《工业过程控制技术实践教程》课件第9章

项目九智能仪表控制系统实训9.1实训目的9.2实训原理9.3智能仪表控制实训系统介绍9.4实训内容 9.1实训目的

了解智能仪表的工作原理，理解智能仪表应用的基础概念，掌握智能仪表在过程控制系统中的应用方法。

9.2实训原理

1.液位传感器

工作原理：当被测介质(液体)的压力作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信

号，经归一化差分放大和V/A(电压/电流)转换器，转换成与被测介质(液体)的液位压力成线性对应关系的4mA～20mA标准电流输出信号。液位传感器接线如图9-1所示。图9－1液位传感器接线图

接线说明：液位传感器为二线制接法，它的端子位于中继箱内，电缆线从中继箱的引线口接入，直流电源24V+接中继箱内正端(+)，中继箱内负端(-)接负载电阻的一端，负载电阻的另一端接24V-。传感器输出4mA～20mA电流信号，通过负载电阻250/50Ω转换成电压信号。当负载电阻接250Ω时信号电压为1V～5V，当负载电阻切换成50Ω时信号电压为0.2V～1V。

零点和量程调整：零点和量程调整电位器位于中继箱内的另一侧。校正时打开中继箱盖，即可进行调整，左边的(Z)为调零电位器，右边的(R)为调增益电位器。

2.Pt100热电阻温度传感器

工作原理：Pt100电阻阻值与温度之间具有良好的线性关系。接线说明：连接两端元件热电阻采用的是三线制接法，以减少测量误差。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，当环境温度变化时，连接导线的电阻值将有明显的变化。为了消除由于这种变化而产生的测量误差，采用三线制接法。即在两端元件的一端引出一条导线，另一端引出两条导线，这三条导线的材料、长度和粗细都相同，如图9－2中的a、b、c所示。它们与仪表输入电桥相连接时，导线a和c分别加在电桥相邻的两个桥臂上，导线b在桥路的输出电路上，因此，a和c阻值的变化对电桥平衡的影响正好抵消，b阻值的变化量对仪表输入阻抗的影响可忽略不计。图9－2

Pt100热电阻接线图

3.流量计

流量计包括涡轮流量计、电磁流量计。

(1)涡轮流量计输出的是频率，其测量范围为0m3/h～1.2m3/h。

涡轮流量计接线如图9－3所示。

接线说明：传感器的12V供电电源由实训操作台的智能调节仪提供，电源已从智能调节仪表后面引出。(2)电磁流量计：输出信号为4mA～20mA的电流,测量范围为0.3m3/h～6m3/h。电磁流量计接线如图9－4所示。图9－3涡轮流量计接线图

3.流量计

流量计包括涡轮流量计、电磁流量计。

(1)涡轮流量计输出的是频率，其测量范围为0m3/h～1.2m3/h。

涡轮流量计接线如图9－3所示。

接线说明：传感器的12V供电电源由实训操作台的智能调节仪提供，电源已从智能调节仪表后面引出。

(2)电磁流量计：输出信号为4mA～20mA的电流,测量范围为0.3m3/h～6m3/h。电磁流量计接线如图9－4所示。图9－4电磁流量计接线图图9－5压力表示意图

4.压力表

压力表示意图如图9－5所示。

安装位置：单相泵之后，电动调节阀之前。测量范围：0Pa～0.25MPa。

5.智能电动单座调节阀主要技术参数

型式：智能型直行程执行机构。

输入信号：(0～10)mA/(4～20)mADC/(0～5)VDC/(1～5)VDC。

输入阻抗：250Ω/500Ω。

输出信号：(4～20)mADC。

输出最大负载：<500Ω。

信号断电时的阀位：可设置为保持/全开/全关/0%～100%间的任意值。

电源：220V±10%/50Hz。

6.电磁阀

电磁阀由24V直流开关电源供电，分为两种状态：上电时电磁阀阀门打开，掉电时电磁阀阀门关闭。

7.可控硅移相调压

可控硅移相调压是指通过4mA～20mA电流控制信号控制三相380V(或单相220V)交流电源在0V～380V(或单相220V)之间根据控制电流的大小实现连续变化。

9.3智能仪表控制实训系统介绍

9.3.1实训系统主要特点

智能仪表控制实训系统设计本着从工程化、参数化、现代化、开放性和培养综合性人才的原则出发,在

实验对象中采用了工业现场常用的检测控制装置。仪表采用具有人工智能算法及通信接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件等。该系统具有以下特点

(1)被调参数包括了流量、压力、液位、温度四大热工参数。(2)执行器中既有电动调节阀、SCR移相调压等仪表类执行机构，又有变频器等电力拖动类

执行器。(3)调节系统除了有调节器的设定值阶跃扰动外，还有在对象中通过另一动力支路或电磁阀

和手操作阀制造各种扰动。(4)一个被调参数可在不同的动力源、不同的执行器、不同的工艺线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。

(5)某些检测信号、执行器在本对象中存在相互干扰，它们在工作时需对原独立调节系统的被调参数进行重新整定，还可对复杂调节系统比较优劣。(6)各种控制算法和调节规律在开放的组态实验软件平台上都可以实现。(7)实验数据及图表可以永久存储，在MCGS组态软件中也可随时调用，以便实验者在实验结束后进行比较和分析。9.3.2实验对象组成结构

过程控制实验对象系统包含：1#不锈钢储水箱(长×宽×高：800mm×550mm×400mm)、强制对流换热管系统、串接圆筒有机玻璃上水箱(Φ350mm×450mm)、中水箱(Φ350mm×450mm)、下水箱(Φ350mm×450mm)、2#不锈钢储水箱(长×宽×高：600mm×450mm×400mm)、三相6.0kW电加热釜(由不锈钢釜内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却釜夹套组成)、纯滞后盘管实验装置。系统动力支路分为两路：一路由单相循环水泵、电动调节阀、涡轮流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成；另一路由小流量水泵、变频调速器、小流量电磁流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。实验对象结构图如图9－6所示。图9－6实验对象结构图9.3.3实训系统控制台

1.智能仪表控制台面板

(1)电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电流型漏电保护器。(2)仪表、远程数据采集模块、S7－200PLC面板：由1块AI/519智能调节仪面板、1块AI/719智能调节仪面板、1块AI/708H流量积算仪面板、1块AI/701显示变送仪面板、2块远程数据采集模块面板和1块S7－200PLC面板组成，各装置外接线端子通过面板上自锁紧插孔引出。(3)I/O信号接口面板：该面板的作用主要是将各传感器检测及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，再通过航空插头与对象系统连接，便于自行连线组成不同的控制系统，进行各种过程控制实验。

2.电源控制屏

如图9－7所示，电源控制屏包括总电源漏电保护器、系统总电源开关、单相电源开关、三相电源指示灯、电源总开关、电源保险丝座、动力机直流电源控制、启动/停止按钮等。图9－7电源控制屏

(1)电源控制屏可为实验提供三相380V交流电源和单相220V交流电源。三相电源主电路中设有10A带灯熔断器。

(2)电源控制屏的启动方法如下：

①关闭所有的电源开关。

②接好机壳的接地线，插好三相四芯电缆线插头，接通三相380V/50Hz的交流市电。

③开启总电源漏电保护器开关，三只黄、绿、红三相电源接通，指示灯亮，开启总电源开关，红色按钮灯亮，同时可听到屏内交流接触器瞬间吸合声。

④打开单相电源开关，单相(220V/5A)有电压输出，电源控制屏启动完毕。

⑤实验完毕，关闭总电源开关，红色指示灯灭，然后关闭系统总电源，最后再检查一下各开关是否都恢复到“关”的位置。

3.I/O信号接口面板

I/O信号接口面板如图9－8所示。

该面板可分为九大模块，从左往右依次如下：

(1)电源开关：提供220V交流电压，正常供电时电压指示灯亮。

(2)三相SCR可控调压装置：三相电加热管0V～380V连续可调交流电压提供装置，可调电压由4mA～20mA模拟量输出信号控制。

(3)单相SCR可控调压装置：单相电加热管0V～220V连续可调交流电压提供装置，可调电压由4mA～20mA模拟量输出信号控制。

(4)变频器控制信号：控制信号为4mA～20mA电流输入，接调节器4mA～20mA电流输出。

(5)电动调节阀控制信号：控制信号为4mA～20mA电流输入，接调节器4mA～20mA电流输出。

(6)转速信号：接至AI701,可显示电机转速。(7)温度变送器：为各个电流信号转化成(1V～5V、0.2V～1V等)标准电压信号提供转换电路(串联50Ω和250Ω电阻实现分压，得到0.2V～1V和1V～5V电压信号)。

(8)压力变送器：引出上水箱液位、中水箱液位、下水箱液位、反应釜液位和2#泵出口压力(1V～5V或0.2V～1V)的标准电压信号(串联50Ω和250Ω电阻实现分压，得到0.2V～1V和1V～5V电压信号)。

(9)流量变送器：可分为涡轮流量计和电磁流量计。电磁流量计流量输出为1V～5V或0.2V～1V电压信号，涡轮流量计输出频率信号，分别从+、-两端输出。图9－8

I/O信号接口面板

4.变频器

变频器型号为施耐德(0.37kW)型变频调速器，具体参数设置如表9－1所示。表9－1变频器参数

(1)面板接线端子功能说明。

①为了保护变频器各接线端子不因实验时经常装、拆线而损坏或丢失，故将其常用的端子引到面板上。

②控制信号输入：可输入外部0V～5V电压或4mA～20mA电流控制信号。

③将LI1和+24V端连接。

(2)变频器使用说明。

本装置中使用变频器时，主要有两种输出方式：一种是直接调面板旋钮输出频率，另一种是用外部输入控制信号改变变频器输出频率。两种输出方式的具体接线方法如下：

①变频器面板旋钮输出接线方法：将LI1和+24V端接线拆除，当需要改变输出频率时，旋动面板上的旋钮，顺时针旋可增大输出频率，逆时针旋可减小输出频率。待旋至所需要的频率时，按变频器上白色的SET键，即可选定所需的输出频率。

②变频器外部控制信号控制输出接线方法：将LI1和+24V端连接，在控制信号输入端接入控制信号(正极、负极应一一对应，不能接错)，打开变频器的电源开关即可输出。通过改变控制信号的大小来改变输出频率。

5.智能调节仪

如图9－9所示，智能调节仪的型号为上海万迅仪表AI818A，具备外给定、手动/自动切换操作、手动整定及显示输出值等功能，并具备直接控制阀门的位置比例输出(伺服放大器)功能，也可独立做手动操作器或伺服放大器用。此外，AI818A还具备可控硅移相触发输出功能，可节省可控硅移相触发器，能精确控制温度、压力、流量、液位等多种物理量。图9－9智能调节仪面板

(1)面板接线端子功能说明：

1、2端子：1V~5V、0V~5V信号输入端(1端为+极，2端为-极)。

2、3、4端子：2、3为0.2V~1V信号输入端(注：0.2V~1V信号必须从2、3端子输入，2端为-极，3端为+极)；2、3、4为热电阻，热电偶信号输入端。

RSV(I/V转换)：将测量或外部输入电流信号转换为电压信号后输入到1、2端或2、3端。

7、8端子：测量或控制电流信号输出端。

9、10端子：220V交流供电电源输入端。RS485通信口：与上位机的通信接口。

(2)智能调节仪使用参数设置。

修改参数时，按住键3s，即可调出表9－2所示的第一个参数HIAL，用＜、∨、∧、修改参数的值。修改好第一个参数后，再按一下即可进入下一个参数的修改。表9－2智能调节仪参数表9－3

SN对应的输入规格

6.智能流量积算仪

智能流量积算仪面板如图9－10所示。图9－10智能流量积算仪面板智能流量积算仪的主要功能是将涡轮流量计输出的流量频率信号转换为4mA~20mA的电流信号输出，并获得流量的积算值。智能流量积算仪面板设有频率信号输入接口、变送信号输出接口、输出电流信号转换成电压信号电阻接口(250Ω和50Ω)。智能流量积算仪参数设置表如表9－4所示。表9－4智能流量积算仪

9.3.4系统控制组态软件

组态软件的具体安装步骤如下：(1)启动Windows，在相应的驱动器中插入光盘,会自动弹出MCGS安装程序窗口(如没有窗口弹出，则从Windows的“开始”菜单中选择“运行...”命令，再运行光盘中的AutoRun.exe文件)。安装程序窗口如图9－11所示。图9－11安装程序窗口

(2)在安装程序窗口中选择“安装MCGS组态软件通用版”，启动安装程序开始安装。

(3)安装程序提示指定安装目录，用户不指定时，系统缺省安装到D：＼MCGS目录下，如图9－12所示。

(4)安装过程要持续数分钟；MCGS系统文件安装完成后，安装程序要建立象标群组和安装数据库引擎，这一过程可能持续几分钟，请耐心等待。

(5)安装过程完成后，安装程序将弹出“设置完成”对话框，上面有两个复选框，重新启动计算机和不启动计算机。一般在计算机上初次安装时需要选择重新启动计算机。点击“完成”按钮，将结束安装程序的运行，如图9－13所示。图9－12安装目录图9－13完成安装

(6)安装完成后，Windows操作系统的桌面上添加了如图9－14所示的两个图标，分别用于启动MCGS组态环境和运行环境。图9－14桌面图标

(7)同时，Windows开始菜单中也添加了相应的MCGS程序组，如图9－15所示。MCGS程序组包括五项：MCGS电子文档、MCGS运行环境、MCGS自述文件、MCGS组态环境以及卸载MCGS组态软件。运行环境和组态环境为软件的主体程序，自述文件描述了软件发行时的最后信息，MCGS电子文档则包含了有关MCGS最新的帮助信息。图9－15添加MCGS程序组

MCGS系统分为组态环境和运行环境两个部分。文件McgsSet.exe对应于MCGS系统的组态环境，文件McgsRun.exe对应于MCGS系统的运行环境。

此外，系统还提供了几个组态完好的样例工程文件，用于演示系统的基本功能。

MCGS系统安装完成后，在用户指定的目录(或系统缺省目录D：＼MCGS)下创建有三个子目录：Program、Samples和Work。组态环境和运行环境对应的两个执行文件以及MCGS中用到的设备驱动、动画构件及策略构件存放在子目录Program中，样例工程文件存放在Samples目录下，Work子目录则是用户的缺省工作目录。

分别运行执行程序McgsSet.exe和McgsRun.exe，就能进入MCGS的组态环境和运行环境。安装完毕后，运行环境能自动加载并运行样例工程，用户可根据需要创建和运行自己的新工程。

在PC上安装HDU3000－4YB组态软件后，可实现通过RS232－485转换装置同仪表控制台侧部的RS485串行接口同所有的仪表及远程数据采集模块进行通信。学生可对下位仪表各参数进行设定，修改PID控制参数，并能观察被控参数的实时曲线、历史曲线，SV设定值、PV测量值、OP输出值。各实验都设有动态流程图，被测参数动态显示，动态棒图显示系统流程图。9.3.5实训装置的安全保护体系

实训装置具有以下安全保护体系：

(1)三相四线制总电源输入经带漏电保护器装置的三相四线制断路器进入系统电源后又分为三相电源支路和一个不同相的单相支路，每一支路都带有各自三相、单相断路器。总电源设有三相通电指示灯。

(2)控制屏电源由接触器通过启动、停止按钮进行控制。

(3)各种电源及各种仪表均有可靠的保护功能。

(4)实验装置强电系统采用钥匙开关控制，便于管理和防止触电事故的发生。

(5)实验装置和控制台均设有接地螺丝，要求可靠接地。控制台背部有警告标志，提醒实验人员在开门前必须断开电源。

9.3.6智能仪表参数设置

(1)智能调节仪(AI818)控制液位(压力变送器)的参数设置见表9－5。表9－5

AI818参数设置(2)智能流量积算仪显示流量的参数设置见表9－6。表9－6

AI708参数设置

9.4实训内容

9.4.1实验系统结构和液位传感器校准实验

1.实验目的

(1)了解实验装置结构和组成。(2)了解信号的传输方式和路径。(3)掌握实验装置的基本操作。(4)掌握液位传感器调节零位和增益的方法。

2.实验设备

实验设备即实验对象、万用表。

3.实验内容

(1)设备状态检查。

①将实验对象的储水箱灌满水(至最高高度)。

②打开以1#泵、电动阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀F1－1、阀F1－2、阀F1－3、阀F1－4,关闭动力支路上通往其他对象的切换阀。

③关闭上水箱出水阀F1－7。

④检查电源开关是否关闭。

(2)系统连线。将I/O信号面上压力变送器上水箱液位接到1V～5V位置。

(3)启动实验装置。

①将实验装置电源插头接到三相380V的三相交流电源。

②打开总电源漏电保护空气开关，三相电源指示灯亮。

③打开电源总钥匙开关，开启1#泵电源开关。

(4)上、中水箱液位传感器的校准(下水箱)。

上水箱液位传感器测量范围：0kPa～5kPa；水箱液位传感器测量范围：0kPa～5kPa；24V直流电源供电:4mA～20mA电流输出，采用两线制接法。

(5)校准步骤。

①打开三相电源空气开关、单相(220V/5A)空气开关。

②零位校准(即1V～5V对应液位0cm～50cm)。

·打开阀F1－7，排空上水箱中的水后，关闭阀F1－7。

·用万用表20V直流电压挡测量I/O信号面板上的压力变送器模块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Z(Zero)电位器，使测量的电压值为1V。

③增益校准。

·打开1#泵电源开关，给上水箱开始打水。

·用卷尺测量上水箱液位达到溢流口时的值，关闭单相水泵开关。

·看万用表20V直流电压挡测量的大水箱液位的电压值，卷尺测量值=(电压值-1)×25cm，若不是，则调节上水箱液位传感器的R(增益)电位器，使电压值经过换算后和卷尺的测量值吻合。

④重复步骤(3)、(4)，复调零位和增益,直到液位为零时电压显示为1V，液位最大值时电压与实际测量值吻合。注：调好以后就不必再调。

⑤调节下水箱液位传感器与调节上水箱液位传感器的方法一致。

4.实验预习要求

详细阅读过程控制系统实验装置的产品使用说明，重点熟悉对象系统结构和液位传感器的校准。9.4.2智能仪表认知实验

1.实验目的

(1)了解实验装置结构和组成。

(2)了解信号的传输方式和路径。

(3)掌握实验装置的基本操作。

(4)熟悉智能仪表的使用。

2.实验设备

实验设备即实验对象、万用表、实验连接线。

3.实验内容

(1)设备状态检查。

①将实验对象的储水箱灌满水(至最高高度)。

②打开以1#泵、电动阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀F1－1、阀

F1－2、阀F1－3、阀F1－4,关闭动力支路上通往其他对象的切换阀。

③关闭上水箱出水阀F1－7。

④检查电源开关是否关闭。

(2)系统连线。

①将上水箱液位+端(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

-端(负极)接到智能调节仪的2端(即RSV的负极)。

②将智能调节仪的4mA～20mA输出端的7端(即正极)接至电动调节阀的4mA～20mA输入端的+

端，将智能调节仪的4mA～20mA输出端的5端接至电动调节阀的4mA～20mA输入端的-端。

③三相电源、单相的空气开关打在关的位置。

(3)启动实验装置。

①打开总电源三相漏电保护开关和单相开关，三相电源指示灯亮。

②打开电源总钥匙开关，电源指示灯亮。

(4)实验步骤。

①开启所有空气开关。

②打开空气开关，接通智能调节仪，按照调节仪设置使用说明，设置比例系数、积分系数、微分系数、输入规格、输入范围、输出规格、通信地址、通信波特率、自/手动输出等参数。

③手动输出一定的值，观察电动调节阀的动作和阀位。

4.实验预习要求

详细阅读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。9.4.3组态软件认知实验

1.实验目的

(1)了解组态软件的组成和使用。

(2)熟悉实验软件的操作。

(3)了解上位机通信的一般知识。

2.实验设备

过程控制实验装置、计算机、RS232－485转换器。

3.实验内容

(1)设备连接。

将RS232－485转换器的RS232端接到计算机的串口2(COM2)，RS485端通过串口线连接到过程控制实验装置的串口端。给任意一个智能调节仪上电，参照表9－5、表9－6设置参数。

(2)实验内容与步骤。

①启动计算机。

②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电动调节阀，即组成一个单闭环的控制回路。

③在显示桌面双击“MCGS组态环境”图标，启动MCGS组态软件，打开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。④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。

(3)进入实验系统操作监控实验程序。

①在文件菜单中选择打开工程选项，再打开已经组态好的实验系统工程软件。

②按F5键进入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。

4.实验预习

预习MCGS组态软件的基本使用方法(可通过上网浏览)。9.4.4一阶单容上水箱对象特性测试实验

1.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。

2.实验设备

过程控制实验装置。

配置：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。

3.系统结构图

单容水箱系统结构图如图9－16所示。图9－16单容水箱系统结构图

4.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，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号(阶跃信号)，同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中的各个参数。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9－16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，出水阀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(注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数)，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)=R0/s，R0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(∞)即当t→∞时，h(∞)=KR0，因而有上式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9－17所示。当由实验求得图示的阶跃响应

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，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常

数T，其理论依据如下：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9－17阶跃响应曲线

5.实验内容和步骤

(1)设备状态检查。

①关闭阀F1－14，将实验对象的储水箱灌满水(至最高高度)。

②打开由1#泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门：阀F1－1、阀F1－2、阀F1－4，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。

③打开上水箱的出水阀：阀F1－7调至适当开度。

④检查电源开关是否关闭。

(2)系统连线。

①如图9－18所示,将上水箱液位+端(1V~5V正极)接到智能调节仪的1端(即RSV的正极)，上水箱液位-端(1V~5V负极)接到智能调节仪的2端(即RSV的负极)。

②将智能调节仪的4mA～20mA输出端的7端(即正极)接至电动调节阀的4mA～20mA输入端的+端(即正极)，将智能调节仪的4mA～20mA输出端的5端(即负极)接至电动调节阀的4mA～20mA输入端的－端(即负极)。

③电源控制板上的三相电源空气开关、单相空气开关、1#泵电源开关打在关的位置。

④电动调节阀的～220V电源开关打在关的位置。

⑤智能调节仪的～220V电源开关打在关的位置。图9－18实验接线图

(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，三相电源指示灯亮。

③打开总电源钥匙开关，即可开启电源。

(4)实验步骤。

①开启单相空气开关，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、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MCGS组态软件，进入实验系统相应的界面，如图9－19所示。图9－19实验软件界面③单击设定输出按钮，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，一般初次设定值小于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10cm)。

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，则记录调节仪输出值，以及水箱水位的高度h1和智能仪表的测量显示值,将数据填入下表:表表表表表⑤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(均可在上位软件上获得)以所获得的数据绘制变化曲线。将数据填入下表：表表表表表⑥直到进入新的平衡状态,再次记录平衡时的下列数据，并填入下表：表表表表表⑦将仪表输出值调回到步骤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。将数据填入下表：表表表表表

6.实验报告要求

(1)做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。

7.注意事项

(1)本实验过程中，阀11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。

8.思考题

(1)在做本实验时，为什么不能任意改变上水箱出水阀的开度大小？

(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?

9.4.5二阶双容对象特性测试实验

1.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。

2.实验设备

过程控制实验装置。配置：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。

3.原理说明

如图9－20所示,这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来的，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9－21所示的Δh2曲线。它不再是简单的指数曲线，而是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OA。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来表示。图9－20双容水箱系统结构图图9－21变化曲线设流量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(9－1)

(1)h2(t)稳态值的渐近线h2(∞)。

(2)h2(t)|t=t1=0.4h2(∞)时曲线上的点A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。图9-22阶跃响应曲线然后，利用下面的近似公式计算式(9－1)中的

参数K、T1和T2,其中：对于式(9－1)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；当时，过程的传递函数(此时

4.实验步骤

(1)设备的连接和检查。

①打开1#泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门：阀F1－1、阀F1－2、阀F1－4，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。

②将中水箱的出水阀F1－8调至适当开度。

③检查电源开关是否关闭。图9－23实验接线图②将智能调节仪的4mA～20mA输出端的7端(即正极)接至电动调节阀的4mA～20mA输入端的+端(即正极)，将智能调节仪的4mA～20mA输出端的5端(即负极)接至电动调节阀的4mA～20mA输入端的-端(负极)。

③将电源控制板上的三相电源、单相的空气开关和单相泵电源开关置于“关”的位置。

④电动调节阀的～220V电源开关置于“关”的位置。

⑤智能调节仪的～220V电源开关置于“关”的位置。

(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，电源指示灯亮。

③打开总电源钥匙开关，即可开启电源。

(4)实验内容与步骤。

①开启单相空气开关，中水箱液位传感器输出信号为1V～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。

②启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的界面由如图9－24所示。图9－24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10%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，将数据填入下表：表表表表表⑤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。将数据填入下表:表表表表表⑥直到进入新的平衡状态。再次记录测量数据，并填入下表：表表表表表⑦将仪表输出值调回到步骤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。将数据填入下表：表表表表表

5.注意事项

(1)在本实验过程中，不得任意改变阀F1－8的开度大小。

(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。

6.实验报告要求

(1)做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。

7.思考题

(1)在做本实验时，为什么不能任意改变中水箱出水阀F1－8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？9.4.6釜内胆温度二位式控制实验

1.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。

2.实验设备

过程控制实验装置。配置：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。

3.实验原理

(1)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表示温度为t(如室温20℃)时的电阻值；Rt0表示温度为t0(通常为0℃)时的电阻值；α表示电阻的温度系数。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；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AI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式中,A、B、C是常数，一般A=3.90802×10-3/℃，B=-5.802×10-7/℃，C=-4.2735×10-12/℃。

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。图9－25位式调节器的工作特性图

(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。本实验的被控对象是6kW电加热管，被控制量是反应釜内胆的水温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9－25为位式调节器的工作特性图，图9－26为位式控制系统的方块图。由图9－25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9－26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，故称这种控制器为二位调节器。图9－26位式控制系统的方框图该系统的工作原理是当被控制的水温测量值Vp小于给定值Vs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。随着水温升高，Vp也不断增大，e相应变小。若Vp>Vs,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9－27双位控系统的过程曲线如图9－26所示，温度给定值在智能仪表上通过设定获得。被控对象为釜内胆，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。根据给定值加上回差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

9－27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。

4.实验内容与步骤

(1)设备状态检查。

①开通由1#泵、电动调节阀、涡轮流量计以及釜内胆进水阀F1－1、阀F1－2、阀F1－3、阀F1－10所组成的水路系统，关闭通往其他对象的切换阀。

②将釜内胆的出水阀17调至适当开度。

③检查电源开关是否关闭。

(2)系统连线。

如图9－28所示，利用HDU3000－4型过程控制实训装置组成控制系统。调节仪4mA～20mA信号+端经过调节仪的继电器常开触点RSV(I/V转换)-端，从+端引出的另一端接三相电加热管控制信号输入正极(+)。4mA～20mA信号负端接三相电加热管控制信号输入负极(－)。热电阻信号接调节仪的热电阻输入端。①启动电源，在仪表或上位机调节好各项参数以及设定值和回差dF的值。

②启动计算机，进入MCGS组态环境运行软件，进入相应的实验界面，如图9－29所示。

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。图9－28实验接线图图9-29实验软件界面实验数据记录如下：表表表表④适量改变给定值的大小，重复实验步骤④。⑤把动力水路切换到釜夹套，启动实验装置的供水系统，给釜的外套加流动冷却水。⑥重复上述的实验步骤。

5.注意事项

(1)实验前，釜内胆的水位必须高于热电阻的测温点。

(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)须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。

6.实验报告

(1)画出不同dF时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。

(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的大小。

(3)综合分析位式控制的特点。

7.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？9.4.7上水箱液位PID整定实验

1.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。

2.实验设备

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、万用表一只。

3.实验原理

图9－30为单回路上水箱液位控制系统框图。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上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。图9－30单回路上水箱液位控制系统框图

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9－31中的曲线①、②、③所示。图9－31

P、PI和PID调节的阶跃响应曲线

4.实验内容和步骤

(1)设备状态检查。

①将实验对象的储水箱灌满水(至最高高度)。

②打开由1#泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门：阀F1－1、阀F1－2、阀F1－4，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。

③将上水箱的出水阀F1－7调至适当开度。

④检查电源开关是否关闭。

(2)系统连线。

①如图9－32所示,将上水箱液位+端(正极)接到任意一个智能调节仪的1端(即RSV的正极)，将上水箱液位-端(负极)接到智能调节仪的2端(即RSV的负极)。

②将智能调节仪的4mA～20mA输出端的7端(即正极)接至电动调节阀的4mA～20mA输入端的+端(即正极)，将智能调节仪的4mA～20mA输出端的5端(即负极)接至电动调节阀的4mA～20mA输入端的-端(负极)。

③智能调节仪的～220V的电源开关打在“关”的位置。

④三相电源、单相空气开关打在“关”的位置。图9－32实验接线图

(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，电源指示灯亮。

③打开总电源钥匙开关，即可开启电源。

④开启单相，调整好仪表各项参数(仪表初始状态为手动输出且初始值为0)和液位传感器的零位。⑤启动智能仪表，设置好仪表参数(建议P、I、D设为87、22、22.5)。(4)比例调节控制实验。

①启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的界面，如图9－33所示。图9－33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，调整参数P。

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减小参数P重复步骤(4)，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。⑥增大参数P重复步骤(4)，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。⑦选择合适的参数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。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。(5)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，即在界面上设置参数I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σp。将数据填入下表：表表表表表③固定I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σp。将数据填入下表：表表表表表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。

(6)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，即在软件界面上设置参数D，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，由此可看到微分参数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。

(7)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待系统稳定后，逐步减小调节器的比例度δ(即1/P)，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9－34为具有比例调节器的闭环系统框。图9－34具有比例调节器的闭环系统框图图9－35具有周期Tk的等幅振荡②在图9－35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，按下表可确定PID调节器的三个

参数δ、Ti和Td：表表表表表③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.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δ值下的阶跃响应曲线。

(5)作出PI调节器控制时，不同δ和Ti值下的阶跃响应曲线。

(6)画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分参数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响。

6.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。

7.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δ、(δ、Ti)和(δ、Ti和Td)的变化对控制过程各产什么影响。

(4)如何实现减小或消除余差？纯比例控制能否消除余差？

9.4.8串接双容中水箱液位PID整定实验

1.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。

2.实验设备

过程控制实验装置,配置：上位机软件、计算机、RS232－485转换器1只、串口线1根;万用表一只。

3.实验原理

图9－36为双容水箱液位控制系统框图。

这是一个单回路控制系统，它与一阶单容上水箱对象特性测试实验不同的是有两个水箱相串联，控制的目的是使中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，故其稳定性不如单容液位控制系统。图9－36双容水箱液位控制系统框图对于阶跃输入(包括阶跃扰动)，这种系统采用比例(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δ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参数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。

4.实验内容与步骤

(1)设备状态检查。

①将实验对象的储水箱灌满水(至最高高度)。

②打开由1#泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门：阀F1－1、阀F1－2、阀F1－4，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。

③打开中水箱的出水阀：阀F1－8调至适当开度。

④检查电源开关是否关闭。

(2)系统连线。

图9－37实验接线图①如图9－37所示，将中水箱液位+端(正极)接到任意一个智能调节仪的1端(即RSV的正极)，将中水箱液位

-端(负极)接到智能调节仪的2端(即RSV的负极)。

②将智能调节仪的4mA～20mA输出端的7端(即正极)接至电动调节阀的4mA～20mA输入端的+端(即正极)，将智能调节仪的4mA～20mA输出端的5端(即负极)接至电动调节阀的4mA～20mA输入端的-端(即负极)。

③智能调节仪的～220V的电源开关打在关的位置。

④三相电源、单相空气开关打在关的位置。

(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，电源指示灯亮。

③打开总电源钥匙开关，即可开启电源。

④开启单相，调整好仪表各项参数(仪表初始状态为手动输出且初始值为0)和液位传感器的零位。

(4)调节器控制。

①按图9－37所示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。

②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，微分时间常数置于0，比例设置于最大值处，即此时的调节器为比例调节(P)。

③开启相关仪器和计算机软件，进入相应的实验界面，如图9－38所示。图9－38软件界面图④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)。

⑤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。

⑥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)。

5.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9－37的要求接好实验线路，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，并分析微分参数D对系统性能的影响。

6.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须在老师的指导下开启计算机系统。

7.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？这时的比例度δ是否要改变？为什么？

⑤调节器参数(δ、Ti和Td)的改变对整个控制过程有什么影响？9.4.9釜内胆水温PID整定实验(动态)

1.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)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。

2.实验设备

(1)过程控制实验装置，配置：计算机、RS232－485转换器1只、串口线1根。

(2)计算机软件系统。

3.实验原理

本系统所要保持的恒定参数是釜内胆温度给定值，即控制的任务是控制釜内胆温度等于给定值。根据控制框图，实验采用工业智能PID调节。

4.实验内容与步骤

(1)设备状态检查。

①按图9－39所示框图的要求连接实验系统，连线图如图9－40所示。

②将三相电源、单相空气开关打在“关”的位置。

③将釜内胆水温+端(正极)接到任意一个智能调节仪的1端(即RSV的正极)，将釜内胆水温－端(负极)接到智能调节仪的2端(即RSV的负极)。

④将智能调节仪的4mA～20mA输出端的7端(即正极)接至三相SCR移相调压装置的4mA～20mA输入端的+端(即正极)，将智能调节仪的4mA～20mA输出端的5端(即负极)接至三相SCR移相调压装置的4mA～20mA输入端的－端(即负极)。图9-39温度控制系统原理图图9-40实验接线图

(2)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，电源指示灯亮。

③打开总电源钥匙开关，即可开启电源。

④开启单相，调整好仪表各项参数(仪表初始状态为手动输出且初始值为0)和液位传感器的零位。⑤开通由1#泵、电动调节阀、涡轮流量计以及釜内胆进水阀F1－1、阀F1－2、阀F1－3、阀F1－10所组成的水路系统，关闭通往其他对象的切换阀。⑥开启相关仪器和计算机软件，进入相应的实验界面，如图9－41所示。图9－41实验软件界面⑦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。

⑧运行组态软件，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P时的余差和超调量。每当改变值P后，再加同样大小的阶跃信号，比较不同P时的ess和σp，并把数据填入下表:表表表表表

(3)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，加入积分作用(I)，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P值(中等大小)，然后改变积分时间常数I值，观察加入扰动后被调量的动态曲线，并记录不同I值时的超调量σp。将数据填入下表:表表表表表③固定I于某一中间值，然后改变比例P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。将数据填入下表：表表表表表④选择合适的P和I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。

(4)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P值(中间值)，改变微分时间常数D的大小，观察系统在阶跃输入作用下相应的动态响应曲线。将数据填入下表：表表表表表②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。

(5)比例积分微分(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，引入积分作用(I)，使被调量回复到原设定值。减小P，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。

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，以获得一条较满意的动态曲线。

(6)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，它的具体做法如下：

①按图9－42所示接好实验系统，逐步减小调节器的比例度δ(1/P)，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9－42具有比例调节器的闭环系统②图9－43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9－43具有周期Tk等幅振荡表表表表表③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,若要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。

(7)P、I、D参数自整定