自动化仪表与过程控制试验指导书(DOC)

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自动化仪表与过程控制试验指导书

电气自动化试验中心

２００９年３月

试验一.DDZ-III型电动温度变送器的调校

一.试验目的：

1、了解DDZ-III型温度变送器（DBW-5500A）的结构接线状况，熟悉其使用

方法，进一步理解其工作原理。

2、学会DBW-5500A热电阻温度变送器的零位与量程的调整,以及精度校验方法。

二.试验设备：

1、DBW-5500A型温度变送器一台2、ZX-21型旋转式电阻箱一台3、0.5级电流表一台4、连接导线若干根5、螺丝刀一把

三.试验接线：

按下图方法进行接线,并将电阻箱阻值调整在100Ω,电流表量程接0-20mA档。

①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩②③

24VmA

四.试验内容：

1、零点与量程的调整：根据仪表的温度测量范围，调整电阻箱，参与温度下限值所对应的电阻值，观测输出电流表的读数。调整零点电位器，使变送器输出信号为4mA。再调理电阻箱，参与温度上限值所对应的电阻值，调整量程电位器，使变送器输出信号为20mA。并且反复屡屡调整，直到“零点〞、“满量程〞都符合要求为止。2、线性测试：按表正行程法次序依次逐渐增加阻值，同时记录相应的输出电流，以完成正行程测试。然后，按下表反行程法次序依次逐渐减少阻值，同时记录相应的输出电流，以完成反行程的测试。结果如下：温度OC0102030405060708090100输入值R（Ω）100138.5正行程Ia（mA）反行程Ia（mA）五.作图:

试验二电动调理器的PID参数校正

一、试验目的

1）、通过试验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。2）、研究系统分别用P、PI和PID调理器时的阶跃响应。3）、研究系统分别用P、PI和PID调理器时的抗扰动作用。4）、定性地分析P、PI和PID调理器的参数变化对系统性能的影响。

二、试验装置

1）、TKGK-1型过程控制试验装置：

PID调理器GK-04、变频器GK-07-22）、计算机及监控软件

三、试验原理

1、单容水箱液位控制系统

图7-1、单容水箱液位控制系统的方块图

图7-1为单容水箱液位控制系统。这是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作便利、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。

当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的选择有着很大的关系。适合的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不适合，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控

制器的参数是一个很重要的实际问题。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。图7-2单容液位控制系统结构图

系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必需为无扰动，这就要求调理器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定值无偏差存在。

一般言之，具有比例（P）调理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）调理器，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选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调理器是在PI调理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）。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调理系统的阶跃响应分别如图7-3中的曲线①、②、③所示。

.T(c)312ess10t(s)图7-3、P、PI和PID调理的阶跃响应曲线

四、试验内容与步骤

1、比例（P）调理器控制

1）、按图7-1所示，将系统接成单回路反馈系统（接线参照试验一）。其中被控对象是上水箱，被控制量是该水箱的液位高度h1。

2）、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。

3）、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好准备。

4）、在开环状态下，利用调理器的手动操作开关把被控制量“手动〞调到等于给定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处）。

5）、观测计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可将调理器切换到纯比例自动工作状态（积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关〞的位置，比例度设置于某一中间值，“正-反〞开关拔到“反〞的位置，调理器的“手动〞开关拨到“自动〞位置），让系统投入闭环运行。

6）、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。7）、减小δ，重复步骤6，观测过渡过程曲线，并记录余差大小。8）、增大δ，重复步骤6，观测过渡过程曲线，并记录余差大小。9）、选择适合的δ值就可以得到比较满意的过程控制曲线。

10）、注意：每当做完一次试验后，必需待系统稳定后再做另一次试验。2、比例积分调理器（PI）控制

1）、在比例调理试验的基础上，参与积分作用（即把积分器“I〞由最大处“关〞旋至中间某一位置，并把积分开关置于“开〞的位置），观测被控制量是否能回到设定值，以验证在PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。

2）、固定比例度δ值（中等大小），改变PI调理器的积分时间常数值Ti，然后观测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。表二、δ值不变、不同Ti时的超调量σp

积分时间常数Ti超调量σp3）、固定积分时间Ti于某一中间值，然后改变δ的大小，观测加扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同δ值下的超调量σp。

大中小表三、Ti值不变、不同δ值下的σp比例度δ超调量σp大中小4）、选择适合的δ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。3、比例积分微分调理（PID）控制

1）、在PI调理器控制试验的基础上，再引入适量的微分作用，即把D开启。然后加上与前面试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，并与试验步骤（二）所得的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。

2）、选择适合的δ、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）、用计算机记录试验时所有的过渡过程实时曲线，并进行分析。

五、本卷须知

1、试验线路接好后，必需经指导老师检查认可后才能接通电源。2、必需在老师的指导下，启动计算机系统和单片机控制屏。3、若参数设置不当，可能导致系统失控，不能达到设定值。

六、试验报告要求

1、绘制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，并表达无扰动切换的方法。3、P调理时，作出不同δ值下的阶跃响应曲线。

4、PI调理时，分别作出Ti不变、不同δ值时的阶跃响应曲线和δ不变、不同Ti值时的阶跃响应曲线。

5、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。6、比较P、PI和PID三种调理器对系统余差和动态性能的影响。

试验三气动差压变送器调校

一、试验目的：

１、气动差压变送器的结构及工作原理。

２、据不同的使用要求调整变送器的工作范围（迁移量），从而正确把握气

动变送器调零和调迁移的方法。

二、试验设备：

QBC-32型气动差压变送器、缜密压力表（2块）、气源装置和定值器。

三、试验内容及步骤：1.无迁移调校

１）调零及观测量程

a.调整定值器，使Psr=0时，调整调零弹簧使Psc=0.2kgf/cm2(0.02MPa)

b.调整定值器,当Psr=0.4kgf/cm2(0.04Mpa),时Psc=1kgf/cm2(0.1Mpa)，观测量程。

２）测试特性曲线

首先重复上述a.b使之满足，然后依下表进行测试：Psr00.050.10.150.20.250.30.350.4Psc2.正迁移50%调校调迁移：

调定值器使Psr=0.2kgf/cm2(0.02MPa),

通过调迁移弹簧使Psc=0.2kgf/cm2(0.02MPa)观测量程是否改变。四、试验报告：

根据上表数据画出特性曲线，进行差压变送器的误差分析。

试验四KMM可编程数字调理器的系统组态

一．试验目的

1)了解智能仪表的使用及参数的自整定；2)设计温度二位控制系统；二．试验设备

TKGK-1过程控制试验装置：

GK-04、GK-07-2、AI-708智能调理器三．试验原理

1.A1-708智能调理简介：

1)特点与用途：AI-708型仪表，具备0.2级精度，可编程输入，通过参数设置即可选择热电偶、热电阻、线性电阻和电压（电流）的输出，具备位式调理、AI人工智能调理、通讯、变送和上限、下限、正偏差、负偏差等报警功能，具有可编程模块化输出，支持时间比例（继电器触点开关、SSR电压、可控硅无触点开关及单相/三相可控硅过零触发信号等）和线性电流（包括0—10mA及0—20mA等）。适合在化工、石化、火电、制药、冶金等行业做高精度测量、显示、变送、位式/人工智能/PID调理或报警等功能。其AI人工智能调理可实现较为理想的温度控制。

2)主要参数功能说明：

Ctrl（控制方式）：

Ctrl=0，采用位式调理，只适合要求不高的场合。

Ctrl=l，采用AI人工智能调理PID调理，该设置下，允许从面板启动执行自整定功能。

Ctrl=2，启动自整定参数功能，自整定终止后会自动设置3或4。

Ctrl=3，采用AI人工智能节，自整定终止后仪表自动进入该设置，在该设置下不允许从面板启动自整定参数功能，以防止误操作重复启动自整定。

Ctrl=4，该方式下与Ctrl=3时基本同，但其P参数定义为原来的10倍，即可将P参数放大10倍，获得更精细的控制。

．HIAL（上限报警）：测量值大于HIAL＋dF值时，仪表将产生上限报警。测量值小于HIAL－dF值时，仪表将解除上限报警。设置HIAL到其最大值（9999）可避免产生报警作用。

．LOAL（下限报警）：测量值小于LOAL－dF时产生下限报警，当测量值大于LOAL＋dF时下限报警解除。设置LOAL到其最小值（－1999）可避免产生报警作用。

．dHAL（正偏差报警）：采用AI人工智能调理时，当正偏差（测量值PV减给定值SV）大于dHAL＋dF时产生正偏差报警。当偏差小于dHAL－dF时负偏差报警解除。设置dHAL=9999时，负偏差报警功能被取消。

．dLAL（负偏差报警）：采用AI人工智能调理时，当负偏差（测量值PV减给定值SV）大于dLAL＋dF产生负偏差报警，当偏差小于dLAL－dF时负偏差报警解除。设置dLAL＝9999时，负偏差报警功能被取消。

．dF（回差）：回差用于避免因测量输入值波动而导致位式调理频繁通断或

报警频繁产生/解除。

另外：Sn（输入规格）、CF（系统功能选择）、M5（保持参数），P（速率参数）等。（详见AI人工智能工业调理器使用说明书）2.温度二位控制原理与调试方法：

1)A1-708智能调理器作为二位调理器时的参数设置：

控制方式：Ctrl=0

输入规格：SN=21（PT100）输入下限值：dIL=0输入上限值：dIH=100输出方式：OP1=0输出下限值：OPL=0输出上限值：OPH=100回差：dF＝0.3

系统功能选择：CF=4

通讯地址：Addr=00（0mA）通讯波特率：BAUd=l00（10mA）运行及上电信号处理：RUN=1

2)AI-708作为二位调理器时的工作原理

当PV（测量温度）减小到小于SV－dF（设定温度减回差）时，调理器输出DC12V控制电压；当PV增大到大于SV＋dF（设定温度加回差）时，调理器输出控制电压为0；调理器输出的电压直接控制固态继电器的通断，以控制是否加热，从而达到控制温度的目的。

由过程控制原理可知，二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。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的指标。一般要求振幅小，周期长，然而对同一双位系统来说，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。

四．试验步骤

1.成试验系统的连线工作。

1.按试验原理中的说明，先对AI-708智能仪表进行参数和给定值的设置，然后开启GK-01上的加热开关，使系统投入自动运行。

2.以复合加热水箱作为被控对象，手动控制交流电机使之恒速往复合加热水箱内加水。

3.用上位机采集实时数据并显示过渡过程曲线：将AI-708的温度检测信号输出端“TT〞接单片控制屏GK-03的信号输入端“TT〞；设置单片机回路。4.参数St=2、CH=100、CL=0；用串行通信线将GK-03与上位机相连，以便试验时观测过程的曲线。

5.参考试验四的步骤，改变设定温度值，记录在不同温度下的过程曲线。6.用直流电机驱动泵向加热水箱打水作为扰动，并记录过程曲线。

试验五智能调理器的调试

一.试验目的

了解智能调理器的原理、功能、使用及参数的自整定；

二.试验设备

TKGK-1过程制试验装置：

GK-04、GK-07-2、AI-708智能调理器

三.试验原理

AI-708智能调理仪简介：

1）、特点与用途：AI-708型仪表，具备0.2级精度，可编程输入，通过参数设置即可选择热电偶、热电阻、线性电阻和电压（电流）的输出，具备位式调理、AI人工智能调理、通讯、变送和上限、下限、正偏差、负偏差等报警功能，具有可编程模块化输出，支持时间比例（继电器触点开关、SSR电压、可控硅无触点开关及单相/三相可控硅过零触发信号等）和线性电流（包括0–10mA及0–20mA等）。适合在化工、石化、火电、制药、冶金等行业做高精度测量、显示、变送、位式/人工智能/PID调理或报警等功能。其AI人工智能调理可实现较为理想的温度控制。

2）、主要参数功能说明：?Ctrl(控制方式)：

Ctrl=0,采用位式调理，只适合要求不高的场合。

Ctrl=1，采用AI人工智能调理/PID调理，该设置下，允许从面板启动执行自整定功能。

Ctrl=2，启动自整定参数功能，自整定终止后会自动设置3或4。

Ctrl=3，采用AI人工智能调理，自整定终止后仪表自动进入该设置，在该设置下不允许从面板启动自整定参数功能，以防止误操作重复启动自整定。

Ctrl=4，该方式下与Ctrl=3时基本一致，但其P参数定义为原来的10倍，即可将P参数放大10倍，获得更精细的控制。

?HIAL(上限报警)：测量值大于HIAL+dF值时，仪表将产生上限报

警。测量值小于HIAL-dF值时，仪表将解除上限报警。设置HIAL到其最大值（9999）可避免产生报警作用。

?LOAL(下限报警)：测量值小于LOAL-dF时产生下限报警，当测量

值大于LOAL+dF时下限报警解除。设置LOAL到其最小值（-1999）可避免产生报警作用。?dHAL（正偏差报警）：采用AI人工智能调理时，当正偏差（测量

值PV减给定值SV）大于dHAL+dF时产生正偏差报警。当偏差小于dHAL-dF时正偏差报警解除。设置dHAL=9999时，负偏差报警功能被取消。

?dLAL(负偏差报警)：采用AI人工智能调理时，当负偏差（测量值

PV减给定值SV）大于dLAL+dF产生负偏差报警，当偏差小于dLAL-dF时负偏差报警解除。设置dLAL=9999时，负偏差报警功能被取消。

?dF（回差）：回差用于避免因测量输入值波动而导致位式调理频

繁通断或报警频繁产生/解除。另外：Sn（输入规格）、CF（系统功能选择）、M5（保持参数），P（速率参数）等。

四.试验步骤

1、按图所示的方块图，完成试验系统的连线工作。

2、按试验原理中的说明，先对AI-708智能仪表进行参数和给定值的设置，然后开启GK-01上的加热开关，使系统投入自动运行。

3、以复合加热水箱作为被控对象，手动控制交流电机使之恒速往复合加热水箱内套加水。

4、用上位机采集实时数据并显示过渡过程曲线：将AI-708的温度检测信号输出端“TT〞接单片机控制屏GK-03的信号输入端“TT〞；设置单片机回路5参数St=2、CH=100、CL=0；用串行通信线将GK-03与上位机相连，以便试验时观测过程的曲线。

5、改变设定温度值，记录在不同温度下的过程曲线。

6、用直流电机驱动泵向加热水箱打水作为扰动，并记录过程曲线。

五．试验报告

记录系统过渡过程曲线，分析系统的性能指标。

试验六、单容水箱对象测试法建模

一、试验目的

1）、通过试验熟悉单容水箱的模型。

2）、通过试验了解自衡特性。3）、实测出单容水箱的阶跃响应曲线。4）、确定出单容水箱模型对应的特征参数。

二、试验设备

1）、THGK-1型过程控制试验装置：GK-04GK-06GK-07-22）、万用表一只3）、秒表一只4）、计算机系统

三、试验原理

1、单容水箱液位控制系统

图6-1、单容水箱液位控制系统的方块图

图6-1为单容水箱液位控制系统。这是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。而对模型的明白认识以及建立适合的数学模型是控制的基础，建模主要有机理法建模和测试法建模两种方法，而阶跃响应曲线法建模使用最多。

阶跃响应曲线法是系统在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调理器手动改变对象的输入信号（阶跃信号），如图6-2所示。同时，记录对象的输出数据和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对试验数据进行合理的处理，确定模型中的相关参数，单容水箱的液位数学模型可用一阶惯性环节来近似描述。

设水箱的进水量为Q10，出水量为Q20，水箱的液面高度为h0，阀门开启一定开度时，系统处于平衡状态。假定某一时刻，阀门1突然开大?μ1根据物料动态平衡的关系，求得：

（?Ql-?Q2）/A=d?h/dt

?Q2??h?Q1=K???1（6-1）Rs式（6-1）中，RS——阀门2阻力系数；Kμ——阀门1比例系数；μ1——阀门1的开度；

在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

TsH(s)?H(s)?K?1(s)（6-2）

式（6-2）中，T=ARS为水箱的时间常数，K=KμRs为过程的放大倍数，也是阀门的液阻，A为水箱的底面积。

传递函数为：

H(s)K??1(s)Ts?1当输入量μ1作一阶跃变化时，其输出（Δh）随时间变化的曲线。

K1H(s)??

Ts?1s时域表达式为?h=K(1?e?tT)??1，称一阶惯性特性或单容特性。

当t=T时，有?h(T)?K(1?e?TT)??1?0.632h(?)（6-3）

h2(t)h2()00式（6-3）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6-3曲线所示。由式（6-4）可知该曲线上升到稳态值的63.2%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，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T，其理论依据是：

dh(t)dtK??1?1tt?0?TTet?0?0.63h2()00K??1h(?)?(6-4)TT0Tt图6-3阶跃响应曲线

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(∞)。

式（6-2）中的K值由下式求取：K=h(∞)/R0=输入稳态值/阶跃输入

四、试验内容与步骤

1）、依照图6-1的结构框图，完成系统的接线，并把PID调理器的“手动/自动〞开关置于“手动〞位置，此时系统处于开环状态。

2）、将单片机控制屏GK-03的输入信号端“LT1、LT2〞分别接GK-02的传感器输出端“LT1、LT2〞；用配套通讯线将GK-03的“串行通信口〞与计算机的COM1连接；启动单片机控制屏GK-03，用单片机控制屏GK-03的键盘设置回路1和回路3的采样时间St=2，标尺上限CH=150；然后用上位机控制监控软件对液

位进行监视并记录过程曲线。

3）、利用PID调理器的手动旋钮调理输出，和出水阀开度调理输出，将被控参数液位稳定在5cm左右（建立自衡对象模型，注意**此处调整完成后，测试期间出水阀开度不能改动，不然对象模型就会发生改变）。

4）、观测系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，记录此时调理器手动输出值VO以及水箱水位的高度h1和显示仪表LT1的读数值并填入下表。

变频器输出频手动输出Vo水箱水位高度h1LT1显示值率fHZvcmcm5）、迅速增调“手动调理〞电位器，使PID的输出突加10%，利用上位机监控软件记录下来由此引起的阶跃响应的过程曲线，并根据所得曲线填写下表。

t（s）水箱水位h1(cm)LT1读数(cm)等到进入新的平衡状态后，再记录测量数据，并填入下表：变频器输出频PID输出Vo水箱水位高度h1LT1显示值率fHZvcmcm6）、将“手动调理〞电位器回调到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。填入下表：t（s）水箱水位h1(cm)LT1读数(cm)7）、重复上述试验步骤。五、试验报告要求

1）、简述自衡原理，试验中的单容水箱是否可以实现自衡？试验

中是否实现了自衡，为什么？

2）、作出一阶环节的阶跃响应曲线。3）、根据试验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。

六、本卷须知

1）、试验线路接好后，必需经指导老师检查认可后方可接通电源。

2）、必需在老师的指导下，启动计算机系统和单片机控制屏。3）、阶跃信号不能取得太大，以免影响系统正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。

4）、在输入阶跃信号前，过程必需处于平衡状态。

七、思考题

1）、在做本试验时，为什么不能任意变化阀V1或V2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？

试验七.温度连续控制系统

一.试验目的:

1.学习主机冷却水温度控制系统的操作2.学习主机冷却水温度调理器参数的整定二.试验设备:

主机冷却水温度仿真控制系统一套

工控机仿真冷却器一台三.试验原理:

感温元件检测柴油机冷却水的温度，将测量出的温度信号送入调理器。这个测量值与调理器的给定值相比较得到偏差信号ε，这个偏差信号ε经比例微分作用后，输出脉冲控制信号去驱动伺服马达，调理旁通阀位的开度大小，最终把冷却水的进口温度控制在给定值附近。

四.试验内容:1．

主机冷却水温度控制系统的操作：

熟悉MR-Ⅱ型冷却水温度控制系统的组成；把握系统各个部件的功能及工作原理；把握操作维护要点及故障分析能力。2．

电动冷却水温度调理器参数的整定：调理器P、I参数的整定。

3．调整对象特性参数K、T。五.试验步骤:1.

系统投入运行操作

（1）把准连续调理器上的手/自动开关扳到手动位置。

（2）把电动执行器电机后面的手/电动开关扳到电动位置，把手轮向内推进。（3）设定水温给定值：旋转准连续调理器上的温度设定旋钮，把旋钮的指针旋

转到要求的温度数值。

（4）按动准连续调理器上的上升、下降按钮调理执行器，把水温调理到给定值

附近。

（5）把准连续调理器上的手/自动开关扳到自动位置。2.

手/自动切换操作

手动操作切换：把准连续调理器上的手/自动开关扳到手动位置，然后把电动

执行器电机后面的开关扳到手动位置，再把手轮向外拉出。

自动操作切换：把手轮向内推进，然后把电动执行器电机后面的开关扳到电

动位置，按动准连续调理器上的上升、下降按钮调理执行器，把水温调理到给定值附近，再把准连续调理器上的手/自动开关扳到自动位置。

3.(1)

调理器P、I参数的整定

整定比例带

要求系统过渡过程曲线的衰减比为4:1。首先切除积分、微分作用（把积分时间调理到最大值，把微分时间调理到最小值），此时系统为纯比例作用。先把δs调到最大值，由大到小依次调理，每调理一次δs值，加一次扰动观测过渡过程曲线，直到曲线的衰减比为4:1。然后记录下来δs值和振荡周期Ts值。(2)

整定积分时间

若是比例积分（PI）要求，把δs乘上1.2，把Ts乘上0.5。则比例带为1.2δs，积分时间为0.5Ts。(3)

根据要求整定微分时间

若是比例积分微分（PID）要求，把把δs乘上0.8，把Ts乘上0.3和0.1。则比例带为0.8δs，积分时间为0.3Ts，微分时间为0.1Ts。(4)

的原因。

4.调整控制对象的T和K后，观测并分析过渡过程曲线的变化状况。六.试验报告要求：1.2.

画出冷却水温度控制系统的结构方框图。

画出两套系统的阶跃响应曲线，说明改变调理器参数对阶跃响应曲线的影响。

最终把系统投入运行。1号系统参数为正确状态，2号系统参数

为不正确状态。观测两台系统的过渡过程曲线，分析曲线的差异及引起差异

试验八、温度断续控制系统（位式控制）

一、试验目的

1、了解二位式温度控制系统的结构与组成。2、把握位式控制系统的工作原理及其调试方法。

二、试验设备

1、THKGK-1型过程控制试验装置：

GK-02GK-03GK-05GK-072、万用表一只3、计算机系统

三、试验原理

1、温度传感器

温度测量寻常采用热电阻元件（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。其电阻值与温度间的关系式为：

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(寻常为0℃)时的电阻值；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，但是它们并不都能作为测温用的热电阻。作为热电阻的材料一般要求是：电阻温度系数小、电阻率要大、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。根据具体状况，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AI人工智能工业调理器）将电阻值的变化转换为电压信号。

铂电阻元件是采用特别的工艺和材料制造，它具有很高的稳定性和耐震动等特点，还具有较强的抗污染能力。

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(寻常为0℃)时的电阻值；

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，用分度号来表示。2、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。本试验的被控对象是电加热丝，被控制量是复合水箱内套中的水温T，温度变送器把被控制量T转变为反馈电压Vi，它与二位调理器

设定的上限输入Vmax和下限输入Vmin比较，从而决定二位调理器的输出信号；调理器的输出电压V0（5V）作为执行元件的控制信号。V0与Vmin和Vmax的关系如图4-1所示，图4-2为位式控制系统的方块图。

图4-1、V0与Vmin、Vmax、Vi关系图

图4-2、位式控制系统的方块图

由图4-1可见，V0与Vi的关系不仅有死区存在，而且还有回环，因而图4-2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〞两种极限工作状态，故称这种控制器为两位调理器。该系统的工作原理是：当被控制的水温T减小到小于设定下限值时，即Vi≤Vmin时，调理器的输出为V0（5V），执行元件（固态继电器）接通，使电热丝接通220V电源加热（如图4-3所示）。随着水温T的升高，Vi也不断增大，当增大到大于设定上限值时，即Vi≥Vmax时，则两位调理器的输出V0由5V降到

0V，此时固态继电器释放，切断电热丝的供电。由于这种控制方式具有冲击性，易损坏元器件，故只是在对控制质量要求不高的系统才使用。

温度给定值是由GK-05挂件上的给定信号源给定，其中RP1电位器用于设定Vmin，RP2电位器用于设定Vmax，（要求Vmax-Vmin≥1V）。被控对象为复合水箱中的电热丝，被控制量为内套的水温，它由铂电阻PT100测定，并经温度变送器AI708送到位式控制挂件GK-05的Vi端。位式控制是根据测得温度与设定温度上、下限进行比较，发出访固态继电器通断的控制信号，从而达到控制水箱中水温的目的。

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4-4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，而是用振幅和周期作为品质的指标。一般要求振幅小，周期长，然而对同一个双位控制系统来说，若

T(c).要振幅小，则周期必然短；若要周期长，则振幅就变大。因此需合理选择其中间区，以使振幅在限定的范围内，又尽可能获得较长的周期。

10t(s)图4-4、双位控制系统的响应曲线

四、试验内容与步骤

1、参照本书第一部分产品使用说明书，按图4-2所示的方块图，利用THKGK-1型试验装置组成控制系统。位式控制器输出端Vo接加热器控制信号的输入端“TR〞，GK-05给定信号分别接“Vmax〞和“Vmin〞，将AI-708的变送输出信号“TT〞接到GK-05的“Vi〞端。

2、启动电源，分别调理好Vmin和Vmax的设定值。3、开启GK-01上的加热开关，使系统投入运行。

4、系统运行后，通过计算机监控软件记录水温变化过程的实时曲线。待稳定振荡2~3个周期后，观测位式控制过程曲线的振荡周期和振幅大小。试验数据记录如下：S（秒）T（℃）5、适量改变Vmax和Vmin的大小，重复试验步骤4）。

6、开启阀1、阀4、阀7和阀8，关闭阀5，启动试验装置的供水系统，给复合水箱的外套水箱加滚动冷却水，重复上述的试验步骤。

五、本卷须知

1、Vmax必需要大于Vmin（一般要求Vmax-Vmin≥1V）。

2、试验线路接好后，必需经指导老师检查认可后，方可接通电源开始试验。

3、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，并保存每次试验记录的数据和曲线。

六、试验报告

1、画出不同Vmax、Vmin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的大小。

2、画出加冷却水时被控量的动态响应曲线，并比较振荡周期和振荡幅度大小。3、综合分析位式控制系统的特点。

试验九、单回路控制系统的性能试验

一、试验目的

了解控制通道和扰动通道对系统控制质量的不同影响。

二、试验设备

TKGK-1型过程控制试验装置：GK-04、GK-07-2计算机系统。

三、验原理

图10-1双容水箱液位控制系统对一个控制系统来说，由于控制通道和扰动通道的不同，因而系统的给定量与扰动量对被控制量的影响是不一样的。控制通道时间常数的大小反映了控制作用的强弱，反映了调理器的校正作用战胜扰动对被控参数影响的快慢。扰动作用是由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定值；为了减小扰动作用对被控参数的影响，我们希望扰动通道时间常数要大，扰动引入系统的位置要远离控制过程，扰动通道容量的时延要大。四、试验步骤：

1、研究控制通道不变（双容）而干扰进入系统位置不同时的控制质量。在给定信号作用下，当系统的被控制量下水箱液位已趋于稳态后，启动直流电机与泵，分别向上水箱或下水箱打水（作为系统扰动），观测并记录被控制量的动态变化过程。

2、研究干扰进入系统的位置（上水箱）不变，而控制通道不同（双容和单容）

时的控制质量。试验方法如下：用直流电机向上水箱恒压打水作为干扰，并把系统的被控对象分别接成单、双容，记录各自过渡过程曲线。

1、自行设计试验线路和试验步骤（参照前面的试验内容）。

2、对试验曲线进行定量分析，分别计算控制通道一致，扰动通道不同时的超

调量、余差、调理时间。

5、分别计算控制通道不同，扰动通道一致时的超调量、余差、调理时间。

五、本卷须知

试验线路连好后，需经指导老师检查认可后，方可接通总电源。

六、思考问题

1）、如何用方块图表示所组成的单回路系统？干扰作用在方块图上如何表示？

2）、用控制理论解释扰动产生的静差只与扰动作用点前的环节结构、参数有关，与扰动作用点后的环节结构无关？

3）、对试验过程曲线进行对比，分析控制通道和扰动通道对控制质量的影响。

试验十、双容水箱液位PID控制系统

一、试验目的

1、熟悉单回路双容液位控制系统的组成和工作原理。2、研究分别用P、PI和PID调理器时系统的动态性能。

3、定性地分析P、PI和PID调理器的参数变化对系统性能的影响。4、把握临界比例度法整定调理器的参数。5、把握4：1衰减曲线法整定调理器的参数。

二、试验设备

1、THKGK-1型过程控制试验装置：

GK-02、GK-03、GK-04、GK-07(2台)2、万用表一只3、计算机系统

三、试验原理

图8-1、双容水箱液位控制系统的方框图

图8-1为双容水箱液位控制系统。这是一个单回路控制系统，它与试验六不同的是有两个水箱相串联，控制的目的既要使下水箱的液位高度等于给定值所期望的值，又要具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。显然，这种反馈控制系统的性能主要取决于调理器GK-04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）调理器去控制，系统有余差，且与比例度近似成正比，若用比例积分（PI）调理器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调理器的参数δ和Ti选择得合理，也能使系统具有良好的动态性能。

图8-2、双容水箱液位控制结构图

比例积分微分（PID）调理器是在PI调理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、试验内容与步骤

1、比例（P）调理器控制

1）、按图8-1所示，将系统接成单回路反馈控制系统（接线参照试验一）。其中被控对象是下水箱，被控制量是下水箱的液位高度h2。

2）、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。

3）、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好准备。

4）、在开环状态下，利用调理器的手动操作开关把被控制量调到等于给定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处）。

5）、观测计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可将调理器切换到纯比例自动工作状态（积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关〞的位置，比例度设置于某一中间值，“正-反〞开关拔到“反〞的位置，调理器的“手动〞开关拨到“自动〞位置），让系统投入闭环运行。

6）、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。

7）、减小δ，重复步骤6，观测过渡过程曲线，并记录余差大小。8）、增大δ，重复步骤6，观测过渡过程曲线，并记录余差大小。9）、选择适合的δ值就可以得到比较满意的过程控制曲线。

10）、注意：每当做完一次试验后，必需待系统稳定后再做另一次试验。

表一、不同δ时的超调量σp比例度δ大超调量σp2、比例积分调理器（PI）控制

1）、在比例调理试验的基础上，参与积分作用（即把积分器“I〞由最大处旋至中间某一位置，并把积分开关置于“开〞的位置），观测被控制量是否能回到设定值，以验证在PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。

2）、固定比例度δ值（中等大小），改变PI调理器的积分时间常数值Ti，然后观测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。

表二、δ值不变、不同Ti时的超调量σp积分时间常数Ti大超调量σp中小中小3）、固定积分时间Ti于某一中间值，然后改变δ的大小，观测加扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同δ值下的超调量σp。

表三、Ti值不变、不同δ值下的σp比例度δ大超调量σp中小4）、选择适合的δ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。此曲线可通过增大设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。3、比例积分微分调理器（PID）控制

1）、在PI调理器控制试验的基础上，再引入适量的微分作用，即把D开启。然后加上与前面试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，并与试验步骤（二）所得的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。

2）、选择适合的δ、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）、用秒表和显示仪表记录一条较满意的过渡过程实时曲线。4、用临界比例度法整定调理器的参数

在实际应用中，高阶系统PID调理器的参数常用下述临界比例度法来确定。用临界比例度法去整定PID调理器的参数既便利又实用。它的具体做法是：

1）、待系统稳定后，将调理器置于纯比例P控制。逐步减小调理器的比例度δ，并且每当减小一次比例度δ，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，观测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，直到输出响应曲线浮现等幅振荡为止。假使响应曲线出现发散振荡，则表示比例度调理得过小，应适当增大，使之出现如图8-4所示的等幅振荡。图8-3为它的试验方块图。

图8-3、具有比例调理器的闭环系统

2）、在图8-3所示的系统中，当被调量作等幅振荡时，此时的比例度δ就是临界比例度，用δk表示之，相应的振荡周期就是临界周期Tk。据此，按下表所列出的经验数据确定PID调理器的三个参数δ、Ti和Td。

h(t)

Tk0图8-4、具有周期TK的等幅振荡

t表四、用临界比例度δk整定PID调理器的参数

调理器参数调理器名称PPIPIDδk2δk2.2δk1.6δkTi(S)Tk/1.20.5TkTd(S)0.125Tk3）、必需指出，表格中给出的参数值是对调理器参数的一个初略设计，由于它是根据大量试验而得出的结论。若要获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δ、Ti（或Td）作适当调整。5、用衰减曲线法整定调理器的参数：

与临界比例度法类似，不同的是本方法先根据由试验所得的阻尼振荡衰减曲线（为4:1），求得相应的比例度δs和曲线的振荡周期Ts，然后按表五给出的经验公式，确定调理

器的相关参数。获得系统的输出响应曲线按4:1衰减的具体步骤如下：

1）、置调理器积分时间Ti到最大值（Ti=∞），微分时间Td为零(Td=0)，比例度δ为较大值，让系统投

2）、待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观测系统的响应。若系统响应衰减太快，则增大比例度；反之，系统响应衰减过慢，应减小比例度。如此反复

0Tsy入闭环运行。t(s)直到系统出现如图8-5所示4:1的衰减振荡过程。图8-5、4：1衰减响应曲线记录下来此时的比例度δs和振荡周期Ts的数值。

3）、利用δs和Ts值，按表五给出的经验公式，求调理器参数δ、Ti和Td数值。表五4:1衰减曲线法整定计算公式调理器参数δ调理器名称PPIPIDδs1.2δs0.8δs0.5Ts0.3TsTiTd0.1Ts

五、本卷须知

1、试验线路接好后，必需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，直至某一适当开度。

3、在老师的指导下，开启单片机控制屏和计算机系统。

六、试验报告要求

1、画出双容水箱液位控制试验系统的结构图。

2、按图8-2要求接好试验线路，经老师检查无误后投入运行。

3、用临界比例度法和衰减曲线法分别计算P、PI、PID调理的参数，并分别列出系统在这三种方式下的余差和超调量。

4、作出P调理器控制时，不同δ值下的阶跃响应曲线。5、作出PI调理器控制时，不同δ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对系统性能的影响。7、综合评价P、PI、和PID三种调理器对系统性能的影响。

试验十一、液位串级控制系统

一、试验目的

1）、熟悉串级控制系统的结构与控制特点。2）、把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、试验设备

1）TKGK-1型过程控制试验装置：变频调速器(GK-07-2)直流调速器(GK-06)

模拟PID调理器（GK-04）二台

2）万用电表一只、计算机系统和GK-03

三、试验原理

???¨μ?Vg+_??êˉ′D??a?tGK-06??èˉ??é???±????ó??????÷????óh￡¨???è￡?e÷÷?μú??÷PID1GK-04+_±÷?μú??÷PID2GK-04??±μ?÷GK-07

o?ò?±??í?÷2

图12-1、液位串级控制系统的方框图

1、串级控制系统的组成

图12-1为一液位串级控制系统的方框图（图12-2为其结构图）。这种系统具有2个调理器，主、副两个被控对象，2个调理器分别设置在主、副回路中。设在主回路的调理器称为主调理器，设在副回路的调理器称为副调理器。两个调理器串联连接，主调理器的输出作为副回路的给定量，副调理器的输出去控制执行元件。主对象的输出为系统的被控制量h2，副对象的输出h1是一个辅助的被控变量。

2、串级系统的抗干扰能力串级系统由于增加了副回路，因而对于进入副回路的干扰具有很强的抑制作用，使作用于副环的干扰对主变量的影响大大减小。主回路是一个定值控制系统，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，为了保证系统的控制

o?ò?±??í?÷1精度，一般要求主调理器设计成PI或PID调理器，而副调理器则一般设计为比例P控制，以提高副回路的快速响应。在搭试验线路时，要注意到两个调理器的极性（目的是保证主、副回路都是负反馈控制）。

3、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，使等效副对象的时间常数减小，系统的工作频率提高，从而改善了系统的动态性能，使系统的响应加快。同时，由于串级系统具有主副两只调理器，使它的开环增益变大，因而使系统的扰干扰能力加强。

4、串级控制系统的参数整定

串级控制系统中两个控制器的参数都需要进行整定，其中任一个控制器任一参数值发生变化，对整个串级系统都有影响。因此，串级控制系统的参数整定要比单回路控制系统繁杂一些。常用的整定方法有：逐步迫近法、一步整定法、两步整定法。

四、试验步骤

1）、按图12-1和图12-2，连接好试验线路，并进行零位与增益的调理。2）、正确设置PID调理器的开关位置：

副调理器：纯比例（P）控制，反作用，自动，KC2（副回路的开环增益）较大。

主调理器：比例积分（PI）控制，反作用，自动，KC1〈KC2（KC1主回路开环增益）。

3）、利用一步整定法整定系统：

a、先将主、副调理器均置于纯比例P调理，并将副调理