工業(yè)生產(chǎn)過程控制實驗報告DOC

1、®南昌大學(xué)實驗報告實驗類型：口驗證綜合口設(shè)計口創(chuàng)新 實驗日期： 實驗成績：實驗一單容自衡水箱液位特性測試實驗一、實驗?zāi)康? 掌握單容水箱的階躍響應(yīng)測試方法，并記錄相應(yīng)液位的響應(yīng)曲線；2根據(jù)實驗得到的液位階躍響應(yīng)曲線，用相應(yīng)的方法確定被測對象的特征 參數(shù)K、T和傳遞函數(shù)；3 掌握同一控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實現(xiàn)過程。二、實驗設(shè)備1 實驗對象及控制屏、SA-11掛件一個、SA-13掛件一個、SA-14掛件一個、 計算機一臺(DCS需兩臺計算機)、萬用表一個；2. SA-12掛件一個、RS485/232轉(zhuǎn)換器一個、通訊線一根；3. SA-21掛件一個、SA-22掛件一個、SA-23掛件一

2、個；4. SA-31掛件一個、SA-32掛件一個、SA-33掛件一個、主控單元一個、數(shù) 據(jù)交換器兩個，網(wǎng)線四根；5. SA-41掛件一個、CP5611專用網(wǎng)卡及網(wǎng)線；6. SA-42掛件一個、PC/PPI通訊電纜一根。三、實驗原理所謂單容指只有一個貯蓄容器。自衡是指對象在擾動作用下，其平衡位置被 破壞后，不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠其自身重新恢復(fù)平衡的過程。圖 2-1所示為單容自衡水箱特性測試結(jié)構(gòu)圖及方框圖。閥門F1-1、F1-2和F1-8全開，設(shè)下水箱流入量為 Qi,改變電動調(diào)節(jié)閥Vi的開度可以改變Qi的大小，下 水箱的流出量為Q2，改變出水閥F1-11的開度可以改變Q2。液位h的變化反

3、映 了 Qi與Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的過程。若將 Qi作為被控過程的輸入 變量，h為其輸出變量，則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是h與Qi之間的數(shù)學(xué)表達式。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有-J hQi -Q2=A 一(2-i)dt將式(2-i)表示為增量形式 Qi- AQ2=A 4(2-2)dt式中：AQi，AQ2，A h別為偏 離某一平衡狀態(tài)的增量；A 水箱截面積。在平衡時，Qi=Q2，' = 0;當(dāng)Qidt發(fā)生變化時，液位h隨之變化，水箱出 口處的靜壓也隨之變化，Q2也發(fā)生變化2i電動調(diào)IF1-2(1手動輸出儲水箱電動閥<.b)圖2-i單容自衡水箱特性測試系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖

4、心云11齊|干擾上下2捕|G ts)_I h (湫位)。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位 h與流量之間為非線性關(guān)系。但為 了簡化起見，經(jīng)線性化處理后，可近似認為Q2與h成正比關(guān)系，而與閥Fi-ii的阻力R成反比，即 也h 亠 Ahc、 Q=或 R=(2-3)R山Q2式中：R閥F1-11的阻力，稱為液阻。將式(2-2)、式(2-3)經(jīng)拉氏變換并消去中間變量 Q2，即可得到單容水箱的數(shù) 學(xué)模型為H (s) R KWo (s)=(2-4)Qi(s)RCs+1 Ts+1式中T為水箱的時間常數(shù)，T = RC; K為放大系數(shù)，K = R; C為水箱的容量系x數(shù)。若令Qi (s)作階躍擾動，即Qi (

5、s) =0，Xo=常數(shù)，則式(2-4)可改寫為s/ 、K /Tx° X0Kx0H (s) 一x -°=K-°丄1ss1ss TT對上式取拉氏反變換得-t/Th(t)=Kxo(1-e )當(dāng) t >x時，h (x) -h (0) =KX0，因而有(2-5)(2-6)h (：) -h (0)輸出穩(wěn)態(tài)值K=X 0階躍輸入當(dāng)t=T時，則有-1h(T)=KX°(1 -e )=0.632KX°=0.632h(x)(2-7)式(2-5)表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖2-2(a所示，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對應(yīng)的時間，就是水箱的

6、時間常數(shù) T。 也可由坐標(biāo)原點對響應(yīng)曲線作切線 0A，切線與穩(wěn)態(tài)值交點A所對應(yīng)的時間就是1A階躍響應(yīng)曲線 h(l)'11町該時間常數(shù)T，由響應(yīng)曲線求得K和T后，就能求得單容水箱的傳遞函數(shù)。圖2-2lid)h0.&32h(«)如果對象具有滯后特性時，其階躍響應(yīng)曲線則為圖"2-2 (b),在此曲線的拐點D處作一切線，它與時間軸交于 B點，與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于 A點。圖 中OB即為對象的滯后時間t，BC為對象的時間常數(shù)T,所得的傳遞函數(shù)為：H(S)=1 Ts(2-8)四、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇下水箱作為被測對象（也可選擇上水箱或中水箱） 。實驗之前先 將儲水

7、箱中貯足水量，然后將閥門 F1-1、F1-2、F1-8全開，將下水箱出水閥門 F1-11開至適當(dāng)開度，其余閥門均關(guān)閉。具體實驗內(nèi)容與步驟按五種方案分別敘述， 這五種方案的實驗與用戶所購的 硬件設(shè)備有關(guān)，可根據(jù)實驗需要選做或全做。（一）、智能儀表控制1將“SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制”掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè) RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連 接到計算機串口 2,并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ ON”的位置。智能調(diào)節(jié)儀SA-12幣議挖祀圖2-3儀表控制單容水箱特性測試實驗接線圖2 接通總電源空

8、氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開 24V開關(guān)電源，給壓力變送器上 電，按下啟動按鈕，合上單相I、單相川空氣開關(guān)，給智能儀表及電動調(diào)節(jié)閥上 電。3打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進 入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗一、單容自衡水箱對象特性測試” ， 進入實驗一的監(jiān)控界面。4 在上位機監(jiān)控界面中將智能儀表設(shè)置為“手動”控制，并將輸出值設(shè)置 為一個合適的值，此操作需通過調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)。5合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當(dāng)增加 /減少智能儀表 的輸出量，使下水箱的液位處于某一平衡位置，記錄此時的儀表輸出值和液位值。6 待下水箱液位平衡后，突增（或突減）智能儀表輸出

9、量的大小，使其輸 出有一個正（或負）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后，水箱液位進 入新的平衡狀態(tài)，記錄下此時的儀表輸出值和液位值，液位的響應(yīng)過程曲線將如 圖2-4所示。b(0JL11h圖2正階躍貢階政4單容下水箱液位階躍響應(yīng)曲線7根據(jù)前面記錄的液位值和儀表輸出值，按公式（2-6）計算K值，再根據(jù) 圖2-2中的實驗曲線求得T值，寫出對象的傳遞函數(shù)（二）、遠程數(shù)據(jù)米集控制1將“ SA-22遠程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊” 、“ SA-23遠程數(shù)據(jù)采集模擬 量輸入模塊”掛件掛到屏上，并將掛件上的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊

10、口上,將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算機串口 2,并 按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“ LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到ON”的位置2 接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開 24V開關(guān)電源，給智能采集模塊 及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相I空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。3. 打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”工程，然后進 入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗一、單容自衡水箱對象特性測試” ， 進入實驗一的監(jiān)控界面。4. 以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟 47。) . ：!* Q曲 0 A .'01和g l&

11、#169; 9 9 5_ f 二 二A/OO A/0I 卵心 1/flSSA-23rJi力士追岸LTl LT3 LT J |土母41 t：蟲;雀相電萍輸出 ¥相I 單相II 單is hi-I-+半 e f-Q覺時 打機 沖工A oI r哎按雖（？ 一 u：掃人通道一B4-+4+浮peeA/I4 和IJ 釘12 屮、 0 Lq I©+4-r® r° 庶】屮 A./IS ."【B Afl?9 9 9 圖2-5遠程數(shù)據(jù)采集控制單容水箱特性測試實驗接線圖（三）、S7-300PLC 控制1. 將“ SA-41 S7-300PLC控制”掛件掛到屏上，并用

12、MPI通訊電纜線將 S7-300PLC連接到計算機CP5611專用網(wǎng)卡，并按照下面的控制屏接線圖連接實 驗系統(tǒng)。將“ LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ ON”的位置。2. 接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開 24V開關(guān)電源，給S7-300PLC及 壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相I空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。3. 打開Step 7軟件，打開“ S7-300”程序進行下載，然后將S7-300PLC置 于運行狀態(tài)，然后運行 WinCC組態(tài)軟件，打開“ S7-300PLC控制系統(tǒng)”工程， 然后激活WinCC運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗一、單容自衡水箱對象特性 測試”，進入實驗一的監(jiān)控界面。4

13、. 以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟 47。IJ11. 二圖2-8S7-300PLC控制單容水箱特性測試實驗接線圖五、實驗報告要求1. 畫出單容水箱液位特性測試實驗的結(jié)構(gòu)框圖。智能調(diào)節(jié)器|匸 （叫1»T干執(zhí)F水箱(a)是結(jié)構(gòu)圖；(b)是萬框圖2根據(jù)實驗得到的數(shù)據(jù)及曲線，分析并計算出單容水箱液位對象的參數(shù)及 傳遞函數(shù)。實驗過程中的某個時間段的圖形：20XI80604U204060 nu4201006n40加截取該過程中的一段，表示單容水箱自衡達到穩(wěn)定液位的過程:120rrl LFTTT100806040200102030405060|1 1V1Ii1!i11 * i1*I

14、IIii1IIiqii1i- r- lbff 11 rrirrrf11 1Vii9B M Fw TTTr frTflrrr4<bkiiii1iIiIl! r TT11*1Thr'llrif1iiVii1iiI r TT1T T"tiirriiik1h4ihii r* TTi1* "5*i"Trrr.Il 1IJJ . JJ1JIj亠j申II1 1V4iRi._ L_ 1丄J-_!J亠_iLibiiiliIii1 Lw 44Jj jJJ!/UL-I*1iiViil1i.4 4J.-ij » jJk.1-L,liiiIIiiii11s®

15、;峠= =i士Hi*-*-1iiV1Iii1fr=TTTi1 Ti-Il1I"i"rrrikiiiIIiilbiii lrrTTT1 - Frr嚴1嚴rcrJiIPP1lV4IVilVr=TT11 1rn-lTrrrIiIIiIIiJiih-4r"fT11-1"Ir-rrr_LL_ 9JJ _ JJjIVi_|iri1 1l<4l1ii-I X4IJJILjnJii|ii-1L 11JJ » JJJ_.i_,p_U£ ；LIlif1Il>!iiIai>L-kjJ _ J-11-1_k_._ik-1ifii|l鬲縣占j

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17、位的過程在平衡點處近似為一階慣性環(huán)節(jié)：w( s )= H(s) = _亠Qi(s) RCs +1 Ts + 1式中T為水箱時間常數(shù)，T = RC; K為放大系數(shù)，K = R; C為水箱的容量系數(shù) h(t)=Kx o(1-e -t/T)當(dāng)t >“寸，h() -h (0) =Kxo，因而有K=h h (0)二輸出穩(wěn)態(tài)值x 0階躍輸入1當(dāng) t=T 時，則有:h(T)=Kx o(1-e - )=O.632Kxo=O.632h( 乂)由圖可知，原來的穩(wěn)定值為12cm因此該系統(tǒng)的階躍輸入為12.0cm當(dāng)達到穩(wěn)態(tài)時h( g)=100cm，因此K=100/12=8.3當(dāng)液面達到63.2cm時，由圖上可知

18、，所需的時間約為 28s，則T=28因此，該環(huán)節(jié)模型為W(s)8.328 s 1六、思考題1 做本實驗時，為什么不能任意改變出水閥F1-11開度的大??？答：出水閥F1-11的開度是改變出水量 Q2的，改變水箱泄水的過程。在此 實驗中是先將出水閥F1-11開至適當(dāng)?shù)拈_度。之后在單容水箱在穩(wěn)定的過程中， 此閥門是不能任意改變的，因為一改變就會對系統(tǒng)帶來干擾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定， 不能正確反映實驗特性。只有當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時，要研究輸出量對系統(tǒng)的穩(wěn)定特性影 響時才改變出水閥F1-11。2用響應(yīng)曲線法確定對象的數(shù)學(xué)模型時，其精度與那些因素有關(guān)？答：應(yīng)曲線可能與實驗工作電壓的波動， 執(zhí)行器的不穩(wěn)定性，和系統(tǒng)的控制

19、 參數(shù)比例度、積分時間、微分時間及測量值的波動都可能帶來一定的誤差，造成 精度下降，同時還跟壓力傳感器的精度，閥門開度，測試軟件都有關(guān)系。3如果采用中水箱做實驗，其響應(yīng)曲線與下水箱的曲線有什么異同？并分 析差異原因。答：若采用中水箱做實驗，它的響應(yīng)曲線要比下水箱變化到的快。原因：因為中水箱的截面積比下水箱的截面積要小，上升相同的液位高度，下水箱要更長的時間。七、實驗總結(jié)通過本次實驗了解了實驗的裝置設(shè)備， 熟悉了 MCGS運行環(huán)境。通過實驗讓自己 了解到試驗參數(shù)的設(shè)定的重要性。通過對實驗的知道了實驗精度與傳感器的靈敏度， 執(zhí)行器的不穩(wěn)定性，系統(tǒng)的控制參數(shù)比例度、積分時間、微分時間及測量值的波動都

20、 可能有關(guān)，因此我們要通過分析綜合因素來分析實驗曲線的形成過程。同時，通過實 驗讓自己對工業(yè)生產(chǎn)過程的實驗系統(tǒng)也有了進一步的了解，收獲頗多。®南昌大學(xué)實驗報告學(xué)生姓名：孫亮 學(xué)號： 6100309248 專業(yè)班級： 自動化091班實驗類型：口驗證綜合口設(shè)計口創(chuàng)新 實驗日期： 實驗成績：實驗三水箱液位串級控制系統(tǒng)一、實驗?zāi)康? 通過實驗了解水箱液位串級控制系統(tǒng)組成原理。2 掌握水箱液位串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定與投運方法。3了解階躍擾動分別作用于副對象和主對象時對系統(tǒng)主控制量的影響。4 掌握液位串級控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實現(xiàn)過程。二、實驗設(shè)備（同前）三、實驗原理本實驗為水箱液位的

21、串級控制系統(tǒng)， 它是由主控、副控兩個回路組成。主控 回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對象為下水箱，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制 量。副控回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對象為中水箱，又稱副對象，中水箱 的液位為系統(tǒng)的副控制量。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，因而副控回路 是一個隨動控制系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器的的輸出直接驅(qū)動電動調(diào)節(jié)閥，從而達到控制下 水箱液位的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。由于副控回路的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù) 現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律，對副參數(shù)的動態(tài)性能和余差無特殊的要求， 因圖5-2水箱液位串級控制系統(tǒng)（a）結(jié)構(gòu)圖（b

22、）方框圖四、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇中水箱和下水箱串聯(lián)作為被控對象（也可選擇上水箱和中水箱）。 實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門 F1-1、F1-2、F1-7全開，將中水 箱出水閥門F1-10、下水箱出水閥門F1-11開至適當(dāng)開度（要求閥F1-10稍大于 閥F1-11）,其余閥門均關(guān)閉。具體實驗內(nèi)容與步驟按五種方案分別敘述， 這五種方案的實驗與用戶所購的 硬件設(shè)備有關(guān)，可根據(jù)實驗需要選做或全做。（一）、智能儀表控制1 將兩個SA-12掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算機串口 2, 并按照下面的

23、控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“ LT2中水箱液位”鈕子開關(guān)撥到 “OFF”的位置，將“ LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ ON”的位置。SA-I 2IX三柿崔稼騎出O僅2IH2戴幣節(jié)儀桓制吐電，_4MTBBBBBBBBAllAU8BBHBBBB'草相電拯輔出| f* I ¥州 n 4.I f中.關(guān)調(diào)肯啊 op 議 g»* 出1心 r 0-7/1 -3V a- 嵌出犠扎/« A/1 5 fi-.2Di.il 岀X/V-0-06VV*+丁*|-5¥ I-jl JS I- >-!'*圖5-3智能儀表控制水箱液位串級控制實驗接線圖2 接通總

24、電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開 24V開關(guān)電源，給壓力變送器上 電，按下啟動按鈕，合上單相I、單相川空氣開關(guān)，給智能儀表 1及電動調(diào)節(jié)閥 上電。3打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進 入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗十、水箱液位串級控制系統(tǒng)”，進入 實驗十的監(jiān)控界面。4在上位機監(jiān)控界面中點擊“啟動儀表 1”、“啟動儀表2”。將主控儀表設(shè) 置為“手動”，并將輸出值設(shè)置為一個合適的值，此操作可通過調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)。5合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當(dāng)增加 /減少主調(diào)節(jié)器 的輸出量，使下水箱的液位平衡于設(shè)定值，且中水箱液位也穩(wěn)定于某一值 （此值 一般為35c

25、m,以免超調(diào)過大，水箱斷流或溢流）。6 按本章第一節(jié)中任一種整定方法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，并按整定得到的參數(shù) 進行調(diào)節(jié)器設(shè)定。7 待液位穩(wěn)定于給定值時，將調(diào)節(jié)器切換到“自動”狀態(tài)，待液位平衡后， 通過以下幾種方式加干擾：（1）突增（或突減）儀表設(shè)定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量 的變化；（2）打開閥門F2-1、F2-4 （或 F2-5），用變頻器支路以較小頻率給中水箱（或 下水箱）打水。（干擾作用在主對象或副對象）（3）將閥F1-5、F1-13開至適當(dāng)開度（改變負載）；（4）將電動調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4 （同電磁閥）開至適當(dāng)開度； 以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的 5%15%,干

26、擾過大可能造成水箱中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段 調(diào)節(jié)時間后，水箱液位穩(wěn)定至新的設(shè)定值（后面三種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定 值），記錄此時的智能儀表的設(shè)定值、輸出值和儀表參數(shù)，下水箱液位的響應(yīng)過圖5-4下水箱液位階躍響應(yīng)曲線8適量改變主、副控調(diào)節(jié)儀的 PID參數(shù)，重復(fù)步驟7,用計算機記錄不同 參數(shù)時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。（二）、遠程數(shù)據(jù)米集控制1 將掛件SA-22遠程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊、SA-23遠程數(shù)據(jù)采集模擬 量輸入模塊掛到屏上，并將掛件上的通訊線插頭插入屏內(nèi) RS485通訊口上，將 控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算機串口

27、2,并按照下 面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“ LT2中水箱液位”、“LT3下水箱液位”鈕 子開關(guān)均撥到“ ON”的位置。單相電源輸出-單幗I 單相IQ 草相IIII7LT2 LTJ I;E Iilt/DU A/OI A/<i2 t/fl3g l© i© I©nfm i/ai<ib*（聶Mr出通道一4-+4-單0Ji/Q* Ai'Oii A/46 A/ClT91© i© 9I e ” ® iI l託、九|IN2h * i電十、+冷河弋嚴I A/ID .“IIm油 9 9電陽員pw+ + +嚴再>O廣9A/1

28、 4 Ji/ I S .1/ I & A/I?L© I© Lq I©圖5-5遠程數(shù)據(jù)采集控制水箱液位串級控制實驗接線圖2 接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開 24V開關(guān)電源，給智能采集模塊 及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相I空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。3. 打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”工程，然后進 入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗十、水箱液位串級控制”，進入實驗 十的監(jiān)控界面。4. 以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟 4&（三）、S7-300PLC 控制1. 將掛件SA-41 S7-300PLC控

29、制掛件掛到屏上，并用 MPI通訊電纜線將S7-300PLC連接到計算機CP5611專用網(wǎng)卡，并按照下面的控制屏接線圖連接實 驗系統(tǒng)。將“ LT2中水箱液位”、“LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)均撥到“ ON”的 位置。2接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開 24V開關(guān)電源，給S7-300PLC及 壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相I空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。3打開Step 7軟件，打開“ S7-300”程序進行下載，然后運行 WinCC組態(tài) 軟件，打開“ S7-300PLC控制系統(tǒng)”工程，然后激活 WinCC運行環(huán)境，在主菜 單中點擊“實驗十、水箱液位串級控制”，進入實驗十的監(jiān)控界面。4 以下步

30、驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟 48SA-4 160出曲力覚追弓LIZ LT3 電妙ifl節(jié)聞iSJHATlC&7-3H1S7-S00 PLC呵轎程控柯弄圖5-8S7-300PLC控制水箱液位串級控制實驗接線圖1單拒皚踝輸出1單柑In單相HI1 OI i / 11!JL13LIif 1 N1歷113HJ&|1三相単魂輔出 o O五、實驗報告要求1.畫出水箱液位串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。2.用實驗方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，并寫出整定過程設(shè)定主副調(diào)節(jié)器的PID參數(shù): 主調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定：參數(shù)KpTiTd數(shù)值300.020.00.0副調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定:參數(shù)KpTiTd數(shù)值150.

31、00.00.0分析：實驗中上水箱作為主調(diào)節(jié)器，中水箱作為副調(diào)節(jié)器，由串級控制系統(tǒng)的 特點知道：上水箱的輸出作為中水箱的輸入，由系統(tǒng)響應(yīng)曲線可知，在系統(tǒng)穩(wěn)定， 系統(tǒng)為純比例作用的情況下，副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)按經(jīng)驗選取為150，積分時間和微分時間都為0,并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上；然后按照單回路控制系統(tǒng)的 任一種參數(shù)整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)， 改變給定值，根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù) 和副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)的匹配原理， 適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使得主參數(shù)品質(zhì)最 佳；如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度和增大積分時間即可 改善系統(tǒng)性能。實驗中主調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)設(shè)定為 300,積分時間20,由圖可知

32、設(shè)定了積分時間，減少了振蕩，是系統(tǒng)更穩(wěn)定。3根據(jù)擾動分別作用于主、副對象時系統(tǒng)輸出的響應(yīng)曲線，分析系統(tǒng)在階 躍擾動作用下的靜、動態(tài)性能。由曲線可知：系統(tǒng)在受到階躍擾動的情況下，若增大系統(tǒng)的比例放大系數(shù)， 則會縮短振蕩周期，能夠快速消除干擾，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，但是此時系統(tǒng)的靜態(tài) 誤差將會變大。若增大積分時間常數(shù)，也可以起到快速消除干擾的作用， 使得系 統(tǒng)穩(wěn)定性增強，此時若增加微分環(huán)節(jié)，則會使得系統(tǒng)的動態(tài)誤差和靜態(tài)誤差減小， 但是增加微分后的系統(tǒng)抗干擾的能力會下降。4分析主、副調(diào)節(jié)器采用不同 PID參數(shù)時對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。主調(diào)節(jié)器：P的大小與對上水箱的控制作用和對主環(huán)擾動作用的響應(yīng)有著 直接的作

33、用，P越大，當(dāng)上水箱即主環(huán)受到擾動時能快速消除對它的擾動；I是主調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)，積分時間常數(shù)越大，對于主環(huán)的抗干擾能力就越強， 調(diào)節(jié)時間也就越短，D是主環(huán)的微分時間常數(shù)，增大它可以減小主環(huán)的靜態(tài)誤差 和動態(tài)誤差，但是會降低主環(huán)的抗干擾能力。副調(diào)節(jié)器：P越大對副環(huán)即中水箱的控制作用和抗干擾能力就越強，是系 統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間越短，I是副調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)，I越大，對副環(huán)的抗干 擾能力就越強，調(diào)節(jié)時間也越短，副調(diào)節(jié)器可不用D控制作用。六、思考題1 試述串級控制系統(tǒng)為什么對主擾動（二次擾動）具有很強的抗擾能力？ 如果副對象的時間常數(shù)與主對象的時間常數(shù)大小接近時， 二次擾動對主控制量的 影響是否

34、仍很小，為什么？答：答：當(dāng)擾動進入副回路后，首先，畐U被控變量檢測到擾動的影響，并通 過副回路的定值控制作用，及時調(diào)節(jié)操縱變量，使副被控變量回副到設(shè)定值，也 使擾動對主被控變量的影響減少。即副回路對擾動進行粗調(diào)，主回路對擾動進行 細調(diào)，因此串級控制系統(tǒng)對進入副環(huán)擾動（二次擾動）具有很強的抗擾能力。如果副對象的時間常數(shù)與主對象的時間常數(shù)大小接近時將很有可能發(fā)生共 振現(xiàn)象，使得副環(huán)的工作頻率處于諧振頻率， 其相角接近180度，從而使副環(huán)增 益為負，形成正反饋，出現(xiàn)共振現(xiàn)象，二次擾動對主控制量的影響將會很大。2. 當(dāng)一次擾動作用于主對象時，試問由于副回路的存在，系統(tǒng)的動態(tài)性能 比單回路系統(tǒng)的動態(tài)性能

35、有何改進？答：當(dāng)一次擾動作用于主對象時，由于副回路的存在，系統(tǒng)的動態(tài)性能比單 回路系統(tǒng)的動態(tài)性能改進在于：副被控變量檢測到擾動的影響，并通過副回路的 定制控制作用，及時調(diào)節(jié)操縱變量，使副被控變量恢復(fù)到副設(shè)定值，也使擾動對 主被控變量的影響減少。即副環(huán)回路對擾動進行粗調(diào)，主環(huán)回路對對擾動進行細 調(diào)。因而使系統(tǒng)能更快的趨于穩(wěn)定，調(diào)整時間縮短，并且比較準(zhǔn)確的恢復(fù)到最開 始的設(shè)定值。3 串級控制系統(tǒng)投運前需要作好那些準(zhǔn)備工作？主、副調(diào)節(jié)器的正反作用 方向如副控制器為何確定？答：串級控制系統(tǒng)投運前需要作好那些準(zhǔn)備工作：串級控制系統(tǒng)投運前需要將主、副控制器的參數(shù)整定好，設(shè)置好主回路的 設(shè)定值，同時要設(shè)置好

36、實驗裝置各個開關(guān)的初始狀態(tài)。主、副調(diào)節(jié)器的正反作用方向的確定方式： 根據(jù)安全運行準(zhǔn)則，選擇控制閥的氣開和氣關(guān)類型 根據(jù)工藝條件確定副被控對象的特性。操縱變量增加時，副被控變量增加， kp2為正，反之為負 根據(jù)負反饋準(zhǔn)則，確定副控制器正反作用。 根據(jù)工藝條件確定主被控對象的特性。操縱變量增加時，主被控變量增加， kp2為正，反之為負 根據(jù)負反饋準(zhǔn)則，確定主控制器正反作用。 根據(jù)負反饋準(zhǔn)則，確定在主控方式時主控制器正反作用是否要更換。當(dāng)副 控制器是反作用控制時，主控制器從串級方式切換到主控方式時， 不需要更換主 控制器的作用方式。當(dāng)副控制器是正作用控制時，主控制器從串級方式切換到主 控方式時，為保

37、證主控制系統(tǒng)為負反饋，應(yīng)更換為原來的的作用方式。4. 為什么本實驗中的副調(diào)節(jié)器為比例(P)調(diào)節(jié)器？答：因為副回路既是隨動控制系統(tǒng)又是定值控制系統(tǒng)，對于消除余差沒有要求可不采用I，所以通常選用大比例度的P控制作用。5. 改變副調(diào)節(jié)器的比例度，對串級控制系統(tǒng)的動態(tài)和抗擾動性能有何影響， 試從理論上給予說明。v答：一定范圍內(nèi)，副控制器P參數(shù)增大，副回路輸出最大動態(tài)偏差增大，振 蕩周期和回復(fù)周期更短，振蕩更劇烈，使得副控制器的輸出更有利于及時跟蹤主 控制器的輸出，及時調(diào)節(jié)執(zhí)行器的輸出，使得串級控制系統(tǒng)更有利于及時克服進 入副環(huán)擾動的影響，提高控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，提高抗干擾能力，但P參數(shù)過大 會使得副控

38、制器的輸出余差增大，導(dǎo)致副控制器反映主控制器輸出的精確性。6. 評述串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量高的原因？答：原因：(1) 能迅速客服進入副回路擾動；(2) 改善致空氣Gc2的廣義對象特性，提高工作效率；(3) 自適應(yīng)能力加強；(4) 能夠更精確控制操縱變量的流量；(5) 可實現(xiàn)更靈活的操作方式。七、實驗總結(jié)在此次實驗中，對串級控制系統(tǒng)的工作原理更加的熟悉了，了解了PID各環(huán)節(jié)的作用，及對系統(tǒng)的性能的影響。對系統(tǒng)的整體調(diào)試中，在對其進行細調(diào)時， 首先調(diào)節(jié)積分環(huán)節(jié)和比例環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的衰減率達到要求，同時也系統(tǒng)超調(diào)量減 小了，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PID系統(tǒng)有很好的穩(wěn)定特性，同時響應(yīng)時間比

39、較短， 系統(tǒng)干擾能力強，所以在主調(diào)節(jié)器中常用 PID控制。®南昌大學(xué)實驗報告學(xué)生姓名：孫亮 學(xué)號： 6100309248 專業(yè)班級：自動化091班實驗類型：口驗證綜合口設(shè)計口創(chuàng)新 實驗日期： 實驗成績：實驗二 單容液位定值控制系統(tǒng)一、實驗?zāi)康?了解單容液位定值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成。2 掌握單容液位定值控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定和投運方法。3 研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對系統(tǒng)靜、動態(tài)性能的影響。4.了解P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對液位控制的作用。5 掌握同一控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實現(xiàn)過程。二、實驗設(shè)備（同前）（a）結(jié)構(gòu)圖（b）方框圖本實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖3-6所示。被控

40、量為中水箱（也可采用上水 箱或下水箱）的液位高度，實驗要求中水箱的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器 LT2檢測到的中水箱液位信號作為反饋信號， 在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié) 器控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，以達到控制中水箱液位的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍 給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。四、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇中水箱作為被控對象。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將 閥門F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全開，將中水箱出水閥門 F1-10開至適當(dāng)開度， 其余閥門均關(guān)閉。具體實驗內(nèi)容與步驟按五種方案分別敘述， 這五種方案的實驗與用戶所購的 硬件設(shè)備有關(guān)，可根據(jù)

41、實驗需要選做或全做。（一）、智能儀表控制1將“ SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制”掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插 入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè) RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連 接到計算機串口 2,并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ ON”的位置SA-124 ”圖3-7智能儀表控制單容液位定值控制實驗接線圖智能調(diào)節(jié)儀:11.連禍節(jié)悅控制PVBBBBBSSSAmjwNCnj tOp4L 1002 接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開 24V開關(guān)電源，給壓力變送器上 電，按下啟動按鈕，合上單相I、單相川空氣開關(guān)，給智能儀表及電動調(diào)節(jié)閥上

42、電。3打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進 入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗三、單容液位定值控制系統(tǒng)”，進入 實驗三的監(jiān)控界面。4 在上位機監(jiān)控界面中點擊“啟動儀表”。將智能儀表設(shè)置為“手動”，并 將設(shè)定值和輸出值設(shè)置為一個合適的值，此操作可通過調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)。5合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當(dāng)增加 /減少智能儀表 的輸出量，使中水箱的液位平衡于設(shè)定值。6.按本章第一節(jié)中的經(jīng)驗法或動態(tài)特性參數(shù)法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，選擇PI控制規(guī)律，并按整定后的PI參數(shù)進行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。7 待液位穩(wěn)定于給定值后，將調(diào)節(jié)器切換到“自動”控制狀態(tài)，待液位平 衡后，通過以

43、下幾種方式加干擾：（1）突增（或突減）儀表設(shè)定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化；（此法推薦，后面三種僅供參考）（2）將電動調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4 （同電磁閥）開至適當(dāng)開度；（3）將下水箱進水閥F1-8開至適當(dāng)開度；（改變負載）（4） 接上變頻器電源，并將變頻器輸出接至磁力泵，然后打開閥門F2-1、 F2-4，用變頻器支路以較小頻率給中水箱打水。以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的 5%15%,干擾過大可能造成水箱 中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段 調(diào)節(jié)時間后，水箱液位穩(wěn)定至新的設(shè)定值（采用后面三種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè) 定值），記錄此時的

44、智能儀表的設(shè)定值、輸出值和儀表參數(shù)，液位的響應(yīng)過程曲 線將如圖3-8所示。圖3-8單容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線8分別適量改變調(diào)節(jié)儀的P及I參數(shù)，重復(fù)步驟7,用計算機記錄不同參 數(shù)時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。9.分別用P、PD、PID三種控制規(guī)律重復(fù)步驟48,用計算機記錄不同控 制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。（二）、遠程數(shù)據(jù)米集控制1.將“ SA-22遠程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊” 、“ SA-23遠程數(shù)據(jù)采集模擬 量輸入模塊”掛件掛到屏上，并將掛件上的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上,將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算機串口 2,并 按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。

45、將“LT2中水箱液位”鈕子開關(guān)撥到ON”的位置SA-22遠程數(shù)據(jù)釆衆(zhòng)摸攪量輸出撲竦一橫按曜I詁軸出通.遣一4-+4-e eA 1*04 Jt/flii 制帕 A/ilJ9 9 9 9) / 諄;/想再> 申IA/OO A/Ol A/OJ 1/0JLq L© I© 9SA-23力 < I 180遠程數(shù)誓采集橈轉(zhuǎn)量輸入模塊r璽按”訂）輸人通道一-JL/ll Kfll 占門 Iq Lq Lq+4-弋e嚴今A 門屮A/1 S .l/6 Afl?99992 接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開 24V開關(guān)電源，給智能采集模塊 及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相I空氣開

46、關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。3. 打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”工程，然后進 入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗三、單容液位定值控制”，進入實驗 三的監(jiān)控界面。4. 以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟 49。（三）、S7-300PLC 控制1.將掛件SA-41 S7-300PLC控制掛件掛到屏上，并用 MPI通訊電纜線將 S7-300PLC連接到計算機CP5611專用網(wǎng)卡，并按照下面的控制屏接線圖連接實 驗系統(tǒng)。將“ LT2中水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ ON”的位置。SA-41檯擬量（器蠱，熱電陰J輸人通建>A/IO A/l I 1/ 2 A；E Ja/1

47、5 A/ « A/ITSl-300 PU?可輪程控制垂圖3-12S7-300PLC控制單容液位定值控制實驗接線圖2接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開 24V開關(guān)電源，給S7-300PLC及 壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相I空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。3打開Step 7軟件，打開“ S7-300”程序進行下載，然后將S7-300PLC置 于運行狀態(tài)，然后運行 WinCC組態(tài)軟件，打開“ S7-300PLC控制系統(tǒng)”工程， 然后激活WinCC運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗三、單容液位定值控制”，進 入實驗三的監(jiān)控界面。4 以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟 49。五、實驗報告要求1 畫出單容水箱液位定值控制實驗的結(jié)構(gòu)框圖。戕f立）璉力加詁泵2 用實驗方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，寫出整定過程 實驗過程的曲線