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1、过程控制综合实验前 言n n本实验课件是针对电气学院PCS-B型过程控制实验台编写的，适用于本学院的化工过程控制工程、过程控制工程等课程的实验教学，为自动化专业和测控专业单独开课的综合大实验。实验内容包括了温度、压力、流量、液位四大测量元素，由于实验课时所限，本讲义仅列出液位和温度实验。根据实验教学大纲的要求，共20学时。n n过程控制综合实验是学习研究过程控制理论的重过程控制综合实验是学习研究过程控制理论的重要环节。实验让学生先从系统的特性测试开始，要环节。实验让学生先从系统的特性测试开始，再组成闭环控制。从一阶对象到二阶对象；从简再组成闭环控制。从一阶对象到二阶对象；从简单控制系统，到复杂
2、控制系统，分别通过实验对单控制系统，到复杂控制系统，分别通过实验对控制系统的特性和参数整定、系统调试各个方面控制系统的特性和参数整定、系统调试各个方面进行了操作，用实验的方法，通过对输入输出测进行了操作，用实验的方法，通过对输入输出测取，根据规律推算出数学模型，得到各个参数，取，根据规律推算出数学模型，得到各个参数，用工程的方法，对系统进行反复调试，达到控制用工程的方法，对系统进行反复调试，达到控制要求，巩固所学的知识。其目的在于通过实验验要求，巩固所学的知识。其目的在于通过实验验证和研究过程控制理论，使学生掌握过程控制实证和研究过程控制理论，使学生掌握过程控制实验的方法和基本技能，培养学生严
3、肃认真、实是验的方法和基本技能，培养学生严肃认真、实是求是的科学作风，使得理论联系实际。求是的科学作风，使得理论联系实际。设备简介 n n1 1、控制单元有变频器控制单元、控制单元有变频器控制单元、PSCPSC智能调节仪、智能调节仪、DDCDDC控制单元、控制单元、PLCPLC控制单元。控制单元。n n2 2、操作台中间部位有交流电接线端子，提供控制、操作台中间部位有交流电接线端子，提供控制单元所需交流电，控制单元上的单元所需交流电，控制单元上的RS485RS485通讯口连接。通讯口连接。n n3 3、操作台信号板各个信号接入实验系统时，相应、操作台信号板各个信号接入实验系统时，相应的信号开关
4、要打开。控制板上各个控制元件开关的信号开关要打开。控制板上各个控制元件开关在相应的实验中打开。实验前要熟悉设备水路图，在相应的实验中打开。实验前要熟悉设备水路图，对应设备找到每个阀门及控制元件。设备提供对应设备找到每个阀门及控制元件。设备提供24V24V直流电压可直接使用，电流表根据需要接入系统。直流电压可直接使用，电流表根据需要接入系统。注意事项 n n1、电源极性要看清，接线要认真。本实验中有强电部分，要注意安全。n n2、连接线用完后，及时插入专用插线板。本组实验用品勿与他组混用。每个实验完毕后清点实验用品，清理杂物。n n3、与本实验无关的控制元件不能乱操作，损坏后赔偿。n n4、不得
5、改变计算机设置，实验过程中，不得玩游戏，发现后取消成绩。n n5、实验要耐心，每台设备参数各不同，不要互相抄袭。n n6、每天不定时点名，一次缺席，两次迟到取消成绩，有事请假。实 验 目 录n n实验一 上水箱特性测试实验n n实验二 上下水箱双容特性测试实验n n实验三 电动调节阀流量特性测试实验 n n实验四 电动阀单容液位控制n n实验五 上下水箱双容液位控制 n n实验六 上下水箱液位串级控制实验一上水箱单容特性测试实验 实验目的n n所谓对象特性就是指对象在输入的作用下，其输所谓对象特性就是指对象在输入的作用下，其输出的变量即被控的变量随时间变化的特性。出的变量即被控的变量随时间变化
6、的特性。n n对象特性测试实验的目的就是通过实验掌握对象对象特性测试实验的目的就是通过实验掌握对象特性曲线的测量方法。测量时应注意的问题，对特性曲线的测量方法。测量时应注意的问题，对象模型参数的求取。象模型参数的求取。n n液位装置中的液位对象是自衡对象，单独的水槽液位装置中的液位对象是自衡对象，单独的水槽是一阶对象，上水槽与下水槽可以组成二阶对象。是一阶对象，上水槽与下水槽可以组成二阶对象。实验原理n n 一阶对象传递函数的求取方法n n一阶对象一阶对象 n n加阶跃加阶跃X Xn n在在0.6320.632稳态处求取时间常数稳态处求取时间常数n n实验仪器 PCS-B型综合实验装置 n n
7、过控实验设备n n电动调节阀n n上下水箱n n输入输出模块n n计算机控制系统增压泵增压泵计计算算机机LT上水箱上水箱下水箱下水箱电动阀电动阀1V11V10V4V5储水箱储水箱液位变送器液位变送器液位变送器液位变送器实验原理图上水箱单容特性测试实验接线图实验步骤n n附图上水箱单容特性测试实验接线图接好实验导线和通讯线，模拟量输出通道要串入直流电流表。n n将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。 n n将手动阀门1V1、1V10、V4、V5打开，其余阀门全部关闭。 n n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。 n n在控制板上
8、打开水泵1、电动调节阀。 n n在信号板上打开电动调节阀输入信号、上水箱输出信号。 n n打开计算机上的 MCGS运行环境，选择系统管理菜单中的用户登录，登录用户。 n n选择特性实验的上水箱单容特性实验。n n选择手动控制方式。参数设置中设量程为0-50，阀门开度可设范围为0-100%。n n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。 n n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，记录电流值和液位。n n观察计算机上的实时曲线和历史曲线，直至达到
9、新的平衡为止。 n n将阀门开度设置回原来的值，记录一条液位下降的曲线。 n n在控制过程中，观察液位变化和电流值、阀门开度的关系。 n n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。n n阶跃响应曲线数据处理记录表如下 参数值参数值测量情况测量情况 低液位低液位 高液位高液位 K1 K1 T1 T1 11 K2 K2 T2 T222 正向输正向输入入 反向输反向输入入 平均值平均值实验报告n n 实验得出响应曲线n n 分析实验数据n n 得出广义传递函数实验二上下水箱双容特性测试实验 实验目的n n所谓对象特性就是指对象在输入的作用下，其输所谓对象特性就是指对象
10、在输入的作用下，其输出的变量即被控的变量随时间变化的特性。出的变量即被控的变量随时间变化的特性。n n对象特性测试实验的目的就是通过实验掌握对象对象特性测试实验的目的就是通过实验掌握对象特性曲线的测量方法。测量时应注意的问题，对特性曲线的测量方法。测量时应注意的问题，对象模型参数的求取。象模型参数的求取。n n液位装置中的液位对象是自衡对象，单独的水槽液位装置中的液位对象是自衡对象，单独的水槽是一阶对象，上水槽与下水槽可以组成二阶对象。是一阶对象，上水槽与下水槽可以组成二阶对象。实验原理n n二阶对象传递函数的求取方法二阶对象传递函数的求取方法n n二阶或高阶对象用一阶加纯滞后的方法在阶跃响二
11、阶或高阶对象用一阶加纯滞后的方法在阶跃响应的拐点（即斜率的最大处）作一切线并与时间应的拐点（即斜率的最大处）作一切线并与时间坐标轴交与坐标轴交与C C点，则点，则OCOC段的值即为纯滞后时间段的值即为纯滞后时间 ，而与而与CBCB段的值即为时间常数段的值即为时间常数T T。n n一阶加纯滞后对象 n n X X调节器输出电流的变化量调节器输出电流的变化量、mAmAn n Xmax Xmax调节器输出电流的上限值调节器输出电流的上限值、mAmAn n Xmin Xmin调节器输出电流的下限值调节器输出电流的下限值、mAmAn n Y Y液位的变化量液位的变化量、mmmmn n Ymax Ymax
12、液位的上限值液位的上限值、mmmmn n Ymin Ymin液位的下限值液位的下限值、mmmm参数的测取n n加阶跃加阶跃Xn n对于有纯滞后的一阶对象，滞后时间可直接由图中对于有纯滞后的一阶对象，滞后时间可直接由图中测量出纯滞后时间测量出纯滞后时间 n n实验仪器 PCS-B型综合实验装置型综合实验装置 n n过控总照片过控总照片n n电动调节阀照片电动调节阀照片n n上下水箱照片上下水箱照片n n输入输出模块输入输出模块n n计算机控制系统计算机控制系统实验原理图增压泵HT上水箱下水箱电动阀计算机1V1V4V51V10储水箱上下水箱双容特性测试实验接线图具体步骤n n附图上下水箱双容特性测
13、试实验接线图接好实验导线和通讯线，模拟量输出通道要串入直流电流表。n n将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。 n n将手动阀门1V1、1V10、V4、V5打开，其余阀门全部关闭。 n n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。 n n在控制板上打开水泵1、电动调节阀。 n n在信号板上打开电动调节阀输入信号、上水箱输出信号。 n n打开计算机上的 MCGS运行环境，选择系统管理菜单中的用户登录，登录用户。 n n选择特性实验的上水箱单容特性实验。n n选择手动控制方式。参数设置中设量程为050，阀门开度可设范围为0100%。n
14、n设置阀门开度值，使下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。 n n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，估计上下水箱水不要溢出），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，记录电流值和液位。n n观察计算机上的实时曲线和历史曲线，直至达到新的平衡为止。 n n将阀门开度设置回原来的值，记录一条液位下降的曲线。 n n在控制过程中，观察液位变化和电流值、阀门开度的关系。n n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。 参数值参数值测量情况测量情况 低液位低液位 高液位高液位 K1 K1 T1 T1
15、 11 K2 K2 T2 T222 正向输入正向输入 反向输入反向输入 平均值平均值实验报告n n 实验得出响应曲线n n 分析实验数据n n 得出广义传递函数实验三电动调节阀流量特性测试实验 实验目的n n了解简单过程控制系统的构成。 n n掌握简单过程控制的原理。 n n通过电动调节阀流量特性的测取,掌握电动调节阀的机械特性和流量特性及其对控制过程的影响.n n实验仪器 PCS-B型综合实验装置 n n过控总照片n n电动调节阀照片n n上下水箱照片n n输入输出模块n n计算机控制系统增压泵增压泵计计算算机机FT上水箱上水箱下水箱下水箱电动阀电动阀1V11V10V4V5储水箱储水箱液位变
16、送器液位变送器液位变送器液位变送器实验原理图电动调节阀流量特性测试实验接线图实验步骤n n按附图电动阀流量特性测试实验接线图接好实验导线和通讯线，模拟量输出通道要串入直流电流表。n n将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。 n n将手动阀门1V1、1V10、V4、V5打开，其余阀门全部关闭。 n n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。 n n在控制板上打开水泵1、电动调节阀和流量计1。 n n在信号板上打开电动调节阀输入信号、上水箱输出信号流量计1 输出信号。 n n打开计算机上的 MCGS运行环境，选择系统管理菜单中的用户登
17、录，登录用户。 n n选择特性实验的电动调节阀流量特性实验 。n n选择手动控制方式。参数设置中设量程为050，阀门开度可设范围为0100%。n n改变阀门开度给定值10、20、30100，分别记录电流表显示值和流量计的流量（调节阀的进出口压力保持不变）。 n n由电流作为横坐标、流量作为总坐标，画出特性曲线图。n n根据画出的特性曲线，判断阀体是快开特性、等百分比特性还是慢开特性。n n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。n n阶跃响应曲线数据处理记录表 开度开度流量流量0 020%20%30%30%40%40%50%50%6060% 70%70%80%8
18、0%90%90%100%100%实验报告 实验得出响应曲线实验得出响应曲线 绘制电动调节阀特性曲线绘制电动调节阀特性曲线分析实验数据析实验数据实验报告n n实验报告n n分析实验数据n n绘制电动调节阀特性曲线分析实验数据 实验四电动调节阀单容液位控制实验 实验目的n n了解简单过程控制系统的构成。了解简单过程控制系统的构成。 n n掌握简单过程控制的原理。掌握简单过程控制的原理。 n n通过实验熟悉了解简单回路的参数调节过程通过实验熟悉了解简单回路的参数调节过程, ,掌握参数整定方法掌握参数整定方法(4:1(4:1衰减曲线衰减曲线) )。控制要求n n超调量超调量20%n n调节时间调节时间
19、Ts3Tn n余差余差c5%。 实验原理n n采用计算机控制采用计算机控制, ,将液位控制在设定高度。将液位控制在设定高度。上水箱液位信号输出给计算机上水箱液位信号输出给计算机, ,计算机将设计算机将设定值与测量值进行比较得到偏差信号定值与测量值进行比较得到偏差信号, ,根据根据P P、I I、D D参数进行参数进行PIDPID运算，输出信号给电运算，输出信号给电动调节阀，然后由电动调节阀控制水泵动调节阀，然后由电动调节阀控制水泵1 1供供水系统的进水流量，从而达到控制液位基水系统的进水流量，从而达到控制液位基本恒定的目的。本恒定的目的。单容水箱液位过程控制方块原理图 计算机计算机 电动阀电动
20、阀 上水箱上水箱 液位变送器液位变送器液位设定值扰动增压泵增压泵计计算算机机LT上水箱上水箱下水箱下水箱电动阀电动阀1V11V10V4V5储水箱储水箱实验流程图液位变送器液位变送器液位变送器液位变送器单容液位控制实验接线图返回返回n n按单容液位控制实验接线图接好实验导线。按单容液位控制实验接线图接好实验导线。按单容液位控制实验接线图接好实验导线。按单容液位控制实验接线图接好实验导线。n n将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。位机连接。位机连接。
21、位机连接。n n将手动阀门将手动阀门将手动阀门将手动阀门1V11V11V11V1、1V101V101V101V10、V4V4V4V4、V5V5V5V5打开，其余阀门全部打开，其余阀门全部打开，其余阀门全部打开，其余阀门全部关闭。关闭。关闭。关闭。n n先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开总电源，再打开总电源，再打开总电源，再打开DDCDDCDDCDDC控制单元电源。控制单元电源。控制单元电源。控制单元电源。 实验步骤n n在控制板上打开水泵在
22、控制板上打开水泵在控制板上打开水泵在控制板上打开水泵1 1 1 1、电动调节阀。、电动调节阀。、电动调节阀。、电动调节阀。n n在信号板上打开电动调节阀输入信号、上水箱输出信号。在信号板上打开电动调节阀输入信号、上水箱输出信号。在信号板上打开电动调节阀输入信号、上水箱输出信号。在信号板上打开电动调节阀输入信号、上水箱输出信号。n n打开计算机上的打开计算机上的打开计算机上的打开计算机上的 MCGS MCGS MCGS MCGS运行环境，选择系统管理菜单中运行环境，选择系统管理菜单中运行环境，选择系统管理菜单中运行环境，选择系统管理菜单中的用户登录，登录用户。的用户登录，登录用户。的用户登录，登
23、录用户。的用户登录，登录用户。n n选择单回路控制实验的电动调节阀单容液位控制实验。选择单回路控制实验的电动调节阀单容液位控制实验。选择单回路控制实验的电动调节阀单容液位控制实验。选择单回路控制实验的电动调节阀单容液位控制实验。n n首先在纯比例状态下整定系统，首先在纯比例状态下整定系统，首先在纯比例状态下整定系统，首先在纯比例状态下整定系统，KcKcKcKc由小到大，此时由小到大，此时由小到大，此时由小到大，此时TiTiTiTi、TdTdTdTd置置置置0 0 0 0，调整，调整，调整，调整KcKcKcKc值，直到最好效果，记录此值，直到最好效果，记录此值，直到最好效果，记录此值，直到最好效
24、果，记录此KcKcKcKc值。值。值。值。n n在在在在PIPIPIPI状态下整定系统，在纯状态下整定系统，在纯状态下整定系统，在纯状态下整定系统，在纯P P P P控制结束情况下，控制结束情况下，控制结束情况下，控制结束情况下，TiTiTiTi由由由由大到小变化，加入积分作用，调整大到小变化，加入积分作用，调整大到小变化，加入积分作用，调整大到小变化，加入积分作用，调整KcKcKcKc值，整定好系值，整定好系值，整定好系值，整定好系统，记录参数，比较两种控制结果，分析比例、积统，记录参数，比较两种控制结果，分析比例、积统，记录参数，比较两种控制结果，分析比例、积统，记录参数，比较两种控制结果
25、，分析比例、积分对系统的影响，记录曲线。分对系统的影响，记录曲线。分对系统的影响，记录曲线。分对系统的影响，记录曲线。n n整定参数值的计算，按照实验一得到的参数查表，整定参数值的计算，按照实验一得到的参数查表，整定参数值的计算，按照实验一得到的参数查表，整定参数值的计算，按照实验一得到的参数查表，计算后得出计算后得出计算后得出计算后得出P P P P、I I I I、D D D D参数输入计算机中。参数输入计算机中。参数输入计算机中。参数输入计算机中。 衰减率衰减率整定参数整定参数调节规律调节规律 （） Ti Ti TdTd0.750.75 P P s s PI PI 1.2s 1.2s 0
26、.5Ts 0.5Ts PID PID 0.8s 0.8s 0.3Ts 0.3Ts 0.1Ts 0.1Ts n n选择计算机控制方式。待系统稳定后，观察过选择计算机控制方式。待系统稳定后，观察过渡过程曲线是否符合要求。若不满足要求调整渡过程曲线是否符合要求。若不满足要求调整参数，直到满意为止。参数，直到满意为止。观察计算机上的实时曲观察计算机上的实时曲线和历史曲线。线和历史曲线。n n待系统稳定后，给设定值加阶跃信号，观察液待系统稳定后，给设定值加阶跃信号，观察液位变化曲线。位变化曲线。n n待系统再次稳定后，给系统加干扰信号，观察待系统再次稳定后，给系统加干扰信号，观察液位变化曲线。液位变化曲
27、线。n n得出三条符合要求的突加阶跃控制曲线得出三条符合要求的突加阶跃控制曲线n n分别得出加入扰动的控制曲线分别得出加入扰动的控制曲线n n曲线的分析处理曲线的分析处理n n对实验的记录数据分别进行分析和处理，得对实验的记录数据分别进行分析和处理，得到要求的各个控制指标，判断是否满足控制到要求的各个控制指标，判断是否满足控制要求，并分析原因。要求，并分析原因。 实验报告实验五上下水箱双容液位控制实验上下水箱双容液位控制实验 实验目的实验目的n n了解简单过程控制系统的构成。 n n掌握简单过程控制的原理。 n n掌握双容液位计算机控制方法。 n n通过实验使学生熟悉了解简单回路的参数调节过程
28、,掌握4:1参数整定方法。控制要求n n超调量20%n n调节时间Ts3Tn n余差5%。 实验原理实验原理n n本实验采用计算机控制,将（下水箱）液位控制在设定高度。通过上水箱根据下水箱信号输出给计算机,计算机根据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出水流量，控制上水箱液位，再控制下水箱液位，从而达到控制设定液位的目的。当下水箱液位平衡时，上水箱液位也达到平衡。 计算机计算机 电动阀电动阀 上水箱上水箱 液位变送器液位变送器液位设定值扰动1 下水箱下水箱扰动2单容水箱液位过程控制的方块单容水箱液位过程控制的方块原理图原理图 n n实验仪器及设备 PC
29、S-B型综合实验装置（电动调节阀、DDC控制单元、上下水箱及液位变送器、水泵1 ） 实验流程图实验流程图增压泵增压泵计计算算机机LT上水箱上水箱下水箱下水箱电动阀电动阀1V11V10V4V5储水箱储水箱液位变送器液位变送器液位变送器液位变送器实验原理图实验原理图单容液位控制实验接线图单容液位控制实验接线图实验步骤实验步骤n n按附图上下水箱双容液位控制实验接线图接好实验导线和通讯线。n n将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。n n将手动阀门1V1、1V10、V4、V5打开，其余阀门全部关闭。 n n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DDC控制单元电源。
30、n n在控制板上打开水泵1、电动调节阀。n n在信号板上打开电动调节阀输入信号、上水箱输出信号。n n打开计算机上的 MCGS运行环境，选择系统管理菜单中的用户登录，登录用户。n n选择单回路控制实验的电动阀支路单容液位控制实验。n n首先在纯比例状态下整定系统，Kc由小到大，此时Ti、Td置0，调整Kc值，直到最好效果，记录此Kc值。n n在PI状态下整定系统，在9结束情况下，Ti由大到小变化，加入积分作用，调整Kc值，整定好系统，记录参数，比较9、10结果，分析比例、积分对系统的影响，记录曲线。n n整定参数值的计算，按照实验二得到的参数查表1-2，计算后得出P、I、D参数输入计算机中。n n选择计算机控制方式。待系统稳定后，观察过渡过程曲线是否符合要求。调整参数后，再得到过渡过程曲线，直到满意。n n观察计算机上的实时曲线和历史曲线。n n待系统稳定后，给定加个阶跃信号，观察其液位变化曲线。n n再等系统稳定后，给系统加干扰信号，观察液位变化曲线。实验报告实验报告n n得出三条符合要求的突加阶跃控制曲线n n分别得出加入扰动的控制曲线n n曲线的分析处理，对实验的记录数据分别进行分析和处理，得到要求的各个控制指标，分析是否满足控制要求，并分析原因。思考题n n比较单容控制与双容控制区别和控制的难易程度，为什么?
