常規(guī)儀表過程控制實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1、第一章 實(shí)驗(yàn)裝置說明第一節(jié) 系統(tǒng)概述一、概述“DDD-Z05-IK型過控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”是由實(shí)驗(yàn)控制對(duì)象、實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)及上位監(jiān)控PC機(jī)三部分組成。它是本企業(yè)根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化及其他相關(guān)專業(yè)的教學(xué)特點(diǎn)，并吸收了國內(nèi)外同類實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和長處，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，多次實(shí)驗(yàn)和反復(fù)論證而推出的一套全新的綜合性實(shí)驗(yàn)裝置。本裝置結(jié)合了當(dāng)今工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)過程控制的實(shí)際，是一套集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該系統(tǒng)包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)，單回路控制，串級(jí)控制，前饋-反饋控制，滯后控制、比值控制，解耦控制等多種控制形式。本裝置

2、還可根據(jù)用戶的需要設(shè)計(jì)構(gòu)成AI智能儀表，DDC遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，DCS分布式控制，PLC可編程控制，F(xiàn)CS現(xiàn)場(chǎng)總線控制等多種控制系統(tǒng)，它既可作為本科，?？疲呗氝^程控制課程的實(shí)驗(yàn)裝置，也可為教師、研究生及科研人員對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)、先進(jìn)控制系統(tǒng)的研究提供一個(gè)物理模擬對(duì)象和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 學(xué)生通過本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)后可掌握以下內(nèi)容：1傳感器特性的認(rèn)識(shí)和零點(diǎn)遷移；2自動(dòng)化儀表的初步使用；3變頻器的基本原理和初步使用；4電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性和原理；5測(cè)定被控對(duì)象特性的方法；6單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定；7串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定；8復(fù)雜控制回路系統(tǒng)的參數(shù)整定；9控制參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)的要求；10控制系統(tǒng)的

3、設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析、接線、投運(yùn)等綜合能力培養(yǎng)；11各種控制方案的生成過程及控制算法程序的編制方法。二、系統(tǒng)特點(diǎn)l 真實(shí)性、直觀性、綜合性強(qiáng)，控制對(duì)象組件全部來源于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。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 具有廣泛的擴(kuò)展性和后續(xù)開發(fā)功能，所有I/O信號(hào)全部采用國際標(biāo)準(zhǔn)IEC信號(hào)。l 具有控制參數(shù)和控制方案的多樣化。通過不同被控參數(shù)、動(dòng)力源、控制器、執(zhí)行器及工藝管路的組合可構(gòu)成幾十種過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。l 各種控制算法和調(diào)節(jié)規(guī)律在開放的實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)上都可以實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖表在上位機(jī)軟件系統(tǒng)中很容易存儲(chǔ)及調(diào)用，以便實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后的比較和分析。l

4、 多種控制方式：可采用AI智能儀表控制、DCS分布式控制、S7-200或S7-300PLC可編程控制、DDC遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制等多種控制方式。l 充分考慮了各大高校自動(dòng)化專業(yè)的大綱要求，完全能滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)的需要，同時(shí)學(xué)生可自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行綜合性、創(chuàng)造性過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、調(diào)試、分析，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立操作、獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。三、實(shí)驗(yàn)裝置的安全保護(hù)體系1三相四線制總電源輸入經(jīng)帶漏電保護(hù)裝置的三相四線制斷路器進(jìn)入系統(tǒng)電源之后又分為一個(gè)三相電源支路和三個(gè)不同相的單相支路，每一支路都帶有各自三相、單相斷路器?？傠娫丛O(shè)有三相通電指示燈和380V三相電壓指示表，三相帶燈

5、熔斷器作為斷相指示。2控制屏上裝有一套電壓型漏電保護(hù)和一套電流型漏電保護(hù)裝置。3控制屏設(shè)有服務(wù)管理器（即定時(shí)器兼報(bào)警記錄儀），為學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的考核提供一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。4各種電源及各種儀表均有可靠的自保護(hù)功能。5強(qiáng)電接線插頭采用封閉式結(jié)構(gòu)，以防止觸電事故的發(fā)生。6強(qiáng)弱電連接線采用不同結(jié)構(gòu)的插頭、插座，防止強(qiáng)弱電混接。第二節(jié) DDD-Z05-IK型過控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)象實(shí)驗(yàn)對(duì)象總貌圖如圖1-1所示：圖1-1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象總貌圖本實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)象主要由水箱、鍋爐和盤管三大部分組成。供水系統(tǒng)有三路：一路由三相（380V恒壓供水）磁力驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；一路由變頻器、

6、三相磁力驅(qū)動(dòng)泵（220V變頻調(diào)速）、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動(dòng)泵（220V變頻調(diào)速）、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。一、被控對(duì)象由不銹鋼儲(chǔ)水箱、有機(jī)玻璃上水箱、不銹鋼鍋爐汽包、4.5KW三相電加熱模擬鍋爐(由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式鍋爐夾套構(gòu)成)、盤管和敷塑不銹鋼管道等組成。1水箱：包括上水箱、儲(chǔ)水箱。上水箱采用淡藍(lán)色優(yōu)質(zhì)有機(jī)玻璃，不但堅(jiān)實(shí)耐用，而且透明度高，便于學(xué)生直接觀察液位的變化和記錄結(jié)果。上水箱尺寸為：D=25cm，H=20cm；水箱結(jié)構(gòu)獨(dú)特，由三個(gè)槽組成，分別為緩沖槽、工作槽和出水槽，進(jìn)水時(shí)水管的水先流入緩沖槽，出水時(shí)工作槽的水經(jīng)過帶燕尾槽的隔板流入出

7、水槽，這樣經(jīng)過緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩(wěn)定，便于觀察。水箱底部均接有擴(kuò)散硅壓力傳感器與變送器，可對(duì)水箱的壓力和液位進(jìn)行檢測(cè)和變送。上水箱和汽包可組成二階系統(tǒng)、雙閉環(huán)串級(jí)控制系統(tǒng)。儲(chǔ)水箱由不銹鋼板制成，尺寸為：長×寬×高=68cm×52×43，完全能滿足上、汽包的實(shí)驗(yàn)供水需要。儲(chǔ)水箱內(nèi)部有兩個(gè)橢圓形塑料過濾網(wǎng)罩，以防雜物進(jìn)入水泵和管道。2. 鍋爐汽包：不銹鋼精制而成，可利用它進(jìn)行虛假水位模擬實(shí)驗(yàn)。3模擬鍋爐：是利用電加熱管加熱的常壓鍋爐，包括加熱層（鍋爐內(nèi)膽）和冷卻層（鍋爐夾套），均由不銹鋼精制而成，可利用它進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)。做溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)，冷卻層的

8、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(cè)其溫度，可完成溫度的定值控制、串級(jí)控制，前饋-反饋控制，解耦控制等實(shí)驗(yàn)。4盤管：模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的管道輸送和滯后環(huán)節(jié)，長37米（43圈），在盤管上有三個(gè)不同的溫度檢測(cè)點(diǎn)，它們的滯后時(shí)間常數(shù)不同，在實(shí)驗(yàn)過程中可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需要選擇不同的溫度檢測(cè)點(diǎn)。盤管的出水通過手動(dòng)閥門的切換既可以流入鍋爐內(nèi)膽，也可以經(jīng)過渦輪流量計(jì)流回儲(chǔ)水箱。它可用來完成溫度的滯后和流量純滯后控制實(shí)驗(yàn)。5管道及閥門：整個(gè)系統(tǒng)管道由敷塑不銹鋼管連接而成，所有的手動(dòng)閥門均采用優(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(shí)驗(yàn)裝置的使用年限

9、。其中儲(chǔ)水箱底部有一個(gè)出水閥，當(dāng)水箱需要更換水時(shí)，把球閥打開將水直接排出。二、檢測(cè)裝置1壓力傳感器、變送器：三個(gè)壓力傳感器分別用來對(duì)上、中、下三個(gè)水箱的液位進(jìn)行檢測(cè)，其量程為05KP，精度為0.5級(jí)。采用工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。采用標(biāo)準(zhǔn)二線制傳輸方式，工作時(shí)需提供24V直流電源，輸出：420mADC。2溫度傳感器：裝置中采用了六個(gè)Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，分別用來檢測(cè)鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套、盤管（有3個(gè)測(cè)試點(diǎn)）以及上水箱出口的水溫。Pt100測(cè)溫范圍：-200+420。經(jīng)過調(diào)節(jié)器的溫度變送器，可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成420mA直流電

10、流信號(hào)。Pt100傳感器精度高，熱補(bǔ)償性較好。3流量傳感器、變送器：三個(gè)渦輪流量計(jì)分別用來對(duì)由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制的動(dòng)力支路、由變頻器控制的動(dòng)力支路及盤管出口處的流量進(jìn)行檢測(cè)。它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，反應(yīng)快。采用標(biāo)準(zhǔn)二線制傳輸方式，工作時(shí)需提供24V直流電源。流量范圍：01.2m3/h；精度：1.0%；輸出：420mADC。三、執(zhí)行機(jī)構(gòu)1電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來對(duì)控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)為：QSTP-16K。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，電源為單相220V，控制信號(hào)為420mADC或15V

11、DC，輸出為420mADC的閥位信號(hào)，使用和校正非常方便。2水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ-8P，進(jìn)口直徑：16，出口直徑：12，溫度:<=100，流量為30升/分，揚(yáng)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。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動(dòng)泵,一只為三相380V恒壓驅(qū)動(dòng)，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)裝置采用兩套不銹鋼磁力驅(qū)動(dòng)泵（上海永勝制泵有限公司生產(chǎn)），一套是380V恒壓供水，另一套是220V變頻控制供水。它是將永磁聯(lián)軸器的工作原理應(yīng)用于離心泵的新產(chǎn)品，具有全密封、無泄露、耐腐蝕的特點(diǎn)。它以靜密封取代動(dòng)密封，使泵的過流部件處于完全密封狀態(tài)，

12、徹底解決了其它泵（如丹麥泵、齒輪泵等）機(jī)械密封無法避免的跑、冒、漏、滴之弊病，選用耐腐蝕、高強(qiáng)度的不銹鋼作為制造材料。結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀、體積小、噪音低、運(yùn)行可靠、使用維修方便。3電磁閥：在本裝置中作為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號(hào)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；工作電壓：24VDC。4三相電加熱管：由三根1.5KW電加熱管星形連接而成，用來對(duì)鍋爐內(nèi)膽內(nèi)的水進(jìn)行加溫，每根加熱管的電阻值約為50左右。5全隔離三相交流調(diào)壓模塊：全隔離三相交流調(diào)壓模塊內(nèi)部集三相電相位檢測(cè)、移相電路、觸發(fā)電路和三組反并聯(lián)單向可控硅于

13、一體，用420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)自動(dòng)控制來達(dá)到改變可控硅導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)三相負(fù)載電壓從0V到電網(wǎng)全電壓的無級(jí)可調(diào)，本裝置采用了上海順科固體繼電器有限公司的STY-380D35A，配套使用的有三相同步變壓器TB-3?？梢詫?shí)現(xiàn)溫度的連續(xù)控制。第三節(jié) DDD-Z05-IK型過控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)“DDD-Z05-IK型過控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”主要由控制屏組件、智能儀表控制組件、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制組件、DCS分布式控制組件、PLC控制組件等幾部分組成。一、控制屏組件1SA-01電源控制屏面板充分考慮人身安全保護(hù)，裝有漏電保護(hù)空氣開關(guān)、電壓型漏電保護(hù)器、電流型漏電保護(hù)器。圖1-2為電源控制屏示意

14、圖。合上總電源空氣開關(guān)及鑰匙開關(guān)，此時(shí)三只電壓表均指示380V左右，定時(shí)器兼報(bào)警記錄儀數(shù)顯亮，停止按鈕燈亮。此時(shí)打開照明開關(guān)、變頻器開關(guān)及24V開關(guān)電源即可提供照明燈，變頻器和24V電。按下啟動(dòng)按鈕，停止按鈕燈熄，啟動(dòng)按鈕燈亮，此時(shí)合上三相電源、單相、單相、單相空氣開關(guān)即可提供相應(yīng)電源輸出，作為其他設(shè)備的供電電源。圖1-2 電源控制屏示意圖2SA-02 I/O信號(hào)接口面板該面板的作用主要是通過航空插頭（一端與對(duì)象系統(tǒng)連接）將各傳感器檢測(cè)信號(hào)及執(zhí)行器控制信號(hào)同面板上自鎖緊插孔相連，便于學(xué)生自行連線組成不同的控制系統(tǒng)。3三相移相SCR調(diào)壓裝置、位式控制接觸器采用三相可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號(hào)

15、為420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，其移相觸發(fā)角與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓用來控制電加熱器的端電壓，從而實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度的連續(xù)控制。位式控制接觸器和AI-708儀表一起使用，通過AI-708儀表輸出繼電器觸點(diǎn)的通斷來控制交流接觸器的通斷，從而完成鍋爐水溫的位式控制實(shí)驗(yàn)。二、智能儀表控制組件1AI智能調(diào)節(jié)儀表掛件采用上海萬迅儀表有限公司生產(chǎn)的AI系列全通用人工智能調(diào)節(jié)儀表，其中SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制掛件為AI-818型，SA-13智能位式調(diào)節(jié)儀為AI-708型。AI-818型儀表為PID控制型，輸出為420mADC信號(hào)；而AI-708型儀表為位式控制型，輸出為繼電器觸點(diǎn)型開關(guān)量信號(hào)。AI系列儀表通過

16、RS485串口通信協(xié)議與上位計(jì)算機(jī)通訊，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。AI儀表常用參數(shù)設(shè)置：CtrL：控制方式。CtrL0，采用位式控制；CtrL1，采用AI人工智能調(diào)節(jié)/PID調(diào)節(jié)；CtrL2，啟動(dòng)自整定參數(shù)功能；CtrL3，自整定結(jié)束。Sn：輸入規(guī)格。Sn21，Pt100熱電阻輸入；Sn32，0.21VDC電壓輸入；Sn33，15VDC電壓輸入。DIL：輸入下限顯示值，一般DIL0。DIH：輸入上限顯示值。輸入為液位信號(hào)時(shí)，DIH50.0；輸入為熱電阻信號(hào)時(shí)，DIH100；輸入為流量信號(hào)時(shí)，DIH100。OP1：輸出方式，一般OP14為420mA線性電流輸出。CF：系統(tǒng)功能選擇。CF0為內(nèi)部給定

17、，反作用調(diào)節(jié)；CF1為內(nèi)部給定，正作用調(diào)節(jié)；CF8為外部給定，反作用調(diào)節(jié)；CF9為外部給定，正作用調(diào)節(jié)。Addr：通訊地址。單回路實(shí)驗(yàn)Addr1；串級(jí)實(shí)驗(yàn)主控為Addr1，副控為Addr2；三閉環(huán)實(shí)驗(yàn)主控為Addr1，副控為Addr2，內(nèi)環(huán)為Addr3。實(shí)驗(yàn)中各儀表通訊地址不允許相同。P、I、D參數(shù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)整，其他參數(shù)請(qǐng)參考默認(rèn)設(shè)置。有關(guān)AI系列儀表的使用請(qǐng)參考說明書上相關(guān)的內(nèi)容。2SA-14比值、前饋補(bǔ)償及解耦裝置掛件比值、前饋補(bǔ)償裝置同調(diào)節(jié)器一起使用，其原理如圖1-3所示。上面一路作為比值器，輸入電壓經(jīng)過電壓跟隨器、反相比例放大器、反相器輸出05V電壓，可以實(shí)現(xiàn)流量的單閉環(huán)比值、雙

18、閉環(huán)比值控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；當(dāng)上面一路作為干擾輸入，下面一路作為調(diào)節(jié)器輸出時(shí)，兩路相加或相減（通過鈕子開關(guān)切換），再經(jīng)過I/V變換輸出420mA電流，這部分構(gòu)成一個(gè)前饋補(bǔ)償器，可以實(shí)現(xiàn)液位與流量、溫度與流量的前饋-反饋控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。圖1-3 比值、前饋補(bǔ)償器原理圖解耦裝置同調(diào)節(jié)器一起使用，其原理如圖1-4所示。上面一路的輸入對(duì)輸出的影響，以及下面一路的輸入對(duì)輸出的影響均為1：1的關(guān)系；兩路之間相互的影響通過可調(diào)比例放大器及加法器實(shí)現(xiàn)。值得注意的是上面一路對(duì)下面一路的影響可通過鈕子開關(guān)選擇相加或相減，可以實(shí)現(xiàn)鍋爐內(nèi)膽與鍋爐夾套的溫度、上水箱液位與出口水溫的解耦控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。圖1-4 解耦裝置原理圖第四

19、節(jié) 軟件介紹MCGS組態(tài)軟件：本裝置中智能儀表控制方案、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制方案和S7-200PLC控制方案均采用了北京昆侖公司的MCGS組態(tài)軟件作為上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件。MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運(yùn)行于Microsoft Windows95/98/NT/2000等操作系統(tǒng)。MCGS 5.1為用戶提供了解決實(shí)際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺(tái)，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。有關(guān)

20、MCGS軟件的使用請(qǐng)參考配套的手冊(cè)及光盤。第五節(jié) 實(shí)驗(yàn)要求及安全操作規(guī)程一、實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)前應(yīng)復(fù)習(xí)教科書有關(guān)章節(jié)，認(rèn)真研讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?xiàng)目、方法與步驟，明確實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)注意的問題，并按實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目準(zhǔn)備記錄等。實(shí)驗(yàn)前應(yīng)了解實(shí)驗(yàn)裝置中的對(duì)象、水泵、變頻器和所用控制組件的名稱、作用及其所在位置。以便于在實(shí)驗(yàn)中對(duì)它們進(jìn)行操作和觀察。熟悉實(shí)驗(yàn)裝置面板圖，要求做到：由面板上的圖形、文字符號(hào)能準(zhǔn)確找到該設(shè)備的實(shí)際位置。熟悉工藝管道結(jié)構(gòu)、每個(gè)手動(dòng)閥門的位置及其作用。認(rèn)真作好實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力，提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量和保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備都是很重要的。二、實(shí)驗(yàn)過程的基本程序1明確實(shí)驗(yàn)任務(wù)；2提

21、出實(shí)驗(yàn)方案；3畫實(shí)驗(yàn)接線圖；4進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，做好觀測(cè)和記錄；5整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在進(jìn)行本書中的綜合實(shí)驗(yàn)時(shí)，上述程序應(yīng)盡量讓學(xué)生獨(dú)立完成，老師給予必要的指導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，要做好各主題實(shí)驗(yàn)，就應(yīng)做到：實(shí)驗(yàn)前有準(zhǔn)備；實(shí)驗(yàn)中有條理，實(shí)驗(yàn)后有分析。三、實(shí)驗(yàn)安全操作規(guī)程1實(shí)驗(yàn)之前確保所有電源開關(guān)均處于“關(guān)”的位置。2接線或拆線必須在切斷電源的情況下進(jìn)行，接線時(shí)要注意電源極性。完成接線后，正式投入運(yùn)行之前，應(yīng)嚴(yán)格檢查安裝、接線是否正確，并請(qǐng)指導(dǎo)老師確認(rèn)無誤后，方能通電。3在投運(yùn)之前，請(qǐng)先檢查管道及閥門是否已按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求打開，儲(chǔ)水箱中是否充水至三分之二以上，以保證磁力驅(qū)

22、動(dòng)泵中充滿水，磁力驅(qū)動(dòng)泵無水空轉(zhuǎn)易造成水泵損壞。4在進(jìn)行溫度試驗(yàn)前，請(qǐng)先檢查鍋爐內(nèi)膽內(nèi)水位，至少保證水位超過液位指示玻璃管上面的紅線位置，無水空燒易造成電加熱管燒壞。5實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)進(jìn)行變送器零位和量程的調(diào)整，調(diào)整時(shí)應(yīng)注意電位器的調(diào)節(jié)方向，并分清調(diào)零電位器和滿量程電位器。6儀表應(yīng)通電預(yù)熱15分鐘后再進(jìn)行校驗(yàn)。7小心操作，切勿亂扳硬擰，嚴(yán)防損壞儀表。第二章 對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立通常采用下列二種方法。一種是分析法，即根據(jù)過程的機(jī)理，物料或能量平衡關(guān)系求得它的數(shù)學(xué)模型；另一種是用實(shí)驗(yàn)的方法確定。本裝置采用實(shí)驗(yàn)方法通過被控對(duì)象對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)來確定它的參數(shù)及數(shù)學(xué)模型。由于此法較簡(jiǎn)單，因而

23、在過程控制中得到了廣泛地應(yīng)用。第一節(jié) 單容自衡水箱液位特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握單容水箱的階躍響應(yīng)測(cè)試方法，并記錄相應(yīng)液位的響應(yīng)曲線；2根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的液位階躍響應(yīng)曲線，用相應(yīng)的方法確定被測(cè)對(duì)象的特征參數(shù)K、T和傳遞函數(shù)；二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 DDD-Z05-I實(shí)驗(yàn)對(duì)象及DDD-Z05-IK控制屏、DDD-Z05-III 電源控制柜一臺(tái)、SA-12掛件一個(gè)、SA-13A掛件一個(gè)、計(jì)算機(jī)一臺(tái)、萬用表一個(gè)、實(shí)驗(yàn)連接線若干。三、實(shí)驗(yàn)原理所謂單容指只有一個(gè)貯蓄容器。自衡是指對(duì)象在擾動(dòng)作用下，其平衡位置被破壞后，不需要操作人員或設(shè)備等干預(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(cè)試結(jié)構(gòu)圖

24、及方框圖。閥門F1-1、F2-14和F1-6全開，設(shè)上水箱流入量為Q1，改變電動(dòng)調(diào)節(jié)閥V1的開度可以改變Q1的大小，上水箱的流出量為Q2，改變出水閥F1-9的開度可以改變Q2。液位h的變化反映了Q1與Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的過程。若將Q1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Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。圖2-1 單容自衡水箱特性測(cè)試系統(tǒng)（a）結(jié)構(gòu)圖 （b）方框圖根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有Q1-Q2=A (2-1)將式(2-1)表示為增量形式Q1-Q2=A (2-2)式中：Q1，Q2，h分別為偏離某一平衡狀態(tài)的增量； A水箱截面積。在平衡時(shí)，Q1=Q2，0；當(dāng)Q1發(fā)

25、生變化時(shí)，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。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(jiǎn)化起見，經(jīng)線性化處理后，可近似認(rèn)為Q2與h成正比關(guān)系，而與閥F1-9的阻力R成反比，即Q2= 或 R= (2-3) 式中：R閥F1-9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W0（s）= (2-4) 式中T為水箱的時(shí)間常數(shù)，TRC；K為放大系數(shù)，KR；C為水箱的容量系數(shù)。若令Q1（s）作階躍擾動(dòng)，即Q1（s）=，x0=常數(shù)，則式(2-4)可改寫為H（s）=×=K-對(duì)上式取拉氏反變換

26、得h(t)=Kx0(1-e-t/T) (2-5)當(dāng)t>時(shí)，h（）-h（0）=Kx0，因而有K= (2-6) 當(dāng)t=T時(shí)，則有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h() (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(duì)應(yīng)的時(shí)間，就是水箱的時(shí)間常數(shù)T。也可由坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線OA，切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn)A所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是該時(shí)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2-2 單容水箱的階躍響應(yīng)曲線如果對(duì)象具有滯后特性時(shí)，其階躍響應(yīng)曲線則為圖2-2（b），在此曲線的拐點(diǎn)D處

27、作一切線，它與時(shí)間軸交于B點(diǎn)，與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于A點(diǎn)。圖中OB即為對(duì)象的滯后時(shí)間，BC為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)T，所得的傳遞函數(shù)為：H(S)= (2-8) 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇作上水箱為被測(cè)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-6、F2-14全開，將出水閥門F1-9開至適當(dāng)開度（40%-70%），其余閥門均關(guān)閉。 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(jì)算機(jī)串口1，并按照下面的控制屏接線說明連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。文字部分強(qiáng)電接通電源控制柜電源總開關(guān)，打開

28、鑰匙開關(guān)，控制屏上單相的L、N端接到智能調(diào)節(jié)儀電源的L、N端弱電上水箱液位LT1信號(hào)250歐姆（1-5V）的+、-端對(duì)應(yīng)接到智能調(diào)節(jié)儀1、2端調(diào)節(jié)儀輸出7、5端對(duì)應(yīng)接到SA-13A電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)輸入+、-端表2-1 儀表控制單容水箱特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)接線說明本實(shí)驗(yàn)為開環(huán)控制，不需要設(shè)置PID參數(shù)，其他參數(shù)為：Sn=33；CF=0；ADDR=1；diH=50;dil=0;上水箱出水閥開度40%-70%2接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)， 直流電壓指示24V，給壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，合上單相空氣開關(guān)，給智能儀表上電。3打開上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行

29、環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)一、單容自衡水箱對(duì)象特性測(cè)試”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)一的監(jiān)控界面。4將智能儀表輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值（40%-70%），此操作需通過調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)。5按下電源控制柜啟動(dòng)按鈕，打開磁力泵電源旋鈕開關(guān)，磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使上水箱的液位處于某一平衡位置，記錄此時(shí)的儀表輸出值和液位值。6待液位平衡后，突增（或突減）智能儀表輸出量的大小，使其輸出有一個(gè)正（或負(fù)）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(shí)間后，水箱液位進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，記錄下此時(shí)的儀表輸出值和液位值，液位的響應(yīng)過程曲線將如圖2-

30、3所示。圖2-3 單容液位階躍響應(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(jì)算K值，再根據(jù)圖2-2中的實(shí)驗(yàn)曲線求得T值，寫出對(duì)象的傳遞函數(shù)。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1畫出單容水箱液位特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖。2根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)及曲線，分析并計(jì)算出單容水箱液位對(duì)象的參數(shù)及傳遞函數(shù)。六、思考題1做本實(shí)驗(yàn)時(shí)，為什么不能任意改變出水閥F1-9開度的大??？2用響應(yīng)曲線法確定對(duì)象的數(shù)學(xué)模型時(shí)，其精度與那些因素有關(guān)？3如果采用鍋爐汽包做實(shí)驗(yàn)，其響應(yīng)曲線與的曲線有什么異同？并分析差異原因。第二節(jié) 雙容水箱特性的測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握雙容水箱特性的階躍響應(yīng)曲線測(cè)試方法；2根據(jù)由實(shí)驗(yàn)測(cè)得雙容液位的階躍響應(yīng)

31、曲線，確定其特征參數(shù)K、T1、T2及傳遞函數(shù)；二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備（同前）三、原理說明圖2-4 雙容水箱對(duì)象特性測(cè)試系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖由圖2-4所示，被測(cè)對(duì)象由兩個(gè)不同容積的水箱相串聯(lián)組成，故稱其為雙容對(duì)象。自衡是指對(duì)象在擾動(dòng)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。根據(jù)本章第一節(jié)單容水箱特性測(cè)試的原理，可知雙容水箱數(shù)學(xué)模型是兩個(gè)單容水箱數(shù)學(xué)模型的乘積，即雙容水箱的數(shù)學(xué)模型可用一個(gè)二階慣性環(huán)節(jié)來描述：G(s)=G1(s)G2(s)= (2-9) 式中Kk1k2，為雙容水箱的放大系數(shù)，T1、T2分別為兩個(gè)水箱的時(shí)間常數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中被測(cè)量為鍋爐汽包的液

32、位，當(dāng)上水箱輸入量有一階躍增量變化時(shí)，兩水箱的液位變化曲線如圖2-5所示。由圖2-5可見，上水箱液位的響應(yīng)曲線為一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)（圖2-5 (a)）；而液位的響應(yīng)曲線則呈S形曲線（圖2-5 (b)），即上水箱的液位響應(yīng)滯后了，它滯后的時(shí)間與閥F1-9和F1-11的開度大小密切相關(guān)。圖2-5 雙容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線（a）上水箱液位 （b）鍋爐汽包液位雙容對(duì)象兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)可按下述方法來確定。在圖2-6所示的階躍響應(yīng)曲線上求?。?1) h2（t）|t=t1=0.4 h2()時(shí)曲線上的點(diǎn)B和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1；(2) h2（t）|t=t2=0.8 h2()時(shí)曲線上的點(diǎn)C和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t2。

33、圖2-6 雙容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線 然后，利用下面的近似公式計(jì)算式 (2-10) (2-11) (2-12) 0.32t1/t20.46由上述兩式中解出T1和T2，于是得到如式（2-9）所示的傳遞函數(shù)。在改變相應(yīng)的閥門開度后，對(duì)象可能出現(xiàn)滯后特性，這時(shí)可由S形曲線的拐點(diǎn)P處作一切線，它與時(shí)間軸的交點(diǎn)為A，OA對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為對(duì)象響應(yīng)的滯后時(shí)間。于是得到雙容滯后（二階滯后）對(duì)象的傳遞函數(shù)為：G（S）= (2-13) 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇上水箱和鍋爐汽包串聯(lián)作為被測(cè)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-6、F1-9、F2-14全開，將汽包出水閥F2-15開至適當(dāng)?shù)拈_

34、度（50%-70%），其余閥門均關(guān)閉。 1將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(jì)算機(jī)串口1，并按照下面控制屏接線說明連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。文字部分強(qiáng)電接通電源控制柜電源總開關(guān)，打開鑰匙開關(guān)，控制屏上單相的L、N端接到智能調(diào)節(jié)儀電源的L、N端弱電汽包液位LT1信號(hào)250歐姆（1-5V）的+、-端對(duì)應(yīng)接到智能調(diào)節(jié)儀1、2端調(diào)節(jié)儀輸出7、5端對(duì)應(yīng)接到SA-13A電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)輸入+、-端表2-2 儀表控制雙容水箱特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)接線說明2接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)， 直流電壓指示24V，給壓力變送器上電，按

35、下啟動(dòng)按鈕，合上單相空氣開關(guān)，給智能儀表上電。3打開上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)二、雙容自衡水箱對(duì)象特性測(cè)試”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)二的監(jiān)控界面。4將智能調(diào)節(jié)儀輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值（一般為最大值的4070%，不宜過大，以免水箱中水溢出），此操作需通過調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)。5按下電源控制柜啟動(dòng)按鈕，打開磁力泵電源旋鈕開關(guān)，磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使上水箱的液位處于某一平衡位置，記錄此時(shí)的儀表輸出值和液位值。6液位平衡后，突增（或突減）儀表輸出量的大小，使其輸出有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜

36、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(shí)間后，水箱液位進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，記錄下此時(shí)的儀表輸出值和液位值，液位的響應(yīng)過程曲線將如圖2-7所示。圖2-7 雙容水箱液位階躍響應(yīng)曲線7根據(jù)前面記錄的液位和儀表輸出值，按公式（2-10）計(jì)算K值，再根據(jù)圖2-6中的實(shí)驗(yàn)曲線求得T1、T2值，寫出對(duì)象的傳遞函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1畫出雙容水箱液位特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖。2根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)及曲線，分析并計(jì)算出雙容水箱液位對(duì)象的參數(shù)及傳遞函數(shù)。三、思考題1做本實(shí)驗(yàn)時(shí)，為什么不能任意改變兩個(gè)出水閥門開度的大??？2用響應(yīng)曲線法確定對(duì)象的數(shù)學(xué)模型時(shí)，其精度與那些因素有關(guān)？3引起雙容對(duì)象滯

37、后的因素主要有哪些？第三章 單回路控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)第一節(jié) 單回路控制系統(tǒng)的概述一、單回路控制系統(tǒng)的概述圖3-1為單回路控制系統(tǒng)方框圖的一般形式，它是由被控對(duì)象、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器和測(cè)量變送器組成一個(gè)單閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的給定量是某一定值，要求系統(tǒng)的被控制量穩(wěn)定至給定量。由于這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能較好，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，故在工業(yè)生產(chǎn)中已被廣泛應(yīng)用。圖3-1 單回路控制系統(tǒng)方框圖二、干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響1干擾通道的放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)及純滯后對(duì)系統(tǒng)的影響。干擾通道的放大系數(shù)Kf會(huì)影響干擾加在系統(tǒng)中的幅值。若系統(tǒng)是有差系統(tǒng)，則干擾通道的放大系數(shù)愈大，系統(tǒng)的靜差也就愈大。如果干擾通道是一慣性環(huán)節(jié)，令時(shí)間常數(shù)為Tf

38、，則階躍擾動(dòng)通過慣性環(huán)節(jié)后，其過渡過程的動(dòng)態(tài)分量被濾波而幅值變小。即時(shí)間常數(shù)Tf越大，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差就愈小。通常干擾通道中還會(huì)有純滯后環(huán)節(jié)，它使被調(diào)參數(shù)的響應(yīng)時(shí)間滯后一個(gè)值，但不會(huì)影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量。2干擾進(jìn)入系統(tǒng)中的不同位置。復(fù)雜的生產(chǎn)過程往往有多個(gè)干擾量，它們作用在系統(tǒng)的不同位置，如圖3-2所示。同一形式、大小相同的擾動(dòng)作用在系統(tǒng)中不同的位置所產(chǎn)生的靜差是不一樣的。對(duì)擾動(dòng)產(chǎn)生影響的僅是擾動(dòng)作用點(diǎn)前的那些環(huán)節(jié)。 圖3-2 擾動(dòng)作用于不同位置的控制系統(tǒng)三、控制規(guī)律的選擇PID控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響已在有關(guān)課程中介紹，在此將有關(guān)結(jié)論再簡(jiǎn)單歸納一下。1比例(P)調(diào)節(jié)純比例調(diào)節(jié)器是一種最

39、簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)器，它對(duì)控制作用和擾動(dòng)作用的響應(yīng)都很快。由于比例調(diào)節(jié)只有一個(gè)參數(shù)，所以整定很方便。這種調(diào)節(jié)器的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)有靜差存在。其傳遞函數(shù)為：GC(s)= KP = (3-1) 式中KP為比例系數(shù)，為比例帶。2比例積分(PI)調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)器就是利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時(shí)利用I調(diào)節(jié)消除殘差，但I(xiàn)調(diào)節(jié)會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種調(diào)節(jié)器在過程控制中是應(yīng)用最多的一種調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為：GC(s)=KP(1+)(1+) (3-2) 式中TI為積分時(shí)間。3比例微分(PD)調(diào)節(jié)這種調(diào)節(jié)器由于有微分的超前作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，減小動(dòng)態(tài)和靜態(tài)誤差，但微分抗干擾能力較差，且微分過大

40、，易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動(dòng)作向兩端飽和。因此一般不用于流量和液位控制系統(tǒng)。PD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： GC(s)=KP(1+TDs)(1+TDs) (3-3) 式中TD為微分時(shí)間。4比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器PID是常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一種調(diào)節(jié)器。由于它具有各類調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)，因而使系統(tǒng)具有更高的控制質(zhì)量。它的傳遞函數(shù)為GC(s)=KP(1+TDs)(1+TDs) (3-4) 圖3-3表示了同一對(duì)象在相同階躍擾動(dòng)下，采用不同控制規(guī)律時(shí)具有相同衰減率的響應(yīng)過程。圖3-3 各種控制規(guī)律對(duì)應(yīng)的響應(yīng)過程四、調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定一般有兩種方法：一種是理論計(jì)算法，即根據(jù)廣義對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和性能要求，

41、用根軌跡法或頻率特性法來確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)；另一種方法是工程實(shí)驗(yàn)法，通過對(duì)典型輸入響應(yīng)曲線所得到的特征量，然后查照經(jīng)驗(yàn)表，求得調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。工程實(shí)驗(yàn)整定法有以下四種：（一）經(jīng)驗(yàn)法若將控制系統(tǒng)按照液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對(duì)象往往比較接近，所以無論是控制器形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表3-1為經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進(jìn)一步修正。若需加微分作用，微分時(shí)間常數(shù)按TD=()TI計(jì)算。表3-1 經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)系 統(tǒng)參 數(shù)(%)TI(min)TD(min)溫 度20603100.53流 量401000.11壓 力30700.43液

42、 位2080(二)臨界比例度法圖3-4 具有周期TS的等幅振蕩這種整定方法是在閉環(huán)情況下進(jìn)行的。設(shè)TI=，TD=0，使調(diào)節(jié)器工作在純比例情況下，將比例度由大逐漸變小，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)呈現(xiàn)等幅振蕩，如圖3-4所示。根據(jù)臨界比例度k和振蕩周期TS，按表3-2所列的經(jīng)驗(yàn)算式，求取調(diào)節(jié)器的參考參數(shù)值，這種整定方法是以得到4：1衰減為目標(biāo)。表3-2 臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù) 調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱TI(S)TD(S)P2kPI2.2kTS/1.2PID1.6k0.5TS0.125TS臨界比例度法的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)單方便，但此法有一定限制。首先要產(chǎn)生允許受控變量能承受等幅振蕩的波動(dòng)，其次是受控對(duì)象應(yīng)是二階和二

43、階以上或具有純滯后的一階以上環(huán)節(jié)，否則在比例控制下，系統(tǒng)是不會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩的。在求取等幅振蕩曲線時(shí)，應(yīng)特別注意控制閥出現(xiàn)開、關(guān)的極端狀態(tài)。（三）衰減曲線法（阻尼振蕩法）圖3-5 4：1衰減曲線法圖形在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動(dòng)觀察輸出響應(yīng)的衰減過程，直至出現(xiàn)圖3-5所示的4：1衰減過程為止。這時(shí)的比例度稱為4：1衰減比例度，用S表示之。相鄰兩波峰間的距離稱為4：1衰減周期TS。根據(jù)S和TS，運(yùn)用表3-3所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出調(diào)節(jié)器預(yù)整定的參數(shù)值。表3-3 衰減曲線法計(jì)算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱（%）TI(min)TD(min)PSPI1.

44、2S0.5TSPID0.8S0.3TS0.1 TS （四）動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法所謂動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算的方法，即根據(jù)第二章中對(duì)象特性的階躍響應(yīng)曲線測(cè)試法測(cè)得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)（K、T、等），利用表3-4所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出對(duì)應(yīng)于衰減率為4：1時(shí)調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。如果被控對(duì)象是一階慣性環(huán)節(jié)，或具有很小滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，若用臨界比例度法或阻尼振蕩法（4：1衰減）就有難度，此時(shí)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法進(jìn)行整定。表3-4 經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱（%）TITDP×100%PI1.1×100%3.3PID0.85×100%2

45、0.5第二節(jié) 單容液位定值控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?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(yùn)方法。3研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)靜、動(dòng)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(duì)液位控制的作用。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備（同前）三、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖3-6所示。被控量為鍋爐汽包（也可采用上水箱或）的液位高度，實(shí)驗(yàn)要求鍋爐汽包的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器LT2檢測(cè)到的鍋爐汽包液位信號(hào)作為反饋信號(hào)，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，以達(dá)到控制鍋爐汽包液

46、位的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 本實(shí)驗(yàn)選擇作上水箱為被測(cè)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-6、F2-14全開，將出水閥門F1-9開至適當(dāng)開度（40%-70%），其余閥門均關(guān)閉。1. 將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(jì)算機(jī)串口1，并按照下面控制屏接線說明連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。文字部分強(qiáng)電接通電源控制柜電源總開關(guān)，打開鑰匙開關(guān)，控制屏上單相的L、N端接到智能調(diào)節(jié)儀電源的L、N端弱電上水箱液位L

47、T1信號(hào)250歐姆（1-5V）的+、-端對(duì)應(yīng)接到智能調(diào)節(jié)儀1、2端調(diào)節(jié)儀輸出7、5端對(duì)應(yīng)接到SA-13A電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)輸入+、-端表3-1 儀表單容液位定值控制接線說明參考參數(shù)：SV=8CM ;P=20;I=40;D=0Sn=33;CF=0；ADDR=1；diH=50;dil=0;2接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)， 直流電壓指示24V，給壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，合上單相空氣開關(guān)，給智能儀表上電。3打開上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)三、單容液位定值控制”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)三的監(jiān)控界面。4設(shè)置智能儀表的各個(gè)參數(shù)(見參考參數(shù)),在

48、監(jiān)控界面中點(diǎn)擊啟動(dòng)儀表。5按下電源控制柜啟動(dòng)按鈕，打開磁力泵電源旋鈕開關(guān)，磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使上水箱的液位趨于設(shè)定值。6按本章第一節(jié)中的經(jīng)驗(yàn)法或動(dòng)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(jìn)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(dòng)”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）儀表設(shè)定值的大小，使其有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化；（此法推薦，后面二種僅供參考）（2）將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-2（同電磁閥）開至適當(dāng)開度,同時(shí)打開直流電磁閥的鈕子開關(guān)；（3）將進(jìn)水閥F1-6開至適當(dāng)開度；（改變負(fù)載

49、）以上幾種干擾均要求擾動(dòng)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(shí)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(shí)的智能儀表的設(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3-7所示。圖3-7 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(jì)算機(jī)記錄不同參數(shù)時(shí)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(jì)算機(jī)記錄不同控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。第三節(jié) 雙容水箱液位定值控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步了解雙容水箱液位的特性。2

50、掌握雙容水箱液位控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定與投運(yùn)方法。3研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的改變對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。4研究P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對(duì)液位系統(tǒng)的控制作用。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備（同前）三、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)以上水箱與鍋爐汽包串聯(lián)作為被控對(duì)象，鍋爐汽包的液位高度為系統(tǒng)的被控制量。要求鍋爐汽包液位穩(wěn)定至給定量，將壓力傳感器LT2檢測(cè)到的鍋爐汽包液位信號(hào)作為反饋信號(hào)，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，以達(dá)到控制鍋爐汽包液位的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)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。調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定可采用本章第一節(jié)所述任意一種整定方法。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

51、和方框圖如圖3-8所示。圖3-8 雙容液位定值控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇上水箱和鍋爐汽包串聯(lián)作為雙容對(duì)象,實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-6、F2-14全開，將上水箱出水閥門F1-9、汽包出水閥F2-15開至適當(dāng)開度（F1-9F2-15），其余閥門均關(guān)閉。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟可根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的目的與原理參照前一節(jié)單容液位定值控制中的相應(yīng)方案進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)的接線與第二章第二節(jié)雙容對(duì)象特性測(cè)試的接線說明完全一樣。值得注意的是手自動(dòng)切換的時(shí)間為：當(dāng)鍋爐汽包液位基本穩(wěn)定不變（一般約為35cm）且的液位趨于給定值時(shí)切換為最佳。參考參數(shù)：SV=10cm；P

52、=20；I=60；D=0；Sn=33；CF=0；ADDR=1；diH=50;dil=0;上水箱出水閥開度：7090%汽包出水閥開度 ：50%-70%五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1畫出雙容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖。2用實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下的靜、動(dòng)態(tài)性能。4比較不同PI參數(shù)對(duì)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(duì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的作用。六、思考題1改變比例度和積分時(shí)間TI對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生什么影響？2為什么本實(shí)驗(yàn)比單容液位定值控制系統(tǒng)更容易引起振蕩？要達(dá)到同樣的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，在本實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)器的比例度和積分時(shí)間常數(shù)要怎

53、么設(shè)置？第四節(jié) 鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?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(duì)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(gè)系統(tǒng)中的重要性。4分析鍋爐內(nèi)膽動(dòng)態(tài)水溫與靜態(tài)水溫在控制效果上有何不同之處？二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備DDD-Z05-I實(shí)驗(yàn)對(duì)象及DDD-Z05-IK控制屏、DDD-Z05-III 電源控制柜一臺(tái)、SA-12掛件二個(gè)、SA-13A掛件一個(gè)、計(jì)算機(jī)一臺(tái)、萬用表一個(gè)、實(shí)驗(yàn)連接線若干。三、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)以鍋爐內(nèi)膽作為被控對(duì)象，內(nèi)膽的水溫為系統(tǒng)的被控制量。本實(shí)驗(yàn)要求鍋爐內(nèi)膽的水溫穩(wěn)定至給定量，將鉑電阻TT1檢測(cè)到的鍋

54、爐內(nèi)膽溫度信號(hào)作為反饋信號(hào)，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(dá)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(shí)延較大，所以其控制過渡時(shí)間也較長，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器可選擇PD或PID控制。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖3-9所示。圖3-9 鍋爐內(nèi)膽溫度特性測(cè)試系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖可以采用兩種方案對(duì)鍋爐內(nèi)膽的水溫進(jìn)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(dòng)態(tài)）顯然，兩種方案的控制效果是不一樣的，后者比前者的升溫過程稍慢，降溫過程稍快，過渡過程時(shí)間稍短。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇鍋爐內(nèi)膽水溫作為被控對(duì)象，實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F2-1、F2-2、F1-12、F1-13全開，其余閥門關(guān)閉。給鍋爐內(nèi)膽和夾套貯一定的水量（要求內(nèi)膽至少高于液位指示玻璃管的紅線位置，注意：內(nèi)膽溫度先加熱到一定程度時(shí)，再加冷卻水）。然后關(guān)閉閥F1-12，為給鍋爐夾套供冷水做好準(zhǔn)備（本實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)加冷卻水） 1將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/