实验一液位流量过程控制系统

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实验一ﻩ 液位流量过程控制系统

一、实验目的

1. 掌握控制对象动态特性测试的方法.

2． 熟悉1~2阶单回路控制系统和串级控制系统的组成，调节器参数整定. 3. 了解干扰信号加于不同位置对调节质量的影响. 4。 掌握P、I、Ｄ参数对系统性能的影响。 二、实验内容 1。 动态特性测试

液位对象的动态特性测试 流量对象的动态特性测试 2． 单回路控制系统

液位单回路控制及参数整定 流量单回路控制及参数整定 ３。 串级控制系统 串级控制的组成

串级控制时调节器的参数整定及系统投运 4。 比值控制系统

相乘控制方案的实施

比值控制时比值系数的设置 三、实验用图

所有原理框图、接线图均在实验步骤内 四、实验预备知识

1． 了解差压变送器的工作原理和结构。

2. 了解电气调节阀和流量传感器工作原理和信号的传递与控制. ３. 掌握PID数字控制仪的接线与操作方法。 五、实验预习

1。 了解实验装置,熟悉液位与流量过程控制系统面板图（见附图一）.

2． 根据每个实验的要求和对应实验装置的面板图,完成“实验原理与步骤”中各种实验的原理框图和接线图，以此为依据进行实验。 3。 写出每个实验的操作步骤及调节器的设置。 六、实验装置 1. 装置介绍 ａ． 装置的组成

该装置由控制对象和控制台两部分组成．控制对象包括两阶液位对象、水槽、水泵、流体输送管道、空气过滤减压阀、电气转换器以及有关的液位压力检测变送和气动调节阀.在控制屏上安装了数字调节仪表、泵的开停按钮及整个工艺模拟流程图等。模拟流程图上的有输入输出线插座孔.因此在组成不同控制回路时，只要在这些插孔上进行不同的连接，就能方便组成不同的控制回路． b。 模拟屏

模拟屏上的流程图如图4所示。图中，Ο为插座孔．Ｃ1、Ｃ２、C３为三个调节器（C1带有通信接线、Ｃ2带有外设定功能)，C1为主调节器,C2为副调节器,C3为外加干扰;框中的PV、SＰ、ＯUT分别表示调节器的测量、外给定、输出；FT１、ＦT2分别表示内、外容器的流量检测变送值经F／I转换后的标准电流输出信号;Ｖ１、V2 表示调节阀的输入信号插座孔，接收来自调节器的标准电流输出信号并经电气转换器转换


成标准气信号后送到气动调节阀。

本装置两个液位对象可以构成二阶的被控对象。每个容器的液位均由差压变压器进行变送，在实际使用时量程调整位0～１０0mｍH２O，即当液位高度Ｈ=0时，差压输出电流I=4mA;当H＝100mm时,Ｉ=20ｍA.每个液位槽的流出口，都进行了线性化处理，缝隙上窄下宽。线性化处理后，每个容器的液位高度H与其输出流量G成正比。 本装置的调节阀采用线性的理想特性,当水源压力Ｐ稳定的情况下,由于管道压力损失很小,因此调节阀在系统中S接近于１，其工作特性基本上是线性的。所以系统的广义对象是线性的，所构成的控制系统为线性控制系统。 2。 使用说明

为防止发生事故,装置能正常运行,在使用本实验装置前，请详细阅读本使用说明。 ａ.仪表电源开关安置在的胶木板上。注意：胶木板上的接触器、接线排等不能用手去触摸，以防触电.打开电源开关进行供电，24V开关电源指示灯亮。

b．开启水泵(水泵上的开关置手动位置）供水,一路为主通道，另一路为干扰通道，打开对应的旁路阀,适当调节反馈流量以避免调节阀全关时泵的输出闷死。实验前,水槽需加满水，实验时不需要补充水，但要保证水槽里的水位高于泵进口位置。

c。打开起源开关进行供气,空气过滤减压阀有压力信号，其输出为仪表气源１40KＰa。 d．由于流量较小,流量变送器输出信号仅作为定性分析之用，且输出信号不要小于10%. e。扩散硅压力变送器的量程为1．6ＫPa，对应液位为１６0ｍmＨ2O.

ｆ.装置的气源由空气压缩机及管道接到进气针形阀,气源压力为200Kpa～600Kpa经空气过滤减压阀调整为1４０Kｐa的标准仪表。 ３、 技术特性

供电电源：交流２20伏,5０赫兹

供气气源：仪表用压缩空气，气压１40KPａ 供水量： 最大耗水量３２0L/h 耗电量：小于4KW 温度范围:0～100°C

尺寸：２１0０＊1６０0＊6０0 高＊宽＊深 七、实验仪器

1、 电气转换器ＱZD-1000

２、 涡轮流量传感器LWGY—6VＡ 3、 ＱＦH２2１型空气过滤减压器 4、 液位变送器 5、 自整定控制仪

6、 WP202 （SＷＰ－20２ＳXＢB２0—１１－W) ７、 F/I-II频率电流转换器 8、 开关电源ＹJ104－0305 ９、 泵ＵPA ９０ AＵTO 1０、 阀门

八、实验报告的内容 １。 实验目的 2． 实验原理图

3． 控制系统的原理框图和实验接线图 4。 实验步骤(应包括参数整定） ５. 实验结果与分析


具体要求：

1。 对每个实验小组应附一份实际的实验记录曲线.

2. 对特性测试要求求出对象的时间常数T、放大系数K和滞后时间。 3. 单回路控制实验要求写出整定参数，记录并分析加扰动后的过渡过程曲线,并求出衰减比N、余差C、超调量B、最大偏差A、过渡时间Ts和工作周期T。

4。 串级控制实验要写出整定参数，记录加扰动的过渡过程曲线，求出衰减比Ｎ、余差C、超调量B、最大偏差A、过渡时间Ts和工作周期T.并分析干扰加入位置对控制质量的影响，调节器参数对调节质量的影响以及比较单回路控制和串级控制系统在相同干扰下对调节质量的影响. 九、注意事项

1。 操作前,应先熟悉各仪表的连线和使用,了解控制装置的组成和原理。 2。 必须在断电的情况下进行连线和拆线。

３. 搞清楚是电流电压信号还是频率信号,是串联联接还是并联联接,比值控制时的正负极性需注意。

十、常见故障及排除方法

使用过程中常见故障及排除方法介绍如下：

1. 水流量无显示。检查变送器是否有２4Ｖ电源;调节阀是否打开;流程图上的连接线是否接准确;是否有杂物堵塞调节阀或涡轮流量变送器，拆开并清洗.

2。 水流量时有时无.流程图上的连接线是否接触良好；管道内有空气未排除,打开旁路阀排除空气；是否有杂物堵塞调节阀或涡轮流量变送器，拆开并清洗。 十一、实验原理与步骤 1. 对象的动态特性测试 液位对象的动态特性测试

实验室通过仪表或计算机手操作将主通道调节阀V2从全关变到全开并打开控制上层液位对象的球阀，启动泵按钮进行供水,记录二阶液位输出的变化。K、Ｔ、的计算按照二阶液位对象的动态特性测试．

设传递函数为：G(Ｓ)=K/（TＳ+1)×e－S ，对象的时间函数为

y（t）=KA(1-e（—ｔ-）/T）.当对象阶跃响应稳态值是y(）时,求得对象的放大倍数K= y(）／A。用两点法在响应曲线y(t)上选取两点y(ｔ1)和ｙ（t2）.

设：y(ｔ１）＝0。２８4y()；y（t2y（)。然后分别求出对应的时间，代入下面两个关系式，求出时间常数T和纯滞后时间: T＝３（t２ – t1）/2，＝(3 t1— ｔ2）/2 2． 单回路控制系统实验

单回路控制系统的参数整定,对ＰＩＤ调节器来说,一般是指调节器的比例度,积分时间Ti和微分时间Td的设定.系统整定的实质，就是改变调节器参数，使调节器特性和控制对象特性配合好，来改善系统的动态、静态特性，求得最佳的控制效果. a。单回路定值控制

二阶液位单回路控制系统方块图如图1-1所示。调节阀V2位气开式,液位调节器为反作用，二阶液位设定值为50%,比例度P=95％、积分时间Ti＝55S、微分时间TD=0,干扰F1可从二个位置加入，其调节阀V２开度可手操设定１0％。观察系统控制过程，系统稳定后加干扰信号Ｖ2从10%变到20％，并继续观察系统控制过程，直至系统重新稳定。干扰可多次增加或减小，仔细观察每次系统控制过程,记录实验曲线并加以分析。 ｂ．流量单回路控制

流量单回路控制是典型的快过程，且往往具有噪音，对这种过程应采用PI调节,


而比例度要大，积分时间可小些。

流量单回路控制系统的投运与参数整定有实验者根据装置原理图及流量单回路控制原理图自己设计步骤。

一阶和二阶单回路控制系统的参数整定及干扰加入不同位置对调节质量的影响，有实验者自己设计实验步骤.

dF1 dF2 3、串级控制系统实验

+ + SP

串级控制的副环流量调节器的参数整定选用大的比例度与小的积分时间。主液位控制器+ + 1 控制器1 气动阀1 下液位

+ 的参数整定,使用的是“看曲线，整定参数”的方法。C1 V1 L2

液位控制器的参数整定的具体方法如下：

－ Ａ. 对纯比例控制 PV1 液位传感器2

LT2 现将比例度放置在估计不会超过允许范围的数值,例如比例度δ＝１０0％左右.

（1） 观察记录曲线，若液位的最大波动小于允许波动范围，则可减小比例度δ值。 图1-1 单回路控制系统方块图

（２) 当发现液位的最大波动可能会超过允许范围时,则应增大δ值.

（3) 这样反复调整δ值，直到液位最大波动接近允许范围为止.一般取衰减曲线。 B。 对比例积分控制

（１) 按纯比例进行整定，得到液位最大波动允许范围的δ值．

(2) 适当增加δ值后，加积分作用逐渐减少积分时间,直到记录曲线出现要求的衰减比例为４:1曲线.

可选择上液位槽A为副对象，下液位槽B为主对象，构成串级控制系统来运行。串级控制系统的接线图由同学在实验预习报告中完成。

1液位与2液位的串级控制系统方块图如图1—２所示.实验时，调节阀V2为气开式;主调节器C1置自动、反作用、内给定ＳP=5０％、比例度P=95％、积分时间Ti＝５5S、微分时间TD=0、副调节器Ｃ2置自动、反作用、外给定、比例度P=６0％、积分时间ＴＩ=0S、微分时间TＤ＝０；干扰调节阀V1开度为10%。 小,仔细观察每次系统控制过程，记录实验曲线并加以分析。 df1

+ (1)系统的投运 SPSP2

+ 1 + 控制器1 控制器2 电气转换器1 L2 L1 和单回路控制系统的投运要求一样，串级控制系统的投运过程也必须保证无忧动切+ C1 C2 + V1

换，并按先副回路后主回路的投运方式，具体步骤为:

－ －SV １设置为希望值,将主、副调节器设定一个大致的PI值 ①将主调节器的内给定PVPV液位传感器 ②将主、副调节器都置手动位置 1 2 LT2

③将副调节器手动操纵使主被控量HA（看主调节器的ＰＶ1）至希望值，待稳定后做 一步

液位传感器

④将主调节器手动操纵使主调节器输出MＶ1等于副调节器的给定ＳV2值 LT1

⑤将副调节器从手动切换到自动

⑥将主调节器从手动切换到自动

图1-2：液位串级控制系统原理框图

（２）参数整定



串级控制系统参数整定用先副后主的方式.副回路整定要求较低,一般可用单回路及整定表来设置参数。对液位对象副回路只设置比例调节作用,控制作用可整定得偏强一些（相应的衰减比可略小于４：1）整定主调节器的方法与单回路控制时相同.具体实验方案由实验者自行设计。 4、比值控制系统实验

采用双闭环比值控制系统能使两者的流量比例保持一定。把F1作为主动量，Ｆ2作为从动量.比值系数由调节器手动输出设置。控制系统方块图同《温度流量控制—-图


２－7》.

实验时，主动量调节器C1置反作用、内给定SP＝6０%、比例度P=85％、积分时间ＴＩ＝２５S、微分时间ＴD=０； 二个调节阀均为气开阀;根据实验要求由调节器C3设置好比值系数K=5０％。 首先置主动量、从动量调节器为手动遥控,当曲线基本稳定时,将主动量、从动量调节器分别切换到自动。当曲线稳定时。将主动量调节器内给定SP＝６0%增加到70％，观察系统控制过程；也可将比值系数Ｋ=5０％增加到60％, 观察系统控制过程,记录实验曲线并加以分析。 5、计算机控制实验

该实验可以用计算机来完成对液位和流量等参数控制。

计算机通过Ｉ/O卡与控制板上的计算机接口相连，从而实现了控制系统电气上的连接.实验时打开MCGS软件,在用户窗口中选择相应的实验窗口,按图接线,开启泵按钮，在工具栏上点击进入运行环境，即可通过计算机控制现场对象。此时也可通过菜单改变ＰID参数和看相应的实时曲线。 实验软件使用说明：

1. 打开自动控制实验（xx)控制。ｍｃg，可以在这个程序中进行仪表控制的显示,以及液位流量（或温度流量或压力流量）系统的仿真. ２． 在“实验课题”中选择要做的实验。

（1） 做《仪表控制》实验时，在实验界面显示后，相关的动画模块会和仪表的数据同步。

(2） 做《计算机仿真》实验时，在实验界面显示后,动画模块不会变化，要按实际的步骤操作，先按实验要求点击打开指定开关，动画模块会按ＰID计算的结果变化。

PＩＤ参数可以在“ ＰID参数设置”中设定,并通过“历史曲线"菜单形象的观察实验进行情况。

（３）. 做《计算机控制》实验时，打开单回路控制。ｍcg、串级控制。mcg、比值控制。mcｇ,可以在程序中进行计算机控制及其数据显示.选定了实验后，计算机就开始控制，动画模块会随计算机所得数据变化。ＰＩD参数可以在“PID参数设置＂中设定，并同时可以通过“历史曲线”观察实验进行情况。

4。 打开特性测试。mcg，可以进行《计算机控制液位对象动态特性测试》《计算机控制流量对象动态特性测试》实验. ５。 参考参数

ﻩﻩﻩP１ﻩI1D１ﻩSPﻩﻩP2ﻩI２ﻩD２

一阶液位单回路4ﻩ0ﻩ5030ﻩ５～５0ﻩ—－－ﻩ－--－－－ 二阶液位单回路 １00 5０ﻩ０4ﻩ５～5０ﻩﻩ－-－ﻩ—－-ﻩ——— 液位串级ﻩ５0ﻩ0ﻩ30ﻩ４5～6０ﻩﻩ５0ﻩ２0 液位流量串级ﻩ５0ﻩ３004ﻩ５～603ﻩ０00 ﻬ

实验二ﻩﻩ温度流量过程控制系统

一、 实验目的

１。 掌握被控对象动态特性的测定方法;

2。 熟悉单回路控制系统的组成、投运和控制器参数整定; ３. 熟悉串级控制系统的组成、投运和控制器参数整定; 4。 熟悉比值控制系统的组成、投运和控制器参数整定； 5。 掌握比例、积分、微分参数对系统性能的影响。


二、 实验内容

1． 被控对象动态特性的测定方法: 流量动态特性； 温度动态特性； 2． 单回路控制：

流量单回路控制； 一阶温度单回路控制； 二阶温度单回路控制; 3． 串级控制：

温度一阶(内炉温度）和温度二阶（外炉温度)串级控制； 温度流量串级控制； 4。 比值控制:

流量相乘比值控制； 流量相除比值控制； 三、 实验用图

所有的示意图、系统原理框图、接线图等，均位于附录内. １。 图2-1：流量单回路控制系统原理框图;

２． 图2-2:温度（一阶、二阶）单回路控制系统原理框图；

3． 图２-３:温度一阶（内炉温度)和温度二阶(外炉温度）串级控制系统原理框图； ４． 图２－４：温度流量串级控制系统原理框图； 5． 图2-５：流量乘法比值控制系统原理框图； 四、 实验预备知识

1。 了解气动调节阀和电气转换器的工作原理以及电气转换器所起的作用; 2. 了解涡轮流量传感器及其放大器的工作原理; ３. 熟悉控制器的使用方法,具体操作详见附录； 五、 实验预习

１． 实验前，应了解温度流量控制系统实验装置,熟悉控制器面板；

2. 根据实验的要求，结合实验装置的控制面板接线示意图，完成实验原理与步骤中各种实验的接线图，实验时以此为依据;

3． 简要写出每个实验的操作步骤，特别是对不同的实验，控制器应如何设置． 六、 实验装置 1。 装置介绍：

温度流量过程控制系统装置是一套能够与计算机相连,实现仪表控制和微机控制的多平台控制实验系统装置。本装置可用于过程控制和工业自动化仪表教学实验，由工艺设备（控制对象)和控制面板两部分组成。本装置可实现流量对象动态特性测试、温度对象动态特性测试、流量单回路控制、一阶温度或二阶温度单回路控制、一阶温度和二阶温度串级控制、温度和流量串级控制、流量比值控制等多个过程控制实验。 （1） 工艺设备：

包括加热器、水泵、水源箱、空气过滤减压器、电气转换器、气动调节阀、涡轮流量传感变送器、热电阻温度传感变送器、嵌套的两个不锈钢容器。 （2） 控制屏:

包括了直接数字控制器、温度变送模块控制器、比值模块控制器、频率电流转换器、可控硅电压控制器、水泵的起停按钮等。 (3） 控制面板：


１）O为插座孔．

2) Ｃ１、C２、Ｃ3为三个控制器，框中的ＰV、SP、OUT分别为控制器的测量值、外给定、输出值；

3） ＦＴ1、ＦＴ2分别为内、外容器的流量检测变送值经F／Ｉ转换后的标准电流输出信号；

4) V1、Ｖ2 分别为内、外容器的调节阀输入信号插座孔，接收来自控制器的标准电流输出信号并经电气转换器转换成标准气信号后送到气动调节阀； 5） ZK为可控硅电压调整器的输入信号插座孔,当可控硅电压调整器的手动/自动开关置于自动时，通过该插座孔接入控制器的输出信号用于改变送到电加热器上的加热电压，在手动位置时，可直接由仪表上的手动拨盘送出信号来改变加热电压； 6） TＴ１、ＴT2为内、外容器的温度检测变送输出信号插座孔;

7） 比值器,即乘除运算器，左插孔、中插孔连结二个输入信号,右插孔将乘除运算结果信号输出.乘法运算由比值模块控制器设置参数，当AB＝０时为乘法，当AB＝1时为除法。

本装置的气动调节阀采用线性理想特性,ｓ=1,系统的广义对象是线性的，故本装置是线性控制系统。 2. 使用说明

〈为防止发生事故，装置能正常运行，在使用本实验装置前，请详细阅读本使用说明。〉 大部分注意事项与《液位流量控制系统实验》的相同，本实验需要强调的如下所示： (1) 为使加热器能正常工作,必须在内容器充满水的情况下才可加热，否则加热器因过热而损坏．

(2） 做加热实验时，内外容器的溢流热水通过安装在溢流口上的软管排入下水管道，这样使水箱内的水温保持一致;同时应补充水箱内的水(进水管道由用户解决)使进水量稍大于排水量，多余部分会自动从水箱的溢流孔排出，注意，进水过大时会造成水箱溢水.

（3） 正常使用结束后，应把内外容器的水通过操作台面板下的二个手动阀排入水箱，水箱内的水通过水箱旁的球阀排入下水管道(下水管道由用户解决)。

(4) 加热容器上部的有机玻璃盒内为加热装置电源接线柱，使用时请不要打开或移动，以防触电。 3。 技术特性

同《液位流量控制系统实验》 七、 实验器材 1． 直接数字控制器

(1) ＳＷP—S80５-220—23—HL:可以用作主控制器，并提供ＲS２３２Ｃ通讯接口; （2） ＳWＰ－Ｓ80５-02０—23－ＨL:可以用作主控制器,不提供通讯接口；

(3) SWＰ—S815—０2０-2３/１2-ＨL：外给定控制,无内给定设置功能，只可以用作副控制器，不提供通讯接口；PID 参数范围:P＝全量程,Ｔi=I=１--—199９ｓ，Ｔd=D=1-—－１999ｓ.

2. 温度变送模块数字控制器

SWP－２0２TR22－W：双路（2个元件) 3． 数学运算模块数字控制器 ４. 涡轮流量传感器:LＷＧY—6A 5。 增压泵:ＵＰＡ 90 AUＴO 6。 空气过滤减压器：QＦＨ－２21


７。 电气转换器：QZD—1０00 8. 气动调节阀：ZＭＢY-64H 9。 频率电流转换器：F/I—ＩＩ 八、 实验报告要求

同液位流量、压力控制系统的要求。 九、 注意事项

同液位流量、压力控制系统的要求。 十、 故障排除

同液位流量、压力控制系统的要求。 十一、 实验原理与步骤 1． 被控对象动态特性的测定 （1) 流量动态特性

测定被控对象的动态特性,即动态响应特性曲线,采取开环控制-——手动控制,来观测其动态响应特性曲线的变化。

流量对象动态特性测试的原理框图，这是个开环控制系统，请同学自行设计。 对已经稳定的流量，施加一个阶跃信号，增幅大约3０％—－-40%,然后，观测涡轮流量传感器的变化情况。 （２) 温度动态特性

从模拟屏上能够了解到，内炉的温度是加热器直接提供热量,所以,内炉温度可以认为是一阶（单热容）对象.而外炉的温度则是在内炉的温度得到加热器加热之后,温度升高,把热量通过容器壁传给外炉的液体，使外炉温度得到提升,故外炉温度可以认为是理想二阶（双容）对象.可以通过该装置测定一阶温度动态特性和二阶温度动态特性.

和测定流量动态特性一样,对已经稳定的温度，施加一个阶跃信号，然后，观测内炉热电阻传感器的变送信号的变化情况. 使用：ｙ(t1）＝0。３93y（∞）， ｙ（t2ｙ（∞) 时间常数T=2（t２—ｔ１），纯滞后时间：=2t１-t２ 2． 单回路控制系统

单回路控制系统的参数整定，对PID控制器来说，一般是指控制器的比例度δ，积分时间Ti和微分时间Ｔd的设定。系统整定的性能指标常以动态响应的衰减比Ｎ=４：1-——10：1作为主要指标．在满足衰减比的条件下，还要尽量减少余差(静态偏差）C、最大偏差（动态偏差）Ｂ、过渡过程时间等。

衰减比例度法要求同学在做实验时边做实验边看曲线边调参数。这样可大大缩短实验时间。

单回路控制系统的投运要先设置好控制器的正反作用和P、I、Ｄ参数;按无扰动切换的要求将控制器从手动切入自动.

一阶、二阶单回路控制系统的投运与参数整定及干扰加入不同位置对调节质量的影响,同学可以结合理论知识思考一下，以便实验时有更深刻的认识。 (1) 流量单回路控制系统

流量单回路控制是典型的快过程，且往往具有噪音，对这种过程应采用PI调节,而且比例度δ要大，积分时间Tｉ可以稍微小些.

流量单回路控制系统的原理框图、面板接线图已经给出，同学也可以自行设计。 （2） 一阶温度、二阶温度单回路控制系统 先前,在测定温度对象动态特性的时候，已经获悉，内炉温度是加热器直接导热,故内温为一阶温度对象；外炉温度是加热器导热给内炉液体后，通过液体、容器壁传到外炉


液体中的,故外温为二阶温度对象。

显然，在一阶温度单回路控制系统中，内炉进水流量F１是一阶温度对象的干扰信号,而外炉进水流量Ｆ2则可以忽略不计.

而在二阶温度单回路控制系统中,内炉进水流量F１和外炉进水流量Ｆ2都是二阶温度对象的干扰信号.

流量单回路控制系统的原理框图、面板接线图已经给出，同学也可以自行设计。 3． 串级控制系统 (1） 参数整定

串级控制系统参数整定有两步整定法、一步整定法。一步整定法较两步整定法而言，整定准确性略低，但不太费时,方法更简单. 串级一步整定法：

１) 由副变量类型确定一个合适的副控制器放大系数KC2、比例度δ2，按纯比例作用设置在副控制器上；

副变量 ﻩ放大系数KC２ﻩﻩ比例度δ２

压力ﻩﻩﻩ１.6 —-— 5。0ﻩﻩ６０% -－— 20%

温度1ﻩﻩﻩ.４ ——— 3。0 ﻩ７０％ ——- ３０% 流量 ﻩﻩ１．2５ —-— 2。5 ﻩ80% —-— 40％ 液位1ﻩﻩﻩ。２５ -－- 5．080ﻩﻩ% —-— 20％

２） 将串级控制系统投入，然后按单回路参数整定方法，整定主控参数,根据Ｋ值匹配原理，适当调整控制器参数，直到主变量控制质量最好。

3) 如果整定过程中,出现“共振",只需增大δ1、δ２之一就可消除。若共振过于剧烈,可以先手控,待系统稳定后,切换到自控，重新整定。 （2) 系统的投运

和单回路控制系统的投运要求一样,串级控制系统的投运过程也必须保证无扰动切换，并按先副回路后主回路的投运方式。具体步骤为:

1） 将主控制器的内给定ＳP1设置为希望值，将主。副控制器设定一个大致的PI值； ２) 将主。控制器都置手动位置;

３） 将副控制器手动操纵，使主被控量(看主控制器的PV1）至希望值,待稳定后做下一步；

4) 将主控制器手动操纵，使主控制器输出ＯUＴ1等于副控制器的给定SP2; 5） 将副控制器从手动切换到自动; 6) 将主控制器从手动切换到自动. ４。 比值控制系统

下面都以双闭环比值控制系统为前提。 （1) 参数整定

1） 根据工艺要求的两个流量的比值K，折算比值系数K’，现场整定时,投运K’,并适当调整；

2） 积分时间Tｉ置于最大，由大到小改变比例度P,直到系统处于振荡与不振荡的临界状态为止；

3） 若有积分作用，则在适当放宽比例度(约2０%）的情况下，缓慢减小积分时间Ｔｉ,直到出现振荡与不振荡的临界过程或微振荡过程为止。

4) 双闭环比值控制系统的主流量回路按照单回路整定。副流量回路是个随动系统，即上述“三步曲"。

（2) 比值控制系统的实施：


1） 比值系数的折算

Q

16mA4mAﻩﻩ Qmax

(I4mA)Qmax

对应当前流量：ﻩ ﻩQ

16mAQ(I4mA)Q2max

工艺要求流量比值： ﻩﻩK22

Q1(I14mA)Q1max

I4mAQ

折算成仪表的比值系数： ﻩK'2K2max

I14mAQ1max

２) 实施方案 A. 相乘方案

Q２=K×Q１，即Ｑ2流量控制器的设定值为Ｑ１的测量值和K对应的比值系数K'． B。 相除方案

Q２=Ｑ1/K,即Ｑ2流量控制器的设定值为Q１的测量值和K对应的比值系数Ｋ＇. 根据上述方法,自行设计方案。 5. 计算机控制

本实验系统采用工控软件MＣGS实现计算机控制，计算机通过A/D、D/A卡与控制面板上的“计算机接口”相连.这套实验系统，可以实现3路模拟信号输入，4路模拟信号输出.实验时打开MCGS软件，在用户窗口中选择相应的实验窗口，按软件界面接线图接线，打开水泵,点击进入运行环境，即可通过计算机监控现场对象。同时，也可以通过菜单改变PＩＤ参数，观测实时曲线的相应变化. 实验软件使用说明:

1。 打开自动控制实验（xx）控制。ｍcg,可以在这个程序中进行仪表控制的显示，以及液位流量（或温度流量或压力流量)系统的仿真。 2。 在“实验课题”中选择要做的实验。

(1) 做《仪表控制》实验时,在实验界面显示后，相关的动画模块会和仪表的数据同步. (２） 做《计算机仿真》实验时，在实验界面显示后,动画模块不会变化，要按实际的步骤操作,先按实验要求点击打开指定开关，动画模块会按PID计算的结果变化.

ＰID参数可以在“ PIＤ参数设置”中设定，并通过“历史曲线”菜单形象的观察实验进行情况.

（３)． 做《计算机控制》实验时，打开单回路控制.ｍｃg、串级控制。mcｇ、比值控制．ｍcg，可以在程序中进行计算机控制及其数据显示。选定了实验后,计算机就开始控制，动画模块会随计算机所得数据变化。PＩD参数可以在“PIＤ参数设置”中设定，并同时可以通过“历史曲线＂观察实验进行情况。

4. 打开特性测试。mｃｇ，可以进行《计算机控制温度对象动态特性测试》《计算机控制流量对象动态特性测试》实验。 5。 参考参数 ﻩﻩ P1ﻩI１ﻩＤ1ﻩＳＰ1ﻩﻩP2Ｉ２ﻩＤ2 一阶温度单回路3ﻩ０ﻩ１0 0ﻩ２５～3０ﻩ -—－－—-ﻩ－-- 二阶温度单回路ﻩ３02ﻩ0ﻩ10ﻩ５～３0ﻩﻩ－—-ﻩ———ﻩ-—- 温度串级ﻩ50ﻩ１520ﻩ0ﻩ～３０0ﻩ0ﻩ50ﻩﻩ 温度流量串级5ﻩ０ﻩ15ﻩ０ 20~30９０ﻩ０0ﻩ ﻬ

df1

ﻬ SP+ 主、副流量对应输出电流:I

1

+ － PV1

控制器1 C1

电气转换器

1

气动阀1 V1

+



内流量 F1



流量传感器

1




SP

SP2

一、实验目的:控制器 1 + + 1 控制器2 F1 T1 电气转换

+ 1。 掌握控制对象［压力］动态特性测试的方法； C1 C2 器1 + V1

2． 熟悉单回路控制系统的组成，投运及调节器的参数整定; － －

３． 熟悉串级控制系统的组成，投运及调节器的参数整定； PVPV流量传感器1

2 FT1 4。 1 掌握P，Ｉ，D参数对系统性能的影响。

二、实验内容:

温度传感器1 1． 对象特性测试;（一阶,二阶)

TT1

2。 压力单回路控制;(一阶，二阶）



3． 压力串级控制。

图2-4：温度—流量串级控制系统原理框图 三、实验用图： 图３-1：单回路控制系统接线图

图３—2：串级控制系统接线图 四、实验预备知识:

1。 了解差压变送器的工作原理,搞清它是如何测量压力； ２． 了解电动调节阀工作原理及如何操作；

３． 了解调节器的工作原理，掌握它的接线及操作方法; 五、实验预习要求： df1 1。 实验前; + SP,应了解实验装置,熟悉面板接线端子的布置，做好预习准备

+ 1 ２。 根据每个实验的要求和对应实验装置的面板接线示意图，完成“实验与步骤”中控制器1 气动阀1 电气转换器内流量

+ C1 V1 1 F1 各种实验的原理框图，进行实验时，即以此为依据；

３． 简要写出每个实验的操作步骤，特别是对不同的实验，调节器应如何设置。 －

PV注：做实验时带上实验预习报告。 流量传感器1 比值

1 FT1 ×K 六、实验装置：器



df2 压力控制系统实验装置原理附图三所示。本装置是由二个压力容器对象组成,可+ SP以根据需要构成不同阶（1~2阶）的被控对象.压缩空气经过二路进入压力容器中，经过+ 2 控制器2 气动阀2 电气转换器内流量

二个流量调节阀，在单回路控制过程中，可以把一路作为主回路，另一路作为干扰回路。+ C2 V2 2 F2 本装置调节采用线性的理想特性，构成的控制系统为线性控制系统。 －

七、实验仪器： PV流量传感器2

2 本装置配置有下列仪表: FT2

1。 主、副调节器：SＷP-S8０型数字调节器

其PID参数范围：Ｐ：全量程；ﻩﻩＩ:1～1999秒； ﻩD:1~19９９秒;

图2-5：流量比值控制系统原理框图

2。 压力变送器:2台 DBYＧ—300Ａ压力变送器

3. 调节阀：2台ZＭＡP－100B小流量调节阀 ，气关式. 4． 电气转换器:２台QZＤ—１000电气转换器 ５。 减压器：3台QFH—２２1型空气过滤减压器 6。 ２4VDC电源

所有仪表所需的接线端子都全部拉到接线板上，也就是面板上的接线端子都是跟仪表的对应接线端子相并联的，所以可以直接在接线板上通过合理的连线组成所需要的控制系统.面板接线见图1－2. 八、实验报告的内容: 1。 实验目的;

2。 实验装置原理图;

实验三ﻩﻩ压力过程控制系统 +

df1


3。 控制系统的原理框图和实验接线图； 4. 实验步骤包括系统投运和参数整定位; 5。 实验结果与分析 具体要求：

1． 对每个实验小组来说应附一份实际的实验记录曲线；

２。 对系统特性测试除了记录加阶跃信号后的响应曲线外,还应要求求出对象的时间常数T。放大系数K和滞后时间τ.

3. 单回路控制实验要求写出整定参数。记录并分析加扰动后的过程曲线,并求出衰减比N，余差C。超调量B.最大偏差A。过渡时间ＴS和工作周期Ｔ.

４。 串级控制实验要写出整定参数,记录加扰动的过程曲线，求出衰减比N.余差C．最大偏差A．超调量B．过渡时间TＳ和工作周期Ｔ，并分析干扰加入位置对控制质量的影响，调节器参数对调节质量的影响以及比较单回路控制和串级控制系统在相同干扰下对调节质量的影响. 5． 心得体会. 九、注意事项

１． 接线前,必须先熟悉各仪表的连线和使用，了解控制装置的组成和原理； 2． 必须在断电的情况下进行联线或拆线; ３。 搞清楚是电流信号还是电压信号。是串联联接还是并联联接，正负极性不要搞错； 4. 严禁电源短接，正负极性不要接反；

5。 连线完毕后，应仔细检查，再由指导教师确认后再通电。 十、 故障排除

同液位流量控制系统的要求。 十一、实验原理与步骤

1。 压力对象动态特性测试实验

一阶压力对象动态特性的测试实验用压力容器１作为被测对象，而二阶对象实验用压力容器2作为被测对象.

采用阶跃响应曲线进行测试,先将系统调至稳态，然后在控制对象的输入端施加一个阶跃信号，记录控制对象输出变化的过程。实验时通过仪表手动操作，将供气调节阀V1从全关变到某个开度,如加一个３0％的阶跃信号，记录压力输出的变化。

当系统达到另一个稳定状态时，在计算机上显示两个压力的曲线，然后根据以给定的对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。

K

G(s)es

(Ts1)设传递函数为： 对象的时间函数为:y(t)KA(1e)

当对象阶跃响应稳态值是ｙ(∞）时,求得对象的放大倍数K=y（∞）/A。用两点法在响应曲线ｙ（t）上选取两点ｙ（t1）和y（t2)． 设：ｙ（t1）=0．2８4y（∞）， y（t２)=0。６32y(∞）。然后分别求出对应的时间，代入下面两个关系式，求出时间常数T和纯滞后时间:T=３（t２ –ｔ１)/2，＝（3t1-t2）/2。输入输出单位为百分比.

dFdF

２。 单回路定值控制 1 2 SP 1 2＃压力罐压力单回路控制系统方块图如图3—１所示，调节阀Ｖ1为气关式，+ +

控制器压力调节阀 压力

+ + 比例度为+ 压力调节器为正作用，２＃压力罐压力设定值为４5Kpa,6０%、积分时间ＴＩ1 V1 P2

－ PV1

C1

压力变送器

2 PT2

图3-1：压力二阶单回路控制系统原理框图

tT






＝40Ｓ、微分时间TD=0,干扰可从二个位置加入，其调节阀Ｖ２开度可手操设定为６0%.观察控制过程，等系统稳定后加干扰信号，并继续观察系统控制过程，直至系统重新稳定。干扰可多次加入或切除,仔细观察每次系统控制过程,记录实验曲线并加以分析。 注：求Ｋ，T，τ的计算方法参照压力对象动态特性测试. 单回路控制系统的设运要先设定好调节器的正反作用和P,I，D参数;按无扰动切换的要求将调节器切入自动。

一～二阶单回路控制系统的干扰加入不同位置对调节质量的影响，由实验者自己设计实验步骤. 3. 串级控制系统

２＃罐与１#罐的串级控制系统方块图如图3—2所示。实验时，调节阀V1为气关式；主调节器Ｃ１置自动、反作用、内给定SV=45％、比例度P=３５%、积分时间Ｔ1＝30S、微分时间TD=０；副调节器C2置自动、正作用、外给定、比例度Ｐ=60％、积分时间Ｔi＝０S、微分时间ＴD=０；调节阀V2开度为６0%。

观察控制过程，等系统稳定后加干扰信号,并继续观察系统控制过程，直至系统重新稳定．干扰可多次加入或切除，仔细观察每次系统控制过程，记录实验曲线并加以分析。 dFdF

1 2 SP 这里特别要注意的是主调节器采用的是反作用，副调节器采用正作用，正好与前SP2

+ + 1 + 单回路控制系统相反。为了保证安全,这里把调节器1，２设定为正作用，调节器V P1 P2 3设定控制器控制器

+ + + 1 2 ,调节器２为反作用,在单回路控制系统中，调节器1为主调节器，调节器２为副调节器

C1 C2

－ ;在串级控制系统中把调节器－ 加干扰3作为主调节器,调节器２，１作为副调节器. PVPVPT1 (1） 串级控制系统的设运 1 2

和单回路控制系统的投运要求一样,串级控制系统的投运过程也必须保证无扰动切换,并按先副回路后主回路的投运方式。具体步骤为：

PT2 Ａ。 将主调节器的内给定SV1设置为希望值,将主、副调节器设定一个大致的PＩ值；

B。 将主、副调节器都置手动位置；

C. 将副调节器手动操纵使主被控量HA（看主调节器的PV1）至希望值,待稳定

图3-2：一阶压力—二阶压力串级控制系统原理框图

后做下一步；



D． 将主调节器手动操纵使主调节器输出PV1等于副调节器的给定SV2值； Ｅ。 将副调节器从手动切换到自动； F. 将主调节器从手动切换到自动. （2）参数整定

串级控制系统参数整定用先副后主的方式．副回路整定要求较低，一般可用单回路及整定表来设置参数。对压力对象的副回路只设置比例调节作用,控制作用可整定得偏强一些(相应的衰减比可略小于4：1)整定主调节器的方法与单回路控制时相同. ５． 计算机控制

本实验采用工控软件ＭCGS来实现计算机控制。 实验软件使用说明：

1。 打开自动控制实验(xx）控制．mcg，可以在这个程序中进行仪表控制的显示,以及液位流量(或温度流量或压力流量）系统的仿真。 ２。 在“实验课题"中选择要做的实验.

（１) 做《仪表控制》实验时，在实验界面显示后，相关的动画模块会和仪表的数据同步.

（２) 做《计算机仿真》实验时，在实验界面显示后，动画模块不会变化，要按实际的


步骤操作，先按实验要求点击打开指定开关,动画模块会按PID计算的结果变化.

PID参数可以在“ PID参数设置”中设定，并通过“历史曲线"菜单形象的观察实验进行情况。

(３）. 做《计算机控制》实验时，打开单回路控制。ｍｃg、串级控制.mｃｇ,可以在程序中进行计算机控制及其数据显示.选定了实验后，计算机就开始控制,动画模块会随计算机所得数据变化。ＰIＤ参数可以在“PＩＤ参数设置"中设定,并同时可以通过“历史曲线”观察实验进行情况。

4． 打开特性测试。ｍcg,可以进行《计算机控制压力对象动态特性测试》实验. 5。 参考参数

ﻩﻩﻩＰ1I1ﻩＤ1ﻩSPﻩﻩP２I2ﻩD2

一阶压力单回路ﻩ20ﻩ１５ﻩ0ﻩ４0～５０ﻩﻩ——-ﻩ—-－－-— 二阶压力单回路ﻩ２01ﻩ５ﻩ０4ﻩ０~５0ﻩﻩ——-ﻩ—－-ﻩ－-－ 压力串级1ﻩ30ﻩ０0ﻩ４0～50ﻩ 30ﻩ10ﻩ0 注：《一阶压力单回路》必须给气动阀2赋初值=０。使其关闭。 ﻬ

附录ﻩﻩDDC操作概述 一、调节器面板

ﻬ名称

显 示 器 操 作 键 操 作 键

测量值ＰＶ 显示器

内容

PV显示器

。 显示实时测量值

。 在参数设定状态下， 显示参数符号 . 显示控制目标值或输出量的百分比。

目标值ＳV 显示器

． 外给定控制时,显示外给定值

（外给定值显示器）

。 在参数设定状态下，显示设定参数值 . 可以确认已变更的设定值

． 可以按序变换参数设定模式

参数设定选择键 ． 配合键可以实现自动／手动控制输出的切换

。 变更设定时， 用于减少数值

. 配合键可实现自动/手动控制输出的切换

. 变更设定时， 用于增加数值

。 配合键可进入仪表二级参数设定

复位 （ ＲESET ) 键 。 用于程序清零

二、操作方式

１。 正确的接线 ２. 仪表的上电

本仪表无电源开关, 接入电源即进入工作状态. 3． 仪表设备号及版本号的显示

仪表在投入电源后，可立即确认仪表设备号及版本号.３秒种后，仪表自动转入工作状态，PV显示测量值，SＶ显示控制目标值或输出量的百分比.如要求再次自检,可按一下面板右下方的复位键,仪表将重新进入自检状态.

例:ＳWＰ系列ＰIＤ自整定控制仪,输入４~２0ｍA,（量程０～1００．0），控制目标值8０。0，开机状态如下：


三、一级参数设定

１。 控制参数的种类：

按压 SET 键 , 仪表将转入控制参数设定状 在仪表 ＰV 测量值显示状态下，

态。每按ＳET键即照下列顺序变换参数（一次巡回后随即回至最初项目)。退出时按住SEＴ 键4秒后即可退出。

主要参数设定和各参数列示如表：

设定范围出厂

ﻬ符号 名称 说明

(字） 预定值 CＬK=0０ CＬＫ≠０

。无禁锁 （可修改一、二级参数).

０或

设定参数 ．禁 锁 （设定参数不可修改）。

CＬＫ 132，１30 00

.可进入修改仪表日期及时间。 禁 锁

ＣＬK ＝1

．无禁锁（可进入修改三级参数设定）。

３0 CLK＝13２

P 比例带 全量程 ．显示程序比例带的设定值。 ５0

.显示程序积分时间的设定值。

Ｉ 积分时间 1～1９99秒 ２００

.解除比例控制所产生的残留偏差。 .显示程序微分时间的设定值.

D 微分时间 1～１999秒 ．预测输出的变化，防止扰动,提高控制１0

的稳定性。

积 分

AT 全量程 。可有效的防止积分饱和。 ２00

分离区

AＴU=0— 。关— 手动设定ＰID参数值 。

自动演算 关 。开- 自动演算(自整定）。

AUT 0

（自整定) ATU=1－ 注：自动演算完毕后，可手动修改设定

开 参数。

2。 控制目标值SV的设定：在PV显示测量值,SV显示控制目标值的状态下，按住ＳＥT键不放，4秒钟后,即进入控制目标值ＳＶ的设定状态。 符号 名称 设定范围(字) 说明 出厂预定值 SV 控制目标值 .显示控制目标值的设定值。 全量程 ５0或50。0

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