD94副控设定值MD444副控手动输入控制量MD296副控自动控制输出值显示MD292副控测量

13、值显示实验九MD304主控设定值MD450主控手动输入控制量MD308主控自动控制输出值显示MD300主控测量值显示MD104副控设定值MD454副控手动输入控制量MD316副控自动控制输出值显示MD312副控测量值显示实验十MD324主控设定值MD460主控手动输入控制量MD328主控自动控制输出值显示MD320主控测量值显示MD114副控设定值MD124副控测量值MD464副控手动输入控制量MD336副控自动控制输出值显示MD332副控测量值显示实验十一MD130手动输入调节阀控制量MD1441#涡轮流量计测量值MD1542#涡轮流量计测量值MD160比值系数MD1642#涡轮流量设定值M

14、D470手动输入控制量MD340自动控制输出值显示第四节、问题说明一、第一次打开一个WinCC工程，可能会出现“组态的服务器无效”。解决方法：1. 点击“启动本地服务器”。2. 显示“桌面”，右键打开“我的电脑”>“属性”>“网络标识”，把计算机名称复制下来。3. 在WinCC组态软件中，打开计算机属性，把刚才复制下来的名称，粘贴到此处计算机名称的输入栏中。点击确定，关闭WinCC组态软件，重新打开WinCC组态软件。问题解决。二、WinCC趋势曲线和历史曲线不能显示WinCC趋势曲线和历史曲线不能显示，而且时间不能更新。解决方法：浏览STEP7安装盘，找到名称为“WinCC-Ho

15、tfix”的文件夹，打开文件夹，找到Setup.exe，双击安装。安装后，重新启动计算机，再运行WinCC实验软件，曲线便能显示出来。第五节、用CP343-1以太网模块时注意事项使用CP343-1以太网模块做实验时，必须重新设置PG-PC Interface参数，首先打开PC-PG Interface，点击开始-SIMATIC-STEP 7-Setting the PG-PC Interface，如下图：弹出PG-PC Interface参数设置对话框，如下图：在对话框的左中位置选择TCP/IP-（紧跟着是你的计算机网卡名称），点击OK，如下图：点击“确认”。如果用CP5611卡做实验，那么在

16、该对话框中选择CP5611（Auto）。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1. 熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。2. 根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。二、实验设备HDU-3000-2型过程控制实验装置、万用表、S7300PLC、WinCC软件、计算机、实验连接线。三、实验内容和步骤1、 设备的连接和检查1). 关闭阀23，将HDU-3000-2 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。2). 打开以丹麦泵、电动调节阀组成的动力支路至上水箱的出水阀门：阀1、阀4、阀7，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀

17、门:阀2、阀6、阀11、阀18、阀21。3). 打开上水箱的出水阀：阀9至适当开度。4). 检查电源开关是否关闭。2、 启动实验装置1). 打开电源带漏电保护空气开关。2). 打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。3、 实验步骤1). 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。2). 启动计算机WinCC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3). 点击设置输出数值，设定输出值的大小，这个值根据阀门开度的大小来给定，一般初次设定值<2

18、5。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）。4). 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，应记录输出值，以及水箱水位的高度h1和测量显示值并填入表2-1。表2-1输出值（0100）水箱水位高度h1 （cm）显示值（cm）5). 迅速增加手动输出值，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)读数(cm)6). 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输出值（0100）水箱水位高度h1 （cm）显示值（cm

19、）7). 将输出值调回到步骤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)读数(cm)8). 重复上述实验步骤。四、 实验报告要求1、 作出一阶环节的阶跃响应曲线。2、 根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。 五、注意事项1、 本实验过程中，阀9不得任意改变开度大小。2、 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%。3、 在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。六、思考题1、 在做本实验时，为什么不能任意上水箱出水阀变化

20、阀的开度大小？2、 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HDU-3000-2型过程控制实验装置、万用表、S7300PLC、WinCC软件、计算机、实验连接线。三、实验步骤1、 设备的连接和检查1). 开通以丹麦泵、电动调节阀、上水箱出水阀1、阀4、阀7、阀9所组成的水路系统;关闭通往其他对象的切换阀2、阀6、阀11、阀18、阀21。2). 将下水箱的出水阀10开至适当开度。3). 检查电源开关是否关

21、闭。2、 启动实验装置1). 打开电源带漏电保护空气开关。2). 打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。3、 实验步骤1). 开启24VDC电源开关，中水箱液位传感器输出信号为420mA信号。2). 启动计算机WinCC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3). 开启单相泵电源开关，启动动力支路，手动将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）。4). 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，应记录输出值，以及水箱水位的高度h2和测量显示值并填入表2-5。表2-5输出值（0100）水箱水位高度h2（

22、cm）显示值（cm）5). 迅速增加手动输出值，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)读数(cm)6). 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输出值（0100）水箱水位高度h2 （cm）显示值（cm）7). 将输出值调回到步骤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)读数(cm)8). 重复上述实验步骤。四、注意事项1、 做实验过程中，阀9和10不得任意改变开度大小。2、 阶跃信号不能取得太大，以免影

23、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%。3、 在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。五、实验报告要求1、 作出二阶环节的阶跃响应曲线。2、 根据实验原理中所述的方法，求出二阶环节的相关参数。3、 试比较二阶环节和一阶环节的不同之处。 六、思考题1、 在做本实验时，为什么不能任意变化下水箱出水阀的开度大小？2、 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1、 熟悉实验装置，了解二位式温度控制系统的组成。2、 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HDU

24、-3000-2型过程控制实验装置、万用表、S7300PLC、WinCC软件、计算机、实验连接线。三、实验内容与步骤1、 设备的连接和检查1). 开通以丹麦泵、电动调节阀、锅炉内胆进水阀1、阀4、阀11、阀15所组成的水路系统，关闭其他对象的切换阀6、阀7、阀18、阀21。2). 将锅炉内胆的出水阀14至适当开度。3). 检查电源开关是否关闭。2、 启动实验1). 启动电源，在上位机设好设定值和回差dF的值。2). 在老师的指导下，启动计算机，进入WinCC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3). 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

25、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（）4). 适量改变给定值的大小，重复实验步骤4）。5). 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。四、注意事项1、 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）。2、 给定值必须要大于常温。3、 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。4、 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。五、实验报告1、 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

26、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。六、思考题1、 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？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？实验四、一阶单容水箱液位PID整定实验一、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HDU-3000-2型过程控制实验装置、万用表、S7300PLC、WinCC软件、计算机、实验连接线。三、

27、实验内容和步骤1、 设备的连接和检查1). 将HDU-3000-2 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。2). 打开以丹麦泵、电动调节阀组成的动力支路至上水箱的出水阀门：阀1、阀4、阀7，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门:阀2、阀6、阀11、阀18、阀21。3). 打开上水箱的出水阀至适当开度。4). 检查电源开关是否关闭。2、 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). 打开电源带漏电保护空气开关。3). 打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。4). 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。3、 比

28、例调节控制1). 启动计算机WinCC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2). 打开电动调节阀和单相电源泵开关，开始实验。3). 设定给定值，调整比例系数（K）。4). 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。5). 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。6). 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。7). 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

29、以得到一条过渡过程曲线。8). 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。4、 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。2). 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p。表2-10 不同Ti时的超调量p积分时间常数Ti大中小超调量p3). 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

30、超调量p。表2-11 不同K值下的p比例系数K大中小超调量p4). 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。5、 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从50%突变至60

31、%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。6、 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

32、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k，k1/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、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k整定PID调节器的参数调节器参数调节器名称比例度（1/K）积分时间Ti(S)微分时间Td(S)P2kPI2.2k0.85TmPID1.7k0.5Tm0.13Tm3). 必须指出，表格中给出的参数值是对调节器参数的

33、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、Ti（或Td）作适当调整。四、实验报告要求1、 画出单容水箱液位控制系统的方块图。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三种调节器对系统无差度和动态性能的影

34、响。五、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。六、思考题1、 实验系统在运行前应做好哪些准备工作？2、 为什么要强调无扰动切换？3、 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？4、 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、二阶串接双容中水箱液位PID整定实验一、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能的影响。二、实验设备HDU-3000-2型过程控制实验装置、万用表、S

35、7300PLC、WinCC软件、计算机、实验连接线。三、实验内容与步骤1、 设备的连接和检查1). 将HDU-3000-2 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。2). 打开以丹麦泵、电动调节阀组成的动力支路至上水箱的出水阀门：阀1、阀4、阀7、阀9，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门: 阀2、阀6、阀11、阀18、阀21。3). 打开下水箱的出水阀：阀10至适当开度。4). 检查电源开关是否关闭。2、 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). 打开电源带漏电保护空气开关。3). 打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。3、 调节器控制1). 开启相关仪

36、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2). 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）。3). 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。4). 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）。四、实验报告要求1、 画出双容水箱液位控制实验系统的结构图。2、 按图2-22要求接好实验线路，经老师检查无误后投入运行。3、 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。五、注意

37、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，开启计算机系统。六、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、 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？4、 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？5、 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1、 了解单回路温度控制系统的组成与工作原理

38、。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HDU-3000-2型过程控制实验装置、万用表、S7300PLC、WinCC软件、计算机、实验连接线。三、实验内容与步骤1、 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). 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。3). 打开阀1、阀2、阀3、阀11、阀15至适当开度，关闭阀6、阀7、阀14、阀18

39、、阀21，启动丹麦泵往锅炉内胆进水，加满为止。4). 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5). 运行WinCC组态软件，进入相应的实验，先置于“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。6). 观察实时或历史曲线，待水温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。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

40、和p，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essp7). 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）2、 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p。表2-13 不同Ti值时的超调量p积分时间常数Ti大中小超调量p3). 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

41、加扰动后被调量的动态曲线，并记下相应的超调量p。表2-14 不同K值时的超调量p比例系数K大中小超调量p4). 选择合适的比例系数和积分时间值，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。3、 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essp2). 选择合适的P和D值 ，使系统的瞬态响应为一条令人满意的动态曲线。4、 比

42、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。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。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参数，以获得一条较满意的动态曲线。5、 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：1). 按图2-2

43、7所示接好实验系统，逐步减小调节器的比例度（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2). 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K表示，K1/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等幅振荡调节器参数调节器名称Ti(S)Td (S)P2KPI2.2K0.85TKPID1.7K0.5TK0.13TK表2-16 用临界比例度法整定调节器的参数3). 必须指出，表格中

44、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。四、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，不同比例系数值时的阶跃响应曲线，得到的结论是什么？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

45、控制时系统的动态波形。 五、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，运行温度控制实验。六、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、 连续温控与断续温控有何区别？为什么？实验七、主回路流量计流量PID整定实验一、实验目的1、 了解涡轮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HDU-30

46、00-2型过程控制实验装置、万用表、S7300PLC、WinCC软件、计算机、实验连接线。三、实验内容与步骤1、 设备的连接与检查2、 启动实验装置1). 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。3、 比例调节器（P）控制1). 打开阀1、阀4、阀6，关闭阀11、阀18、阀21。2). 运行WinCC组态软件，进入实验系统相关的实验，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。3). 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）。4). 观察计

47、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2-22 不同K值时的余差和超调量 K大中小 essp5). 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。图2-35 实验软件界面4、 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。

48、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). 固定比例系数值（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值时的超调量p。表2-23 不同Ti值时的超调量p积分时间常数大中小 超调量p 3). 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p 比例大中小 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

49、值由50%变为60%)来获得。5、 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/K），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，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2). 使系统作等幅振荡的比例度称为临界

50、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2-25 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)P2kPI2.2k0.85TkPID1.7k0.5Tk0.13Tk3). 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。四、实验报告1、 画出流量控制系统的实验线路图。2、 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。3、 作出P调节器控制时，不同K值下的阶跃响应曲线。4、 作出P

51、I调节器控制时，不同K和Ti值时的阶跃响应曲线。五、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、 在老师的指导下进行实验。六、思考题1、 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？2、 消除系统的余差为什么采用PI调节器，而不采用纯积分器？实验八、双容上中水箱液位串级PID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HDU-3000-2型过程控制实验装置、万用表、S7300PLC、WinCC软件、计算机、实验

52、连接线。三、实验内容和步骤1、 设备的连接和检查1). 关闭阀1、阀22将HDU-3000-2 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。2). 打开以丹麦泵、电动调节阀组成的动力支路至上水箱的出水阀门：阀1、阀4、阀7，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门:阀2、阀11、阀18、阀21。3). 打开上水箱和中水箱的出水阀：阀9和阀10至适当开度。4). 检查电源开关是否关闭。2、 启动实验装置：1). 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。2). 启动计算机WinCC组态软件，进入实验系统相应的实验如图2-40所示，启动实验，设置参数和设定值。图2-40 实验软件界面3