过程控制实验指导书 - 图文

《过程控制工程》课程

实 验 指 导 书

常熟理工学院电气与自动化工程学院

2012年3月

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第 一 部 分

产 品 使 用 说 明

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TKGK-1过程控制实验装置组成和各部分使用说明

TKGK-1型过程控制实验装置是根据自动化专业及相关专业教学的特点，吸

收了国外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证，向广大师生推出一套全新的实验设备。该设备可以满足《过程控制》、《自动化仪表》、《工程检测》、《计算机控制系统》等课程的教学实验。整个系统结构紧凑、功能多样、使用方便，既能进行验证性、研究性实验，又能提供综合性实验。本实验装置可满足本科、大专及中专等不同层次的教学实验要求，还可为科学研究开发提供实验手段。

本实验装置的控制信号及被控信号均采用IEC标准，即电压0~5V或1~5V，电流0~10mA或4~20mA。实验系统供电要求为单相交流220V±10%，10A；外型尺寸为：167*164*73，重量：580Kg。 装置特点 本实验装置具有以下特点：

1、多种被控参数： 温度、压力、流量、液位。

2、控制方式多样： 位式控制、模拟PID控制、智能仪表控制、单片机控制 、PLC控制、计算机控制等。

3、多种计算机控制软件：PROTOOL-CS组态软件、MCGS组态软件、本公司开发的上位机监控软件。

4、丰富的计算机控制算法：P、PI、PID、死区PID、积分分离、不完全积分、模糊控制、神元控制、 基于SIMULINK的动态参数自适应补偿控制等。 5、开放的软件平台：在我们提供的软件平台上，学生既可以利用我们所提供的

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算法程序进行实验，又可以用自己编写的PLC程序、MATLAB算法程序等进行实验。

6、灵活多样的实验组合：可以很方便地对控制方式与被控参数进行不同组合，得到自己需要的单回路、多回路等多种控制系统。

系统组成

TKGK-1型过程控制实验装置集多参数闭环控制为一体，它是由被控对象、调节器模块、执行器模块、变送器模块和单片机控制模块等组成，各模块间组合灵活，基本包含了目前所有的工业控制方式，涉及温度、压力、流量和液位等重要的过程控制参数。

被控对象包括上水箱、下水箱、复合加热水箱、管道。调节器主要有模拟调节器（含比例P调节、比例积分PI调节、比例微分PD调节、比例积分微分PID调节）、位式调节器、智能调节器、PLC控制、单片机控制、计算机控制等。

执行器模块主要有固态继电器、交流电机及水泵、直流电机及水泵、电热丝。 变送器模块主要有流量变送器（FT）、液位变送器（LT1，LT2）、温度变送器（TT）、压力变送器（PT）等。变送器的零位、增益可调，并均以标准信号DC0-5V输出。另外，根据用户需要，配置微机通讯接口单元（RS232），以满足计算机实时控制实验的需要。

系统的结构组成如图0-1所示，被控对象的供水有两路：一路是由交流电机从储水箱中抽水，通过阀5或阀6供给复合加热水箱，或经过流量计后，再经阀1或阀3分别供水给上、下两个水箱；另一路是由直流电机从储水箱中抽水，通过阀7或阀8也分别供水给上、下两个水箱。两个水箱内均装有液位传感器（LT1，LT2）和溢流口，每个水箱的出水口均经过线性化处理。上水箱的水通过阀2 流到

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下水箱，在上水箱中还安装了压力传感器（PT），用于检测压力的大小，而下水箱的水经阀4流到复合加热水箱的外套，最后经溢流口3流回储水箱。在复合加热水箱的内套安装了加热器和PT100温度传感器（TT），用于检测温度。

图0-1、GK-02装置结构展示屏面板图

报警器复位6723008 009漏 2 KM005流量 压力 液位1 液位2显示板流量 压力固态继电器液位 1,2单相插座信号采样板006电热器单相插座006双~17.5双~17.5双~8.5V双 ~17.5空气开关空气开关001002总开关00310A004220V/13.5V交流电压表A.C 0~250V STSS007KM008009左侧100101102KM 103A1A2A3

A4A流量计右侧漏2 挂箱插座010 日 光 灯钮子开关 图0-2、TKGK-1实验装置电气连接图

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挂箱介绍

一、GK-01电源控制屏

GK-01电源控制屏如图1-1所示，它由一个交流电源控制区与三个执行部件

接线区所组成：

1、交流电源控制区：由总电源钥匙开关、空气开关、带灯启动、停止按钮、漏电保护器、电加热器电源开关、照明开关、电压表、告警指示灯与复位按钮等组成。

具体操作方法如下：

1）、将电源插座接220V市电电源。 2）、打开总电源空气开关。

3）、打开总电源钥匙开关，此时“停止”按 钮红灯亮，表示系统总电源接通。

4）、按下“启动”按钮，此时“启动”按钮 绿灯亮，表示系统电源接通。

5）、拨动照明钮子开关打开日光灯。 注意：本实验装置配电压型和电流型漏电保 护系统。当屏上漏电时保护系统动作，告警灯亮 并自动切断系统电源。

2、三相异步电动机电源接线区：它与GK-07-2

交流变频控制挂件配合使用。在此接线区一共有 图1-1、GK-01控制屏面板图 A、B、C、Z、X、Y六个空芯接线柱，它们与三相异步电动机引线一一对应。基

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于本装置中电源为单相交流220V，因而实验时必须按三角形接线方式（即 将A与Z、B与X、C与Y相接）。

3、直流他励电动机电源接线区：它与GK-06直流调速控制挂箱配合使用。此区从直流他励电动机引出了的“励磁”、“电枢”两组空芯接线拄。

4、加热器控制接线区：共有两个空芯接线柱，按固态继电器的接线原则“左正右负”，即控制电压信号正端接左边接线柱，地端接右边接线柱。

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二、GK-02装置结构展示屏

一、控制对象

如图0-1所示，装置结构展示屏有四个被控对象：上下两个水箱、复合加热水箱和管道。

二、供水系统

1、直流电机供水部分：由直流电机驱动齿轮泵，将储水箱中的水经阀7、8分别注入上、下水箱。

2、交流电机供水部分：由三相交流鼠笼电动机驱动齿轮泵，将储水箱中的水经流量计和阀1、3、6将水分别注入上、下水箱和复合加热水箱的外套水箱。复合水箱的内套水箱通过阀5一次性加满水后即将它关闭。

3、调节阀2、阀4，可调节上、下水箱的排水量。各水箱的过量水都通过溢流口1、2、3回流到储水箱中。

三、控制参数有四种：温度、压力、流量、液位。 四、传感器输出与显示仪表：

在GK-02屏的左侧，设有控制参数的数显仪表，它们分别指示液位、压力、流量和温度等参数值。各表头左侧的接线柱分别接LT1、PT、LT2、FT、TT等相应传感器检测信号的输出，其标准DC 0~5V。其中LT1、PT、LT2均有调零和调增益的电位器，可根据需要进行调整。传感器的输出显示表头为三位半的数显表。AI-708F温度变送器是一台含变送、调节双重功能的人工智能仪表。其变送信号通过TT输出，其控制信号可通过TR输出。TR输出用于控制固态继电器开关。

五、AI-708F人工智能仪表，使用方法如下：

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图2-1、AI708智能仪表面板图

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三、GK-03单片机控制屏

（一）、单片机控制屏如图3-1所示，它可以同时采集五路信号，三路输出用来控制执行器，以实现自动控制。单片机控制屏的主要组成部分有：

1、五路模拟量输入，分别为LT1、PT、LT2、FT、TT，其接线端正好与右侧GK-02屏上传感器输出端相对应，模拟量输入为0~5V标准信号。

2、三路模拟量输出（即单片机控制输出信号），分别以1、2、3字样标出，输出为0~5V标准信号。

3、通讯接口方式：通过RS232串行通讯口与计算机通讯，以实现计算机监控。 4、键盘操作：共有六功能键。

5、两个显示框：功能显示框（显示所选参数）、数值显示（显示对应参数值）。 （二）、单片机操作步骤： 1、键功能含义

“回路”键：可循环选择1~5路输入； “向上”、“向下”：按此键可循环选择所显示的 参数或在整定状态下将数字增减；

“整定”键：按此键数值显示框中有一位数据 闪烁，配合向上和向下键，即可进行某参数值整定。 “移位”键：在参数整定中，按此键盘可选 择需要修改数据的位。

“确认”键：开机时，单片机出现“pcs?1”

th?? 图3-1、GK-03控制屏面板图

提示，按此键后方可进入程序运行。另外在参数整定结束时，按此键即可退出参

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数整定，返回显示状态。

2、表1参数功能定义 AI AO AN ST PB TI TD CL 输入量 输出量 手动/自动 采样时间 比例度 积分时间 微分时间 标尺下限 0~150（液位） 0~255 0或1 0.1~19.9秒 0~9999 0~9999 0~9999 0~150（液位） 0~1470P(压力) 0~45ml/s(流量) 0~100℃(温度) 0~150（液位） 0~1470P(压力) 0~45ml/s(流量) 0~100℃(温度) 0或1 不可修改 手动时可修改 0手动 1自动 增量式KC 增量式Ki 增量式Kd 0—反作用 1—正作用 0~150（液位） 0—3 0—不输出 1—从第一通道输出 2—从第二通道输出 3—从第三通道输出

CH 标尺上限 UA SP OP 正/反作用 给定值 输出通道 （三）、开机操作步骤 1、 打开电源开关。

2、功能显示框与数值显示框分别提示“TH--”与“PCS1”字样，分别表示 天煌教仪和过程控制系统之含义。

3、按“确认”键，功能显示框显示“AI-1”字样，“AI”表示功能参数（参照表1定义），“1”表示为第一回路。

4、连续按“回路”键，功能显示框的末位,将依次循环显示“1、2、3、4、5”

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表示所选中的输入回路号。

5、按动“向上”或“向下”键，可改变所在回路相应的功能与参数值。 6、按“整定”键，数值显示框的末位闪烁，表示此位可进行修改，这时只要按“向上”“向下”键和“移位”键，就能对数值显示器的参数值进行整定修改。数值设定完毕后，最后按“确认”键，即可完成对参数的设定。

7、本单片机系统在运行时，允许实时地对PID参数进行修改。 注意：

1、 在实验前将各输入信号的信息（AN、ST、CL、CH、UA、OP等）通过 两组显示器，预先设置好。

2、 输出通道设定，应与输入通道相对应，不能复用。OP为“0”表示无输出。

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四、GK-04 模拟PID调节器挂箱

如图4-1所示，本挂箱有两路完全相同的PID调节器和一路给定信号源。 调节器的结构、使用方法如下：

1、 接线端：给定信号输入端、反馈信号输 入端、 PID信号输出端。注意地线是公共的，只 有两个地线接线端子。给定信号大小由本模块中给 定信号源提供，反馈信号输入由传感器输出提供， 调节器输出信号用于控制执行器（如交流电机、直 流电机）。

2、 积分时间波段开关：共有三档：X∞、X1、 X10。当选择X∞档时才可进入纯P，或PD控制方式。 P、I、D参数设置

“P比例调节”——比例系数KC（即放大系数） 的调节。它是比例度δ的倒数，即KC=1/δ。

图4-1、 GK-04挂箱面板图

“I积分调节”——指积分时间常数Ti的调节，调节范围“0.01至2.5分”和“0.1至25分”。

“D微分调节器”——指微分时间常数Td的调节，调节范围“0.01至10分”。 3、“I”有开/关两种状态，“D”也有开/关两种状态（通过钮子开关切换，两个开关处于“开”状态时积分和微分才起作用）。

4、若需要选用“PI”控制，具体设置为：“I”波段开关置于X1或X10档，I开/关置于“开”，电位器P、I旋至某一个刻度即可。此时“D”开关应置于“关”。

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5、正/反作用开关：用于改变调节器的正反作用，实质上是改变输入偏差信号的正负号，以构成一个负反馈系统。

6、手动/自动开关：当开关置于“手动”时，调节手动电位器，即可手动控制调节器输出信号。若需要进行PID控制，则此开关必须位于“自动”状态。

7、给定信号源：其输出信号由钮子开关切换输出值的正、负。 8、当进行串级模拟PID控制实验时，可利用两个GK-04调节器组成所需的自动控制系统。

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五、GK-05位式控制器挂箱

如图5-1所示，位式控制挂箱由位式控制器和给定信号源两部分组成。

1、位式控制器

输入端为Vmax 、Vi、Vmin,输出端为Vo （在温度控制系统中用于控制固态继电器的 通断）。其中Vmax表示上限电压值，Vmin 表示下限电压值，Vi为反馈信号的输入端。

接线原则：上正下负（即上方空芯接线 柱接电压信号正端，下方空芯接线柱接电压 信号地端。

注意：其中Vmax应大于Vmin，为保证实 验效果明显，可令Vmax与Vmin差值大于1V。 2、给定信号源

提供两组信号，其大小通过电位器RP1、 RP2调节，可以整定所需要的Vmax、Vmin之值。

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5-1、GK-05挂箱面板图

图

六、GK-06直流调速控制挂箱

如图6-1所示，直流调速面板共有三组接线端和一个反馈调节旋钮。

1、 输入电压范围为0~5V，用于控制直流 他励电动机的转速。（由于电机和泵的摩擦阻力 较大，所以一般输入2~5V电压）

2、电枢绕组接线端——与GK-01中的电动 机接线端对应。

3、励磁绕组接线端——与GK-01中的电动 机接线端对应。接线原则上正下负，左正右负。

4、 电流截止负反馈作用是限制电机启动和负 载过大时的电流，以免烧坏直流电动机。

5、 电压反馈量的调节旋钮。它用于调节电压 负反馈值的大小，从而达到调节电机的转速。通常

启动时，将反馈调至较大，从而降低启动电压。

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6-1、GK-06挂箱面板图

图七、GK-07-2交流变频调速挂箱

如图7-1所示，交流变频控制挂箱面板图。

变频器为三菱FR-S20S-0.4K型。具体使用说明、参 数设置及操作，详见产品使用手册。 （一）、挂箱面板接线端子功能说明：

为了保护变频器各接线端子不因实验时经常的装拆 线而损坏或丢失，故将其常用的端子引到挂箱面板上。

1、A、B、C：变频器的三个输出端，（连接GK-01 中的三相鼠笼电机三相定子绕阻的接线端A、B、C）。

2、2和5：外部电压控制信号（0~5V）输入端， 2接信号正极，5接信号地端 。

3、F、STR：电机正、反转控制端，STF与

SD相连为正转，STR与SD相连为反转。 图7-1、GK-07-2挂箱面板图

4、其它：

1） PC：外部晶体管公共端 、DC24V电源接点输入端 。 2） SE：集电极开路公共。 3） RUN：集电极开路。 4） 10：频率设定用电源。 5） 4：频率设定电流信号。

6）、RH、RM、RL：RH、RM、RL 分别与SD连接实现多段速度选择。 7）a、b、c：报警输出。

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8）AM：模拟信号输出。 9）、RST：复位。

10）、SD：输入/输出公共端。

*本实验装置各端子的引出是为了满足用户其它自拟实验接线的需要。 （二）、变频器的基本操作说明：

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八、GK-08 PLC可编程控制挂箱

（一）、PLC结构概述

PLC可编程控制挂箱面板，如图8-1所示。

1、PLC可编程控制面板上引出二路模拟输入（AI），一路模拟输出（AO），十路开关量输入（DI1—DI10），四路开关量输出（DO1—DO4）。采用西门子S7-200 PLC系列产品。

2、CPU为224，它集成14输入/10输出 ，总共有24个数字量I/O点。13K字节程序 和数据存储空间。6个独立的30KHz高速计 数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出。此 外，还有1个RS485通讯/编程口，它具有PPI 通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能 力。

3、EM 235 模拟量扩展模块，具有4路 模拟量输入，2路模拟量输出（实际的物理点

数为：4输入，1输出）。 图8-1、GK-08挂箱面板图

4、PLC的编程环境软件为 STEP 7-Micro/WIN32 V3.0，

STEP 7-Micro/WIN32 V3.0 可以对S7-200的所有功能进行编程。 CPU通过PC/PPI 电缆或通过插在PG/PC上的CP 5511或 CP 5611网卡与PC/PPI电缆可以在Windows 95或Window 98下实现多主站模式。

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5、上位机的监控软件为：PROTOOL—CS和MCGS工控组态软件（两种软件可供用户选择，每一种都可独立使用）。 （二）、应用PROTOOL—CS软件演示PID实验

1、此演示实验直接应用模拟量的输入与输出，所以AI（模拟输入口）接变送输出信号，AO（控制信号输出）接执行器。

2、用PC/PPI电缆线连接RS485通讯口与CP 5611卡连接。

3、软件安装步骤：

1）、光盘目录：\\Prg-file\\Pc-comm 配合单片机的上位机通讯程序

\\Prg-file\\Pc-plcn~1\\ Ptl-run 配合PLC的上位机监控程序 \\Prg-file\\Pc-plcn~1\\S7-200 PLC的PID控制源程序 \\protool.rt\\Disk1 计算机组态软件 \\s7200 v3.1 中文测试版 为PLC编程软件 \\software 上位机安装程序 2）、点击S7200中的“setup.exe”，安装 STEP7—Microwin 32 V3.1。

3）、点击Disk1中的“setup.exe”安装Protool-CS 软件。 4）、将S700与PTL-run目录中的文件复制到硬盘上。 5）、点击“mypid.mwp”进入程序编辑状态。

6）、连接CP5611自带的电缆线，PLC初始波特率为9.6K(初次使用以后按8)改动)。

7）、下载程序时，PLC应打到STOP工作方式，运行时打到RUN或TERM工作方式。

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8）、之后将SYSTEM Block 波特率改为187.5K，地址口为2。

9）、在Windows的控制面板中选择set PG/PC interface 项，再选择CP5611MPI，选择computing-?cp5611(MPI)。

10)、点击“pro.fwd”文件可进入演示程序控制界面。

图8-2

注：本装置中的演示组态软件只用到PLC的模拟量的I/O即AI与AO，各数字量I/O口，空着不用，由用户自由选用。

11）、屏幕键盘操作说明： a）、操作方式：手动或自动。

b）、参数设定：KC为比例系数，设置范围：0~9.9。 TS为采样时间，设置范围：0~9.9秒。 Ti为积分时间，设置范围：0~9.9分。

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Td为微分时间，设置范围：0~9.9分。

c）、运行：在参数设定后，向上拉动设定键至所需的控制值，即可进入运行 状态。在显示区可看到控制过程的进程。

（三）、应用MCGS工控组态软件PID实验

1、此控制实验直接应用模拟量的输入与输出，所以AI（模拟输入口）接变送输出信号，AO（控制信号输出）接执行器。

2、用适配器PC/PPI电缆连接PLC的RS485通讯口和计算机串口2（COM2）。 3、软件安装步骤：

1)、安装MCGS工控组态软件（30分钟学习板）：

a、在相应的驱动器中插入光盘，插入光盘后会自动弹出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，运行光盘中AutoRun.exe文件）。

b、在安装程序窗口中选择“安装MCGS组态软件”，启动安装程序开始安装,

随后，安装程序将提示你指定的安装目录。（系统默认安装路径为D:\\MCGS）

c、MCGS系统文件安装完成后，安装程序要建立图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。

d、安装过程完成后，安装程序将弹出“安装完成”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。按下“完成”按钮，将结束安装程序的运行。

e、安装完成后，MCGS的程序群组中将包含如下四个象标 ：MCGS组态环境、MCGS运行环境、MCGS电子文档，MCGS自述文件。

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2)、将PLC目录中的文件复制到硬盘上（包括下位机PLC编程程序plc pid.mwp和上位机监控组态演示程序tkgk-1.mcg）。

3）、点击“plc pid.mwp”进入STEP 7-Micro/WIN32 V3.0程序编辑状态。 4）、连接好PC /PPI电缆线，将适配器中的拨动开关2拨向1，其它为0，此时PLC的波特率为9.6K。

5）、下载plc pid.nwp程序时，PLC应打到STOP工作方式，运行时打到RUN或TERM工作方式。

6)、双击“tkgk-1.mcg”，进入MCGS组态环境后，按F5或选中文件下拉菜单中的“进入运行环境”选项，可进入监控界面，如图8-3所示。

图8-3

图中：红色柱状图指示给定值SV，绿色柱状图指示测量值PV，粉红色柱状图指示输出值OP，x-y座标显示区将显示系统实时采集控制曲线。

7)、屏幕键盘操作说明：

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a、操作方式：手动或自动。（当显示自动按钮时，表示运行在自动状态下。单击自动按钮，就可以切换成手动状态，此时，算法停止运算，输出值就是手动所输入的值。同理，此时单击手动按钮可以切换为自动状态。）

b、参数设定：测量值sv，设置范围：0~150mm

比例系数P，设置范围：0~无穷。

积分时间I，设置范围：0.1~无穷。 微分时间D，设置范围：0~无穷。

c、运行：在参数设定后，即可进入运行状态。在显示区可看到控制过程的进程。

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第 部

实 验 内 容

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二 分

实验一、实验装置的基本操作与仪表调试（含差压传感器的零点迁

移和性能测试）

一、 实验目的

1）、了解本实验装置的结构与组成。 2）、掌握液位、压力传感器的使用方法。

3）、掌握实验装置的基本操作与变送器仪表的调整方法。

4）、掌握差压传感器零点的迁移方法；测试和分析差压传感器的特性。

二、实验设备

1) TKGK-1型过程控制实验装置：

交流变频器GK-07-2；直流调速器GK-06；PID调节器GK-04 2)万用表

三、实验装置的结构框图

图1-1、液位、压力 、流量控制系统的结构框图

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四、差压传感器的零点迁移和性能测试实验原理

（一）、差压传感器零点的迁移

在使用差压传感器测量水箱液位时，其差压△P（△P= P正- P负）与水箱液位高度H之间有着如下的关系： △P=ρ*g*H 式中ρ为液体密度，g为 重力加速度。在“无迁移”时， 即h=0，作用在正、负压室的 压力应该相等。然而，在实际 应用中，由于多种原因常会出

a b c hmax 1 2 3 p(v) h 现当h=0时，△P≠0的情况， 图1-2、差压传感器

如图1-2中的直线（1）所示。即当h=0时，变送器的输出不为0V；h=hmax时，变送器输出不为5V。零点迁移的实质是通过改变P负 的大小来改变变送器的零点，如图2-1中的a，b，c各点所示。由该图可知，零点迁移的同时也改变了测量范围的上下限，相当于测量范围的平移，但不会改变量程的大小。

（二）、差压传感器的线性度和偏差

由于任何测量过程都会存在着一定的误差，因此检测时必须知道其精确程度，以便估计测量结果与真实值的差距，即估计测量值的误差大小。精确度不仅与绝对误差有关，而且还与其测量范围有关。

变差是指在外界条件不变的情况下，对被测量在测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。

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线性度是表征输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。

五、实验步骤

（一）、实验装置的基本操作

1、设备组装与检查：

1）、将GK-07-2、GK-06、GK-04挂件由左至右依次挂于实验屏上。并将挂件的三芯蓝插头插于相应的插座中。 2）、检查挂件的电源开关是否关闭。

3）、用万用表检查挂件的电源保险丝是否完好。

2、系统接线

1）、直流部分：将一台GK04的PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”接GK06的控制电压“输入”；GK06的“电枢电压”和“励磁电压”输出端分别接GK01的直流他励电动机的“电枢电压” 和“励磁电压”输入端 。

2）、交流部分：将另一台GK04的PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”端接GK-07-2变频器的“2”与“5”接线端； 将GK-07-2变频器的输出“A、B、C”接GK-01上三相异步电机的“A、B、C”输入端；将三相异步电机接成三角形，即“A”接“Z” 、“B”接“X” 、“C”接“Y”；GK-07-2 的“SD”接“STR”使电机正转打水，（若此时电机为反转则“SD”接“STF” ）。

3、启动实验装置：

1）、将实验装置电源插头接到~220V市电电源。

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2）、打开电源空气开关与电源总钥匙开关。

3）、按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源，交流电压表指示220V。 4、仪表调整：（仪表的零位与增益调节 ）

在GK-02装置结构展示屏的左侧，有五组传感器检测信号输出：LT1、PT、LT2、FT、TT（输出标准信号DC0~5V），它们旁边分别设有数字显示器，以显示相应的输出值。在LT1、PT、LT2数字显示器的右边各有二个电位器，可通过这些电位器调整相应传感器的零位和增益，在每次实验进行之前，必须作好这些准备工作。

调试步骤如下：

1)、将三根?6的橡皮导气管（约0.6m长）的一端分别竖直地插入上、下水箱底部（上水箱两根，下水箱一根），再将它们的另一端接到三个差压传感器（MPX2010DP）的正压室。

2）、打开阀1、阀3，关闭阀7、阀8，（或者打开阀7、阀8，关闭阀1、阀3）关闭阀2、阀4、阀5、阀6，然后开启变频器（或直流调速器），启动一个齿轮泵，给上、下水箱供水，使其液面均上升至10cm高度，关闭变频器（或直流调速器）。

3）、将各增益调节电位器置于中间位置，然后调节零位调节电位器，使LT1 两端的输出电压为3.33V(显示器显示10.00)，LT2两端的输出电压为3.33V(显示器显示10.00)，PT两端的输出电压为3.33V（显示器显示980）。

4）、零位调节

a、打开阀2、阀4，排空上、下水箱中的水，关闭阀2、阀4。

b、调节“零位调节”电位器，使LT1、LT2和PT输出为零伏，显示器显示

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为00.00cm。注：稳定几分钟后进入下一步。

5）、开始增益调节：

a、启动齿轮泵，使上、下水箱水位上升至于10cm高度，然后再关闭齿轮泵。 b、调节“增益调节”电位器，使LT1、LT2显示器显示10.00cm，Pa显示器显示980Pa。

6）、重复实验步骤4、5，反复调整零位和增益，使上、下水箱水位为零时，LT1、LT2、PT输出都为0V（显示器显示00.00）；上、下水箱水位上升至于10cm高度时，LT1两端的输出电压为3.33V(显示器显示10.00)，LT2两端的输出电压为3.33V(显示器显示10.00)，PT两端的输出电压为3.33V（显示器显示980）。 （二）、传感器的零点迁移

1、 将GK-04、GK-07-2变频器和交流电机接成交流供水线路。 2、 关闭上、下水箱出水阀(阀2、阀4)和阀5、阀6、阀3，打开阀1。 3、利用GK-04与GK-07-2接通交流供水线路，启动交流电机，向上水箱注水，并使其液位高度为10cm。

4、将传感器1的正压室导气管插入上水箱中，负压室向大气。在正压室面向大气和插入水中，分别调整其零位和增益，使输出电压为0V和3.33V。(以后不要调整增益旋钮)。

5、 关闭阀1，打开阀3，用水泵向下水箱注入适量的水(一般在2cm左右即可 )。

6、 负压室导气管插入下水箱中，观察正压室导气管在空气中和上水箱中其输出电压的大小。与步骤4的结果作比较。

30

7、打开阀4，将下水箱中的水排出部分(大约1cm左右)，重复步骤4，观测输出电压大小。然后，调整传感器零位旋钮，使正压室在空气中时，输出为0V。

8、将正压室导气管插入上水箱中，观测此时电压输出是否为3.33V。 （三）、传感器性能测试 1、将上水箱出水口关闭。

2、将传感器1的正压室导气管插入上水箱中，负压室面向大气，在正压室面向大气时调整零位，使其输出电压为0V(以后不要调整增益旋钮)。

3、关闭阀3打开阀1，利用水泵向上水箱缓慢地注入水。

4、从水位由0cm升至10cm的过程中，依次在0cm、1cm、2cm、3cm、4cm、 5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm等测试点处测出传感器输出电压的大小，并列表记录。

5、当水位由10cm下降到0cm的过程中，依次在10cm 、9cm、8cm 、7cm、 6cm、5cm、4cm、3cm、2cm、1cm、0cm等测试点处测出传感器输出电压大小，

并列表记录。

六、 预习

熟读本书第一部分TKGK-1型过程控制实验装置产品使用说明书的相关内容。

七、注意事项

在实验过程中增益和零位调整好之后，不要再随意改变。

八、 思考题

零点迁移的实质是什么？在本实验中，是正迁移还是负迁移？迁移量为多少？

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实验二、单容/双容水箱对象特性的测试

一、 实验目的

1）、了解单/双容水箱的自衡特性。

2）、掌握单容/双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

3）、由实测单容/双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

1）、TKGK-1型过程控制实验装置：

PID调节器：GK-04；变频器：GK-07-2 2）、万用表一只 3）、计算机一台

三、实验原理

阶跃响应测试法是系统在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节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和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理的处理，确定模型中的相关参数。

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。

（一）、单容水箱

其数学模型可用一阶惯性环节来近似描述，且用下述方法求取对象的特征参数。

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单容水箱液位开环控制结构图如图2-1所示：

给定量 PID 调 节 器 变 频 器 交 流 电 机 与 泵 V1 阀1 GK-0GK-0Q1 V2 阀2 h 图2-1、 单容水箱液位开环控制结构图 Q2 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：

R2*C*d?h??h?R2*?Qdt在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

G(s)?H(s)R2K?? 2-1Q1(s)R2*C*S?1T*S?1 式中，T=R2*C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），K=R2为过程的放大倍数，也是阀V2的液阻，C 为水箱的底面积。令输入流量Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位的高度为：

KR0KR0KR0H(S)??? S ( TS ? 1 ) S S ? 1 / 2-2 T

1 -t 即 h(t) ? KR O (1 - e T ) 2-3

当t????时，h(?)?KRO . 因而有 h(?)输出稳态值 K?? RO阶跃输入 当t?T时, 则有: -1 h(T)?KR0(1-? 0.632h( e ) ? 0.632KR 0 ? ) 2-4

式（2-3）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2-2

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所示。由式（2-4）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

h2(t)h2( )000.63h2( )000T交点所对应的时间就是时间常数T， 图2-2 阶跃响应曲线 其理论依据是：

dh(t)dtt1KR0?Tt?0?Tet?0t?KR0h(?)? (2-4)TT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（2-2）中的K值由下式求取：

K = h(∞)/R0 = 输入稳态值/阶跃输入 （二）、双容水箱

双容水箱液位控制结构图如图2-3所示：

??¨?÷ ??? ?÷GK-04? ?±? ?÷GK-07??ú?±?V1 Q1V2h1

图2-3、双容水箱液位控制结构图 Q2h2V4Q4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

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H2(S)K??s?G(S)?*e (2-5)Q1(S)(T1*S?1)(T2*S?1)式中 K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分别为阀V2和V4的液阻，C1 和

C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。式中的K、T1和T2可由实验求得的阶跃响应曲线求出。具体的做法是在图2-4所示的阶跃响应曲线上取： 1）、h2（t）稳态值的渐近线h2(∞)； 2）、h2（t）|t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的 点A和对应的时间t1；

3）、h2（t）|t=t2=0.8 h2(∞)时曲线上的 点B和对应的时间t2。

然后，利用下面的近似公式计算式

0 て A t 1 h (t) 2 h2 ( 00 ( 0.8h 2 00 0.4h 2( 00 B P A t 2 t 3-5中的参数K、T1和T2。其中： 图2-4、阶跃响应曲线

h2(?)输入稳态值?RO阶跃输入量t1?t24)、 T1?T2?2.16 K? T1T2t15)、 ?(1.74?0.55)2t2 (T1?T2)对于式（2-5）所示的二阶过程，0.32

2

节；当t1/t2=0.46时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)（此时T1=T2=T=(t1+t2)/2*2.18 ）

过曲线的拐点做一条切线，它与横轴交于A点，OA即为滞后时间常数て。

四、实验内容与步骤

1)、按本书第一部分中GK-02《使用说明》的要求和步骤，对上、下水箱液位传感器进行零点与增益的调整。

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2）、按照图2-1的结构框图，完成系统的接线 （接线参照实验1），并把PID调节器的“手动/自动”开关置于“手动”位置，此时系统处于开环状态。

3）、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（详见本书第一部分单片机控制屏GK-03《使用说明》）；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（操作与本书实验六《计算机过程控制系统》类似）。

4）、利用PID调节器的手动旋钮调节输出，将被控参数液位控制在4cm左右。 5）、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，记录此时调节器手动输出值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。

变频器输出频率f HZ 手动输出Vo v 水箱水位高度h1 cm LT1显示值 cm 6）、迅速增调“手动调节”电位器，使PID的输出突加10%，利用上位机监控软件记下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： 变频器输出频率f PID输出Vo 水箱水位高度h1 HZ v cm

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LT1显示值 cm 7）、将“手动调节”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： 水箱水位 h1(cm) LT1读数 t（s） (cm) 8）、重复上述实验步骤。

9）、上述实验步骤同样适用于双容水箱的下水箱液位h2的控制，系统的结构框图如图2-3所示，实验步骤自拟。

五、注意事项

1）、做本实验过程中，阀V1和V2不得任意改变开度大小；且阀2开度必须大于阀4的开度，以保证实验效果。

2）、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%。

3）、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。 4）、在老师的帮助下，启动计算机系统和单片机控制屏。

六、实验报告要求

1）、作出一阶和二阶环节的阶跃响应曲线。

2）、根据实验原理中所述的方法，求出一阶和二阶环节的相关参数。

七、思考题

1）、在做本实验时，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？

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实验三、单容水箱液位PID控制系统

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）、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的阶跃响应。 3）、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的抗扰动作用。 4）、定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响。

二、 实验设备

1）、THGK-1型过程控制实验装置： GK-04 GK-06 GK-07-2 2）、万用表一只 3）、秒表一只 4）、计算机系统

三、实验原理

1、单容水箱液位控制系统

图3-1、单容水箱液位控制系统的方块图

图3-1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。单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产

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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。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，则会导致控制质量变坏，甚至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。系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节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，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）调节器 是在PI调节器的基础上再引

1.T( c)312ess入微分D的作用，从而使系

统既无余差存在，又能改善 图3-3、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线 0t(s) 39

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调节系统的阶跃响应分别如图3-3中的曲线①、②、③所示。

四、实验内容与步骤

（一）、比例（P）调节器控制

1）、按图3-1所示，将系统接成单回路反馈系统（接线参照实验一）。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，利用调节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）、观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可将调节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，调节器的“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，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 8）、增大δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 9）、选择合适的δ值就可以得到比较满意的过程控制曲线。

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10）、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。 （二）、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），观察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。 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 3）、固定积分时间T i于某一中间值，然后改变δ的大小，观察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 超调量σp 大 中 小 4）、选择合适的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。

（三）、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D打开。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，并与实验步骤（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）、选择合适的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）、用计算机记录实验时所有的过渡过程实时曲线，并进行分析。

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五、实验报告要求

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，并叙述无扰动切换的方法。 3）、P调节时，作出不同δ值下的阶跃响应曲线。

4）、PI调节时，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三种调节器对系统余差和动态性能的影响。

六、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）、必须在老师的指导下，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。

七、思考题

1）、如何实现减小或消除余差？纯比例控制能否消除余差？

2）、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生什么影响？

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实验四、 串级控制系统连线实验

一、实验目的

1）、通过实验，进一步了解串级控制系统的结构与原理。 2）、利用所提供的实验装置构成一个液位与液位串级控制系统。 3）、利用所提供的实验装置构成一个液位与流量串级控制系统。

二、实验设备

TKGK-1型过程控制实验装置： GK-04、GK-07-2、GK-06、GK-08

三、实验原理

单回路控制系统解决了工艺生产过程自动化中大量的参数定值控制问题。但是，随着现代工业生产的迅速发展，工艺操作条件的要求更加严格，对安全运行和经济性和对控制质量的要求也更高。单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求，在这样的情况下，串级控制系统就应运而生。由于串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，因而它在过程控制中得到了广泛应用。

（一）、串级控制系统的结构

图11-1 串级控制系统结构

如图4-1所示，串级控制系统是指不止采用一个调节器，而是将两个或几个调节器相串联，并将一个调节器的输入作为下一个调节器设定值的控制系统。

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（二）、串级控制系统的名词术语：

主被控参数：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。

副被控参数：在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引入的中间辅助变量 。

主被控过程：由主参数表征其特性的生产过程，主回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。

副被控过程：由副被控参数为输出的生产过程，副回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为控制参数。

主调节器：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。

副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出值的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制执行机构。

副回路：由副调节器、副被控过程、副测量变送器等组成的闭合回路。 主回路：由主调节器、副回路、主被控过程及主测量变送器等组成的闭合回路。

一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。 二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。 当生产过程处于稳定状态时，它的控制量与被控量都稳定在某一定值。当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同扰动，分为三种情况：

1、在副对象上的扰动

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副对象加上扰动后，副调节器就立即发出校正信号，控制执行对象（工程上一般是调节阀的开度，而本实验装置中是泵电机的转速）的动作，以克服扰动对主被控参数的影响。如果扰动量不大，经过副回路的及时控制一般不影响被控量，如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正，但还将有所影响被控量。然而，通过主回路的进一步调节，可使被控量能回到原平衡时的值。

2、主对象上的扰动

主对象加上扰动后，主回路产生校正作用，由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对被控量的影响比单回路系统时要小。

3、一次扰动和二次扰动同时存在

如果一、二次扰动的作用使主，副被控参数同时增大或减少时，主、副调节器对调节阀（或泵电机转速）的控制方向一致的，即大幅度关小或开大阀门（或大幅度地使泵电机加速或减速），加强控制作用，使主被控量很快地回到给定值上。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大，另一个减少，此时主、副调节器控制调节阀的方向是相反的，调节阀的开度只要作较小变动即可满足控制要求。

综上分析可知，串级控制系统副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使控制品质得到了进一步提高。

串级控制系统是改善和提高控制品质的一种极为有效的控制方案。它与单回路反馈控制系统比较，由于在系统结构上多了一个副回路，所以具有以下一些特点：

1、改善了过程的动态特性

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串级控制系统比单回路控制系统在结构上多了一个副回路。它的容量滞后减少了，过程的动态特性得到改善，使系统的响应加快，控制更为及时。

2、提高了系统工作频率

串级系统由于存在一个副回路，改善了过程特性，等效过程的时间常数减小了，从而提高了系统的工作频率，使振荡周期缩短，改善了系统的控制质量。

3、具有较强的抗扰动能力

在串级控制系统中，主、副调节器放大系数的乘积愈大，则系统的抗扰动能力愈强，控制质量愈好。串级控制系统由于存在副回路，只要扰动进入副回路，不等它影响到主参数，通过副回路的及时调节，该扰动对主参数的影响就会大大地减小，或完全消除。从而提高了主参数的控制质量。

4、具有一定的自适应能力

串级控制系统，就其主回路来看是一个定值控制系统，而副回路则是一个随动系统。主调节器的输出能按照负荷和操作条件的变化而变化，从而不断改变副调节器的给定值，使副回路调节器的给定值适应负荷并随操作条件而变化，即具有一定的自适应能力。

正确合理地设计一个串级控制系统是要其能充分发挥如上所述系统的各种特点。在系统设计时应包括主、副回路的设计，主、副调节器控制规律和参数的选择及正、反作用方式的确定。

（三）、主、副回路的设计

串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。串级控制系统的设计主要是副

参数的选择和副回路的设计以及主、副回路关系的考虑。下面介绍设计原则。

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1、主参数的选择和主回路的设计

串级控制系统由主回路和副回路组成。主回路是一个定值控制系统。对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。否则应选用一个与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性。

2、副参数的选择和副回路的设计 1）、副参数的选择

副参数的选择应使副回路的时间常数小，时延小，控制通道短，这样可使等效过程的时间常数大大减小，从而加快需要的工作频率，提高响应速度，缩短过渡过程时间，改善系统的控制品质。总之，为了充分发挥副回路的超前、快速作用，在扰动影响主参数之前就加以克服，必须设法选择一个可测的、反映灵敏的参数作为副参数。

副回路应包括生产过程中变化剧烈、频繁而且幅度大的主要扰动，并尽可能多地包括一些扰动。

由上所述，串级控制系统副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强的特点。在副回路设计时，要充分发挥这一特点，把生产过程中的主要扰动（并可能多的把其它一些扰动）包括在副回路中，以尽量减少对主参数的影响，提高主参数的控制质量。如本实验就是以下水箱的液位为主参数与上水箱的液位为副参数的串级控制系统。

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在选择副参数进行副回路设计时，必须注意主、副过程时间常数的匹配问题。因为它是串级控制系统正常运行的主要条件，是保证安全生产、防止共振的根本措施。

如果副过程的时间常数比主过程小得多，这时副回路反应灵敏，控制作用快，

但此时副回路包含的扰动少，对于过程特性的改善也就少了；相反，如果副过程的时间常数大于或接近于主过程的时间常数，这时副回路对于改善过程特性的效果不明显，这是因为副回路反应较迟钝，不能及时有效地克服扰动，从而明显地影响主参数。如果主、副过程的时间常数较接近，这时主副回路间的动态联系十分密切，当一个参数发生振荡时，会使另一个参数也发生振荡，这就是所谓的“共振”，它不利于生产的正常进行。串级控制系统主、副过程时间常数的匹配是一个比较复杂的问题。原则上，主副过程时间常数之比应是3到10范围内。在工程上，应根据具体过程的实际情况与控制要求来定。若设置串级控制系统主要是利用副回路能迅速克服主要扰动的话，则副回路的时间常数以小一点为好，只要将主要扰动包括在副回路中即可。

副回路设计应考虑工艺上的合理性：

串级控制系统的设计，应考虑满足生产工艺要求，并注意到系统的控制作用是先影响副参数，后影响主参数的这种串联对应关系，然后再考虑其它因素。

3、串级控制系统参数的选择 对控制参数的选择，一般可考虑：

1）、选择可控性良好的参数作为控制参数。

2）、所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的系数，并应保证大于主要

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扰动通道的放大系数，以实现对主要扰动进行有效控制并提高控制质量。

3）、所选控制参数应同时考虑经济性与工艺上的合理性。 （四）、主、副调节器控制规律的选择

在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控

制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控制规律的基本出发点。

主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无余差，因

此，主调节器应选PI或PID控制规律。副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就可以了。一般不引入积分控制规律。因为副参数允许有余差，而且副调节器的放大系数较大，控制作用强，余差小，若采用积分规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。一般也不引入微分控制规律，因为副回路本身起着快速作用，再引入微分规律会使调节阀动作过大，对控制不利。

（五）、主、副调节器正、反作用方式的选择：

为了满足生产工艺的要求，确保串级控制系统正常运行，主、副调节器正、反作用方式必须正确选择。在具体选择时，要考虑到调节阀是气开还是气关形式；然后根据生产工艺条件和调节阀形式确定副调节器的正反作用方式；最后再根据主、副参数的关系，决定主、副调节器的正、反作用方式。

在单回路控制系统设计中所述， 要使一个过程控制系统能正常工作，系统必

须为负反馈。对于串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则是使主、副回路都构成负反馈系统。

本串级控制系统是以上水箱为副对象，下水箱为主对象，被控制量为下水箱

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的液位，如图11-2所示。由上述分析，副调节器选纯比例控制，正作用，自动。主调节器选用比例积分PI控制，反作用，自动。

反复调试，使下水箱液位快速

稳定在给定值上，这时给定的电压值应与副反馈值相等。待液位稳定后，在上水箱上加一扰动，若参数比较理想，且扰动较小，经过副回路的及时控制校正，不会影响下水箱的液位。如果扰动比较大或参数并不理想，虽经过副回路的校正，还将影响液位，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使液位调回到给定

值处。当扰动加在下水箱上时，扰动使液位发生变化，主回路产生校正作用，克服扰动对液位的影响。由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对液位的影响较小。

?¨??Vg+_??????GK-06??? ?? ??±?ó??? ?? ??÷?ó??h?¨???e÷÷???÷?PID1GK-04+_±÷???÷?PID2GK-04? ?±? ?÷GK-07???±?÷?1???±?÷?2 图4-3、液位串级控制系统方框图

四、实验步骤

1）、按图4-2接成液位与液位的串级控制系统。

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