YL-370I 实验原理

亚龙YL-370I型DCS分布式 过程控制系统实验装置

实 训 指 导 书

亚龙科技集团有限公司

目 录

实训要求及安全操作规程 ...................................................................................................................... 1 第一章 实训装置及仪器仪表的认识和应用....................................................................................... 2 第一节 实训装置的组成 ..................................................................................................................... 2 第二节 扩散硅压力变送器的认识 ..................................................................................................... 4 第三节 热电阻及温度变送器的认识 ................................................................................................. 6 第四节 涡轮流量计的认识 ................................................................................................................. 7 第五节 电磁流量计的认识 ................................................................................................................. 9 第六节 电动调节阀特性测试实训 ................................................................................................... 10 第二章 对象特性测试实训 ................................................................................................................ 12 第一节 单容自衡水箱液位特性测试实训 ....................................................................................... 12 第二节 双容自衡水箱特性的测试 ................................................................................................... 15 第三章 控制系统实训 ........................................................................................................................ 18 第一节 单回路控制系统的概述 ..................................................................................................... 18 实验一 单容液位定值控制系统 ................................................................................................. 22 实验二 双（三）容水箱液位定值控制系统 ............................................................................. 25 实验三 锅炉内胆水温定值控制系统 ......................................................................................... 27 实验四 锅炉夹套水温定值控制系统 ......................................................................................... 29 实验五 单闭环流量定值控制系统 ............................................................................................. 30 实验六 管道压力定值控制系统 ................................................................................................. 32 第二节 串级控制系统概述 ............................................................................................................. 33 实验一 水箱液位串级控制实训 ................................................................................................. 35 实验二 水箱液位与流量串级控制实训 ..................................................................................... 37 实验三 单闭环流量比值控制系统 ............................................................................................. 39 实验四 双闭环流量比值控制系统 ............................................................................................. 42 第三节 前馈-反馈控制系统实训 ..................................................................................................... 43 实验一 下水箱液位前馈-反馈控制系统 ................................................................................... 43 第四节 滞后控制系统实训 ............................................................................................................. 47 实验一 盘管出水口温度滞后控制系统 ..................................................................................... 47

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实验二 盘管出水口流量纯滞后控制系统 ................................................................................. 49 附录Ⅰ DCS控制柜接线端子对应表 ................................................................................................. 50 附录II FCS/仪表控制柜接线端子对应表 ....................................................................................... 51 附录III 管道阀门对应表 ..................................................................................................................... 52

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实训要求及安全操作规程

一、实训前的准备

实训前应复习教科书有关章节，认真研读实训指导书，了解实训目的、项目、方法与步骤，明确实训过程中应注意的问题，并按实训项目准备记录等。

实训前应了解实训装置中的对象、水泵、变频器和所用控制组件的名称、作用及其所在位置, 以便于在实训中对它们进行操作和观察。熟悉实训装置面板图，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。

认真作好实训前的准备工作，对于培养学生独立工作能力，提高实训质量和保护实训设备都是很重要的。

二、实训过程的基本要求 1．明确实训任务； 2．提出实训方案； 3．画实训接线图；

4．进行实训操作，做好观测和记录； 5．整理实训数据，得出结论，撰写实训报告。

在进行本书中的综合实训时，上述要求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 ，要做好各主题实训，就应做到：实训前有准备；实训中有条理，实训后有分析。

三、实训安全操作规程

1．实训前后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，请先按照实训目的正确连接管道，检查阀门是否已正确的打开和关闭，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．在进行温度实训前，请先检查锅炉内胆内水位，至少保证水位超过锅炉3/5高度，以免造成实训失败。

5．实训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。 8．严格遵守实训室有关规定。

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第一章 实训装置及仪器仪表的认识和应用

第一节 实训装置的组成

本实训装置主要由网孔板、铝合金框架、不锈钢储水箱、2套供水系统、3只有机玻璃水箱、不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成、纯滞后盘管、电动调节阀、1只电磁流流量计、2只涡轮流量计、3个液位变送器、10个温度传感器、控制屏等组成，在做复杂实训时，两侧执行器也可共用。另外，所有挂在网孔板上的控制对象，测量仪表等部件均可灵活的拆装，满足实训的特殊要求。

一、被控对象

由不锈钢储水箱、有机玻璃水箱、单相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管、管道、阀门等组成。

1．水箱：包括有机玻璃液位水箱和储水箱。液位水箱采用透明白色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。有机玻璃水箱尺寸：直径×高=￠200×250（mm）。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=600m×500×400（mm），完全能满足有机玻璃水箱以及加热锅炉的实训供水需要。

2．模拟锅炉：是利用电加热管加热的微压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实训。做温度实训时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实训。

3．盘管：模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米（38圈），在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实训过程中可根据不同的实训需要选择不同的温度检测点。

4．板式换热器：工业板式换热器, 主要应用于液体-液体之间的换热，常称为水水换热，其换热效率在5000w/m2.K。为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。折流档板不仅可防止流体短路，增加流体速度,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。

5．管道及阀门：实训用管道采用软管连接，软管连接部分均采用快速软管接头，方便软管插拔，不同的实训需要连接不同的管路，完全开放，老师学生可以随意组合控制系统，培养学生创新能力，使设备更具研究价值。

二、检测装置

1．压力传感器、变送器：

3个压力变送器分别用来对3个液位水箱进行液位检测，1个压力变送器对管道压力进行检测，精度为0.25级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：4～20mADC。其中检测管道压力的压力变送器量程为0-200KPa，其余用于检测液位的三个变送器量程均为0-4KPa。

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2．温度传感器：装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，六个热电阻传感器分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）、上水箱的水温。Pt100测温范围：-50～+150℃。经过温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。

3．流量计：涡轮流量计，两端接有快速接头，用来连接软管测量流量。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。流量范围：0～1.2m/h；精度：1.0%；输出：4～20mADC。

一个电磁流量计，公称直径15mm，量程：0～3m3/h，精度：0.5级，输出信号：DC4～20mA电流输出，供电电源：AC220V，带有流量积算功能。

4．液位传感器：由三个电接触点组成，分别对低、中、高水位进行检测，配合液位控制器，可以对水位起到监视作用，本实训装置中共用了一个液位传感器，用来检测锅炉内胆水位。

5．温度变送器：本实训台两面各有2个温度变送器，将PT100的温度信号（电阻值）转换成标准电流信号方便二次仪表利用。

三、执行机构

1．电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：ZDYP-10P-DN15。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为4～20mADC，输出为4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。

2.水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为20CQ-12，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

3．电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。 4．单相电加热管：两根0.75KW型电加热管用来对锅炉内胆内的水进行加温。 5. 单相调压模块

单相调压模块安装在控制屏内部，它为单相交流220V输入，输出为单相交流220V平滑可调，控制信号为DC 4～20mA，利用智能调节仪的输出信号可控制调压模块的输出电压，从而使加热介质水最终稳定在某一数值，实现温度的自动控制。

四、实训控制柜

1. 电源控制面板：装有漏电保护空气开关，各种执行器控制开关。 电源部分: 为实训单元等提供电源。

备用部分：用于扩展，主要用于测量信号远传至其它控制系统。 接线端子：详见附录I控制屏接线端子对应表。

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第二节 扩散硅压力变送器的认识

一、扩散硅压力变送器的工作原理：

扩散硅式压力变送器的传感器部分是压阻式压力传感器，它是基于半导体的压阻效应，将单晶硅膜片和电阻条采用集成电路工艺结合在一起，构成硅压阻芯片，然后将芯片封接在传感器的外壳内，连接出电极引线而制成，如图1-1所示。

硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性，当硅片受压后，膜片的变形使扩散电阻的阻值发生变化。其相对电阻变化可表示为：

?R??e? R式中?e为压阻系数；?为应力。 图1-1 压阻式压力传感器结构示意图 硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。上图所示为一种压阻式压力传感器的结构示意图，硅平膜片在圆形硅杯的底部，硅杯的内外两侧输入被测压力及参考压力，本套装置的传感器参考压力为当地大气压力。压力差使膜片变形，膜片上的两对电阻阻值发生变化，使电桥输出相应压力变化的信号。为了补偿温度效应的影响，一般还可在膜片上沿对压力不敏感的晶向生成一个电阻，这个电阻只感受温度变化，可接入桥路作为温度补偿电阻，以提高测量精度。

压阻式压力传感器的灵敏度高，频率响应高；结构比较简单，可以小型化；可用于静态、动态压力测量；应用广泛，测量范围在0～0.0005MPa、0～0.002MPa至0～210MPa；其精度为

?0.2%～?0.02%，本套装置测量液位的扩散硅压力变送器的仪表量程为0～4KPa，测量管道

压力的压力变送器的量程为0～200KPa,精度均为0.25级。

二、扩散硅压力变送器的技术指标： 详见扩散硅压力变送器的使用说明书。 三、压力变送器的使用：

压力变送器为两线制传感器，供电电压为24V，输出4～20mA电流信号，在本实训装置中，以上小水箱液位变送器为例简述传感器接线方法如下：24V电源正接在传感器LT1的信号输出正端，传感器LT1的信号输出负端接至电源控制屏的I/O信号面板上面“上水箱液位”的红色弱电接线柱，黑色弱电接线柱接至24V电源负端，用智能调节仪采集信号时，正确的选择信号类型，正确的设置仪表参数。

四、压力变送器调校步骤：

以校验上水箱液位传感器为例介绍压力变送器的调校方法。

实训之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门HA201,HA203,HA204,HA205,HA206,HA110全

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开，其余阀门均关闭。

管路连接：将工频泵出水口和支路1进水口连接起来；将支路1出水口和上水箱进水口连接起来；将上水箱出水口和储水箱进水口连接起来。

1.打开DCS控制画面,选择控制电源操作,打开工频泵启动;磁力驱动泵上电给上水箱供水，将磁力泵开关打到中间停止位置，磁力泵停止供水，打开上水箱出水阀门F1-10，调整上小水箱液位。

2.将上水箱液位调整到0.5cm左右，进行零点校验。对液位水箱中液位读数时，要平视水位的凹液面，读出读数并作好记录，此参数作为压力变送器的零点校验值，将“扩散硅式液位变送器”左边旋盖打开，调节电路板中的零点电位器（标识为Z的电位器），最终使仪表显示数值等于读数值。

3.将上水箱液位调整到20cm左右，通过调整变送器的增益电位器（标识为S的电位器）进行满量程校验。

4.增益调节完成后，取液位水箱中间的几个点作观测，以确定液位是否线性，如相差较大，则以“先零点，后增益”的原则重复2-3步。

五、实训报告及要求：

① 画出本实训对象系统方框图。

② 根据多组实训测试数据，与压力变送器实测数据进行比较，计算并判断压力变送器的精度等级是否为标定的精度等级。

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第三节 热电阻及温度变送器的认识

一、热电阻：

铂热电阻使用范围为-200～850℃，零摄氏度时的阻值R0分为10Ω和100Ω两种，分度号分别为Pt10和Pt100,本套装置两支铂热电阻采用分度号均是PT100。铂热电阻的精度高，体积小，测温范围宽，稳定性好，再现性好。

其电阻与温度的关系为：

2当t?0℃时 R(t)=R0(1+At+Bt)

32当t?0℃时 R(t)=R0[1+At+Bt+Ct(t-100)]

式中：A?3.9083?10C，B??5.775?10C，C??4.183?10下表给出PT100热电阻的分度表：

表1-1

?3?1?7?2?12C?4

RT/℃ PT100 0 100.00 20 107.79 40 115.54 60 123.24 80 130.90 100 138.51 二、热电阻的使用方法：

该装置中，热电阻接线方法均为3线制接法，这样，尽量的避免了引线电阻对测量温度的影响。

三、温度变送器的认识：

温度变送器作用是将温度传感器传过来的电量或非电量信号转换成标准信号输出，本实训设备选用的是PT1100温度变送器，量程范围为0-100℃，DC24V两线制。也就是可以将温度传感器PT100送来的电阻信号转换成4-20mA标准信号，对应关系为4-20mA线性对应0-100℃。

四、温度变送器的使用方法：

该实训设备中温度变送器采用24V两线制接法，即将温度信号接入温度信号输入通道，将温度变送器的输出串接到取样电路中。具体用法如下：将PT100的A、B、C输出端对应接至温度变送器的E、S、C端，将24V+接至温度变送器的信号输出正端，将温度变送器的信号输出负端接至电流表的一端，电流表的另一端接至24V-，这样电流表的电流即为标准的4-20mA（线性对应0-100℃）温度信号。

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第四节 涡轮流量计的认识

一、 涡轮流量计的工作原理

涡轮流量计是利用安装在管道中可以自由转动的叶轮感受物体的速度变化，从而测定管道内的流体流量。

1. 涡轮流量计的构成和流量方程式 涡轮流量计壳体的结构如图所示： 流量计主要由壳体、导流器、支承、涡轮和磁电转换器组成，涡轮是测量元件，它由导磁系数较高的不锈钢材料制成，轴芯上装有数片呈螺旋形或直形的叶片，流体作用于叶片，使涡轮转动。壳体和前后导流件由非导磁的不锈钢材料制成，导流件对流体起导直作用。在导流件上装有滚动轴承或滑动轴承，用来支撑转动的涡轮。将涡轮转速转换为电信号的方法以磁电式转换法应用最广泛。磁电感应信号检出器包括磁电转换器和前置放大器，磁电转换器由线圈和磁钢组成，用于产生与叶片转速成比例的电信号，前置放大器放大微弱电信号，

使之便于远传。 图1-2 涡轮流量计结构图

流体通过涡轮流量计时推动涡轮转动，涡轮叶片

周期性地扫过磁钢，使磁路磁阻发生周期性地变化，线圈感应产生的交流电信号频率与涡轮转速成正比，即与流速成正比。涡轮流量计的流量方程式表示为：

qv?f?

式中qv为体积流量；f为信号脉冲频率；?为仪表常数。

仪表常数?与流量计的涡轮结构等因素有关。在流量较小时，?值随流量增加而增大，只有流量达到一定值后近似为常数。在流量计的使用范围内，?值应保持为常数，使流量与转速接近线性关系。

涡轮流量计的显示仪表是一个脉冲频率测量和计数的仪表，根据单位时间的脉冲数和一段时间的脉冲计数，分别显示瞬时流量和累积流量。

2. 涡轮流量计的特点和作用

涡轮流量计可以测量气体、液体流量，但要求被测介质洁净，并且不使用于粘度大的液体测量。它的测量精度较高，一般为0.5级，在小范围内误差可以??0.1%；由于仪表刻度为线性，范围宽可达（10～20）:1；输出频率信号便于远传及与计算机相连；仪表有较宽的工作温度范围（-200～400℃），可耐较高工作压力（<100MPa）。

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涡轮流量计一般应水平安装，并保证其前后有一定的直管段。为保证被测介质洁净，表前应装过滤装置。如果被测液体易气化或含有气体时，要在仪表前装消气器。

涡轮流量计缺点是制造困难，成本高。由于涡轮高速转动，轴承易磨损，降低了长期运行的稳定性，影响使用寿命。通常涡轮流量计主要用于测量精度要求高、流量变化快的场合，还用作标定其他流量的标准仪表。 二、 涡轮流量计的技术指标

详见涡轮流量计使用说明书。 三、 涡轮流量计的使用

本装置中，涡轮流量计同压力变送器一样，也为两线制4～20mA电流输出传感器，接线和使用方法参见第二节。

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第五节 电磁流量计的认识

一、电磁流量计的工作原理：

对于具有导电性的液体介质，可以用电磁流量计测量流量。电磁流量计基于电磁感应原理，导电流体在磁场中垂直于磁力线方向流过，在流通管道两测的电极上将产生感应电势，感应电势的大小与流体速度有关，通过测量此电势可求得流体流量。

1. 电磁流量计的流量方程式： 感应电势E与流速的关系由下式表示：

E?CBDv （1-1）

式中C为常数；B为磁感应强度；D为管道内经；v为流体平均速度。

当仪表结构参数确定之后，感应电势与流速v成对应关系，则流体体积流量可以求得。其流量方程式可写作：

qv??D2V??D4CBE?E （1-2） K式中K为仪表常数，对于固定的电磁流量计，K为定值。 2. 电磁流量计的组成：

电磁流量计的测量主体由磁路系统、测量导管、电极和调整转换装置等组成。由非导磁性的材料制成导管，测量电路嵌在管壁上，若导管为导电材料，其内壁和电极之间必须绝缘，通常在整个测量导管内壁装有绝缘衬里。导管外围的激磁线圈用来产生交变磁场。在导管内壁还装有磁轨，以便形成均匀磁势和具有较大磁通量。

电磁流量计转换部分的输出电流I0与平均流速成正比。 3. 电磁流量计的特点及应用：

电磁流量计的测量管道中无阻力件，压力损失极小；其流速测量范围宽，为0.5～10m/s；范围度可达10:1；流量计的口径可从几毫米到几米以上；流量计的精度0.5～1.5级；仪表反应快，流动状态对示值影响小，可以测量脉动流和两相流，如泥浆和纸浆的流量。电磁流量计测量导电流体的电导率一般要求??10?4S/cm，因此不能测量气体，蒸汽和电导率低的石油流量。 电磁流量计对直管段要求不高，前直管段长度为5D～10D。安装地点应尽量避免剧烈振动和交直流强磁场。在垂直安装时，流体要自下而上流过仪表，水平安装时两个电极要在同一平面上。要确保流体、外壳、管道间的良好接地和良好点接触。

电磁流量计的选择要根据被测流体情况确定合适的内衬和电极材料。其测量准确度受导管的内壁，特别是电极附近结垢的影响，应注意维护清洗。 二、 电磁流量计的技术指标：

详见电磁流量计使用说明书。 三、 电磁流量计的使用：

该设备中，电磁流量计采用四线制，即AC220V供电，输出4-20mA标准电流信号，使用时直接将取样电阻并接到电流信号输出端即可。

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第六节 电动调节阀特性测试实训

一、实训目的

1. 掌握实训步骤及数据的测试方法。

2. 通过实训测试数据分析电动调节阀的特性以及和理想特性曲线有什么区别。 二、实训设备

1．实训对象、系统控制柜; 三、实训原理

调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量和阀门相对开度之间的关系，即

Q?l??f?? Qmax?L?式中Q/Qmax为相对流量，即某一开度流量与全开流量之比；l/L为相对行程，即某一开度行程与全行程之比。

目前常用阀的理想流量特性分为：直线特性、对数（等百分比）特性、快开特性和抛物线特性四种曲线，如下图1-3所示：

实际应用中，理想特性曲线较难得到，因为当将调节阀实际接入管道时，其特性会受多种因素的影响，如连接管道阻力、前后压差、多管路融合与分支等，所以很难得到理想流量特性描述的四种曲线。

图1-3 调节阀的理想流量特性曲线

四、实训内容及步骤：

实训之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门HA-101、HA-102、HA103、HA-150和HA108-全开，其余阀门均关闭。

管路连接：将工频泵出水口和支路1进水口连接起来；将支路1出水口和涡轮流量计进水口

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连接起来；将涡轮流量计出水口和储水箱进水口连接起来。

在本实训中，可以选择涡轮流量计或电磁流量计的流量信号作为流量反馈信号，在实训工程中均可方便的选择。在用智能仪表工程做实训时，切换“被控量的时候”注意查看仪表的参数设置是否正确。具体实训内容与步骤按三种方案分别叙述，可根据实训需要选做或全做。

DCS控制

1.信号连线：电磁流量计信号端(19,20)接入DCS模拟量输入模块的(7,8)。

2.管路、阀门、接线检查无误后接通总电源开关，打开电源开关、DCS控制系统电源。 3.检查上位机控制程序,启动实验。

4.待实训界面中“调节阀流量”稳定后，点击实训界面中的“取点并连线”按钮，曲线即可取出本次电动调节阀的开度以及电动调节阀的相对流量点，以与下一个点连线；依次将电动调节阀的开度增加5个百分点，直到100%为止，观察并分析电动调节阀的特性曲线。

五、实训报告及要求：

① 画出本实训对象系统方框图；

② 根据实训测试数据，分析电动调节阀的特性；

③ 分析影响电动调节阀特性曲线有别于理想特性曲线的因素有哪些，并一一列举。

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第二章 对象特性测试实训

被控对象数学模型的建立通常采用下列二种方法。一种是分析法，即根据过程的机理，物料或能量平衡关系求得它的数学模型；另一种是用实训的方法确定。本装置采用实训方法通过被控对象对阶跃信号的响应来确定它的参数及数学模型。由于此法较简单，因而在过程控制中得到了广泛地应用。

第一节 单容自衡水箱液位特性测试实训

一、实训目的

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．根据实训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。 二、实训原理

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2-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门HA101、HA104和HA107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HA301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。

HA-107

HA-104

HA-301

HA-101

图2-1 单容自衡水箱特性测试系统

根据动态物料平衡关系有

Q1-Q2=A

将式(2-1)表示为增量形式

dh (2-1) dt 12

ΔQ1-ΔQ2=A

d?h (2-2) dt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，

dh＝0；当Q1 dt发生变化时，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。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F1-10的阻力R成反比，即

?Q2??h?h 或 R? (2-3) R?Q2式中：R——阀F1-10的阻力，称为液阻。

将式(2-2)、式(2-3)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

Wo(s)?H(s)RK?? (2-4) Q1(s)RCs?1Ts?1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）=

x0，x0=常数，则式(2-4)可改写为 sH(s)?对上式取拉氏反变换得

XXKX0K/T?0?K0?

s?1/Tsss?1/Th(t)=Kx0(1-e

-t/T

) (2-5)

当t—>∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有

K=

当t=T时，则有

h(T)=Kx0(1-e)=0.632Kx0=0.632h(∞) (2-7)

式（2-5）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2-2（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。

13

-1

h（?）?h（0）输出稳态值＝ (2-6)

阶跃输入x0

图2-2 单容水箱的阶跃响应曲线

如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图2-2（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：

Ke??sH(S)= (2-8)

1?Ts四、实训内容与步骤

本实训选择下水箱作为被测对象（也可选择上水箱或中水箱）。以下水箱为例叙述实训步骤如下：

实训之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门HA101、HA104、HA107、HA301全开，将下水箱出水阀门HA301开至适当开度（30%～80%），其余阀门均关闭。

管路连接：将工频泵出水口和支路1进水口连接起来；将支路1出水口和下水箱进水口连接起来；将下水箱出水口和储水箱进水口连接起来。

具体实训内容与步骤按三种方案分别叙述，可根据实训需要选做或全做。

图2-3 单容水箱液位阶跃响应曲线

DCS控制

1.信号连线：下水箱液位,信号端子排(7,8)连接至模拟量模块的输入端子(3,4)； 模拟量模块的输出端子(5,6)连接至主回路电动调节阀端子排(13,14)。

五、实训报告要求

1．画出“单容水箱液位特性测试”实训的结构框图。

2．根据实训得到的数据及曲线，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．做本实训时，为什么不能任意改变出水阀HA314开度的大小？

14

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．如果采用上水箱做实训，其响应曲线与下水箱的曲线有什么异同？并分析差异原因。

第二节 双容自衡水箱特性的测试

一、实训目的

1．掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；

2．根据由实训测得双容液位跃响应曲线，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。 二、实训设备（同前） 三、原理说明

HA-107

HA-301

HA-104

HA-302

HA-101

图2-4 双容水箱对象特性测试系统

由图2-4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)?k1kK (2-9) ?2?T1s?1T2s?1(T1s?1)(T2s?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。

本实训中被测量为中水箱的液位，当上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2-5所示。由图2-5可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图2-5 (a)）；而中水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图2-5 (b)），即中水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀HA314和HA315的开度大小密切相关。

15

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2-6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2-5 双容水箱液位的阶跃响应曲线

（a） 上水箱液位 （b）中水箱液位

图2-6 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(?)输入稳态值? (2-10) xO阶跃输入量t1?t2 (2-11) 2.16T1?T2? T1T2t1?(1.74?0.55) (2-12) 2 (T1?T2)t2 0.32〈t1/t2〈0.46

由上述两式中解出T1和T2，于是得到如式（2-9）所示的传递函数。

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)?Ke?τs (2-13)

(T1S?1)(T2S?1)

16

实验一 单容液位定值控制系统

一、实训目的

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。 二、实训设备（同前） 三、实训原理

HA-107

HA-301

HA-104

HA-302

HA-101

图3-6 上水箱单容液位定值控制系统

本实训系统结构图和方框图如图3-6所示。被控量为上水箱（也可采用中水箱或下水箱）的液位高度，实训要求上水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到的上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。

四、实训内容与步骤

本实训选择上水箱作为被测对象（也可选择中水箱或下水箱）。以上水箱为例叙述实训步骤如下：

实训之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门HA101、HA104、HA107全开，将上水箱出水阀门HA301开至适当开度（30%～80%），其余阀门均关闭。

管路连接：将工频泵出水口和支路1进水口连接起来；将支路1出水口和上小水箱进水口连接起来；将上水箱出水口和储水箱进水口连接起来。

22

(一) 、DCS控制

1.信号连线：上水箱液位接线端子排(1,2),连接至模拟量输入模块接线揣子排(1,2)。 2.管路、阀门、接线检查无误后接通总电源开关，打开电源开关。

3.打开组态软件，选择实验,启动实验,然后设置参数。磁力驱动泵上电打水，适当增加或减小参数值，使水箱液位平衡在设定值。

4.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。

5.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）控制器参数的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面两种仅供参考）。

（2）将电动调节阀的旁路HA104（同电磁阀）开至适当开度，将电磁阀“打开”。 （3）适当改变上小水箱出水阀HA314开度（改变负载）。

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，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面两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3-7所示。

图3-7 单容水箱液位的阶跃响应曲线

6.分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤5，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。

7.分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤5，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。

五、实训报告要求

1．画出单容水箱液位定值控制实训的结构框图。 2．用实训方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。

3．根据实训数据和曲线，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训系统的作用。 6．综合分析三种控制方案的实训效果。 六、思考题

23

1．如果采用中水箱或下水箱做实训，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

实验二 双（三）容水箱液位定值控制系统

一、实训目的

1．通过实训进一步了解双（三）容水箱液位的特性。

2．掌握双（三）容水箱液位控制系统调节器参数的整定与投运方法。 3．研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。

4．研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。 5．掌握双（三）容液位定值控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实训设备（同前） 三、实训原理

本实训以上水箱与中水箱串联（也可选择中水箱与下水箱串联）作为被控对象，中水箱的液位为系统的被控制量。要求中水箱液位测量值稳定至给定值，将压力传感器LT3检测到的下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，以达到控制下水箱液位的目的。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。调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。

三容水箱实验与双容实验不同的是以上、中与下水箱串联作为被控对象，下水箱液位作为系统的被控量，阀门开度与后者也不相同，关键在于泵出来的水先流入上水箱，然后经过阀门HA314，流入中水箱，再通过阀门HA315流入下水箱。

四、实训内容与步骤

本实训选择上水箱和中箱串联作为被测对象（也可选择中水箱和下水箱）。以上水箱和中水箱串联为例叙述实训步骤如下：

实训之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门HA101、HA104、HA107全开，将上水箱出水阀门HA301、中水箱出水阀门HA302开至适当开度（要求HA301开度稍大于HA302的开度），其余阀门均关闭。

管路连接：将工频泵出水口和支路1进水口连接起来；将支路1出水口和上水箱进水口连接起来；将下水箱出水口和储水箱进水口连接起来。

DCS控制

1.信号连线：上水箱液位(端子排1,2)、连接至模拟量输入模块接线揣子排(1,2) 。 2.打开DCS操作员站画面,启动实验。 五、实训报告要求

1．画出双（三）容水箱液位定值控制实训的结构框图。 2．用实训方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。

3．根据实训数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。 4．比较不同PI参数对系统的性能产生的影响。

5．分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实训系统的作用。 6．综合分析三种控制方案的实训效果。

25

六、思考题

1．如果采用中水箱与下水箱串联做实训，其响应曲线与本实训的曲线有什么异同？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？

3．为什么本实训比“单容液位定值控制系统”更容易引起振荡？要达到同样的动态性能指标，在本实训中调节器的比例度和积分时间常数要怎么设置？

4.双容水箱液位定值实验和三容水箱液位定值实验有何不同，控制效果有何差异。

26

实验三 锅炉内胆水温定值控制系统

一、实训目的

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．了解PID参数自整定的方法及其参数整定在整个系统中的重要性。 4．分析锅炉内胆动态水温与静态水温在控制效果上有何不同之处？ 二、实训设备（同前） 三、实训原理

本实训以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。本实训要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻检测到的锅炉内胆温度信号TT1作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制单相调压模块的输出电压（即单相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。在锅炉内胆水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于加热过程容量时延较大，所以其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。本实训系统结构图和方框图如图3-8所示。

HA-205

HA-203

HA-106

HA-103

调压模块

锅炉温度

温度

HA-201 HA-101

温度变送器

图3-8 锅炉内胆温度特性测试系统

可以采用两种方案对锅炉内胆的水温进行控制： （一） 锅炉夹套不加冷却水（静态） （二） 锅炉夹套加冷却水（动态）

显然，两种方案的控制效果是不一样的，后者比前者的升温过程稍慢，降温过程稍快，过渡过程时间稍短。

四、实训内容与步骤

实训之前先将将锅炉内胆打一定水量，具体方法是将工频泵出水口与支路1进水口连接起来，将支路1出水口和锅炉内胆进水口连接起来，打开阀门HA101、HA104、HA106，将电磁阀开关打到手动位置打开电磁阀，其余阀门关闭，给磁力泵上电打水，待锅炉内胆水量足够时，关闭磁力泵，电磁阀，准备做实训。

管路连接：将工频泵出水口和支路1进水口连接起来；将支路1出水口和锅炉夹套进水口连接起来；打开阀门HA201、HA203、HA205，关闭其他阀门。

27

DCS控制

1.信号连线：锅炉内胆温度信号(端子排32,33),连接接模拟量输入模块端子(9,10)。 2.管路、阀门、接线检查无误后接通总电源开关，打开24V电源开关、电动调节阀开关、温控模块开关、运行磁力泵。

3.启动操作员站,并打开实验,并设置参数。

4.待温度稳定在给定值后，适当调整PID参数，给系统加干扰（改变设定值或改变调节阀开度），观察控制效果。

5.重复步骤4，观察在不同的PID参数值下，系统控制效果并做分析。 五、实训报告要求

1．画出锅炉内胆水温定值控制实训的结构框图。 2．用实训方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。

3．根据实训数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。 4．比较不同PID参数对系统性能产生的影响。

5．分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实训系统的作用。 6．综合分析三种控制方案的实训效果。 六、思考题

1．在温度控制系统中，为什么用PD和PID控制，系统的性能并不比用PI控制时有明显地改善？

2．为什么内胆动态水的温度控制比静态水时的温度控制更容易稳定，动态性能更好？

28

实验四 锅炉夹套水温定值控制系统

一、实训目的

1．了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。

2．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。 3．研究调节器相关参数的改变对温度控制系统动态性能的影响。 4．分析比较锅炉夹套水温控制与锅炉内胆动态水温控制的控制效果。 二、实训设备（同前） 三、实训原理

本实训以锅炉夹套作为被控对象，夹套的水温为系统的被控制量。本实训要求锅炉夹套的水温稳定至给定值，将铂电阻检测到的锅炉夹套温度信号TT2作为反馈信号，与给定量比较后的差值通过调节器控制单相调压模块的输出电压（即单相电加热管的端电压），以达到控制锅炉夹套水温的目的。在锅炉夹套水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于锅炉夹套的温度升降是通过锅炉内胆的热传导来实现的，所以夹套温度的加热过程容量时延非常大，其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。实训中用工频泵以固定的小流量给锅炉内胆供循环水，以加快冷却。

四、实训内容与步骤

实训之前先将将锅炉内胆和夹套打满水，具体方法是将工频泵出水口与支路1进水口连接起来，将支路1出水口分别与锅炉内胆进水口、锅炉夹套进水口连接起来，打开阀门HA201、HA203、HA205 、HA206、HA304，将电磁阀开关打到手动位置打开电磁阀，其余阀门关闭，给磁力泵上电打水，待锅炉内胆和夹套均打满水时，关闭磁力泵，电磁阀，准备做实训。

管路连接：将工频泵出水口和支路1进水口连接起来；将支路1出水口和锅炉内胆进水口连接起来；打开阀门HA201、HA203、HA205，关闭其他阀门。

具体实训内容与步骤可根据本实训的目的与原理参照前一节锅炉内胆水温定值控制中相应方案进行，实训的接线除了将温度传感器信号TT1变换为TT2以及取消了TT6的信号外，其他连线同内胆水温（动态）实训。

五、实训报告要求

1．画出锅炉夹套水温定值控制实训的结构框图。 2．用实训方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。 3．比较不同PI参数对系统性能产生的影响。

5．分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实训系统的作用。 六、思考题

1．在夹套温度控制系统中，为什么用PD和PID控制，系统的性能并不比用PI控制时有明显地改善？

2．为什么锅炉夹套温度极难控制，可以采取什么样的算法控制效果会更好？

29

实验五 单闭环流量定值控制系统

一、实训目的

1．了解单闭环流量控制系统的结构组成与原理。 2．掌握单闭环流量控制系统调节器参数的整定方法。

4．研究P、PI、PD和PID四种控制分别对流量系统的控制作用。 5．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实训设备（同第二章第一节单容水箱特性测试原理相同） 三、实训原理

图3-9 单闭环流量定值控制系统方框图

本实训系统方框图如图3-9所示。被控量为管道流量，实训要求管道流量稳定至给定值。将涡轮流量计FT1（也可选择电磁流量计）检测到的流量信号作为反馈信号，并与给定量比较，其差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制管道流量的目的。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控制，并且在实训中PI参数设置要比较大。

四、实训内容与步骤

本实训选择管道流量作为被测对象，选择涡轮流量计FT1作为反馈信号（也可选择电磁流量计）。以电磁流量计为例叙述实训步骤如下：

实训之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门HA101、HA104、HA107全开其余阀门均关闭。 管路连接：将工频泵出水口和支路1进水口连接起来；将支路1出水口和与储水箱水箱进水口连接起来。

DCS控制

1.信号连线：主管道流量信号(端子排19,20)连接至模拟量输入模拟端子7,8。 2.打开实验软件,选择对应的实验程序,启动实验。

3.同前面单回路过程控制实训一样，整定分析流量控制系统PID参数。

五、实训报告要求

1．画出单闭环流量定值控制实训的结构框图。 2．用实训方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。

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4．比较不同PI参数对系统的性能产生的影响。

5．分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实训系统的作用。 六、思考题

1．改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？ 2．在本实训中为什么采用PI控制规律，而不用纯P控制规律？

31

实验六 管道压力定值控制系统

一、实训目的

1．了解单闭环压力控制系统的结构组成与原理。 2．掌握单闭环压力控制系统调节器参数的整定方法。

4．研究P、PI、PD和PID四种控制分别对压力系统的控制作用。 5．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实训设备（同第二章第一节单容水箱特性测试） 三、实训原理

本实训被控量为管道压力，实训要求管道压力稳定至给定值。将扩散硅压力计检测到的压力信号PT作为反馈信号，并与给定量比较，其差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制管道压力的目的。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控制，并且在实训中PI参数设置要比较大（由于算法关系，智能调节仪参数设置值和其他控制方案参数设置值相差较大）。

四、实训内容与步骤

本实训选择管道压力作为被测对象，叙述实训步骤如下：

实训之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门HA101、HA104全开，将上水箱进水阀门HA107开至适当开度（也可选择其他水箱进水阀门，该阀门开度直接影响到可以控制的管道的最高压力），其余阀门均关闭。

管路连接：将工频泵出水口和支路1进水口连接起来；将支路1出水口和上大水箱进水口（依据所选择的控制管道最高压力的阀门而定）连接起来。

具体实训内容与步骤可根据本实训的目的与原理参照前一节单闭环流量定值控制中相应方案进行，实训的接线除了将反馈信号改变外，其他连线同单闭环流量定值控制实训。

五、实训报告要求

1．画出单闭环压力定值控制实训的结构框图。 2．用实训方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。 4．比较不同PI参数对系统的性能产生的影响。

5．分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实训系统的作用。 六、思考题

1．改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？ 2．在本实训中为什么采用PI控制规律，而不用纯P控制规律？

32

第二节 串级控制系统概述

一、串级控制系统的概述

图3-10是串级控制系统的方框图。该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。

图3-10 串级控制系统方框图

R-主参数的给定值； C1-被控的主参数； C2-副参数； f1(t)-作用在主对象上的扰动； f2(t)-作用在副对象上的扰动。 二、串级控制系统的特点

串级控制系统及其副回路对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。

1．改善了过程的动态特性；

2．能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力； 3．提高了系统的鲁棒性； 4．具有一定的自适应能力。 三、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，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用PI或PID调节器。由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器。

四、主、副调节器正、反作用方式的选择

正如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，系统必须采用负反馈。对于串级控制系统来说，主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。

各环节的放大系数极性是这样规定的：当测量值增加，调节器的输出也增加，则调节器的放大系数Kc为负（即正作用调节器），反之，Kc为正（即反作用调节器）；本装置所用电动调节阀的放大系数Kv恒为正；当过程的输入增大时，即调节器开大，其输出也增大，则过程的放大系数K0为正，反之K0为负。

33

五、串级控制系统的整定方法

在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种： （一） 逐步逼近法

所谓逐步逼近法，就是在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，然后将副调节器的参数设置在所求的数值上，使主回路闭合，按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。而后，将主调节器参数设在所求得的数值上，再进行整定，求取第二次副调节器的整定参数值，然后再整定主调节器。依此类推，逐步逼近，直至满足质量指标要求为止。

（二）两步整定法

两步整定法就是第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。 整定的具体步骤为：

1．在工况稳定，主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器的比例度置于100%，然后用单回路控制系统的衰减（如4：1）曲线法来整定副回路。记下相应的比例度δ

2S

和振荡周期T2S。

2．将副调节器的比例度置于所求得的δ

2S

值上，且把副回路作为主回路中的一个环节，用和振荡周期T1S。

同样方法整定主回路，求取主回路的比例度δ

1S

3．根据求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度δ、积分时间TI和微分时间Td的数值。

4．按“先副后主”，“先比例后积分最后微分”的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到过程的动态品质达到满意为止。

（三）一步整定法

由于两步整定法要寻求两个4：1的衰减过程，这是一件很花时间的事。因而对两步整定法做了简化，提出了一步整定法。所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。

具体的整定步骤为：

1．在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/δ2＝0.5这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。

2．按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。

3. 改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K1 和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质指标最佳。

4．如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度δ或增大积分时间常数TI，即可得到改善。

34

实验一 水箱液位串级控制实训

一、实训目的

1．通过实训了解水箱液位串级控制系统组成原理。

2．掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。 3．了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。 4．掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实训设备（同前） 三、实训原理

本实训为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主控制量。副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，中水箱的液位为系统的副控制量。主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。副调节器的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制下水箱液位的目的。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，系统的主调节器应为PI或PID控制。由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P调节器。

四、实训内容与步骤

本实训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）。以中水箱和下水箱串联为例叙述实训步骤如下：

实训之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门HA101、HA104、HA107全开，将上水箱出水阀门HA301、中水箱出水阀门HA302开至适当开度（要求HA301开度稍大于HA302的开度），其余阀门均关闭。

管路连接：将工频泵出水口和支路1进水口连接起来；将支路1出水口和中水箱进水口连接起来；将下水箱出水口和储水箱进水口连接起来。

DCS控制

1.信号连线：中水箱液位LT2端子排(1,2)与DCS FM148A模拟量输入端子(1,2)相连；下水箱液位LT3端子排(7,8)与DCSFM148A模拟量输入端子(3,4)相连; DCS模拟量输出端子(1,2)与变频器端子(4,5)相连接。

2.管路、阀门、接线检查无误后接通总电源开关，打开24V电源开关、电动调节阀开关、单相I开关。

3.打开上位机软件，启动工程，然后进入运行环境。 4.检查参数设置。

5.运行磁力泵，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少主输出量，使下水箱的液位平衡于设定值，且中水箱液位也稳定于某一值（此值一般为3～5cm，以免超调过大，水箱断流或溢流）。

6.按本章第一节中任一种整定方法整定调节器参数，并按整定得到的参数进行调节器设定。 7.待液位稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待液位平衡后，施加干扰。

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8.待液位再次平衡后，据实训曲线，合理整定PID参数，然后重复步骤7，分析不同PID参数的控制效果。

五、实训报告要求

1．画出水箱液位串级控制系统的结构框图。

2．用实训方法确定调节器的相关参数，并写出整定过程。

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、副调节器采用不同PID参数时对系统性能产生的影响。 6．综合分析三种控制方案的实训效果。 六、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？

3．串级控制系统投运前需要作好那些准备工作？主、副调节器的正反作用方向如何确定？ 4．为什么本实训中的副调节器为比例（P）调节器？

5．改变副调节器的比例度，对串级控制系统的动态和抗扰动性能有何影响。

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