自动化仪表与过程控制A实验指导书

自动化仪表与过程控制A

实验指导书

机械与电气工程学院

2009年10月

目录

0 前言............................................................ 3 0.1 实验课程简介.................................................... 3 0.2 实验目的与要求.................................................. 3 0.3 考核方法........................................................ 3 0.4 场地与主要设备及消耗性器材...................................... 3 0.5 主要参考书...................................................... 3 1 实验要求及安全操作规程 ......................................... 4 1.1 实验前的准备.................................................... 4 1.2 实验过程的基本程序.............................................. 4 1.3 实验安全操作规程................................................ 4 2 THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台 .......................... 5 2.1 概述............................................................ 5 2.2 系统总体说明.................................................... 5 2.3系统实验平台 .................................................... 8 3 软件介绍........................................................ 13 3.1 MCGS组态软件 .................................................. 13 3.2 MACS系统软件 .................................................. 13 3.3 西门子S7系列PLC编程软件...................................... 13 3.4 西门子WinCC监控组态软件....................................... 13 3.5 7000 Utility软件 .............................................. 13 4 单容自衡水箱液位特性测试实验 ................................... 15 4.1 实验目的....................................................... 15 4.2 实验设备....................................................... 15 4.3 实验原理....................................................... 15 4.4 实验内容与步骤................................................. 16 4.5 实验报告要求................................................... 18 4.6 思考题......................................................... 18 5 双容自衡水箱液位特性的测试 ..................................... 19 5.1实验目的 ....................................................... 19 5.2实验设备（同前） ............................................... 19 5.3 原理说明....................................................... 19 5.4 实验内容与步骤................................................. 20 5.5 实验报告要求................................................... 21 5.6 思考题......................................................... 21 6 单容液位定值控制系统 .......................................... 22 6.1 实验目的....................................................... 22 6.2 实验设备（同前）............................................... 22 6.3 实验原理....................................................... 22 6.4 实验内容与步骤................................................. 22 6.5 实验报告要求................................................... 24 6.6 思考题......................................................... 24

1

7 双容水箱液位定值控制系统 ...................................... 25 7.1 实验目的....................................................... 25 7.2 实验设备....................................................... 25 7.3 实验原理....................................................... 25 7.4 实验内容与步骤................................................. 25 7.5 实验报告要求................................................... 25 7.6 思考题......................................................... 26 8 水箱液位串级控制系统 ........................................... 27 8.1 实验目的....................................................... 27 8.2 实验设备....................................................... 27 8.3 实验原理....................................................... 27 8.4 实验内容与步骤................................................. 27 8.5 实验报告要求................................................... 29 8.6 思考题......................................................... 29 9 三闭环液位控制系统 ............................................. 30 9.1 实验目的....................................................... 30 9.2 实验设备（同前）............................................... 30 9.3 实验原理....................................................... 30 9.4 实验内容与步骤................................................. 30 9.5 实验报告要求................................................... 31 9.6 思考题......................................................... 31 10 比值控制系统实验 .............................................. 33 10.1 实验目的...................................................... 33 10.2 实验设备（同前）.............................................. 33 10.3 实验原理...................................................... 33 10.4 比值系数的计算................................................ 33 10.5 实验内容与步骤................................................ 34 10.6 实验报告...................................................... 36 10.7 思考题........................................................ 36 11 前馈-反馈控制系统实验 ......................................... 37 11.1 实验目的...................................................... 37 11.2 实验设备（同前）.............................................. 37 11.3 实验原理...................................................... 37 11.4 静态放大系数KF的整定方法..................................... 37 11.5 实验内容与步骤................................................ 38 11.7 思考题........................................................ 40

2

0 前言

0.1 实验课程简介

《自动化仪表与过程控制实验》是配合《自动化仪表与过程控制A》的课堂教学而设置的实践性教学环节。通过本实验课程教学，可以增强学生对自动化仪表与过程控制技术理论知识的理解，提高学生动手能力，分析判断线路的综合能力，使用自动化仪表、过程控制设备、电子仪器以及分析处理实验数据的能力。

0.2 实验目的与要求

1. 在实验过程中，教育学生养成良好的实验习惯，爱护公共财产，遵守安全制度，树立良好的学风，使学生了解实验的重要性以及实验课程的地位和作用； 2. 注意培养学生的科学实验能力，逐步提高排除故障、发现问题和解决问题的能力； 3. 通过实验，加深认识和理解理论课程中讲述的自动化仪表与过程控制的原理；

4. 实验要求：本实验课程要求学生在教师指导下自己动手操作各项实验内容，利用所学的自动化仪表与过程控制理论对各项数据进行测量、计算，从而得出较为准确的实验结果。

0.3 考核方法

成绩构成包括：

（1）预习实验指导书 30% （2）具有一定的实验操作动手能力，实验态度认真，且完成规定实验内容 40% （3）实验中观察、提出问题，实验报告书写规范、分析合理 30%

0.4 场地与主要设备及消耗性器材

1、场地：机电南楼四楼

2、所用设备:THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台 3、消耗性器材

0.5 主要参考书

1.施仁等编，《自动化仪表与过程控制（第三版）》，电子工业出版社，2008 2.自编，《自动化仪表与过程控制A实验指导书》，2008

3

1 实验要求及安全操作规程

1.1 实验前的准备

实验前应复习教科书有关章节，认真研读实验指导书，了解实验目的、项目、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题，并按实验项目准备记录等。

实验前应了解实验装置中的对象、水泵、变频器和所用控制组件的名称、作用及其所在位置。以便于在实验中对它们进行操作和观察。熟悉实验装置面板图，要求做到：由面板上的图形、文字符号能准确找到该设备的实际位置。熟悉工艺管道结构、每个手动阀门的位置及其作用。

认真作好实验前的准备工作，对于培养学生独立工作能力，提高实验质量和保护实验设备都是很重要的。 1.2 实验过程的基本程序

1．明确实验任务； 2．提出实验方案； 3．画实验接线图；

4．进行实验操作，做好观测和记录；

5．整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。

在进行本书中的综合实验时，上述程序应尽量让学生独立完成，老师给予必要的指导，以培养学生的实际动手能力，要做好各主题实验，就应做到：实验前有准备；实验中有条理，实验后有分析。 1.3 实验安全操作规程

1．实验之前确保所有电源开关均处于“关”的位置。

2．接线或拆线必须在切断电源的情况下进行，接线时要注意电源极性。完成接线后，正式投入运行之前，应严格检查安装、接线是否正确，并请指导老师确认无误后，方能通电。

3．在投运之前，请先检查管道及阀门是否已按实验指导书的要求打开，储水箱中是否充水至三分之二以上，以保证磁力驱动泵中充满水，磁力驱动泵无水空转易造成水泵损坏。

4．在进行温度试验前，请先检查锅炉内胆内水位，至少保证水位超过液位指示玻璃管上面的红线位置，无水空烧易造成电加热管烧坏。

5．实验之前应进行变送器零位和量程的调整，调整时应注意电位器的调节方向，并分清调零电位器和满量程电位器。

6．仪表应通电预热15分钟后再进行校验。 7．小心操作，切勿乱扳硬拧，严防损坏仪表。

4

图2-3 比值、前馈补偿器原理图

解耦装置同调节器一起使用，其原理如图1-4所示。上面一路的输入对输出的影响，以及下面一路的输入对输出的影响均为1：1的关系；两路之间相互的影响通过可调比例放大器及加法器实现。值得注意的是上面一路对下面一路的影响可通过钮子开关选择相加或相减，可以实现锅炉内胆与锅炉夹套的温度、上水箱液位与出口水温的解耦控制系统实验。

图2-4 解耦装置原理图

三、远程数据采集控制组件

远程数据采集控制即我们通常所说的直接数字控制（DDC），它的特点是以计算机代替模拟调节器进行控制，并通过数据采集板卡或模块进行A/D、D/A转换，控制算法全部在计算机上实现。在本装置中远程数据采集控制系统包括SA-21远程数据采集热电阻输入模块挂件、SA-22远程数据采集模拟量输入模块挂件、SA-23远程数据采集模拟量输出模块挂件。采用台湾鸿格ICP7000系列智能采集模块，其中I-7017是8路模拟量输入模块，I-7024是4路模拟量输出模块，

10

I-7033是3路热电阻输入模块。ICP7000系列智能采集模块通过RS485等串行口通讯协议与PC相连，由PC中的算法及程序控制并实现数据采集模块对现场的模拟量、开关量信号的输入和输出、脉冲信号的计数和测量脉冲频率等功能。图1-5所示即为远程数据采集控制系统框图。图中输入输出通道即为ICP7000智能采集模块。关于ICP7000智能模块的具体使用请参考装置附带的光盘中的相关内容。

图2-5 远程数据采集系统框图

四、DCS分布式控制组件 分布式控制系统（DCS），国内也称为集散控制系统，它的特点是将危险分散化，而监视、操作和管理集中化，因而具有很高可靠性和灵活性。本装置采用北京和利时公司生产的MACS系统，包括一台操作员站兼工程师站、一台服务器、一台现场主控单元和三个挂件，即FM148现场总线远程I/O模块挂件、FM143现场总线远程I/O模块挂件和FM151现场总线远程I/O模块挂件，其中FM148为8路模拟量输入模块、FM143为8路热电阻输入模块、FM151为8路模拟量输出模块。图1-6所示为MACSⅡ系统结构图。有关MACSⅡ系统软硬件的具体使用请参考装置附带的光盘中相关的内容。

图2-6 DCS分布式系统框图

五、PLC控制组件 可编程控制器（简称PLC）是专为在工业环境下应用的一种数字运算操作的电子系统。目前国内外PLC品种繁多，生产PLC的厂商也很多，其中德国西门子公司在S5系列PLC的基础上推出了S7系列PLC，性能价格比越来越高。S7系列PLC有很强的模拟量处理能力和数字运算功能，具有许多过去大型PLC才有的功能，其扫描速度甚至超过了许多大型的PLC，S7系列 PLC功能强、速度快、扩展灵活，并具有紧凑的、无槽位限制的模块化结构，因而在国内工控现场得到了广泛的应用。在本装置中采用了S7-200、S7-300PLC两套控制系统，两

11

套系统各有特点且区别较大，以使学生对于西门子中小型PLC有较深入的了解。这两套系统包括SA-42 S7-200PLC可编程控制器挂件和SA-41 S7-300PLC可编程控制器挂件。

方案一、S7-200PLC控制系统：S7-200是一种叠装式结构的小型PLC。本实验系统包括一个CPU224主机模块和一个EM235模拟量I/O模块，以及一根PC/PPI连接线。其中CPU224模块带有14点开关量输入和10点开关量输出，EM235模拟量扩展模块带有4路模拟量输入和1路模拟量输出。图1-7所示为S7-200PLC控制系统结构图。

图2-7 S7-200PLC控制系统框图 图2-8 S7-300PLC控制系统框图

方案二、S7-300PLC控制系统：S7-300是采用模块化结构的中小型PLC，包括一个CPU315-2DP主机模块、一个SM331模拟量输入模块和一个SM332模拟量输出模块，以及一块西门子CP5611专用网卡和一根MPI网线。其中SM331为8路模拟量输入模块， SM332为4路模拟量输出模块。图1-8所示为S7-300PLC控制系统结构图。

12

3 软件介绍

3.1 MCGS组态软件

本装置中智能仪表控制方案、远程数据采集控制方案和S7-200PLC控制方案均采用了北京昆仑公司的MCGS组态软件作为上位机监控组态软件。MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows95/98/NT/2000等操作系统。

MCGS 5.1为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。

有关MCGS软件的使用请参考配套的手册及光盘。 3.2 MACS系统软件

本装置中DCS控制方案采用了北京和利时公司的MACS Ⅱ系统。MACS系统给用户提供了一个通用的系统组态和运行控制平台，应用系统需要通过工程师站软件组态产生，即把通用系统提供的模块化的功能单元按一定的逻辑组合起来，形成一个能完成特定要求的应用系统。系统组态后将产生应用系统的数据库、控制运算程序、历史数据库、监控流程图以及各类生产管理报表。

MACS系统具有功能：数据采集、控制运算、闭环控制输出、设备和状态监视、报警监视、远程通信、实时数据处理和显示、历史数据管理、日志记录、事件顺序记录、事故追忆、图形显示、控制调节、报表打印、高级计算、组态、调试、打印、下装、诊断。

有关MACS系统的使用请参考配套光盘。 3.3 西门子S7系列PLC编程软件

本装置中PLC控制方案采用了德国西门子公司的S7-200和S7-300PLC，其中西门子S7-200PLC采用的是Step 7-MicroWIN 32编程软件，而西门子S7-300PLC采用的是Step 7编程软件。利用这两个软件可以对相应的PLC进行编程、调试、下装、诊断。

有关软件使用请参考光盘中相应的内容。 3.4 西门子WinCC监控组态软件

S7-300PLC控制方案采用WinCC软件作为上位机监控组态软件，WinCC是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能的产物。作为一个国际先进的人机界面(HMI)软件和SCADA系统，WinCC提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板；并具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据；WinCC还为用户解决方案提供了开放的界面，使得将WinCC集成入复杂、广泛的自动化项目成为可能。

关于WinCC软件的使用请参考配套光盘中的电子文档。 3.5 7000 Utility软件

远程数据采集控制方案采用台湾鸿格I-7000系列智能采集模块，7000 Utility

13

是其配套的模块调试软件。软件安装完以后，会在桌面创建快捷方式，双击“7000 Utility”图标，运行程序自动检测模块，当检测到模块后，可双击模块进行模块参数的显示及修改。若模块通讯失败，请检查通讯线是否已按实验要求连接；若上位机MCGS组态与模块通讯失败，请用7000 Utility检查模块地址，并作正确修改。

14

4 单容自衡水箱液位特性测试实验

4.1 实验目的

1．掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，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，用相应的方法确定被测对象的特征参数K、T和传递函数；

3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 4.2 实验设备

1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS需两台计算机）、万用表一个；

2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根； 3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个；

4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根；

5．SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线； 6．SA-42挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。 4.3 实验原理

所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图4-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。

根据动态物料平衡关系有

Q1-Q2=A

dhdt (4-1)

将式(4-1)表示为增量形式 ΔQ1-ΔQ2=A

d?hdt (4-2)

式中：ΔQ1，ΔQ2，Δh——分别为偏 离某一平衡状态的增量；

A——水箱截面积。

在平衡时，Q1=Q2，

dhdt＝0；当Q1

发生变化时，液位h随之变化，水箱出 图4-1 单容自衡水箱特性测试系统 口处的静压也随之变化，Q2也发生变化 （a）结构图 （b）方框图

。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q2与h成正比关系，而与阀F1-11的阻力R成反比，即

15

ΔQ2=

?hR 或 R=

?h?Q2 (4-3)

式中：R——阀F1-11的阻力，称为液阻。

将式(4-2)、式(4-3)经拉氏变换并消去中间变量Q2，即可得到单容水箱的数学模型为

W0（s）＝

H(s)Q1(s)＝

RRCs?1=

KTs?1 (4-4)

式中T为水箱的时间常数，T＝RC；K为放大系数，K＝R；C为水箱的容量系数。若令Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=

K/Ts?1Tx0s，x0=常数，则式(4-4)可改写为

x0sKx0s?1TH（s）=×

x0s=K-

对上式取拉氏反变换得

h(t)=Kx0(1-e-t/T) (4-5)

当t—>∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有

K=

当t=T时，则有

h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h(∞) (4-7)

式（4-5）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4-2（a）所示，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。也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数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。

图4-2 单容水箱的阶跃响应曲线

h（?）?h（0）x0＝

输出稳态值阶跃输入 (4-6)

如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图4-2（b），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τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：

H(S)=

4.4 实验内容与步骤

16

Ke??s1?Ts (4-8)

本实验选择下水箱作为被测对象（也可选择上水箱或中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度，其余阀门均关闭。

步骤1．将“SA-12智能调节仪控制” 挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。

图4-3 仪表控制单容水箱特性测试实验接线图

步骤2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。

步骤3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入实验一的监控界面。

步骤4．在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”控制，并将输出值设置为一个合适的值，此操作需通过调节仪表实现。

步骤5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。

步骤6．待下水箱液位平衡后，突增（或突减）智能仪表输出量的大小，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

17

位进入新的平衡状态，记录下此时的仪表输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如图4-4所示。

图4-4 单容下水箱液位阶跃响应曲线

步骤7．根据前面记录的液位值和仪表输出值，按公式（4-6）计算K值，再根据图4-2中的实验曲线求得T值，写出对象的传递函数。 4.5 实验报告要求

1．画出单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，分析并计算出单容水箱液位对象的参数及传递函数。 4.6 思考题

1．做本实验时，为什么不能任意改变出水阀F1-11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，其响应曲线与下水箱的曲线有什么异同？并分析差异原因。

18

5 双容自衡水箱液位特性的测试

5.1实验目的

1．掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；

2．根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T1、T2及传递函数；

3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 5.2实验设备（同前） 5.3 原理说明

图5-1 双容水箱对象特性测试系统

(a)结构图 (b)方框图

由图5-1所示，被测对象由两个不同容积的水箱相串联组成，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，不需要操作人员或仪表等干预，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：

G(s)=G1(s)G2(s)=

k1T1s?1?k2T2s?1?K(T1s?1)(T2s?1) (5-1)

式中K＝k1k2，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，当中水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图5-2所示。由图5-2可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图5-2 (a)）；而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图5-2 (b)），即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1-10和F1-11的开度大小密切相关。

19

图5-2 双容水箱液位的阶跃响应曲线 （a）中水箱液位 （b）下水箱液位

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5-3所示的阶跃响应曲线上求取：

(1) h2（t）|t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t1； (2) h2（t）|t=t2=0.8 h2(∞)时曲线上的点C和对应的时间t2。

图5-3 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

K?h2(?)xO?输入稳态值阶跃输入量t1?t22.16 (5-2)

T1?T2? (5-3)

T1T2 (T1?T2)2?(1.74t1t2?0.55) (5-4)

0.32〈t1/t2〈0.46

由上述两式中解出T1和T2，于是得到传递函数。

在改变相应的阀门开度后，对象可能出现滞后特性，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：

G（S）=

K(T1S?1)(T2S?1)e??S (5-5)

5.4 实验内容与步骤

本实验选择中水箱和下水箱串联作为被测对象（也可选择上水箱和中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求F1-10开度稍大于F1-11的开度），其余阀门均关闭。

步骤1．将SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照本章第一节控制屏接线图4-3连接实验系统。将“LT3下水箱液位”

20

钮子开关拨到“ON”的位置。

步骤2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。

步骤3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验二、双容自衡水箱对象特性测试”，进入实验二的监控界面。

步骤4．在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”输出，并将输出值设置为一个合适的值（一般为最大值的40～70%，不宜过大，以免水箱中水溢出），此操作需通过调节仪表实现。

步骤5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。

步骤6．液位平衡后，突增（或突减）仪表输出量的大小，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，记录下此时的仪表输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如图5-4所示。

图5-4 双容水箱液位阶跃响应曲线

7．根据前面记录的液位和仪表输出值，按公式（2-10）计算K值，再根据图5-4中的实验曲线求得T1、T2值，写出对象的传递函数。

5.5 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。

3．综合分析以上五种控制方案的实验效果。 5.6 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？并分析差异原因。

4．引起双容对象滞后的因素主要有哪些？

21

6 单容液位定值控制系统

6.1 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．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 6.2 实验设备（同前） 6.3 实验原理

图6-1 中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6-1所示。被控量为中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT2检测到的中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电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。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。 6.4 实验内容与步骤

本实验选择中水箱作为被控对象。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度，其余阀门均关闭。

步骤1．将“SA-12智能调节仪控制”挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。

22

图6-2 智能仪表控制单容液位定值控制实验接线图

步骤2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。

步骤3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制系统”，进入实验三的监控界面。

步骤4．在上位机监控界面中点击“启动仪表”。将智能仪表设置为“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。

步骤5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使中水箱的液位平衡于设定值。

步骤6．按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。

步骤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）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面三种仅供参考）

（2）将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度； （3）将下水箱进水阀F1-8开至适当开度；（改变负载）

（4）接上变频器电源，并将变频器输出接至磁力泵，然后打开阀门F2-1、F2-4，用变频器支路以较小频率给中水箱打水。

以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，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

23

调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图3-8所示。

图3-8 单容水箱液位的阶跃响应曲线

步骤8．分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。

步骤9．分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤4～8，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。 6.5 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。 6．综合分析五种控制方案的实验效果。 6.6 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δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？

24

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/23pg.html