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1、第二节 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。5掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。二、实验设备（同前）三、实验原理图3-6 中水箱单容液位定值控制系统(a)结构图 (b)方框图本实验系统结构图和方框图如图3-6所示。被控量为中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT2检测到的中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
2、制电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。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、实验内容与步骤本实验选择中水箱作为被控对象。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度，其余阀门均关闭。具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。（一）、智能仪表控制1将“SA-12智能调节仪控制”挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器
3、连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。图3-7 智能仪表控制单容液位定值控制实验接线图2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相、单相空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。3打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制系统”，进入实验三的监控界面。4在上位机监控界面中点击“启动仪表”。将智能仪表设置为“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。5合上三相电源空气开关，
4、磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使中水箱的液位平衡于设定值。6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。7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）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面三种仅供参考）（2）将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；（3）将下水箱进水阀F1-8开至适当开度；（改变负载）（4）接上变频器电源，并将变频器输出接至磁力泵，然后打开阀门F2-1、F2-4，用变
5、频器支路以较小频率给中水箱打水。以上几种干扰均要求扰动量为控制量的515，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（采用后面三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3-8所示。图3-8 单容水箱液位的阶跃响应曲线8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响应曲线。9分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤48，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。（二）、远程数据采集控制1将“SA-22远程数据采集模拟
6、量输出模块”、“SA-23远程数据采集模拟量输入模块”挂件挂到屏上，并将挂件上的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。图3-9 远程数据采集控制单容液位定值控制实验接线图2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给智能采集模块及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相空气开关，给电动调节阀上电。3打开上位机MCGS组态环境，打开“远程数据采集系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制”，进
7、入实验三的监控界面。4以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤49。（三）、DCS分布式控制1按照第一章图1-6用网线和交换机连接操作员站（网卡IP设为128.0.0.2）和服务器（A网卡IP设为128.0.0.1），以及服务器（B网卡设为168.0.0.1）和主控单元，将“SA-31 FM148现场总线远程I/O模块”、“SA-33 FM151现场总线远程I/O模块”挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内Profibus-DP总线接口上，将控制屏左侧Profibus-DP总线连接到主控单元DP口，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置
8、。图3-10 DCS分布式控制单容液位定值控制实验接线图2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给现场总线I/O模块及压力变送器上电，打开主控单元电源。启动服务器程序，在工程师站的组态中选择“单回路控制系统”工程进行编译下装，再重启服务器程序。3启动操作员站，打开主菜单，点击“实验三、单容液位定值控制”，进入实验三的监控界面。在流程图的液位测量值上点击左键，弹出PID窗口，可进行相关参数的设置。4按下启动按钮，合上单相空气开关，给电动调节阀上电。5以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤59。（四）、S7-200PLC控制1将SA-42 S7-200PLC控制挂件挂到屏上，并
9、用PC/PPI通讯电缆线将S7-200PLC连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。图3-11 S7-200PLC控制单容液位定值控制实验接线图2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相、空气开关，给S7-200PLC及电动调节阀上电。3打开Step 7-Micro/WIN 32软件，并打开“S7-200PLC”程序进行下载，然后将S7-200PLC置于运行状态，然后运行MCGS组态环境，打开“S7-200PLC控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、
10、单容液位定值控制”，进入实验三的监控界面。4以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤49。（五）、S7-300PLC控制1将挂件SA-41 S7-300PLC控制挂件挂到屏上，并用MPI通讯电缆线将S7-300PLC连接到计算机CP5611专用网卡，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。图3-12 S7-300PLC控制单容液位定值控制实验接线图2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给S7-300PLC及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相空气开关，给电动调节阀上电。3打开Step 7软件，打开“S7-300”程序进行下载
11、，然后将S7-300PLC置于运行状态，然后运行WinCC组态软件，打开“S7-300PLC控制系统”工程，然后激活WinCC运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制”，进入实验三的监控界面。4以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤49。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。6综合分析五种控制方案的实验效果。六、思考题1如果采用下水箱做实验，其响
12、应曲线与中水箱的曲线有什么异同？并分析差异原因。2改变比例度和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？第三节 双容水箱液位定值控制系统一、实验目的1通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。2掌握双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掌握双容液位定值控制系统采用不同控制方案的实现过程。二、实验设备（同前）三、实验原理本实验以中水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定
13、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。本实验系统结构图和方框图如图3-13所示。图3-13 双容液位定值控制系统(a)结构图 (b)方框图四、实验内容与步骤本实验选择中水箱和下水箱串联作为双容对象（也可选择上水箱和中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。具体实
14、验内容与步骤可根据本实验的目的与原理参照前一节单容液位定值控制中的相应方案进行。实验的接线与第二章第一节单容对象特性测试的接线图完全一样。值得注意的是手自动切换的时间为：当中水箱液位基本稳定不变（一般约为35cm）且下水箱的液位趋于给定值时切换为最佳。五、实验报告要求1画出双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验系统的作用。6综合分析五种控制方案的实验效果。六、思考题1如果采用上水箱和中水箱做实验，其响应曲线与本实验的曲线有什么异同？并分析差异原因。2改变比例度和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？3为什么本实验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，在本实验中调节器的比例度和积分时间常数要怎么设置？
