第一章 控制系統(tǒng)的組成及認識實驗

1、第一章 控制系統(tǒng)的組成及認識實驗第一節(jié)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的組成與認識實驗一、系統(tǒng)簡介本現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是基于PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議、在傳統(tǒng)過程控制實驗裝置的基礎(chǔ)上升級而成的新一代過程控制系統(tǒng)。整個實驗裝置分為上位控制系統(tǒng)和控制對象兩部分，上位控制系統(tǒng)流程圖如圖1-1所示：圖1-1 上位控制系統(tǒng)流程圖控制對象總貌圖如圖1-2所示。圖1-2 控制對象總貌圖二、系統(tǒng)組成本實驗裝置由被控對象和上位控制系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)動力支路分兩路：一路由三相（380V交流）磁力驅(qū)動泵、氣動調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、PA電磁流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動泵（220V變頻）、渦

2、輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成。1、 被控對象被控對象由不銹鋼儲水箱、上、中、下三個串接圓筒形有機玻璃水箱、4.5Kw電加熱鍋爐(由不銹鋼鍋和鍋爐夾套構(gòu)成)、冷熱水交換盤管和敷塑不銹鋼管路組成。水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。 上、中、下水箱采用淡藍色圓筒型有機玻璃，不但堅實耐用，而且透明度高，便于學(xué)生直能接觀察到液位的變化和記錄結(jié)果。上、中水箱尺寸均為：d=25cm,h=20 cm； 下水箱尺寸為：d=35cm,h=20 cm。每個水箱有三個槽，分別是緩沖槽，工作槽，出水槽。儲水箱尺寸為：長×寬×高=68cm×52×43。儲水箱內(nèi)部有兩個

3、橢圓形塑料過濾網(wǎng)罩，防止兩套動力支路進水時有雜物進入泵中。模擬鍋爐：此鍋爐采用不銹鋼制成，由加熱層（內(nèi)膽）和冷卻層（夾套）組成。做溫度實驗時，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測其溫度。 盤管：長37米（43圈），可做溫度純滯后實驗，在盤管上有兩個不同的溫度檢測點，因而有兩個不同的滯后時間。在實驗過程中根據(jù)不同的實驗需要選擇不同的滯后時間。盤管出來的水既可以回流到鍋爐內(nèi)膽，也可以經(jīng)過渦輪流量計完成流量滯后實驗。管道：整個系統(tǒng)管道采用敷塑不銹鋼管組成，所有的水閥采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。有效提高了實驗裝置的使用年

4、限。其中儲水箱底有一個出水閥，當(dāng)水箱需要更換水時，將球閥打開讓水直接排出。2、檢測裝置壓力傳感器、變送器：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的壓力傳感器和工業(yè)用的擴散硅壓力變送器，擴散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補償。壓力傳感器用來對上、中、下水箱的液位進行檢測，其精度為0.5級，因為為二線制，故工作時需串接24V直流電源。溫度傳感器：本裝置采用六個Pt100傳感器，分別用來檢測上水箱出口、鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套以及盤管的水溫。六個Pt100傳感器的檢測信號中檢測鍋爐內(nèi)膽溫度的一路到SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的溫度變送

5、器，直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號；另外五路經(jīng)過常規(guī)溫度變送器，可將溫度信號轉(zhuǎn)換成4 20mADC電流信號。 Pt100傳感器精度高，熱補償性能較好。流量傳感器、轉(zhuǎn)換器：流量傳感器分別用來對調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤管出口支路的流量進行測量。渦輪流量計型號：LWGY-10，流量范圍：01.2m3/h，精度：1.0%。輸出：420mA標準信號。本裝置采用兩套流量傳感器、變送器分別對變頻支路及盤管出口支路的流量進行測量，調(diào)節(jié)閥支路的流量檢測采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊接口的檢測和變送一體的電磁式流量計。3執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)閥：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的氣動調(diào)節(jié)閥，用來進行控

6、制回路流量的調(diào)節(jié)。它具有精度高、體積小、重量輕、推動力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等優(yōu)點。由CPU直接發(fā)送的數(shù)字信號控制閥門的開度，本氣動調(diào)節(jié)閥自動進行零點校正，使用和校正都非常方便。變頻器：本裝置采用SIEMENS帶PROFIBUS-DP通訊接口模塊的變頻器，其輸入電壓為單相AC220V，輸出為三相AC220V。水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為16CQ-8P，流量為32升/分，揚程為8米，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。其中一只為三相380V恒壓驅(qū)動，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動。可移相SCR調(diào)壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號為420mA

7、標準電流信號。輸出電壓用來控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。 電磁閥：在本裝置中作為氣動調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號為：2W-160-25 ；工作壓力：最小壓力為0Kg/2，最大壓力為7Kg/2 ；工作溫度：580。4控制器控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，型號為315-2DP，本CPU既具有能進行多點通訊功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通訊功能的DP通訊接口。5、空氣壓縮機用于給氣動調(diào)節(jié)閥提供氣源，電動機的動力通過三角膠帶傳帶動空壓機曲軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)連桿帶動活塞做往復(fù)運動，使汽缸、活塞、閥組所組成的密閉空間容積產(chǎn)生周期變化，完成吸氣、壓縮、排氣的空

8、氣壓縮過程，壓縮空氣經(jīng)繞有冷卻翅片的排氣銅管、單向閥進入儲氣罐?？諌簷C設(shè)有氣量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當(dāng)儲氣罐內(nèi)的氣壓超過額定排氣壓力時，壓力開關(guān)會自動切斷電源使空壓機自動停止工作，當(dāng)儲氣罐內(nèi)的氣體壓力因外部設(shè)備的使用而下降到額定排壓以下0.2-0.3Mpa時，氣壓開關(guān)自動復(fù)位，空壓機又重新工作，使儲氣罐內(nèi)壓縮空氣壓力保持在一定范圍內(nèi)。三、電源控制臺（僅早期控制系統(tǒng)需依賴電源控制臺，升級后的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)本身已集成電源控制部分）電源控制屏面板：充分考慮人身安全保護，帶有漏電保護空氣開關(guān)、電壓型漏電保護器、電流型漏電保護器。儀表綜合控制臺包含了原有的常規(guī)控制系統(tǒng)，由于它預(yù)留了升級接口，因此它在總線控制系

9、統(tǒng)中的作用就是為上位控制系統(tǒng)提供信號。四、總線控制柜總線控制柜有以下幾部分構(gòu)成：1、控制系統(tǒng)供電板：該板的主要作用是把工頻AC220V轉(zhuǎn)換為DC24V，給主控單元和DP從站供電。2、控制站：控制站主要包含CPU、以太網(wǎng)通訊模塊、DP鏈路、分布式I/O DP從站和變頻器DP從站構(gòu)成。3、溫度變送器： PA溫度變送器把PT100的檢測信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后傳送給DP鏈路。五、系統(tǒng)特點l 被控參數(shù)全面,涵蓋了連續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)過程中的液位、壓力、流量及溫度等典型參數(shù)。l 本裝置由控制對象、綜合上位控制系統(tǒng)、上位監(jiān)控計算機三部分組成。l 真實性、直觀性、綜合性強，控制對象組件全部來源于工業(yè)現(xiàn)場。l 執(zhí)行器中既

10、有氣動調(diào)節(jié)閥，又有變頻器、可控硅移相調(diào)壓裝置，調(diào)節(jié)系統(tǒng)除了有設(shè)定值階躍擾動外，還可以通過對象中電磁閥和手動操作閥制造各種擾動。l 一個被調(diào)參數(shù)可在不同動力源、不同執(zhí)行器、不同的工藝管路下演變成多種調(diào)節(jié)回路，以利于討論、比較各種調(diào)節(jié)方案的優(yōu)劣。l 系統(tǒng)設(shè)計時使2個信號在本對象中存在著相互耦合，二者同時需要對原獨立調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)進行整定，或進行解耦實驗，以符合工業(yè)實際的性能要求。l 能進行單變量到多變量控制系統(tǒng)及復(fù)雜過程控制系統(tǒng)實驗。l 各種控制算法和調(diào)節(jié)規(guī)律在開放的實驗軟件平臺上都可以實現(xiàn)。六、系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件分為上位機軟件和下位機軟件兩部分，下位機軟件采用SIEMENS的STEP7，上位機

11、軟件采用SIEMENS的WINCC，上、下位機軟件在后面的實驗中將分別敘述。七、裝置的安全保護體系（僅早期控制系統(tǒng)有此電源控制部分，升級后的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)本身已集成電源控制部分）1、三相四線制總電源輸入經(jīng)帶漏電保護器裝置的三相四線制斷路器進入系統(tǒng)電源后又分為三相電源支路和不同的單相支路，每一支路給各自的負載供電?？傠娫丛O(shè)有通電指示燈和三相指示表。2、控制屏電源由接觸器通過起、停按鈕進行控制。屏上裝有一套電壓型漏電保護裝置和一套電流型漏電保護裝置?？刂破羶?nèi)或強電的輸出（包括實驗中的連線）若有漏電現(xiàn)象，即告警并切斷總電源，以確保實驗安全。3、控制屏設(shè)有服務(wù)管理器（即定時器兼報警記錄儀），為指導(dǎo)老

12、師對學(xué)生實驗技能的考核提供一個統(tǒng)一的標準。4、各種電源及各種儀表均有可靠的保護功能。5、實驗強電接線插頭采用封閉式結(jié)構(gòu)，防止觸電事故的發(fā)生。6、強、弱電連線插頭采用不同的結(jié)構(gòu)插頭，以防止強弱電用電插頭的混淆。第一節(jié)、單容水箱特性測試一、實驗?zāi)康?. 掌握單容水箱階躍響應(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，用相關(guān)的方法確定被測對象的特征參數(shù)T和傳遞函數(shù)。二、實驗設(shè)備1. THJ-FCS型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置。2. 計算機及相關(guān)軟件。3. 萬用電表一只。三、實驗原理圖2-1單容水箱特性測試結(jié)構(gòu)圖由圖2-1可知，對象的被控制量為水箱的液位h，控制量（輸入量）

13、是流入水箱中的流量Q1，手動閥V1和V2的開度都為定值，Q2為水箱中流出的流量。根據(jù)物料平衡關(guān)系，在平衡狀態(tài)時Q10-Q20=0 （2-1）動態(tài)時，則有Q1-Q2= （2-2） 式中V為水箱的貯水容積，為水貯存量的變化率，它與h的關(guān)系為，即= A （2-3） A為水箱的底面積。把式（2-3）代入式（2-2）得 Q1-Q2=A （2-4）基于Q2=，RS為閥V2的液阻，則上式可改寫為Q1-= A 即ARS+h=KQ1或?qū)懽?= （2-5）式中T=ARS，它與水箱的底面積A和V2的RS有關(guān)；K=RS。式（2-5）就是單容水箱的傳遞函數(shù)。若令Q1（S）=，R0=常數(shù)，則式（2-5）可改為H（S）=&

14、#215;=K-對上式取拉氏反變換得h(t)=KR0(1-e-t/T) （2-6）當(dāng)t>時，h（）=KR0，因而有K=h（）/R0=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入當(dāng)t=T時，則有h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h() 式（2-6）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所示。圖2-2 單容水箱的單調(diào)上升指數(shù)曲線當(dāng)由實驗求得圖2-2所示的階躍響應(yīng)曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對應(yīng)的時間，就是水箱的時間常數(shù)T。該時間常數(shù)T也可以通過坐標原點對響應(yīng)曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點所對應(yīng)的時間就是時間常數(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

15、數(shù)如式（2-5）所示。圖2-3 單容水箱的階躍響應(yīng)曲線如果對象的階躍響應(yīng)曲線為圖2-3，則在此曲線的拐點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，BC為對象的時間常數(shù)T，所得的傳遞函數(shù)為：H(S)=四、實驗控制系統(tǒng)流程圖本實驗控制系統(tǒng)的流程圖如圖2-4所示。圖2-4 實驗控制系統(tǒng)流程圖上水箱液位檢測信號LT1為標準的模擬信號，直接傳送到SIEMENS的模擬量輸入模塊SM331，SM331和分布式I/O模塊ET200M直接相連，ET200M掛接到PROFIBUS-DP總線上，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2 DP（CPU3

16、15-2 DP為PROFIBUS-DP總線上的DP主站），這樣就完成了現(xiàn)場測量信號到CPU的傳送。本實驗的執(zhí)行機構(gòu)為帶PROFIBUS-PA通訊接口的閥門定位器，掛接在PROFIBUS-PA總線上，PROFIBUS-PA總線通過LINK和COUPLER組成的DP鏈路與PROFIBUS-DP總線交換數(shù)據(jù)，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2 DP，這樣控制器CPU315-2 DP發(fā)出的控制信號就經(jīng)由PROFIBUS-DP總線到達PROFIBUS-PA總線來控制執(zhí)行機構(gòu)閥門定位器。五、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇上水箱作為被測對象（也可選擇中水箱或下水箱）。實驗之前先將儲水箱中貯足

17、水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-6全開，將上水箱出水閥門F1-9開至適當(dāng)開度，其余閥門均關(guān)閉。1、接通控制柜和控制臺的相關(guān)電源，并啟動磁力驅(qū)動泵，接通空壓機電源。控制柜無需接線。2、打開作上位控制的PC機，點擊“開始”菜單，選擇彈出菜單中的“SIMATIC”選項，再點擊彈出菜單中的“WINCC” ，再選擇彈出菜單中的“WINCC CONTROL CENTER 5.0”,進入WINCC資源管理器，打開組態(tài)好的上位監(jiān)控程序，點擊管理器工具欄上的“激活（運行）”按鈕，進入實驗主界面如圖2-5所示。圖2-5 實驗主界面3、鼠標左鍵點擊實驗項目“一階單容水箱對象特性測試實驗”，系統(tǒng)進入正常的測

18、試狀態(tài)，呈現(xiàn)的實驗界面如圖2-6所示。圖2-6 實驗界面在實驗界面的左邊是實驗流程圖，右邊是參數(shù)整定，下面一排六個切換鍵的功能如下：“實驗流程”鍵：系統(tǒng)進入正常測試狀態(tài)時，實驗界面左邊就會顯示實驗流程圖，當(dāng)點擊“歷史曲線”鍵時，實驗流程圖將會被歷史曲線所覆蓋，如需轉(zhuǎn)到實驗流程圖，應(yīng)點擊“實驗流程”鍵就可在實驗界面左邊再現(xiàn)實驗流程圖?！皡?shù)整定”鍵：系統(tǒng)進入正常測試狀態(tài)時，實驗界面右邊就會顯示參數(shù)整定畫面，當(dāng)你點擊“實時曲線”或“數(shù)據(jù)報表”鍵時，參數(shù)整定畫面的下半部分將會被實時曲線或數(shù)據(jù)報表所覆蓋，如需轉(zhuǎn)到參數(shù)整定，點擊“參數(shù)整定”鍵即可在實驗界面右邊再現(xiàn)參數(shù)整定畫面。“實時曲線”鍵：系統(tǒng)進入正

19、常測試狀態(tài)時，實時曲線是不顯示的，如果需要觀察實時曲線，點擊“實時曲線”鍵，即可在實驗界面右下方顯示實時曲線?！皻v史曲線”鍵：系統(tǒng)進入正常測試狀態(tài)時，歷史曲線是不顯示的，如果需要觀察歷史曲線，點擊“歷史曲線”鍵，即可在實驗界面左邊顯示歷史曲線。“數(shù)據(jù)報表”鍵：系統(tǒng)進入正常測試狀態(tài)時，數(shù)據(jù)報表是不顯示的，如果需要數(shù)據(jù)報表，點擊“數(shù)據(jù)報表”鍵，即可在實驗界面右下方顯示歷史曲線?！胺祷刂鞑藛巍辨I：實驗結(jié)束，需退出實驗時，點擊“返回主菜單”鍵，即關(guān)閉當(dāng)前實驗界面返回實驗主界面。4在上位機實驗界面窗口給定閥門開度值（既可拉動輸出值旁邊的滾動條，也可直接在輸出值顯示框中輸入閥門開度值），使水箱的液位處于某

20、一平衡位置。5、點擊實驗界面下邊的“實時曲線”鍵，在界面的右下方將顯示液位的變化曲線。6在上位機實驗界面窗口改變給定的閥門開度值，使其輸出有一個正（或負）階躍增量的變化（此增量不宜過大，以免水箱中水溢出），使水箱液位上升或下降，經(jīng)過一定時間的調(diào)節(jié)后，水箱的液位進入新的平衡狀態(tài)，其響應(yīng)曲線如圖2-7所示。圖2-7 單容箱特性響應(yīng)曲線7觀察上位機監(jiān)控界面上水箱液位的歷史曲線和階躍響應(yīng)曲線。8實驗曲線所得的結(jié)果填入下表。 參數(shù)值測量值放大系數(shù)K周期T時間常數(shù)液位h正階躍輸入負階躍輸入平均值六、實驗報告1畫出單容水箱特性測試實驗的結(jié)構(gòu)框圖。2根據(jù)實驗測得的數(shù)據(jù)和曲線，分析并計算出單容水箱液位對象時的參

21、數(shù)及傳遞函數(shù)。3、實驗心得體會。七、思考題1在實驗進行過程中，為什么不能任意改變出水口閥開度的大?。?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)？3、如果采用中水箱做實驗，其響應(yīng)曲線與上水箱的曲線有什么異同？并分析差異原因。第二節(jié)、上水箱液位PID整定實驗一、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、掌握在FCS控制系統(tǒng)中現(xiàn)場檢測信號的傳送和控制信號的網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑。二、實驗設(shè)備1. THJ-FCS型高

22、級過程控制系統(tǒng)實驗裝置。2. 計算機及相關(guān)軟件。3. 萬用電表一只。三、實驗原理圖3-6 上水箱單容液位定值控制系統(tǒng)(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。被控量為上水箱（也可采用中水箱或下水箱）的液位高度，實驗要求它的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器LT1檢測到的上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)器控制氣動調(diào)節(jié)閥的開度，以達到控水箱液位的目的。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、實驗控制系統(tǒng)流程圖本實驗控制系統(tǒng)的流程圖如圖3-7所示。圖3-7 驗控制系統(tǒng)的流程圖上水箱液位檢測信號LT1為標準

23、的模擬信號，直接傳送到SIEMENS的模擬量輸入模塊SM331，SM331和分布式I/O模塊ET200M直接相連，ET200M掛接到PROFIBUS-DP總線上，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2 DP（CPU315-2 DP為PROFIBUS-DP總線上的DP主站），這樣就完成了現(xiàn)場測量信號到CPU的傳送。本實驗的執(zhí)行機構(gòu)為帶PROFIBUS-PA通訊接口的閥門定位器，掛接在PROFIBUS-PA總線上，PROFIBUS-PA總線通過LINK和COUPLER組成的DP鏈路與PROFIBUS-DP總線交換數(shù)據(jù)，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2 DP

24、，這樣控制器CPU315-2 DP發(fā)出的控制信號就經(jīng)由PROFIBUS-DP總線到達PROFIBUS-PA總線來控制執(zhí)行機構(gòu)閥門定位器。五、實驗內(nèi)容與步驟實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-6全開，將上水箱出水閥門F1-9開至適當(dāng)開度，其余閥門均關(guān)閉。1、接通控制柜和控制臺電源電源，并啟動磁力驅(qū)動泵和空壓機。2、打開作上位控制的PC機，點擊“開始”菜單，選擇彈出菜單中的“SIMATIC”選項，再點擊彈出菜單中的“WINCC” ，再選擇彈出菜單中的“WINCC CONTROL CENTER 5.0”,進入WINCC資源管理器，打開組態(tài)好的上位監(jiān)控程序，點擊管理器工具

25、欄上的“激活（運行）”按鈕，進入的實驗主界面如本實驗指導(dǎo)書第二章第一節(jié)中的圖2-5所示。3、鼠標左鍵點擊實驗項目“上水箱液位PID整定實驗”，系統(tǒng)進入正常的測試狀態(tài)，呈現(xiàn)的實驗界面如圖3-8所示。圖3-8 實驗界面在實驗界面的左邊是實驗流程圖，右邊是參數(shù)整定，下面一排六個切換鍵的功能同本實驗指導(dǎo)第二章第一節(jié)所描述的功能相同。4、在上位機監(jiān)控界面中點擊“手動”，并將設(shè)定值和輸出值設(shè)置為一個合適的值，此操作可通過設(shè)定值或輸出值旁邊相應(yīng)的滾動條或輸出輸入框來實現(xiàn)。5、啟動磁力驅(qū)動泵，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當(dāng)增加/減少輸出量，使上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P

26、I調(diào)節(jié)器的參數(shù)，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，通過以下幾種方式加干擾：（1） 突增（或突減）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，后面兩種僅供參考）（2） 將氣動調(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）以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的515，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（采用后面兩種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值），觀察計算

27、機記錄此時的設(shè)定值、輸出值和參數(shù)，液位的響應(yīng)過程曲線將如圖3-9所示。圖3-9 液位的響應(yīng)過程曲線8、分別適量改變調(diào)節(jié)器的P及I參數(shù)，重復(fù)步驟7，通過實驗界面下邊的按鈕切換觀察計算機記錄不同控制規(guī)律下系統(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，通過實驗界面下邊的按鈕切換觀察計算機記錄不同控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。六、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。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。3、根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動作用下的靜、動態(tài)性能。4、比較不同PID參數(shù)對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。5、分析P、PI、PD、PID四種

28、控制規(guī)律對本實驗系統(tǒng)的作用。七、思考題1、如果采用下水箱做實驗，其響應(yīng)曲線與中水箱的曲線有什么異同？并分析差異原因。2、改變比例度和積分時間TI對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生什么影響？第五節(jié)、鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制實驗一、實驗?zāi)康?、了解單回路溫度控制系統(tǒng)的組成與工作原理。2、研究P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對溫度系統(tǒng)的控制作用。3、了解PID參數(shù)自整定的方法及其參數(shù)整定在整個系統(tǒng)中的重要性。4、分析鍋爐內(nèi)膽動態(tài)水溫與靜態(tài)水溫在控制效果上有何不同之處？5、理解鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制采用FCS控制方案實現(xiàn)的過程。二、實驗設(shè)備（同前）三、實驗原理本實驗以鍋爐內(nèi)膽作為被控對象，內(nèi)膽的水溫為系統(tǒng)的被控制量。本

29、實驗要求鍋爐內(nèi)膽的水溫穩(wěn)定至給定量，將鉑電阻TT1檢測到的鍋爐內(nèi)膽溫度信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制三相調(diào)壓模塊的輸出電壓（即三相電加熱管的端電壓），以達到控制鍋爐內(nèi)膽水溫的目的。在鍋爐內(nèi)膽水溫的定值控制系統(tǒng)中，其參數(shù)的整定方法與其它單回路控制系統(tǒng)一樣，但由于加熱過程容量時延較大，所以其控制過渡時間也較長，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器可選擇PD或PID控制。本實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖3-15所示。圖3-15 鍋爐內(nèi)膽溫度特性測試系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖可以采用兩種方案對鍋爐內(nèi)膽的水溫進行控制：（一） 鍋爐夾套不加冷卻水（靜態(tài)）（二） 鍋爐夾套加冷卻水（動態(tài)）顯然，兩種方案的控制

30、效果是不一樣的，后者比前者的升溫過程稍慢，降溫過程稍快。無論操作者采用靜態(tài)控制或者動態(tài)控制，本實驗的上位監(jiān)控界面操作都是一樣的。四、實驗控制系統(tǒng)流程圖本實驗控制系統(tǒng)流程圖如圖3-16所示。圖3-16 實驗控制系統(tǒng)流程圖本實驗主要涉及兩路信號，一路是現(xiàn)場測量信號鍋爐內(nèi)膽溫度，另外一路是控制移項調(diào)壓模塊輸出的控制信號。鍋爐內(nèi)膽溫度的檢測裝置為PT100熱電阻，PT100熱電阻檢測到的信號傳送給溫度變送器，本系統(tǒng)采用帶PROFIBUS-PA通訊接口的溫度變送器，掛接在PROFIBUS-PA總線上，PROFIBUS-PA總線通過LINK和COUPLER組成的DP鏈路與PROFIBUS-DP總線交換數(shù)據(jù)

31、，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2 DP，這樣就完成了現(xiàn)場測量信號到CPU的傳送。本實驗的執(zhí)行機構(gòu)為移項調(diào)壓模塊，移項調(diào)壓模塊所需的控制信號是4到20mA電流信號?？刂菩盘栍煽刂破鰿PU315-2 DP發(fā)出，經(jīng)由PROFIBUS-DP總線到達分布式I/O模塊ET200M，模擬量輸出模塊SM332和分布式I/O模塊ET200M直接相連，最后模擬量輸出4到20mA電流信號控制移項調(diào)壓模塊的輸出電壓。五、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇鍋爐內(nèi)膽水溫作為被控對象，實驗之前先將儲水箱貯足水量，將閥門F1-1、F1-2、F1-5、F1-13全開，手動調(diào)節(jié)閥門F1-3至適當(dāng)開度，其余閥門關(guān)閉

32、，啟動380伏交流磁力泵，給鍋爐內(nèi)膽貯存一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的紅線位置），然后關(guān)閉閥F1-13，打開閥F1-12，為給鍋爐夾套供冷水做好準備。1、接通控制系統(tǒng)電源，打開用作上位監(jiān)控的PC機，進入后的實驗主界面如本實驗指導(dǎo)書第二章第一節(jié)中的圖2-5所示。2、在實驗主界面中選擇本實驗項即“鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制實驗”，系統(tǒng)進入正常的測試狀態(tài)，呈現(xiàn)的實驗界面如圖3-17所示。圖3-17 實驗界面3、在上位機監(jiān)控界面中點擊 “手動”，并將輸出值設(shè)置為一個合適的值，此操作既可拉動輸出值旁邊的滾動條，也可直接在輸出值顯示框中輸入。4、合上三相電源空氣開關(guān)，三相電加熱管通電加熱，適當(dāng)增加/

33、減少輸出量，使鍋爐內(nèi)膽的水溫穩(wěn)定于設(shè)定值。5、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PID控制規(guī)律，并按整定后的PID參數(shù)進行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。6、待鍋爐內(nèi)膽水溫穩(wěn)定于給定值時，將調(diào)節(jié)器切換到“自動”狀態(tài)，待水溫穩(wěn)定后，突增（或突減）設(shè)定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過大，一般為設(shè)定值的515%為宜），鍋爐內(nèi)膽的水溫便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時間后，水溫穩(wěn)定至新的設(shè)定值。點擊實驗界面下邊的切換按鈕，觀察實時曲線、歷史曲線、數(shù)據(jù)報表所記錄的設(shè)定值、輸出值，內(nèi)膽水溫的響應(yīng)過程曲線將如圖3-18所示。圖3-18 內(nèi)膽水溫的響應(yīng)過程曲線7、適

34、量改變控制器的PID參數(shù)，重復(fù)步驟6，觀察計算機記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。8、開始往鍋爐夾套打冷水，重復(fù)步驟37，觀察實驗的過程曲線與前面不加冷水的過程有何不同。9、分別采用P、PI、PD控制規(guī)律，重復(fù)上述實驗，觀察在不同的PID參數(shù)值下，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。六、實驗報告要求1、畫出鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制實驗的結(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)，寫出整定過程。3、根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動作用下的靜、動態(tài)性能。4、比較不同PID參數(shù)對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。5、分析P、PI、PD、PID四種控制方式對本實驗系統(tǒng)的作用。6、綜合分析FCS控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和本實驗中所涉及到

35、的各種信號在通訊網(wǎng)絡(luò)中的傳輸路徑。七、思考題1、在溫度控制系統(tǒng)中，為什么用PD和PID控制，系統(tǒng)的性能并不比用PI控制時有明顯地改善？2、為什么內(nèi)膽動態(tài)水的溫度控制比靜態(tài)水時的溫度控制更容易穩(wěn)定，動態(tài)性能更好？第七節(jié)、單閉環(huán)流量PID控制實驗一、實驗?zāi)康?、了解單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與原理。2、掌握單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法。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、研究P、PI、PD和PID四種控制分別對流量系統(tǒng)的控制作用。5、理解單閉環(huán)流量PID控制實驗采用FCS控制方案的實現(xiàn)過程。二、實驗設(shè)備（同前）三、實驗原理圖3-22 單閉環(huán)流量定值控制系統(tǒng)(a)結(jié)

36、構(gòu)圖 (b)方框圖本實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖3-22所示。被控量為氣動調(diào)節(jié)閥支路（也可采用變頻器支路）的流量，實驗要求氣動閥支路流量穩(wěn)定至給定值。將電磁流量計FT1檢測到的流量信號作為反饋信號，并與給定量比較，其差值通過調(diào)節(jié)器控制氣動調(diào)節(jié)閥的開度，以達到控制管道流量的目的。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控制，并在實驗中P、I參數(shù)設(shè)置要比較大。四、實驗控制系統(tǒng)流程圖本實驗控制系統(tǒng)流程圖如圖3-23所示。圖3-23 實驗控制系統(tǒng)流程圖本實驗中的流量檢測裝置（電磁流量計）和執(zhí)行機構(gòu)（閥門定位器）均為帶PROFIBUS-PA通訊接口的部件，掛接在PROFIB

37、US-PA總線上，PROFIBUS-PA總線通過LINK和COUPLER組成的DP鏈路與PROFIBUS-DP總線交換數(shù)據(jù)，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2 DP，由于PROFIBUS-PA總線和PROFIBUS-DP總線中信號傳輸是雙向的，這樣既完成了現(xiàn)場檢測信號向CPU的傳送，又使得控制器CPU315-2 DP發(fā)出的控制信號經(jīng)由PROFIBUS-DP總線到達PROFIBUS-PA總線來控制執(zhí)行機構(gòu)閥門定位器。五、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇氣動閥支路流量作為被控對象。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-8、F1-11全開，其余閥門均關(guān)閉。1

38、、接通控制系統(tǒng)電源，打開用作上位監(jiān)控的的PC機，進入的實驗主界面如本實驗指導(dǎo)書第二章第一節(jié)中的圖2-5所示。2、在實驗主界面中選擇本實驗項即“單回路流量PID控制實驗”，系統(tǒng)進入正常的測試狀態(tài)，呈現(xiàn)的實驗界面如圖3-24所示。圖3-24 實驗界面余下的實驗操作步驟可根據(jù)本實驗的目的與原理并參照前面的單閉環(huán)定值控制中相應(yīng)方案進行。六、實驗報告要求1、畫出單閉環(huán)流量定值控制實驗的結(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)，寫出整定過程。3、根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動作用下的靜、動態(tài)性能。4、比較不同的PI參數(shù)對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。5、分析P、PI、PD、PID四種控制方式對本實驗系統(tǒng)

39、的作用。6、綜合分析FCS控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和本實驗中所涉及到的各種信號在通訊網(wǎng)絡(luò)中的傳輸路徑。七、思考題1、如果采用變頻器支路做實驗，其響應(yīng)曲線與氣動閥支路的曲線有什么異同？并分析差異的原因。2、改變比例度和積分時間TI對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生什么影響？3、在本實驗中為什么采用PI控制規(guī)律，而不用純P控制規(guī)律？第四章 溫度位式控制系統(tǒng)實驗（鍋爐內(nèi)膽水溫位式控制實驗）一、實驗?zāi)康?、了解溫度位式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成。2、掌握位式控制系統(tǒng)的工作原理及其調(diào)試方法。3、了解位式控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標和參數(shù)整定方法。4、分析鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制與位式控制的控制效果有何不同之處？二、實驗設(shè)備（同前）三、實驗原理圖4-1 鍋爐內(nèi)膽溫度位式控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖本實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖4-1所示。本實驗的被控對象為鍋爐內(nèi)膽，系統(tǒng)的被控制量為內(nèi)膽的水溫。由于實驗中用到的調(diào)節(jié)器輸出只有“開”或“關(guān)”兩種極限的工作狀態(tài)，故稱這種控制器為二位調(diào)節(jié)器。溫度變送器把鉑電阻TT1檢測到的鍋爐內(nèi)膽溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉答侂妷篤i。它與二位調(diào)節(jié)器設(shè)定的上限輸入Vmax 和下限輸入Vmin比較，從而決定二位調(diào)節(jié)器輸出繼電器是閉合或斷開，即控制位式接觸器的接通與斷開。圖4-2為位式控制器的工作原理圖。圖4-2 位式控制器的輸入-輸出特性圖中： V0-位式控制器的輸