实验指导说明

实验一单容水箱特性测试实验

一、实验目的

1.熟悉单容水箱的数学模型，掌握单容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法； 2..根据实验测得的液位阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T、?及传递函数。

二、实验设备及参考资料

1、PCS过程控制实验装置（使用其中：电动调节阀、AI818智能调节仪一台、上水箱及液位变送器、水泵1系统等）

2、AI-818仪表的操作说明书，智能电动调节阀使用手册和液位变送器的调试（一般出厂之前已调试好）方法。

三、实验原理

阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状态下，待工况稳定后，通过控制器手动操作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。然后根据跟定对象模型的形式，对实验数据进行合理的处理，确定模型中的相关参数。

具有自衡能力的单容水箱示意图如图2.1所示。

V1Q1?hhV2Q2

图2.1 具有自衡能力的单容水箱示意图

根据物料平衡方程，可得出单容液位过程的传递函数为

H(s)K?（2.1） Q1(s)Ts?1考虑到对象的滞后时间，则单容液位过程的传递函数可用式（2.2）表示

H(s)K?e??s（2.2） Q1(s)Ts?1通过实验的方法，可以测得一阶系统的阶跃响应模型。 实验方法如下：

u(t)u1u0th(t)y?py0?T0T1TtT2T3

图2.2 具有纯滞后的一阶惯性对象的S型阶跃响应曲线

1．手动改变控制器的输出信号u(k)，观察被控变量h(k)的变化过程。 2．由阶跃响应曲线计算被测对象的特征参数 对象的近似模型：

h(s)K?e??s（2.3） u(s)Ts?1由图2.2可得，稳态增益K为：

K?y??y0（2.4）

u1?u0纯滞后时间?与时间常数T分别为：

??T1?T0（2.5）

T?T2?T1（2.6） 四、实验内容与步骤

1．了解实验装置中的对象，流程图如图2.3所示。

1V1 HT 上水箱1 V4 电动阀 计算机 下水箱 V6 增压泵 1V10 储水箱

图2.3 上水箱单容特性测试实验流程图

2．按图2.4接好实验导线和通讯线。

图2.4 上水箱单容特性测试实验接线图

3．将控制台背面的通讯口与上位机连接。

4、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开仪表电源。

5长按2秒第一个按键，进入编辑状态，然后设置参数

CtrL=1; Run=0;

6．设置阀门开度值，使上水箱液位处于某一平衡位置，记下此时的阀门开度值和电流值。

7．增大阀门开度值，使系统输入幅值适宜的阶跃信号（阶跃信号不要太大，估计上水箱水不要溢出），这时系统输出也有一个变化的信号，使系统在较高液位也能达到平衡状态。记下此时的电流值。

8．观察水箱的液位高度，并且记录液位的高度和对应的时间，直至达到新的平衡为止。

9．将阀门开度设置回原来的值，记录一条液位下降的曲线。

10．曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表中。

五、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。 六、思考题

1. 做本实验时，为什么不能任意改变出水阀V4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？

七、水箱液位高度和对应时间表

高度 时间 P I D 高度 时间 P I D

实验二 电动阀支路单容液位控制

一、实验目的

1、了解简单过程控制系统的构成及仪表的应用（熟悉仪表的操作） 2、掌握简单过程控制的原理及仪表使用

二、 实验设备及参考资料

1、PCS过程控制实验装置（使用其中：电动调节阀、AI818智能调节仪一台、上水箱及液位变送器、水泵1系统等）

2、AI-818仪表的操作说明书，智能电动调节阀使用手册和液位变送器的调试（一般出厂之前已调试好）方法。

三、 实验系统流程图：

四、 实验原理

本实验采用仪表控制,将液位控制在设定高度。根据上水箱液位信号输出给仪表,仪表根据P、I、D参数进行PID运算，输出信号给电动调节阀，然后由电动调节阀控制水泵1供水系统的进水流量，从而达到控制液位恒定的目的。电动阀支路单容液位控制的方块原理图如下：

五、实验步骤

1、按附图电动阀支路单容液位控制实验接线示意图接好实验导线和通讯线。

2、将控制台（柜）背面的通讯口与上位机连接。

3、将手动阀门1V1、V4打开，将手动阀门1V3、1V6、1V7、LV关闭。 （B型：将手动阀门1V1、V4打开，将手动阀门1V3、1V7关闭。）

4、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开仪表电源。 5、整定参数值的计算

整定参数值可按下列“阶跃反应曲线整定参数表”。

阶跃反应曲线整定参数表 控制规则 P PI PID 控制器参数 δ δs 1.2δs 0.8δs TI 0.5Ts 0.3Ts TD 0.1Ts 6、长按2秒第一个按键，进入编辑状态，然后设置参数 设置智能调节器参数，其需要设置的参数如下：（未列出者用出厂默认值）

SV=20 （参考值） Addr=1 Dl=1 Run=1 CtrL=1

P=15 （参考值） I=50 （参考值）d=0 （参考值） Sn=33dIL=0dIH=50 CF=0

具体请详细阅读调节器使用手册

7、待液位稳定于给定值后，通过以下方式加干扰：突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化。 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，经过一段调节时间后，

水箱液位稳定至新的设定值，记录此时的液位设定值。

8．观察水箱的液位高度，并且记录液位的高度和对应的时间，直至达到新的平衡为止。 9．将阀门开度设置回原来的值，记录一条液位下降的曲线。

10．曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表中。 15、曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表中。 阶跃响应曲线数据处理记录表 参数值 测量情况 阶跃1 阶跃2 平均值 液位1 K1 T1 τ1 液位2 K2 T2 τ2 按常规内容编写实验报告，并根据K、T、τ平均值写出广义的传递函数。 六、 思考建议

根据经验设定PID控制与仪表自整定PID有什么区别。 七、水箱液位高度和对应时间表

高度 时间 P I D 高度 时间 P I D

实验三 串级控制实验

一、实验目的

1．熟悉串级控制系统的结构与特点。 2．掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。

3．了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主变量的影响。 二、实验设备

1．PCS-C型过程控制综合实验装置(DDC控制单元、信号及控制板)。2．计算机及MCGS组态软件(PCS-C-DDC.MCG)。3．实验专用线若干及九芯通讯线两根。 三、实验原理

本实验采用计算机控制,将下水箱液位控制在设定高度。串级回路是由内反馈组成的双环控制系统，属于复杂控制范畴。在计算机中设置了两个虚拟控制器作为主副控制器。将上水箱的液位信号输出作为主控制器输入，主控制器的输出作为副控制器的输入，在串级控制系统中，两个控制器任务不同，因此要选择控制器的不同调节规律进行控制，副控制器主要任务是快速动作，迅速抵制进入副回路的扰动，至于副回路的调节不要求一定是无静差。主控制器的任务是准确保持下水箱液位在设定值，因此，主控制器采用PI控制器也可考虑采用PID控制器。

上下水箱液位串级控制系统的方块原理图如图4.2所示。

图4.1 液位串级控制系统块原理图

串级控制系统的参数整定参考本章概述部分内容。 四、实验步骤与内容

1．了解实验装置中的对象，流程图如图4.2所示。

1V1 上水箱1 V4 HT 下水箱 HT 电动阀 计算机 V6 增压泵 1V10 储水箱

图4.2 上下水箱液位串级控制系统流程图

2．按图4.3接好实验导线和通讯线。

图4.3上下水箱双容串级控制实验接线图（高联实验台）

上下水箱双容串级控制实验接线图（云创实验台）

3．将控制台背面的通讯口与上位机连接。4．将手动阀门1V1、V4、V6打开，将手动阀门1V6、1V7、LV关闭。5．先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开直流电压和DDC控制单元电源。6．打开计算机上的 MCGS运行环境，选择“系统管理”下拉菜单中的“用户登录”，出现如下界面。

图4.4 用户登录界面

7．点击“确认”，用户登录完毕。选择“串级控制实验”下拉菜单中的“上下水箱双容控制实验”。出现如下的“上下水箱双容串级控制实验”界面。

图4.5上下水箱双容串级控制实验界面

8．点击“参数设置”，出现如下界面。

图4.6 参数设置界面

9．将AI0、AI1都设置为0–50。点击退出，参数设置完毕。

10．按本章第一节中的整定法，选择控制规律，并按整定后的PID参数进行调节器参数设置。

Ts=1 （参考值） SV=20 （参考值） Kc1=5 （参考值） Ti1=100 （参

考值）

Td1=0 （参考值） Kc2=1.5 （参考值）Ti2=100 （参考值） Td2=0 （参考值）

11.选择计算机控制方式。12．在信号板上打开电动调节阀输入信号、上水箱1输出信号、下水箱输出信号。13．在控制板上打开水泵1、电动调节阀。14．观察计算机上的实时曲线和历史曲线。15．待系统稳定后，给定加个阶跃信号，观察其液位变化曲线。16．再等系统稳定后，给系统加个干扰信号，观察液位变化曲线。

五、实验建议

调节器的PID参数可以反复凑试，逐步逼近达到最佳的整定，实际中，采用串级调节系统是为了提高主被调量（下水箱）精度和改善动态特性而设置的，因此对副调回路的质量指标没有要求。而对主回路的质量指标要求高。牺牲副回路的质量，保证主回路的调节质量。所以副调节器比例作用强一些，取消积分作用，主调节器设置P、I、D参数即可。 六、实验报告要求

1．写出常规实验报告，画出液位串级控制系统的结构框图。 2．用实验方法整定控制器的相关参数，写出整定过程。

3．根据扰动分别作用于主、副对象时系统输出的响应曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。

4．分析主、副控制器采用不同PID参数时对本实验系统性能的影响。 七、思考题

1．试述串级控制系统为什么对主扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力？如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时，二次扰动对主控制量的影响是否仍很小，为什么？

2．当一次扰动作用于主对象时，试问由于副回路的存在，系统的动态性能比单回路系统的动态性能有何改进？

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