《高级过程控制实验指导书.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高级过程控制实验指导书.doc（45页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、实验一 单容水箱特性的测试一、实验目的1. 掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并记录相应液位的响应曲线。2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。二、实验设备1. TkJ-2型高级过程控制系统实验装置2. 计算机及相关软件3. 万用电表一只单容水箱为下水箱时该阀为QV-105三、实验原理单容水箱为下水箱时该阀为出水口闸板QV-116图1.1单容水箱特性测试结构图由图1.1可知，对象的被控制量为水箱的液位H，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1，手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时 Q1-Q20=0
2、（1）动态时，则有 Q1-Q2= （2）式中V为水箱的贮水容积，为水贮存量的变化率，它与H的关系为 ，即= A （3）A为水箱的底面积。把式（3）代入式（2）得 Q1-Q2=A （4）基于Q2=，RS为阀V2的液阻，则上式可改写为Q1-= A 即ARS+h=KQ1或写作 = （5）式中T=ARS，它与水箱的底积A和V2的RS有关；K=RS。式（5）就是单容水箱的传递函数。若令Q1（S）=，R0=常数，则式（5）可改为H（S）=K-对上式取拉氏反变换得 h(t)=KR0(1-e-t/T) （6）当t时，h（）=KR0，因而有K=h（）/R0=输出稳态值/阶跃输入当t=T时，则有h(T)=KR0(
3、1-e-1)=0.632KR0=0.632h() 式（6）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示。图1.2 单容水箱的单调上升指数曲线当由实验求得图2.2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T，由响应曲线求得K图1.3 单容水箱的阶跃响应曲线和T后，就能求得单容水箱的传递函数。如果对象的阶跃响应曲线为图2.3，则在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间，BC为对象的时间常
4、数T，所得的传递函数为：H(S)=四、实验内容与步骤1选择实验对象打开相应阀门，如果单容水箱选择下水箱，则把阀门QV-105（V1）和出水口闸板QV-116 (V2)开至某一开度如图2.1（可参考图1.1.2 现场系统工艺示意流程图），且使QV-105的开度大于QV-116的开度。 表2-1控制装置输入输出智能仪表仪表输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端仪表的输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端西门子PLC200S7-200PLC输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端S7-200PLC输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端DDC（研华
5、模块）ADAM模块输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端ADAM模块输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端2系统连线，本设备有智能仪表、西门子PLC及由研华模块组成的DDC等三套控制装置，可以组成三中不同的控制系统，本次实验时我们可任选其一，如果选择智能仪表控制系统，则只需将智能仪表的I/O口与对象的传感器、执行器端口相连即可；如果选择PLC系统，则只需将PLC的I/O口与对象的相应的传感器、执行器端口相连；DDC控制系统的接线方式与前两者相同，具体接线请参考表2-1和该节附录的图片，开启控制柜电源和相关控制器的电源。 3启动电脑，在C:CH_KY_GONGCHEN
6、GWincc_pro下选择进入相应的Wincc组态工程文件夹，选中图标打开，进入Wincc资源管理器，将其激活即可进入监控系统，针对步骤2所述的三个不同的控制系统，上位机有三个独立组态工程与之对应，做实验时只需选择与所选控制系统相对应的组态工程打开即可。注意：l 如果你是从桌面的Wincc图标直接进去的，此时你打开的工程是上次退出的工程很可能不是你所需要的，此时需将该工程退出后，按步骤3重新打开。l 智能仪表系统退出后，一定要手动将桌面右下脚的任务管理器中仪表OPC服务器退出此时需输入密码“xmyd”，否则再打开别的系统工程时会导致通讯异常。l 智能仪表的相关参数设置见附录表一。4. 在实验目
7、录中选择“实验一 单容水箱特性测试实验”进入，用鼠标选中输出值（MV）下面的输出框，用键盘输出50%，使水箱的液位处于某一平衡位置。5增加或减小调节器的输出，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一定的调节时间后，水箱的液位进入新的平衡状态，如图2.4所示。图1.4单容箱特性响应曲线6 记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。7把由实验曲线所得的结果填入下表。 参数值测量值液位hKT正向输入负向输入平均值五、实验报告1写出常规的实验报告内容。2分析用上述方法建立对象的数学模型有什么局限性？六、思考题1做本实验时，为什么不能
8、任意改变出水口阀开度的大小？2用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？实验一附录 表一智能仪表一参数数值注释Ctrl1控制方式Sn33输入规格dIP1小数点位置dIL0输入下限dIH230输入上限oP14输出方式oPL0输出下限oPH100输出上限CF1系统功能选择Addr0通讯地址bAud9600波特率注： 图一为智能仪表系统接线图，接线时一定要先找到“电动调节阀”，“液位与压力传感器”和 “智能仪表控制系统”三个区间，不可盲目操作。图二为DDC系统接线图，接线时需要找到“DDC控制系统” “电动调节阀”，“液位与压力传感器”。图三为PLC控制系统接线图，接线时需找到“PLC
9、控制系统” “电动调节阀”，“液位与压力传感器”。 图1 智能仪表系统下水箱液位特性测试接线图传统DDC控制系统模块图2 传统DDC控制系统下水箱液位特性测试接线图图3 PLC控制系统下水箱液位特性测试接线图实验二 电动调节阀流量特性的测试一、实验目的1了解电动阀节阀的结构与工作原理。2通过实验，进一步了解电动调节阀流量的特性。二、实验设备1TkJ-2型过程控制实验装置2计算机及相关的软件。3万用表 1只三、实验原理电动调节阀包括执行机构和阀两个部分，它是过程控制系统中的一个重要环节。电动调节阀接受调节器输出420mADC的信号，并将其转换为相应输出轴的角位移，以改变阀节流面积S的大小。图2.
10、9为电动调节阀与管道的连接图。图2.1 电动调节阀与管道的连接图图中： u-来自调节器的控制信号（420mADC）-阀的相对开度s -阀的截流面积q-液体的流量 由过程控制仪表的原理可知，阀的开度与控制信号的静态关系是线性的，而开度与流量Q的关系是非线性的。图2.10为本实验结构图.图2.2 电动调节阀特性实验结构图四、实验报告与步骤1按图2.10 打开阀QV-105、QV-116和QV-102（水泵进水阀门）。表2-4控制装置输入输出智能仪表仪表输入端AI0+、AI0-连接支路2流量输出端即电磁流量计的流量仪表的输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端西门子PLC200S7-2
11、00PLC输入端AI0+、AI0-连接支路2流量输出端即电磁流量计的流量S7-200PLC输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端DDC（研华模块）ADAM模块输入端AI0+、AI0-连接支路2流量输出端即电磁流量计的流量ADAM模块输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端2系统连线，本设备有智能仪表、西门子PLC及由研华模块组成的DDC等三套控制装置，可以组成三中不同的控制系统，本次实验时我们可任选其一，如果选择智能仪表控制系统，则只需将智能仪表的I/O口与对象的传感器、执行器端口相连即可，具体接线请参考表2-4和该节附录的图片。开启控制柜电源和相关控制器的电源。
12、3启动电脑，在C:CH_KY_GONGCHENGWincc_pro下选择进入相应的Wincc组态工程文件夹，选中图标打开，进入Wincc资源管理器，将其激活即可进入监控系统，针对步骤2所述的三个不同的控制系统，上位机有三个独立组态工程与之对应，做实验时只需选择与所选控制系统相对应得组态工程打开即可。注意：1）如果你是从桌面的Wincc图标直接进去的，此时你打开的工程是上次退出的工程很可能不是你所需要的，此时需将该工程退出后，按步骤3重新打开。 2）智能仪表系统退出后，一定要手动将桌面右下脚的任务管理器中仪表OPC服务器退出此时需输入密码“xmyd”，否则再打开别的系统工程时会导致通讯异常。3）
13、智能仪表的相关参数设置见附录表一。4在实验目录中单击进入“实验四 调节阀流量特性测试实验”，用鼠标选中输出值（MV）下面的输出框，用键盘输出30%，记录曲线的变化。5等流量稳定后，并使控制器输出10%、20%、100%，分别记录不同状态时调节器的输出电流和相应的流量。6由电流I作横作标，流量Q作纵坐标，画出Q=F（I）的曲线。五、实验报告1 完成常规的实验报告内容。2 根据所画出的曲线，判别该电动阀的阀体是快开特性，等百分比特性还是慢开特性。实验四附录 表一智能仪表一参数数值注释Ctrl1控制方式Sn33输入规格dIP3小数点位置dIL0.000输入下限dIH3.000输入上限oP14输出方式
14、oPL0输出下限oPH100输出上限CF1系统功能选择Addr0通讯地址bAud9600波特率注： 图一为智能仪表系统接线图，接线时一定要先找到“电动调节阀”，“流量计”和 “智能仪表控制系统”三个区间，不可盲目操作。图二为DDC系统接线图，接线时需要找到“电动调节阀”，“流量计”和“DDC控制系统”三个区间。图三为PLC控制系统接线图，接线时需找到“PLC控制系统” “电动调节阀”，“流量计” 三个区间。图1 智能仪表系统调节阀流量特性测试接线图传统DDC控制系统模块图2 传统DDC控制系统调节阀流量特性测试接线图图3 PLC控制系统调节阀流量特性测试接线图实验三 下水箱液位定值控制系统一、
15、实验目的1 了解单闭环液位控制系统的结构与组成。2 掌握单闭环液位控制系统调节器参数的整定。3 研究调节器相关参数的变化对系统动态性能的影响。二、实验设备1TKJ-2型高级过程控制系统装置2计算机及相关软件、RS232-485转换器1只、串口线1根三、实验原理图3-1 下水箱液位定值控制结构图本实验系统的被控对象为下水箱，其液位高度作为系统的被控制量。系统的给定信号为一定值，它要求被控制量下水箱的液位在稳态时等于给定值。由反馈控制的原理可知，应把下水箱的液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。图3-7为本实验系统的结构图，图3-8为控制系统的方框图。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下无静差，
16、系统的调节器应为PI或PID。图3-2 下水箱液位定值控制方框图四、实验内容与步骤1如图3-7所示，打开阀门QV-102、QV-105和QV-116 (出水口闸板开至某一开度)可参考图1.1.2 现场系统工艺示意流程图，且使QV-105的开度大于QV-116的开度。表3-5控制装置输入输出智能仪表仪表输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端仪表的输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端西门子PLC200S7-200PLC输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端S7-200PLC输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端DDC（研华模块）ADAM模块
17、输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端ADAM模块输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端2系统连线，本设备有智能仪表、西门子PLC及由研华模块组成的DDC等三套控制装置，可以组成三中不同的控制系统，本次实验时我们可任选其一，如果选择智能仪表控制系统，则只需将智能仪表的I/O口与对象的传感器、执行器端口相连即可；如果选择PLC系统，则只需将PLC的I/O口与对象的相应的传感器、执行器端口相连；DDC控制系统的接线方式与前两者相同，具体接线请参考表3-5和该节附录的图片，开启控制柜电源和相关控制器的电源。3启动电脑，在C:CH_KY_GONGCHENGWincc_pro
18、下选择进入相应的Wincc组态工程文件夹，选中图标打开，进入Wincc资源管理器，将其激活即可进入监控系统，针对步骤2所述的三个不同的控制系统，上位机有三个独立组态工程与之对应，做实验时只需选择与所选控制系统相对应得组态工程打开即可。注意：1）如果你是从桌面的Wincc图标直接进去的，此时你打开的工程是上次退出的工程很可能不是你所需要的，此时需将该工程退出后，按步骤3重新打开。 2）智能仪表系统退出后，一定要手动将桌面右下脚的任务管理器中仪表OPC服务器退出此时需输入密码“xmyd”，否则再打开别的系统工程时会导致通讯异常。 3）智能仪表的相关参数设置见附录表一。4在实验目录中选择“实验六 下
19、水箱液位定值控制系统”，根据前面所述的PID参数整定法，设置或整定PID相关参数。5设置好系统的给定值，先手动输出,使电动调节阀(大概50%)给下水箱打水，待其液位接近给定量值时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。6当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增加5%15%），观察并记录系统的输出响应曲线。7待系统进入稳态后，适量改变出水口闸板QV-116的开度，以作为系统的扰动，观察并记录在阶跃扰动作用下液位的变化过程。8适量改变PI的参数，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。五、实验报告1用实验方法确定调节器的相关参数。2列表记录，在上述参数下求得系统在阶跃扰动作用下响应曲线的动、
20、静态性能指标。 3改变比例度和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？实验六附录 表一智能仪表一参数数值注释Ctrl1控制方式Sn33输入规格dIP1小数点位置dIL0输入下限dIH230输入上限oP14输出方式oPL0输出下限oPH100输出上限CF1系统功能选择Addr0通讯地址bAud9600波特率注： 图一为智能仪表系统接线图，接线时一定要先找到“电动调节阀”，“液位与压力传感器”和 “智能仪表控制系统”三个区间，不可盲目操作。图二为DDC系统接线图，接线时需要找到“DDC控制系统” “电动调节阀”，“液位与压力传感器”。图三为PLC控制系统接线图，接线时需找到“PLC控制系统” “电动
21、调节阀”，“液位与压力传感器”。图1 智能仪表系统下水箱液位定值控制接线图传统DDC控制系统模块图2 传统DDC控制系统下水箱液位定值控制接线图图3 PLC控制系统下水箱液位定值控制接线图实验四 电动阀支路流量的定值控制系统一、实验目的1.了解单闭环流量定值控制系统的组成。2.应用阶跃响应曲线法整定调节器的参数。3.研究调节器中相关参数的变化对系统性能的影响。二、实验设备1.TkJ-2型高级过程控制系统实验装置2.计算机及相关组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根三、实验原理图4-1 单闭环流量控制系统的结构图图3-13为单闭环流量控制系统的结构图。系统的被控对象为管道，流经管道中
22、的液体流量Q作为被控制量。基于系统的控制任务是维持被控制量恒定不变，即在稳态时，它总等于给定值。因此需把流量Q经检测变送后的信号作为系统的反馈量，并采用PI调节器。系统的控制方框图见图3-14。基于被控对象是一个时间常数较小的惯性环节，故本系统调节器的参数宜用阶跃响应曲线法确定。图4-12单闭环流量控制系统的方框图四、实验内容与步骤1、打开阀QV-105、QV-116和QV-102（水泵进水阀门），如图3-13所示。表3-6控制装置输入输出智能仪表仪表输入端AI0+、AI0-连接支路2流量输出端即电磁流量计的流量仪表的输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端西门子PLC200S7
23、-200PLC输入端AI0+、AI0-连接支路2流量输出端即电磁流量计的流量S7-200PLC输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端DDC（研华模块）ADAM模块输入端AI0+、AI0-连接支路2流量输出端即电磁流量计的流量ADAM模块输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端2系统连线，本设备有智能仪表、西门子PLC及由研华模块组成的DDC等三套控制装置，可以组成三中不同的控制系统，本次实验时我们可任选其一，如果选择智能仪表控制系统，则只需将智能仪表的I/O口与对象的传感器、执行器端口相连即可，具体接线请参考表3-6和该节附录的图片。开启控制柜电源和相关控制器的电
24、源。3启动电脑，在C:CH_KY_GONGCHENGWincc_pro下选择进入相应的Wincc组态工程文件夹，选中图标打开，进入Wincc资源管理器，将其激活即可进入监控系统，针对步骤2所述的三个不同的控制系统，上位机有三个独立组态工程与之对应，做实验时只需选择与所选控制系统相对应得组态工程打开即可。注意：l 如果你是从桌面的Wincc图标直接进去的，此时你打开的工程是上次退出的工程很可能不是你所需要的，此时需将该工程退出后，按步骤3重新打开。l 智能仪表系统退出后，一定要手动将桌面右下脚的任务管理器中仪表OPC服务器退出此时需输入密码“xmyd”，否则再打开别的系统工程时会导致通讯异常。l
25、 智能仪表的相关参数设置见附录表一。4. 在实验目录中选择“实验九 调节阀支路流量定值控制系统”，根据用阶跃响应曲线法求得的K、T和，查本章中的表四确定PI调节器的参数和周期Ti。5. 设置流量的给定值后，先手动输出（30%80%），等流量Q趋于给定值，把调节器由手动切换为自动，使系统进入自动运行状态。6. 当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增加5%15%），观察并记录系统的输出响应曲线。7. 通过反复多次调节PI的参数，使系统具有较满意的动态性能指标。用计算机记录此时系统的动态响应曲线。五、实验报告1用实验方法整定PI调节器的参数。2作出比例P控制时，不同值下的阶跃响应曲线，并记下它们
26、的余差ess。3比例积分调节器（PI）控制(1) 在比例调节控制实验的基础上，加上积分作用“I”，即把“I”（积分）设置为一参数，根据不同的情况，设置不同的大小。观察被控制量能否回到原设定值的位置，以验证系统在PI调节器控制下，系统的阶跃扰动无余差产生。 (2) 固定比例P值（中等大小），然后改变调节器的积分时间常数TI值，观察加入阶跃扰动后被调量的输出波形和响应时间的快慢。 (3) 固定TI于某一中等大小的值，然后改变比例度的大小，观察加阶跃扰动后被调量的动态波形和响应时间的快慢。4分析和TI值改变时，各给系统动态性能产生什么影响。六、思考题1消除系统的余差为什么采用PI调节器，而不采用纯积
27、分器？2为什么本系统调节器参数的整定要用阶跃响应曲线法，而不用临界比例度法和阻尼振荡法？实验九附录 表一智能仪表一参数数值注释Ctrl1控制方式Sn33输入规格dIP3小数点位置dIL0.000输入下限dIH3.000输入上限oP14输出方式oPL0输出下限oPH100输出上限CF1系统功能选择Addr0通讯地址bAud9600波特率注： 图一为智能仪表系统接线图，接线时一定要先找到“电动调节阀”，“流量计”和 “智能仪表控制系统”三个区间，不可盲目操作。图二为DDC系统接线图，接线时需要找到“电动调节阀”，“流量计”和“DDC控制系统”三个区间。图三为PLC控制系统接线图，接线时需找到“PL
28、C控制系统” “电动调节阀”，“流量计” 三个区间。图1 智能仪表系统调节阀流量定值控制接线图图2 传统DDC控制系统调节阀流量定值控制接线图图3 PLC控制系统调节阀流量定值控制接线图实验五 液位与调节阀支路流量的串级控制一、实验目的1.熟悉液位-流量串级控制系统的结构与组成。2.掌握液位-流量串级控制系统的投运与参数的整定方法。3.研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。二、实验设备1.TkJ-2型高级过程控制系统实验装置2.计算机及相关组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根三、实验原理图5-1液位-流量串级控制系统的结构图本实验系统的主控量为下水箱的液位高
29、度H，副控量为电动调节阀支路流量Q，它是一个辅助的控制变量。系统由主、副两个回路所组成。主回路是一个恒值控制系统，使系统的主控制量H等于给定值；副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量H的控制目的。不难看出，由于主对象下水箱的时间常数较大于副对象管道的时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，在主对象未受到影响前，通过副回路的快速调节作用已消除了扰动的影响。图4-4为实验系统的结构图，图4-5为该控制系统的方框图。图5-2液位-流量串级控制系统的方框图四、实验内容与实验步骤1、打开阀门QV-102、QV-105和QV-116(下水
30、箱出水口闸板)。表4-2控制器输入输出智能仪表仪表一输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端，仪表二输入端AI1+、AI1-连接支路2流量计输出端仪表一输出端AO0+、AO0-连接仪表二输入端AI2+、AI2-（外给定）；仪表二输出端AO1+、AO1- 连接的电动调节阀的控制信号输入端西门子PLC200S7-200PLC输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端，输入端AI1+、AI1-连接支路2流量计输出端S7-200PLC输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端DDC（研华模块）ADAM模块输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端，AI1+、AI1
31、-连接支路2流量计输出端ADAM模块输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端2、系统连线，本设备有智能仪表、西门子PLC及由研华模块组成的DDC等三套控制装置，可以组成三中不同的控制系统，本次实验时我们可任选其一，如果选择智能仪表控制系统，则只需将智能仪表的I/O口与对象的传感器、执行器端口相连即可，具体接线请参考表4-2和该节附录的图片。开启控制柜电源和相关控制器的电源。 3、启动电脑，在C:CH_KY_GONGCHENGWincc_pro下选择进入相应的Wincc组态工程文件夹，选中图标打开，进入Wincc资源管理器，将其激活即可进入监控系统，针对步骤2所述的三个不同的控制系
32、统，上位机有三个独立组态工程与之对应，做实验时只需选择与所选控制系统相对应的组态工程打开即可。注意：1）如果你是从桌面的Wincc图标直接进去的，此时你打开的工程是上次退出的工程很可能不是你所需要的，此时需将该工程退出后，按步骤3重新打开。 2）智能仪表系统退出后，一定要手动将桌面右下脚的任务管理器中仪表OPC服务器退出此时需输入密码“xmyd”，否则再打开别的系统工程时会导致通讯异常。 3）智能仪表的相关参数设置见附录表一。4、在实验目录中选择“实验十五 液位与调节阀支路流量串级控制实验”(PLC控制系统为实验十四)。5、加阶跃信号整定PID参数（用本章第一节介绍的方法），按经验数据预先设置
33、好副调节器的比例度，调节主调节器的比例度，使系统的输出响应出现4：1的衰减度，记下此时的比例度S和周期TS。据此，按经验表查得PI的参数对主调节器进行参数整定。注：可以先进行参数整定，也可以在后面的步骤中逐步整定。6、设定给定值，先手动输出(副回路)，等下水箱的液位趋于给定值，切换为自动。7、当系统稳定运行后，设定值加一合适的阶跃扰动，观察并记录系统的输出响应曲线。8、待系统稳定后，适量打开电动阀两端的旁路阀QV-103，观察并记录阶跃扰动作用于副对象时系统被控制量的影响。10、通过反复对主、副调节器参数的调节，使系统具有较满意的动、静态性能。用计算机记录此时系统的动态响应曲线。五、实验报告内
34、容1、画出本实验系统的方框图2、按4：1衰减曲线法，求得主调节器的参数，并把最终调试的值一并列表表示。3、在不同调节器参数下，对系统性能作一比较。4、画出扰动分别作用于主、副对象时输出响应曲线，并对系统的抗扰性作出评述5、观察并分析主调节器的比例度和积分时间常数的改变对系统被控制量动态性能的影响。七、思考题1、为什么副回路的调节器用P控制，而不采用PI控制规律？2、如果用二步整定法整定主、副调节器的参数，其整定步骤怎样？3、试简述串级控制系统设置副回路的主要原因有那些？实验十五附录 表一智能仪表一智能仪表二(外给定)参数数值注释参数数值注释Ctrl1控制方式Ctrl1控制方式Sn33输入规格S
35、n32输入规格dIP1小数点位置dIP3小数点位置dIL0输入下限dIL0.000输入下限dIH100输入上限dIH3.000输入上限oP14输出方式oP14输出方式oPL0输出下限oPL0输出下限oPH100输出上限oPH100输出上限CF0系统功能选择CF10系统功能选择Addr0通讯地址Addr1通讯地址bAud9600波特率bAud9600波特率注：1.智能仪表控制系统按下图一接线，接线时一定要先在控制柜面板上找到“电动调节阀”，“液位和压力传感器”“流量计”和 “智能仪表控制系统”三个区间，不可盲目操作。2.用DDC系统按下图二接线，接线时也要先找到 “DDC控制系统” “电动调节阀
36、”“流量计”和“液位和压力传感器”三个区间。3.用PLC控制系统按下图三接线，接线时也要先找到“PLC控制系统” “电动调节阀”“流量计”和“液位和压力传感器”三个区间。图一 智能仪表系统下水箱液位与调节阀支路流量的串级控制接线图图二 传统DDC控制系统下水箱液位与调节阀支路流量的串级控制接线图图三 PLC控制系统下水箱液位与调节阀支路流量的串级控制接线图实验六 水箱液位串级控制系统一、实验目的1.熟悉串级控制系统的结构与特点2.掌握串级控制系统的投运与参数的整定方法3.研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响二、实验设备1.TkJ-2型高级过程控制系统实验装置2.计算机及相
37、关组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根三、实验原理图6-1 液位串级控制系统的结构图本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主、副两个回路组成。每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量。副回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，它的输出是一个辅助的控制变量。本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值，实现无差调节。当有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当被控制量（下水箱的液位）未作出
38、反映时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对被控制量的影响。此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。图4-2为实验系统的结构图，图4-3为相应控制系统的方框图。 图6-2 液位串级控制系统的方框图四、实验内容与实验步骤1打开阀门QV-102、QV-107、QV-117(中水箱出水口闸板)和QV-116(下水箱出水口闸板)，且使QV-116少大于QV-117。表4-1控制器输入输出智能仪表仪表一输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端，仪表二输入端AI1+、AI1-连接中水箱液位变送器输出端仪表一输出端AO
39、0+、AO0-连接仪表二输入端AI2+、AI2-（外给定）；仪表二输出端AO1+、AO1- 连接的电动调节阀的控制信号输入端西门子PLC200S7-200PLC输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端，输入端AI1+、AI1-连接中水箱液位变送器输出端S7-200PLC输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端DDC（研华模块）ADAM模块输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端，AI1+、AI1-连接中水箱液位变送器输出端ADAM模块输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端2. 系统连线，本设备有智能仪表、西门子PLC及由研华模块组成的DDC等三
40、套控制装置，可以组成三中不同的控制系统，本次实验时我们可任选其一，如果选择智能仪表控制系统，则只需将智能仪表的I/O口与对象的传感器、执行器端口相连即可，具体接线请参考表4-1和该节附录的图片。开启控制柜电源和相关控制器的电源。 3. 启动电脑，在C:CH_KY_GONGCHENGWincc_pro下选择进入相应的Wincc组态工程文件夹，选中图标打开，进入Wincc资源管理器，将其激活即可进入监控系统，针对步骤2所述的三个不同的控制系统，上位机有三个独立组态工程与之对应，做实验时只需选择与所选控制系统相对应的组态工程打开即可。注意：1）如果你是从桌面的Wincc图标直接进去的，此时你打开的工
41、程是上次退出的工程很可能不是你所需要的，此时需将该工程退出后，按步骤3重新打开。 2）智能仪表系统退出后，一定要手动将桌面右下脚的任务管理器中仪表OPC服务器退出此时需输入密码“xmyd”，否则再打开别的系统工程时会导致通讯异常。 3）智能仪表的相关参数设置见附录表一。4. 在实验目录中选择单击进入“实验十四 双容水箱串级控制系统”(PIC系统为实验十三)。5加阶跃信号整定PID参数，用本章第一节介绍的方法：按经验数据预先设置好副调节器的比例度，调节主调节器的比例度，使系统的输出响应出现4：1的衰减度，记下此时的比例度S和周期TS。据此，按经验表查得PI的参数对主调节器进行参数整定。注：可以先
42、进行参数整定，也可以在后面的步骤中逐步整定。6、设定给定值，先手动输出，此时电动调节阀支路会给中水箱打水，等中、下水箱的液位相对稳定，且下水箱的液位趋于给定值时，把主调节器切换为自动。7、当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增/减5%15%），观察并记录系统的输出响应曲线。8、打开阀门QV-115、QV-111、QV-211和适量打开阀QV-108，启动变频器，观察并记录阶跃扰动作用于副对象（中水箱）时，系统被控制量（下水箱液位）的响应过程。9、通过反复对主、副调节器参数的调节，使系统具有较满意的动、静态性能。用计算机记录此时系统的动态响应曲线。五、实验报告要求1、画出本实验系统的方框图。
43、2、通过实验求出输出响应呈4：1衰减时的主调节器的参数。3、根据扰动分别作用于主、副对象时系统输出的响应曲线，对此作出评述。4、观察并分析副调节器的比例度大小对系统动态性能的影响。5、观察并分析主调节器比例度和积分时间常数Ti的改变对系统动态性能的影响。六、思考题1、试述串级控制系统为什么对主扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力？如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时，二次扰动对主控制量是否仍很小，为什么？2、当一次扰动作用于主对象时，试问由于副回路的存在，系统的动态性能比单回路系统的动态性能有何改进？3、一步整定法的依据是什么？4、串级控制系统投运前需要作好那些准备工作？主、副调节器的正反作用方向如何确定？5、为什么本实验中的副调节器为比例（P）调节器？6、改变副调节器的比例度，对串级控制系统的动态和抗扰性能有何影响，试从理论上给予说明。7、评述串级控制系统比单回路控制系统的控制质量高的原因？实验十四附录表一智能仪表一智能仪表二(外给定)参数数值注释参数数值注释Ctrl1控制方式Ctrl1控制方式Sn33输入规格Sn32输入规格dIP1小数点位置dIP1小数点位置dIL0输入下限dIL