过程控制及仪表实验指导书 - 图文

《过程控制及仪表》

实验指导书

过程装备与控制工程教研室

2012年9月修订

目录

目录 .......................................................................................................................................................... I 第一部分 实验装置说明 ...................................................................................................................... 1

第一节 THJ-3型过程控制对象及THSA-1型过控自动化控制实验平台 .................................. 1 第二节 第三节

AE2000A型过程控制系统实验平台 ............................................................................ 3 CS4100型过程控制系统实验平台 .............................................................................. 5

第四节 软件介绍- MCGS组态软件 .............................................................................................. 8 第五节 实验要求及安全操作规程 ............................................................................................... 8 第二部分 实验内容 ............................................................................................................................ 10

实验一 单容自衡水箱对象特性测试实验 ................................................................................... 10 实验二 压力变送器的使用 ........................................................................................................... 14 实验三 温度变送器的使用 ........................................................................................................... 18 实验四 智能控制仪表的调试 ....................................................................................................... 21 实验五 电动调节阀的使用 ........................................................................................................... 27 实验六 锅炉内胆水温位式控制系统 ........................................................................................... 31 实验七 单容液位定值控制系统 ................................................................................................... 35 实验八 水箱液位串级控制系统 ................................................................................................... 42

I

第一部分 实验装置说明

第一节 THJ-3型过程控制对象及THSA-1型过控自动化控制实验平台

一、THJ-3型过程控制对象总貌图如下图所示：

1

二、THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台

1、SA-11交流变频控制挂件

采用日本三菱公司的FR-S520SE-0.4K-CHR)型变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。有关变频器的使用请参考变频器使用手册中相关的内容。 变频器常用参数设置：

P1=50(上限频率)；P2=0(下限频率)；P79=4(运行模式，外部/PU组合运行模式2)；P128=0(0，PID控制无效)；P182=4(端子4输入选择)；P267=0(端子4输入4-20mA)。 2、三相移相SCR调压装置

采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。 3、AI智能调节仪表挂件

采用上海万迅仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，其中SA-12智能调节仪控制挂件为AI-818型，SA-13智能位式调节仪为AI-708型。AI-818型仪表为PID控制型，输出为4～20mADC信号；而AI-708型仪表为位式控制型，输出为继电器触点型开关量信号。AI系列仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。

AI仪表常用参数设置：

CtrL：控制方式。CtrL＝0，采用位式控制；CtrL＝1，采用AI人工智能调节/PID调节；CtrL＝2，启动自整定参数功能；CtrL＝3，自整定结束。

Sn：输入规格。Sn＝21，Pt100热电阻输入；Sn＝32，0.2～1VDC电压输入；Sn＝33，1～5VDC电压输入。

DIL：输入下限显示值，一般DIL＝0；热电阻输入不用设置此项。 DIH：输入上限显示值。输入为液位信号时，DIH＝20.0；输入为流量信号时，DIH＝20.0；热电阻输入不用设置此项。

OP1：输出方式，一般OP1＝4为4～20mA线性电流输出。 CF：系统功能选择。CF＝0为内部给定，反作用调节；CF＝1为内部给定，正作用调节；CF＝8为外部给定，反作用调节；CF＝9为外部给定，正作用节。

Addr：通讯地址。单回路实验Addr＝1；串级实验主控为Addr＝1，副控为Addr＝2；三闭环实验主控为Addr＝1，副控为Addr＝2，内环为Addr＝3。实验中各仪表通讯地址不允许相同。

P、I、D参数可根据实验需要调整，其他参数请参考默认设置。 有关AI系列仪表的使用请参考说明书上相关的内容。

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第二节 AE2000A型过程控制系统实验平台

一、AE2000A型实验对象组成结构

过程控制实验对象系统包含有：不锈钢储水箱（长×宽×高：85×45×40cm）、强制对流换热管系统、串接圆筒有机玻璃上水箱、中水箱、下水箱、单相2.5KW电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套组成）。系统动力支路分两路组成：一路由单相增压泵、电动调节阀、电磁流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成；另一路由增压泵、变频调速器、小流量涡轮流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。如下图所示：

对象系统结构图中检测变送和执行元件包括：液位传感器、温度传感器、涡轮流量计、压力表、电动调节阀等。

AE2000A实验对象检测及执行装置包括：

检测装置：扩散硅压力液位传感器、涡轮流量传感器、Pt100热电阻温度传感器。 执行装置：单相可控硅移相调压装置、电动调节阀、变频器。 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输出放大器放大，最后经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4～20mA标准电流输出信号。

接线如图所示：

接线说明：传感器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（+），中继箱内负（—）接负载电阻，负载电阻接24V-，输出4～20mA电流信号，通过负载电阻转换成电压信号，两线制接法。在负

载电阻250/50Ω两端取信号电压，当负载电阻接250Ω时信号电压为1～5V，当负载电阻切换成50Ω时信号电压为0.2～1V。

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零点和量程调整：

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

2、温度传感器 Pt100热电阻 工作原理：

接线说明：连接两端元件热电阻采用的是三线制接法。采用三线制接法是为了减少测量误差。因为在多数测量中，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，为了消除连接导线阻值的变化而产生的测量误差，就采用了三线制接法。即在两端元件的两端分别引出两条导线，这两条导线（材料相同、长度、粗细相等）又分别加在电桥相邻的两个桥臂上，经过温度变送器变送出4～20mA信号。如图所示：

3、流量计

1）、涡轮流量计：输出信号：4～20mA，测量范围：0～1.2m3/h。接线如图所示： 接线说明：传感器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12V+接中继箱内正（+），中继箱内负（—）接24V-，中继箱内负（—）作为涡轮流量计输出信号负端，中继箱内A为输出信号+（正）。负载电阻则把电流信号转换成电压信号。

2）、电磁流量计 4、压力表

安装位置：单相泵之后，电动调节阀之前。 测量范围：0～0.25MPa 5、电动调节阀 主要技术参数： 执行机构

型式：智能型直行程执行机构

输入信号：0～10mA/4～20mADC/0～5VDC/1～5VDC 输入阻抗：250Ω/500Ω 输出信号：4～20mADC 输出最大负载：<500Ω

断信号阀位置：可任意设置为保持/全开/全关/0～100%间的任意值 电源：220V±10%/50Hz 6、单相可控硅移相调压

通过4～20mA电流控制信号控制单相220V交流电源在0～220V之间根据控制电流的大小实现连续变化。

二、AE2000A型实验对象控制柜

1、 变频器

变频器型号为三菱FR型变频调速器，具体参数设置如下表： 名称 示 表设定范围 设定值 4

上限频率 下限频率 扩张功能显示选择 频率设定电流增益 RH端子功能选择 操作模式选择 C5 C6 9 P62 P79 C5 C6 P1 P2 P30 P30-120Hz 0-120Hz 0，1 1-120Hz 0-8 输出频率大小 偏置 60Hz 25Hz 1 60Hz 4 0 25Hz 20% 控制信号输入：可输入外部0～5V电压，或4～20mA电流控制信号。

STF、STR：电机的正、反转控制端，SD与STF相连为正转，SD与STR相连时为反转。

变频器外部控制信号控制输出接线方法：

SD与STF（或STR）、RH两端都短接，在控制信号输入端接入控制信号（正极、负极应对应，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的频率。

*注：附FR-S520S-0.4K-CH三菱变频调速器使用手册（基本篇） 2、 智能流量积算仪

智能流量积算仪面板如右图所示：流量积算变送仪主要功能是将涡轮流量计输出的流量频率信号转换为4-20mA的电流信号输出。智能流量积算仪面板分：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）

流量积算仪参数设置如下： 一级参数： 符号 KEY AL1 K Poin d0 df 名称 禁锁 第一报警值 脉冲系数 小数点 标况密度 显示内容 设定参数 2000 5000 118（可修改） 1 变送低端补偿 变送高端补偿 具体操作方法,请查阅智能流量积算仪说明书。

第三节 CS4100型过程控制系统实验平台

一、CS4100型实验对象组成结构

系统装置整体结构如下图所示：

系统包括两个独立的水路动力系统，一路由水泵、电动调节阀、电磁流量计组成（主管路），由电动调节阀调节流量，电磁流量计检测流量；另一路由变频器、水泵、涡轮流量计组成（副管路），由变频器调节流量，涡轮流量计检测流量。

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加热水箱电气控制柜液位控制水箱液位控制水箱纯滞后水箱液位控制水箱液位控制水箱大储水箱

该装置不但可以完成简单单回路液位温度控制，还可以完成更加复杂的前馈-反馈控制实验、耦合控制实验等高级实验。

V15V23V13V24V14四号右上液位控制水箱二号右下液位控制水箱调压模块五号加热水箱LT3三号左上液位控制水箱LT4V50V32V31V41TT1V21V11V22六号纯滞后水箱通储水箱V60LT1一号左下液位控制水箱LT2V12TT3TT2V42主管路副管路V10V20

整个系统由对象系统和控制系统两部分组成：

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主-副管路流量系统 实验对象 四容水箱液位系统 加热水箱-纯滞后水箱温度系统 扩散硅式压力液位传感器 涡轮流量计 检测机构 电磁流量计 对象系统 CS4100 过程控制 实验装置 执行机构 电动调节阀 变频器 漏电保护器 辅助系统 防干烧系统 防高温系统 智能数字仪表控制系统 控制系统 DDC计算机直接控制系统 PLC可编程控制器控制系统

Pt100热电阻温度传感器 可控硅移相调压装置 二、辅助系统

整个对象系统有着完善的辅助系统，包括漏电保护、防干烧，防高温等。

电气控制柜在对象框架的左边，其面板如下图所示。最上方为电源开关和按钮。总电源开关包括漏电保护器，当发生漏电时漏电保护器会自动切断电源。电源采取自锁设计。打开总电源开关，按动启动按钮，整个对象通电；按动停止按钮，整个对象断电。若电源意外断开，在此供电时必须重新按动启动按钮对象才会通电。

总电源开关和按钮下方是主管路水泵电源开关和电动调节阀电源开关。

变频器的输出端直接副管路泵，通过控制水泵电机的转速来控制副管路的流量，其电源开关在变频器的左下方。变频器有手动、自动两种工作状态，手动状态下按变频器操作面板旋钮设定的频率工作，自动状态下按外给定信号（4-20mA）设定的频率工作，手/自动切换开关在变频器的右下方。

变频器型号为三菱FR-S520S-0.4K-CHR，其参数设置如下表所示： 名称 上限频率 下限频率 扩张功能显示选表示 P1 P2 P3设定范围 0-120Hz 0-120Hz 0，1 设定值 60Hz 25Hz 1 7

择 频率设定电流增益 RH端子功能选择 操作模式选择 C5 C6 0 P39 P62 P79 C5 C6 1-120Hz 0-8 输出频率大小 偏置 60Hz 4 0 25Hz 20% 第四节 软件介绍- MCGS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/XP等操作系统。

MCGS 软件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软件的使用参考配套的手册及光盘。

第五节 实验要求及安全操作规程

一、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。

二、实验过程的基本要求

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 ，要做好各主题实验，就应做到：实验前有准备；实验中有条理，实验后有分析。

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三、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．在进行温度实验前，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，以免造成实验失败。

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。 8．严格遵守实验室有关规定。

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第二部分 实验内容

实验一 单容自衡水箱对象特性测试实验

一、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；

二、实验设备

AE2000A型过程控制系统实验平台（CS4100型过程控制系统实验平台）、集智达模块、计算机、通讯线.。

三、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1-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1、F1-7和F1-11全开，设中水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，中水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-10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将式(1-1)表示为增量形式

dh (1-1) dt?Q1??Q2?Ad?h (1-2) 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发生变化时，液位h随之变化，水箱出口处的静压dt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

ΔQ2=

?h?h或 R= (1-3)

?Q2R式中：R——阀F1-10的阻力，称为液阻。

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图1-1 单容自衡水箱特性测试系统

将式(1-2)、式(1-3)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)＝

令

H(s)RK＝= (1-4) 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

Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=H（s）=

x0，x0=常数，则式(1-4)可改写为 sKx0xxK/T×0=K0- 11sss?s?TT??tT?? (1-5) ?对上式取拉氏反变换得 h(t)?Kx0?1?e?当t—>∞时，h????h?0??Kx0，因而有

K=

h（?）输出稳态值＝ (1-6) x0阶跃输入当t=T时，则有h?T??Kx0(1?e?1)?0.632Kx0?0.632h??? (1-7)

式（1-5）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1-2（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1-2 单容水箱的阶跃响应曲线

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如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图1-2（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) = (1-8)

1?Ts三、实验内容与步骤

1．关闭储水箱出水阀，往储水箱灌水90％左右，打开电动控制阀支路至中（左下）水箱的所有阀门。，关闭通往其它对象的切换阀门。 2. AE2000实验装置按照图1.3连接控制屏接线端（CS4000实验装置如图1.4所示）

图1.3 AE2000接线图

图1.4 CS4000接线图

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3.接通总电源开关和远程模块开关，打开24V开关电源。 4.打开电动阀检查整个回路是否通的，然后打开泵。

5.打开上位机，MCGS组态环境，在主菜单中点击“单容自衡水箱对象特性测试实验”，进入监控界面。

6.在界面上设定阀门的开度初始值为（55%-60%）稳定后记录液位读数；

7.待中水箱液位平衡后，突增（或突减）输出量的大小(5%-10%)，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，记录此时的输出值和液位测量值，液位的响应过程曲线将如图1-5所示。

图1-5 单容下水箱液位阶跃响应曲线

8.根据前面记录的液位值和监控界面输出值，按公式（1-6）计算K值，再根据图1-2中的实验曲线求得T值，写出单容水箱的传递函数。

9.实验完成之后，依次关闭单相泵电源开关、远程模块电源开关、电动调节阀开关、24VDC电源开关、总电源。然后关闭计算机上MCGS的运行界面。最后拆除实验平台上的导线和信号线。本次实验结束。

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F1-10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。

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实验二 压力变送器的使用

一、实验目的

1熟悉DDZ-Ⅲ型压力变送器的具体结构。

2掌握DDZ-Ⅲ型压力变送器的工作原理及整机特性。 3掌握DDZ-Ⅲ型压力变送器使用方法。

4测定DDZ-Ⅲ压力变送器的精度、变差、线性度等特性参数。

二、实验设备

AE2000型过程控制实验装置、CS4000高级过程控制实验装置、万用表、计算机、通讯线。

三、实验原理

在杯状单晶硅膜片的表面上，沿一定的晶轴方向扩散着一些长条形电阻。当外界液位发生变化时，有压力作用在硅膜片上，硅膜片上下两侧便出现压差，使膜片内部产生应力，随后膜片上产生与介质压力成正比的微位移，导致扩散电阻的阻值发生变化。

P1硅杯扩散式应变元件P2玻璃台座

图1.根据压阻效应工作的半导体压力测量元件的结构示意图

为了减小半导体电阻随温度变化引起的误差，在硅膜片上常扩散四个阻值相等的电阻，以便接成桥式输出电路获得温度补偿。平面式弹性膜片受压变形时，中心区与四周的应力方向是不同的。在膜片上用扩散法制造电阻，将四个桥臂电阻中的两个置于受压区，这样如图接成推挽电路测量压力时，电阻温度漂移可以得到很好的补偿，而输出电压加倍。这样，后面用一个普通的运算放大器，便可将它转换为标准电信号输出了。

R4（ 受拉 ）R1电源R2（ 受压 ）R3（ 受拉 ）R4V0（ 受压 ）R3R1R2应力0 图1.原理图

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图2.接线图

1．变送器的精确度

相对百分误差?

允许误差

仪表的δ允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的δ允越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允许相对百分误差去掉“±”号及“％”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。目前常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。 2．变送器的变差

变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部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差值。

变差?最大绝对差值?100%标尺上限值?标尺下限值

3．线性度

线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。

?f??fmax?100%仪表量程

式中，δf为线性度（又称非线性误差）；Δfmax为校准

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曲线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。

四、实验内容和步骤

1．连接线路：AE2000实验装置按照图3连接控制屏接线端（CS4000实验装置如图4所示）。

图3. AE2000接线图

图4. CS4000接线图

2．调零点和满程：打开总电源开关并接通远程模块开关，打开24V开关电源，将万用表按上述方法连接好后，调节压力变送器，使压力变送器零点对应万用表为1V，满程对应万用表为3V，打开出水阀，把水放完，重复调节零点，直到误差小于0.05。

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3．水箱水放空AE2000和CS4000对应液位是0，水箱装满水AE2000和CS4000对应可测液位是50 cm，而中水箱实际液位才是29 cm，将中水箱液位高度测量范围平均分为11个点，分别为0、2.5、5、7.5、10、12.5、15、17.5、20、22.5、25cm，其相对应的输出电压值应分别为1、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0V。

4．关闭储水箱出水阀，打开电动控制阀支路至中（左下）水箱的所有阀门，关闭通往其它对象的切换阀门。

5．打开电动调节阀开关，然后再打开电磁流量计和泵开关。

6．给水箱缓慢加水从小到大依次加到给定的液位高度，产生相应的输入压力信号△P，依次在万用表上读取（正行程）对应的输出电压值U正，记录并填入实验数据表。

7．给水箱缓慢放水：从大道小依次放到给定的液位高度，产生相应的输入压力信号△P，依次在万用表上读取（反行程）对应的输出电压值U反，记录并填入实验数据表。 8．实验完成之后，依次关闭单相泵电源开关、远程模块电源开关、电动调节阀开关、24VDC电源开关、总电源，然后拆除实验平台上的导线和信号线。

五、实验报告要求

1．记录并整理所测量的实验数据。

2．根据记录的实验数据，画出实测的输入——输出关系曲线(△H～U 关系曲线)，并得出压力变送器精确度、变差、线性度。 六、 思考题

1．在测试过程中我们用的方法是测量电压，本实验是否可以测量电流？ 2．为什么在加水时输入信号超过检测点不能再返回？

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实验三 温度变送器的使用

一 实验目的

1 通过实验，熟悉PT100温度变送器的具体结构，巩固和加深对PT100温度变送器的工作原理；

3 掌握PT100温度变送器零点、量程的调整方法。 4 测试PT100温度变送器的精度、线性度等参数。 5 直观认识温度变送器的使用方法。

二 实验设备

THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台、SBWZP-01型温度变送器一个、ZX25型电阻箱一个、电流表一个、计算机一台、连接线若干。

三 实验原理

热电阻传感器被温度转换成电信号,再将信号送入变送器的输入网络,该网络包含调零和热电偶补偿等相关电路。经调零后的信号输入到运算放大器进行信号放大，放大的信号经V/I转换器运算处理后以DC4-20mA电流输出。变送器的线性化电路采用反馈方式。

图1.原理图

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图2.接线图：

1变送器的品质指标

相对百分误差?：

允许误差：

仪表的δ允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的δ允越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允许相对百分误差去掉“±”号及“％”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。目前常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。 3线性度

线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。

?f??fmax?100%仪表量程

式中，δf为线性度（又称非线性误差）；Δfmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。

四 实验步骤

1．温度变送器零点、满程调节

按照接线图2接线，用电阻箱代替图中的PT100。接通总电源空气开关，打开24V开

19

关电源，给温度变送器上电。调节电阻箱使阻值为100Ω，用电流表测量电路中电流，调节温度变送器零点使电流表显示4mA（零点）；调节电阻箱使阻值为138.5Ω，调节温度变送器满程使电流表显示20mA（满程）。重复操作，直到误差小于0.1。 2．温度变送器特性测试

将电阻箱阻值范围平均分为9点，对仪表进行精度测试，其相对应的输出电流值应分别为4、6、8、10、12、14、16、18、20mA。

将电阻箱阻值缓慢增加产生相应的输入温度信号△T，注意：不应该使输入信超过检测点再返回（即不要产生过冲现象）。依次读取此时对应的输出电流值I，并记录之。然后计算出相应的基本误差，与实验结果一起填入实验数据表。 3．整理实验数据

画出实测的输入——输出关系曲线。(△T～I 关系曲线)，整理以上数据得出温度变送器精确度、线性度等参数。

五 思考题

1在测试过程中我们用的方法是测量电流，本实验是否可以测量电压？ 2本实验用电阻箱代替铂电阻，本实验能否用铂电阻做实验？

20

实验四 智能控制仪表的调试

一 实验目的

1通过实验，熟悉智能仪表的具体结构， 2掌握智能仪表参数设定 。

二 实验设备

AE2000A型高过程控制对象系统实验装置、计算机一台、RS485/232转换器一个、通讯线几根根.

三 实验原理

1 仪表接线

图1. 仪表后盖端子排布

2 面板说明 ① 上显示窗 ② 下显示窗 ③ 设置键

④ 数据移位（兼手动/自动切换）

21

⑤ 数据减少键 ⑥ 数据增加键

⑦ 10 个LED 指示灯，其中MAN 灯灭表示自动控制状态，亮表示手动输出状态；PRG 表示仪表处于程序控制状态； M2、OP1、OP2、AL1、AL2、AU1、AU2 等等分别对应模块输入输出动作；COM 灯亮表示正与上位机进行通讯。

3 主要参数功能及设置 参数 代号 参数含义 说明 设置范围 1999~+9999 线性 单位或1℃ 0~999.9℃ 或0~9999 定义单位 HIAL 上限报警 测量值大于HIAL值时仪表将产生上限报警。测量值小于HIAL -dF 值时，仪表将解除上限报警。 LoAL 下限报警 当测量值小于LoAL时产生下限报警，当测量值大于LoAL+dF时下限 dHAL 正偏差报 dLAL 警 报警解除。 采用AI人工智能调节时，当偏差（测量值PV减给定值SV）大于dHAL时产生正偏差报警。当偏差小于dHAL-dF时正偏差报警解除。 负偏差报 采用AI人工智能调节时，当负偏差（给定值SV减测量值PV）大于警 dLAL时产生负偏差报警，当负偏差小于dLAL -dF时负偏差报警解除。 dF 回差(死 回差用于避免因测量输入值波动而导致位式调节频繁通断或报警频0~200.0℃ 或0~2000 0~4 区、滞环) 繁产生／解除。 CtrL 控制方式 CtrL=0，采用位式调节（ON/OFF），只适合要求不高的场合进行控制时采用。 CtrL=1，采用AI人工智能调节，该设置下，允许从面板启动执行自整定功能。 CtrL=2，启动自整定参数功能，自整定结束后会自动设置为3或4。 CtrL=3，采用AI人工智能调节，自整定结束后，仪表自动进入该设置，该设置下不允许从面板启动自整定参数功能。以防止误操作重复启动自整定。 CtrL=4，该方式下与CtrL=3时基本相同，但其P参数定义为原来的10倍，即在CtrL=3时，P=5，则CtrL=4时，设置P=50时二者有相同的控制结果。 P 速率参数 P与每秒内仪表输出变化100％时测量值对应变化的大小成反比，当CtrL=1或3时，其数值定义如下： 1~9999 22

P＝1000÷每秒测量值升高值（测量值单位是0.1℃或1个定义单位） 如仪表以100％功率加热并假定没有散热时，电炉每秒升1℃，则： P＝1000÷10＝100 P值类似PID 调节器的比例带，但变化相反。P值越大，比例、微分作用成正比增强，而P值越小，比例、微分作用相应减弱。P参数与积分作用无关。 当CtrL=4时：P参数设置将增大10倍，以上的例子中应设置P=1000。 T 滞后时间 对于工业控制而言，被控系统的滞后效应是影响控制效果的主要因素，系统滞后时间越大，要获得理想的控制效果就越困难，滞后时间参数t是AI人工智能算法相对标准PID 算法而引进的新的重要参数，AI系列仪表能根据t参数来进行一些模糊规则运 算，以便能较完善地解决超调现象及振荡现象，同时使控制响应速度最佳。 t定义为假定没有散热，电炉以某功率开始升温，当其升温速率达到最大值63.5％时所需的时间。AI系列仪表中t参数值单位是秒。 t参数的正确设定值与PID调节中微分时间相等。 如果设置t≤CtI时，系统的微分作用被取消。 CtI 输出周期 CtI参数值可在(0.5~125)×0.5秒（0表示输出周期为0.25秒）之间设置，它反映仪表运算调节的快慢。建议CtI设置为系统滞后时间的1/4~1/10左右，但数值最大不应超过60秒（CtI=120）。 Sn 0~125 ×0.5秒 0~2000秒 输入规格 Sn用于选择输入规格，其常用输入规格如下：（详细参数见附表） 0~37 21 Pt100 32 0.2~1V 33 1~5V电压输入 dIP 小数点位 定义小数点位置，以配合用户习惯的显示数值。改变小数点位置参置 数的设置只影响显示，对测量精度及控制精度均不产生影响。 用于定义线性输入信号下限刻度值 0~3 DIL 输入下限显示值 -1999~+9999 dIH 输入上限显示值 用于定义线性输入信号上限刻度值，与dIL配合使用。 同上 Opt 输出方式 OPt表示仪表的调节输出方式： OPt= OPt.A×1+OPt.B×10 OPt.A表示主输出（OUTP）类型，OUTP上安装的模块类型应该与之相适合。 OPt.A =0，当主模块上安装SSR电压输出、继电器触点开关输出、过0-48 23

零方式可控硅触发输出或可控硅无触点开关输出等模块时，应用此方式。 OPt.A =1，0~10mA线性电流输出，主输出模块上安装线性电流输出模块。 OPt.A =2，0~20mA线性电流输出，主输出模块上安装线性电流输出模块。 OPt.A =3，备用。 OPt.A =4，4~20mA线性电流输出，主输出模块上安装线性电流输出模块。 OPt.A =5~7，位置比例输出（只适合AI-808/808P）。 其中OP1、OP2可用于直接驱动阀门电机正、反转，其中OPt.A=5适合无阀门反馈信号控制，要求阀门行程时间为60秒，OPt.A=6可从0~5V输入端输入阀门位置反馈信号，要求阀门行程时间大于10秒即可，OPt.A=7为阀门位置自整定功能，整定完毕后会自动将OPt.A设置为6。通过对参数dF的设置可以作为阀门位置不灵敏区大小的调整，建议设置范围是1.0~3.0（%），加大参数dF值，可避免阀门频繁转动，但太大的dF值，将导致控制精度下降。dF参数此时仍对报警起作用。 OPt.A =8，单相移相输出，应安装K5移相触发输出模块实现移相触发输出。 OPt.A=5~8时，在该设置状态下，AUX不能作为调节输出的冷输出端。 OPt.B表示辅助接口（AUX）输出类型，仅当oPL参数设置小于0时方起作用。 oPL oPH Addr 输出下限 设置为0~110%时，表示限制调节输出最小值。 输出上限 限制OUTP调节输出的最大值的百分比。 通讯地址 Addr参数用于定义仪表通讯地址，有效范围是0~100。在同一条通讯线路上的仪表应分别设置一个不同的Addr值以便相互区别。 bAud 通讯波特 当仪表COMM模块接口用于通讯时，bAud参数定义通讯波特率，可定率 dL 义范围是1200~19200bit/s（19.2K）。 0~20 -110~+110% 0~110% 0~100 0~19.2K 输入数字 AI仪表内部具有一个取中间值滤波和一个一阶积分数字滤波系统，滤波 取值滤波为3个连续值取中间值，积分滤波和电子线路中的阻容积分滤波效果相当。当因输入干扰而导致数字出现跳动时，可采用数字滤波将其平滑。dL设置范围是0~20， Run 运行状态run=0，手动调节状态。 0~127 24

及上电信 run=1，自动调节状态。 号处理 Loc run=2，自动调节状态，并且禁止手动操作。不需要手动功能时，该功能可防止因误操作而进入手动状态。 0~9999 参数修改 AI仪表当Loc设置为808以外的数值时，仪表只允许显示及设置0~8个级别 现场参数（由EP1~EP8定义）及Loc参数本身。当Loc=808时才能设置全部参数。当用户技术人员配置完仪表的输入、输出等重要参数后，可设置Loc为808以外的数。以避免现场操作人员无意修改某些重要操参数。如下： Loc=0，允许修改现场参数、给定值。 Loc=1，可显示查看现场参数，不允许修改，但允许设置给定值。 Loc=2，可显示查看现场参数，不允许修改，也不允许设置给定值。 Loc=808，可设置全部参数及给定值。 EP1- EP8 现场参数 当仪表的设置完成后，大多数参数将不再需要现场工人进行设置。定义 并且，现场操作工对许多参数也可能不理解，并且可能发生误操作将参数设置为错误的数值而使得仪表无法正常工作。 通常智能仪表都具备参数锁（Loc）功能，不过普通的参数锁功能往往将所有参数均锁上，而有时我们又需要现场操作工对部分参数能进行修改及调整，在参数表中EP1~EP8定义1~8个现场参数给现场操作工使用。 NonE~run

输入规格选择参数Sn Sn 0 3 6 20 27 30 33 36 输入规格 K(-200~1300℃) T(-200~+300℃) B(300~+1800℃) Cu50(0~150℃) 0~400欧电阻输入 0~60mV电压输入 1~5V电压输入 Sn 1 4 7 21 28 31 34 输入规格 S(-50~+1700℃) E(0~+1000℃) N(0~+1300℃) Pt100(-200~+600℃) 0~20mV电压输入 0~1V电压输入 0~5电压输入 -5V~+5V输入 Sn 2 5 8~19 22~26 29 32 35 输入规格 WRe(0~2300℃) J(0~1000℃) 备用 备用 0~100mV电压输入 0.2~1V电压输入 -20~+20mV电压输入 -100~+100mV输入 37 25

四 实验步骤

1．将储水箱中贮足水量，然后打开电动阀支路至中水箱的阀门（将中水箱出水阀门开至适当开度（30%～80%）），其余阀门均关闭。 2．AE2000A实验装置按照图4连接控制屏接线端

3. 接通总电源开关，打开24V开关电源。

4. 打开电动阀检查整个回路是否通的，然后依次打开电动调节阀和泵。 5. 在仪表上设定阀门的开度初始值为（50%-70%）。

6. 设置仪表的参数：控制方式：CtrL=1；输出上限值=50；输出下限值=0；输入规格：Sn=33；输出方式：OP1=4；通讯地址：Addr=1。其他参数参考默认值。并记录所设置的所有参数。

7．待中水箱液位稳定后切换到自动控制，并适当增加/减少智能仪表的设定值，观察仪表的控制过程。并说明设置这些参数的意义。

8．把输出上限值改为100记录所设置的所有参数，重复步骤8。

9. 实验完成之后，依次关闭单相泵电源开关、远程模块电源开关、电动调节阀开关、24VDC电源开关、总电源。最后拆除实验平台上的导线和信号线。本次实验结束。

五 思考题

1 想想你的生活中哪里可以使用智能仪表来控制，并说明它控制的优点，并尝试设计出控制方案。

26

实验五 电动调节阀的使用

一、实验目的

1 通过实验，熟悉DDZ-Ⅲ型电动调节阀的具体结构，巩固和加深对DDZ-Ⅲ型电动调节阀的工作原理及整机特性的理解；

2 掌握调节阀流量特性测试方法，加深对调节阀特性的理解。

二、实验设备

AE2000A型高过程控制对象系统实验装置（CS4000型高过程控制对象系统实验装置）、集智达模块、电磁流量计一个、计算机一台、信号线。

三、实验原理

电动调节阀包括执行机构和阀两个部分，它是过程控制系统中的一个重要环节。电动调节阀接受调节器输出4～20mADC的信号，并将其转换为相应输出轴的角位移，以改变阀节流面积S的大小。图1为电动调节阀与管道的连接图。

图1 电动执行机构系统方块图

图中：

u----来自调节器的控制信号（4～20mADC） θ---阀的相对开度 s---阀的截流面积 q----液体的流量

由过程控制仪表的原理可知，阀的开度θ与控制信号的静态关系是线性的，而开度θ与流量Q的关系是非线性的。图2为电动调节阀结构示意图

调节阀的流量特性是指被调介质流过阀的相对流量与阀门的相对开度之间的关系，表示为：

qv?l??f??qvmax?L? 27

式中： ——相对流量；

qv——阀在某一开度时的流量；

qv max ——阀在全开时的流量； l / L ——阀的相对开度

l ——阀在某一开度时阀芯的行程； L ——阀全开时阀芯的行程。 直线特性

直线流量特性是指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学表达为

图2电动调节阀结构图

（2）等百分比流量特性

等百分白流量特性是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系，即控制阀的放大系数随相对流量的增加而增大。用数学表达为

四、实验步骤

1.本实验选择电动阀支路。实验之前先将储水箱中贮足 图 3. 调节阀的理想流量特性曲线 水量，然后将电动调节阀支路中的阀门全开，其余阀门 均关闭。

2. AE2000A实验装置按照图4连接控制屏接线端（CS4000实验装置如图5所示）

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图4. AE2000A接线图

图5.CS4000接线图

3.接通总电源开关和远程模块开关，打开24V开关电源。

4.启动电动调节阀，检查整个回路是否通的，然后依次打开电磁流量计和泵。

5.打开上位机，MCGS组态环境，在主菜单中点击“电动调节阀的使用实验”，进入监控界面。 6.在界面上设定阀门的开度为95%，稳定后记录流量计的读数；

7.将调节阀门开度减少到85%，稳定后记录流量计的读数；依次减小10%，直至阀门开度为5%(但保证流量不为零)，分别记录不同状态时调节器的相应流量。 8.由开度I作横作标，流量Q作纵坐标，画出Q=F（I）的曲线。

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9.实验完成之后，依次关闭控制屏电源，总电源。然后关闭计算机上mcgs的运行界面。最后拆除实验平台上的导线和信号线。本次实验结束。

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。

六、思考题

1.阀门的理想流量特性曲线和工作特性曲线有什么区别？ 2.阀门的特性曲线的形状与哪些因素有关？

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实验六 锅炉内胆水温位式控制系统

一、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。

二、实验设备

AE2000型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、实验连接线。

三、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??(t?t0)?

式中Rt——温度为t(如室温20℃)时的电阻值；

Rt0——温度为t0 (通常为0℃)时的电阻值；

α——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：电阻温度系数大、电阻率要适中、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；并要求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上I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：

Rt?Rt0?1?At?Bt2?Ct3?

式中Rt——温度为t(如室温20℃)时的电阻值；

Rt0——温度为t0(通常为0℃)时的电阻值；

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A、B、C是常数，一般

A?3.950?10/C，B??5.802?10?7/?0C?，C??4.2735?10?21/?0C?。

?3023Rt-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。 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1.5KW电加热管，被控制量是复合小加温箱中内套水箱的水温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6-1为位式调节器的工作特性图，图6-2为位式控制系统的方块图。

图6-1位式调节器的特性图

由图6-1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6-2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，故称这种控制器为两位调节器。

该系统的工作原理是当被控制的水温测量值VP=T小于给定值VS时，即测量值〈给定值，且当e=VS-VP≥dF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220V电源而加热。随着水温T的升高，Vp也不断增大，e相应变小。若T高于给定值，即Vp 〉Vs，e为负值，若e≤-dF时，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。

给定值智能调节仪电加热管锅炉内胆对象T（温度）+温度变送器

图6-2位式控制系统的方块图

如图6-2位式控制系统的方框图所示，温度给定值在智能仪表上通过设定获得。被控对象为锅炉内胆，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

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据给定值加上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6-3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。

图6-3 双位控系统的过程曲线

四、实验内容与步骤

1．设备的连接和检查

打开变频器支路至锅炉夹套的所有阀门，关闭通往其它对象的切换阀门。 2．按照图6-4.连接控制屏接线端

图6-4系统连线图

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3．启动电源，打开24V电源开关，启动计算机，进入MCGS组态环境运行软件，在主菜单中点击“锅炉内胆水温位式控制”，进入监控界面。设好各项参数以及设定值和回差dF的值。

4．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。将实验数据记录到实验报告上。

5．适量改变给定值的大小和dF值，重复实验步骤（4）。

6．.实验完成之后，依次关闭控制屏电源，总电源。然后关闭计算机上mcgs的运行界面。最后拆除实验平台上的导线和信号线。本次实验结束。

五、注意事项

1、 实验前，锅炉内胆的水位必须高于热电阻的测温点（即低水位报警灯不亮）。 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、 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。

六、实验报告

1、 画出不同dF时的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大小。 3、 综合分析位式控制特点。

七、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？

34

实验七 单容液位定值控制系统

一、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。

二、实验设备

AE2000型过程控制实验装置(CS4000型过程控制实验装置)、万用表、上位机软件、计算机、串口线1根、实验连接线。

三、实验原理

（一）、单回路控制系统的概述

图7-1为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。

图7-1 单回路控制系统方框图

（二）、干扰对系统性能的影响

1．干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。

干扰通道的放大系数Kf会影响干扰加在系统中的幅值。若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。

如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为Tf，则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。即时间常数Tf越大，则系统的动态偏差就愈小。

通常干扰通道中还会有纯滞后环节，它使被调参数的响应时间滞后一个τ值，但不会影响系统的调节质量。

2．干扰进入系统中的不同位置。

复杂的生产过程往往有多个干扰量，它们作用在系统的不同位置，如图7-2所示。同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。对扰动产生影响

35

的仅是扰动作用点前的那些环节。

图7-2 扰动作用于不同位置的控制系统

（三）、控制规律的选择

PID控制规律及其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．比例(P)调节

纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。其传递函数为：

Gc?s??Kp?式中KP为比例系数，δ为比例带。 2．比例积分(PI)调节

1? (1)

PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。其传递函数为：

?1?1?1?Gc?s??Kp?1??1???? (2)

Ts?Ts?I??I?式中TI为积分时间。 3．比例微分(PD)调节

这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。因此一般不用于流量和液位控制系统。PD调节器的传递函数为：

Gc?s??K式中TD为微分时间。 4．比例积分微分(PID)调节器

?1?TDs???1?TDs? （3） p?1PID是常规调节器中性能最好的一种调节器。由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。它的传递函数为

??1??11Gc?s??Ks?1??TDs???1??TDs? (4)

?TIs???TIs?图7-3表示了同一对象在相同阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应

36

过程。

图7-3 各种控制规律对应的响应过程

（四）、调节器参数的整定方法

调节器参数的整定一般有两种方法：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程实验整定法有以下四种：

1。经验法

若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。表7-1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微分作用，微分时间常数按TD=(

11～)TI计算。 34表7-1 经验法整定参数

参 数 δ(%) 20～60 40～100 30～70 20～80 TI(min) 3～10 0.1～1 0.4～3 TD(min) 0.5～3 系 统 温 度 流 量 压 力 液 位 2．临界比例度法

图7-4 具有周期TS的等幅振荡

这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=∞，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图7-4所示。根据临界比例度δk和振荡周期TS，按表7-2所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是

37

以得到4：1衰减为目标。

表7-2 临界比例度法整定调节器参数

调节器参数 调节器名称 P PI PID δ 2δk 2.2δk 1.6δk TI(S) TS/1.2 0.5TS TD(S) 0.125TS 临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。

3．衰减曲线法（阻尼振荡法）

图7-5 4：1衰减曲线法图形

在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图7-5所示的4：1衰减过程为止。这时的比例度称为4：1衰减比例度，用δS表示之。相邻两波峰间的距离称为4：1衰减周期TS。根据δ和TS，运用表7-3所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。

表7-3 衰减曲线法计算公式

调节器参数 调节器名称 P PI PID 4．动态特性参数法

所谓动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据第二章中对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数（K、T、τ等），利用表7-3、4所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：1时调节器的相关参数。如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（4：1衰减）就有难度，此时应采用动态特性参数法进行整定。

S

δ（%） δS 1.2δS 0.8δS TI(min) 0.5TS 0.3TS TD(min) 0.1 TS 38

表7-4 经验计算公式

调节器参数 调节器名称 P δ（%） TI TD K?×100% T1.1 PI K?×100% TK?×100% T3.3τ PID 0.852τ 0.5τ

四、实验内容与步骤

1．设备的连接和检查：关闭出水阀，往AE2000型过程控制对象（CS4000型过程控制对象）的储水箱灌水，水位达到总高度的90％以上时停止灌水。打开以电动调节阀为支路至（左下）水箱的所有阀门，关闭通往其它对象的切换阀门。打开中（左下）水箱泄水阀。 2.AE2000A实验装置按照图7-6连接控制屏接线端（CS4000实验装置如图7-7所示）

图 7-6 AE2000A接线图

39

图 7-7CS4000接线图

3．启动电源，打开24V电源开关，启动计算机，进入MCGS组态环境运行软件，进入M运行环境，在主菜单中点击“单容液位定值控制系统”，进入“实验七”的监控界面。 4．启动电动阀，在上位机监控界面中将控制方式设置为“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值。

5．适当增加/减少输出量，使中水箱的液位平衡于设定值。 6．待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态。

7．根据第一个实验，按响应曲线法整定调节器参数，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。

8．待液位平衡后，通过以下几种方式之一加干扰：突增（突减）设定值，向中（左下）水箱注水，改变出水阀的开度等；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。

9．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（采用后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此次过程的相关数据。

图7-8 单容水箱液位的阶跃响应曲线

10．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

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响应曲线。

11．实验完成之后，依次关闭控制屏电源，总电源。然后关闭计算机上mcgs的运行界面。

最后拆除实验平台上的导线和信号线。本次实验结束。

五、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。

六、思考题

1．根据实验数据分析比例控制、比例积分控制的特点。 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？

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实验八 液位流量串级控制系统

一、实验目的

1．通过实验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。

二、实验设备

AE2000型过程控制实验装置(CS4000型过程控制实验装置)、集智达模块、万用表、上位机软件、计算机、串口线1根、实验连接线。

三、实验原理

（一）、串级控制系统的概述

图8-1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8-1 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

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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。 （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： 1 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。

2两步整定法

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。

2S

②．将副调节器的比例度置于所求得的δ值上，且把副回路作为主回路中的一个环节，

1S

用同样方法整定主回路，求取主回路的比例度δ和振荡周期T1S。

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。

3一步整定法

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。

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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。

（五）实验装置

本实验为水箱液位和流量的串级控制系统，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，控制对象为中（左下）水箱，中（左下）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，控制对象为电磁流量计，又称副对象，电动阀支路 的流量为系统的副控制量。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、实验内容与步骤

1．本实验选择中（左下）水箱和电磁流量计串联作为被控对象（也可选择上水箱和下水箱），选择电动阀支路。实验之前先将储水箱中贮足水量，打开电动调节阀支路中至中（左下）水箱的阀门。注：将中（左下）水箱出水阀门开至适当开度（30%～80% ），其余阀门均关闭。

2.AE2000A实验装置按照图8-2连接控制屏接线端（CS4000实验装置如图8-3所示）

图8-2. AE2000A接线图

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图8-3. CS4000接线图

3．接通总电源开关和远程模块开关，打开24V开关电源。 4．打开电动阀检查整个回路是否通的，然后依次打开调节阀和泵。

5．打开上位机，MCGS组态环境，在主菜单中点击“液位流量串级控制系统”，进入监控界面。

6．在监控界面上给主回路一个适当设定值，将主回路和副回路控制方式设置为“自动”，并待在第一组PID参数的作用下液位稳定于给定值；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； （2）人工给中（左下）水箱加水；

（3）将电动调节阀的旁路阀（同电磁阀）开至适当开度；

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（后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的界面上的设定值、输出值，中（左下）水箱液位的响应过程曲线将如图4所示。

图4 下水箱液位阶跃响应曲线

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7．改变主、副控调节仪的PID参数，重复步骤5，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。

8．.实验完成之后，依次关闭控制屏电源，总电源。然后关闭计算机上mcgs的运行界面。最后拆除实验平台上的导线和信号线。本次实验结束。

五、实验报告要求

1．画出水箱液位流量串级控制系统的结构框图。 2．了解主副控制器参数的整定方法。

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。

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．为什么本实验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，试从理论上给予说明。

6．评述串级控制系统比单回路控制系统的控制质量高的原因？

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