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1、自动化仪表与过程控制实验讲义自动化仪表与过程控制实验讲义电子电气工程学院2016年2月实验一 水箱液位数学模型测定一般情况下，系统特性实验是属于开发性测试。在用户现场一般不会再次进行，如果用户有兴趣可以抽取进行。测试的对象实际包括控制系统。单容系统测试和多容系统的编程和界面都一样，只是出水口和目标液位对象不同。多容系统的特性时间更长。5.1.1 实验题目描述阀门的开度，以及调速器、水泵的特性都可能影响到系统的传递函数，所以没有一样的传递函数，但是在一定的液位高度范围内和一定的开度下，系统时间基本是一样的。阀门的开度会影响到传递函数，所以同学们测量的数据可能不同。把系统作为一阶系统，传递函数G(

2、S)=K/(TcS+1)。对于单容水箱，如果考虑进行线性简化，可以认为它是一阶惯性环节加纯延迟的系统。由于纯延迟相对系统时间比较少。可以不考虑纯延迟。下面求出系统时间参数Tc和增益K。直接在调速器上加定值电流，从而使得水泵具有固定的流量。可以通过智能调节仪表手动给定，或者AO模块直接输出电流，调整水箱出口到一定的开度，等待稳定后，突然加大调速器上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型，测试工艺如图5-1-1所示。图5-1-1 单容液位特性测量流程图相关理论计算可以参考清华大学出版社1993年出版的过程控制，金以慧编著。实验方案连线如表5-1-1所示。表5-1-1 实验连线

3、测量或控制量测量或控制量标号控制系统端口水箱液位LT101AI0调速器U101AO05.1.2 实验步骤和数据记录步骤如下：1、JV12全开，JV16打开45度左右（由于开度不同，特性也有差异），其余阀门关闭。2、将LT101连到AI0输入端，AO0输出端连到U101(手动输出)。3、工艺对象上电，控制系统上电，调速器U101上电，启动P101。4、启动组态软件，设定U101控制40%，等待系统稳定。液位和流量稳定在某个值。注意观察液面，不能太低，否则不算稳定。5、设定U101控制45%，记录水位随时间的数据，到新的稳定点或接近稳定。如果阶越太大，可能导致溢出。6、抓图，修改U101控制量，然

4、后获得一个新的稳定曲线。7、可以修改JV16开度，重复4和6步。8、关闭系统，分析数据。5.1.3 实验结果单容水箱水位阶跃响应曲线，如图5-1-2所示。图5-1-2 单容测试飞升特性曲线传递函数G(S)=K/(TcS+1)。控制量从20%上升到25%，液位从27.1%上升到61.2%。按照63.2%变动，则从54.6%高度画线。从开始变化到70.6%变动范围时间Tc就是178秒。增益K=(70.6-27.1)/(25-20)=8.7传递函数G(S)=8.7/(178S+1)。实验二 液位PID单回路控制同样的程序和界面，可以用于单容、水平双容、垂直双容和水平三容的液位控制。只是管路有所不同，

5、目标液位不同，我们选择单容来进行描述。5.2.1实验题目描述单容水箱液位PID控制流程图如图5-2-1所示，采用右边支路进行实验，左边支路也是一样的。 图5-2-1 单容水箱液位调速器PID单回路控制测点清单如表5-2-1所示。表5-2-1 单容水箱液位调速器PID单回路控制测点清单 序号位号设备名称用途原始信号类型工程量1U101电动调速器阀位控制210VDCAO01002LT103压力变送器水箱液位420mADCAI3.5kPa水介质由泵P102从水箱V4中加压获得压头，经由调速器U101进入水箱V3，通过手阀JV26回流至水箱V4而形成水循环；其中，水箱V3的液位由LT103测得，用调节

6、手阀JV26的开启程度来模拟负载的大小。本例为定值自动调节系统，U101为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调节来完成。5.2.2操作步骤和调试1、编写控制器算法程序，下装调试；编写实验组态工程，连接控制器，进行联合调试。2、在现场系统上，打开手阀JV22，调节JV26开度(如果你希望控制量范围50-70%，则要开很大，否则开少一些)，其余阀门关闭。3、在控制系统上，将IO面板的水箱液位输出连接到AI0，IO面板的电动调速器控制端连到AO0。注意：具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。对于全连好线的系统，例如DCS，则必须按照已经接线的通道来编程。4、打开设备电源。5、

7、启动计算机组态软件，进入实验项目界面。启动调节器，设置各项参数。启动右边水泵P102和调速器。6、系统稳定后可将调节器的手动控制切换到自动控制7、设置比例参数。观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰实验。8、待系统稳定后，对系统加扰动信号(在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现，也可以通过支路1增加干扰，或者临时改变一下出口闸板的高度)。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。9、减小P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。10、增大P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。11、选择合适的P，可以得到较满意的过

8、渡过程曲线。改变设定值(如设定值由50变为60)，同样可以得到一条过渡过程曲线。注意：每当做完一次实验后，必须待系统稳定后再做另一次实验。12、在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置I参数不是特别大的数。固定比例P值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量p。13、固定I于某一中间值，然后改变P的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同值Ti下的超调量p。14、选择合适的P和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值（如设定值由50%变为60%）

9、来获得。15、在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把软件界面上设置D参数，然后加上与前面调节时幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线。15、选择合适的P、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从突变10%左右来实现）。5.2.3实验结果测试结果如图5-2-2和如图5-2-3所示。由于手阀的开度不同，有不同的控制情况，所以各个用户的测试数据不一定相同。图5-2-2 单容水箱液位调速器PID单回路控制曲线1图5-2-3 单容水箱液位调速器PID单回路控制曲线2实验三 流量PID单回路控制5.3.1实验题目描述流量调速器控制流程图如图

10、5-3-1所示。采用右边支路进行实验，左边支路也是一样的。图5-3-1 流量调速器PID单回路控制测点清单如表5-3-1所示。表5-3-1 流量调速器PID单回路控制测点清单序号位号设备名称用途原始信号类型工程量1FT102电磁流量计给水流量420mADCAI03m3/h2U101电动调速器阀位反馈210VDCAO0100水介质由泵P102从水箱V4中加压获得压头，经由流量计FT102、调速器U101进入水箱V3，通过手阀JV26回流至水箱V4而形成水循环；其中，给水流量由FT102测得。本例为定值自动调节系统，U101为操纵变量，FT102为被控变量，采用PID调节来完成。上位组态，实验要求

11、的组态流程图界面（要求复显），如图5-3-2所示。图5-3-2 组态流程图界面组态控制点清单如表5-3-2所示。表5-3-2 组态控制点清单名称 描 述数据格式控制器中对应变量U101流量控制，PID百分比输出FLOATPD9:0.CVPFT102流量信号FLOATF8:0SP调速器设定值FLOATF8:10PPID比例FLOATPD9:0.KCIPID 积分FLOATPD9:0.TiDPID 微分FLOATPD9:0.Ti手/自动手自动切换BYTEPD9:0.AM调速器输出调节器手动状态下，点击则弹出输入对话框（改变调节器输出值），自动状态跟随调节器输出值。FLOATPD9:0.CVP5.3

12、.2操作步骤和调试1、编写控制器算法程序，下装调试；编写实验组态工程，连接控制器，进行联合调试。2、在现场系统上，将手阀JV22，JV26完全打开，其余阀门关闭。水箱容器只是作为水介质流通回路的一个部分。3、在控制机柜上，把IO面板的FT102流量计信号端子通过实验连接线连到AI0端，面板上的U101调速器控制端连接到控制器AO0端。注意：具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。对于全连好线的系统，例如DCS，则必须按照已经接线的通道来编程。4、打开设备电源，包括调速器，流量计电源。接通水泵P102电源。5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。6、启动计算机，

13、启动组态软件，进入实验项目界面。7、启动调节器，设置到手动状态，把输出值设定到比较大的状态，同时检测流量计的流量测量。经过1分钟后，流量计测量准确后开始实验。8、把调节器切换到自动控制。9、设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。5.3.3实验结果及记录参考的控制曲线如图5-3-3所示。图5-3-3 调速器流量控制曲线曲线中PI参数设定如下P=2，I=20，小数值D的影响不大。实验四 压力PID单回路控制5.4.1实验题目描述压力调速器控制流程图如图5-4-1所示，采用右边支路进行实验，左边支路也是一样的。图5-4-1 压力调速器PID单回路控制测点清单如表5-4-1所示。表5-4

14、-1 压力调速器PID单回路控制测点清单序号位号设备名称用途原始信号类型工程量1PT102压力变送器给水压力420mADCAI150kPa2U101电动调速器调速器控制210VDCAO0100水介质由泵P102从水箱V4中加压获得压头，经由调速器U101进入水箱V3，通过手阀JV26回流至水箱V4而形成水循环；其中，给水压力由PT102测得。本例为定值自动调节系统，U101为操纵变量，PT101为被控变量，采用PID调节来完成。位组态要求，实验要求的组态流程图界面如图5-4-2所示。图5-4-2组态流程图界面组态控制点清单如表5-4-2所示。表5-4-2 组态控制点清单名称 描 述数据格式控制

15、器中对应变量U101流量控制，PID百分比输出FLOATPD9:0.CVPPT102压力信号FLOATF8:0SP调速器设定值FLOATF8:10PPID比例FLOATPD9:0.KCIPID 积分FLOATPD9:0.TiDPID 微分FLOATPD9:0.Td手/自动手自动切换BYTEPD9:0.AM调速器输出调节器手动状态下，点击则弹出输入对话框（改变调节器输出值），自动状态跟随调节器输出值。FLOATPD9:0.CVP5.4.2操作步骤和调试1、编写控制器算法程序，下装调试；编写实验组态工程，连接控制器，进行联合调试。2、在现场系统上，将手阀JV22，JV26完全打开，其余阀门关闭。水

16、箱容器只作为水介质流通回路的一个部分。调速器打开一半。3、在控制机柜上，把IO面板的管道压力（PT102）信号端子通过实验连接线连到AI0端，面板上的调速器（U101）控制端连接到控制器AO0端。4、打开设备电源，包括调速器电源。5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。6、启动计算机，启动组态软件，进入实验项目界面。7、启动水泵P102电源。8、启动调节器，把调节器切换到自动控制。注意：控制器必须是正作用的，因为要想压力增加，必须减少调速器开度，而不是增加调速器开度。9、设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。5.4.3实验结果及记录参考的控制曲线如图5-4-3

17、所示。给定值跳变到60%，操作值逐步下降，控制量快速跟踪到给定值，没有什么超调量。图6.4.3调速器压力控制曲线实验五 液位和进口流量串级控制实验5.6.1实验题目描述液位和进口流量串级控制流程图如图5-6-1所示。采用右边支路进行实验，左边支路也是一样的。图5-6-1 液位和进口流量串级控制流程图液位和进口流量串级控制测点清单如表5-6-1所示。表5-6-1 液位和进口流量串级控制测点清单序号位号设备名称用途原始信号类型工程量1FT1022#流量计管路2流量420mADCAI0-3m3/h2LT103V3液位测量液位420mADCAI0-3.5kPa3U101调速器控制流量210VDCAO0

18、100水介质由泵P102从水箱V4中加压获得压头，经流量计FT102、电动阀U101、水箱V3、手阀JV26回流至水箱V4而形成水循环，负荷的大小通过手阀JV26来调节；其中，水箱V3的液位由液位变送器LT103测得，给水流量由流量计FT101测得。本例为串级调节系统，调速器U101为操纵变量，以FT102为被控变量的流量控制系统作为副调节回路，其设定值来自主调节回路以LT103为被控变量的液位控制系统。以FT102为被控变量的流量控制系统作为副调节回路流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。水箱V3为主对

19、象，流量FT102的改变需要经过一定时间才能反应到液位，时间常数比较大，时延大。由上分析知：副调节器选纯比例控制，反作用，自动。主调节器选用比例控制或比例积分控制，反作用，自动。副回路干扰量通过手阀J21的调节来实现，该阀门直接影响流量，而主回路的干扰可以通过J26来实现，或者直接打开J25一会，再关上。流程图界面，如图5-6-2所示。图5-6-2 组态流程图界面组态控制点清单如表5-6-2所示。表5-6-2 组态控制点清单名称 描 述数据格式控制器中对应变量U101流量控制，PID百分比输出FLOATPD9:0.CVPLT103液位信号FLOATF8:0FT101流量信号FLOATF8:1S

20、P主调节器设定值FLOATF8:10P主调节器比例系数FLOATPD9:0.KC副调节器比例系数FLOATPD9:1.KCI主调节器积分系数FLOATPD9:0.Ti副调节器积分系数FLOATPD9:1.TiD主调节器微分系数FLOATPD9:0.Td副调节器微分系数FLOATPD9:1.Td手/自动主回路手自动切换BYTEPD9:0.AM副回路手自动切换BYTEPD9:1.AM主回路调节器输出手动状态下可改写FLOATPD9:0.CVP主回路调节器输出手动状态下可改写FLOATPD9:1.CVP5.6.2控制算法和编程串级控制系统方框图如图5-6-3所示。以串级控制系统来控制水箱液位，以支路

21、流量为副对象，水泵直接向水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。水箱为主对象，流量的改变需要经过一定时间才能反应到液位，时间常数比较大，时延大。将主调节器的输出送到副调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。由上分析副调节器选纯比例控制，反作用（要想流量大，则调速器开度加大），自动。主调节器选用比例控制或比例积分控制，反作用（要想液位高，则调速器开度加大），自动。5.6.3操作步骤和调试1、编写控制器算法程序，下装调试；编写实验组态工程，连接控制器，进行联合调试。2、在现场系统上，打开手动调速器J

22、V22。调节JV26具有一定开度，其余阀门关闭。3、在控制系统上，将流量计（FT102）连到控制器AI0输入端，水箱液位（LT103）连到控制器AI1输入端，调速器U101连到控制器AO0端。4、打开设备电源，包括调速器电源。5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。6、启动计算机，启动组态软件，进入实验项目界面。启动调节器，设置各项参数，将调节器切换到自动控制。7、启动水泵，工频运行水泵P101。系统开始运行。8、首先，利用主回路，做一个单回路液位实验。确定P、I值（D0）设定一个SP值A1，并记录稳定时的流量计FT101的测量值A29、调节JV21从90度变动到50度，并

23、记录系统超调量。10、将主调节器置手动状态，调整其输出为A2，将A2作为副调节器的SP值。11、在上述状态下，整定副调节器的P参数。调整整个系统至稳定（可有余差）12、再将主调节器切换到自动状态，预置主调节器的P、I参数不变。系统应仍然稳定。13、调节JV21从90度变动到50度，并记录系统超调量。副调节器：一般纯比例(P)控制，反作用，自动，KC2(副回路的开环增益)较大。主调节器：比例积分(PI)控制，反作用，自动，KC1 KC2(KC1主回路开环增益)。14、通过反复对副调节器和主调节器参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的静态精度。15、再次通过JV21增加副回路干扰进行测试，

24、记录超调和稳定时间。16、通过JV26的变动增加主回路干扰，记录超调和稳定时间。5.6.4实验结果及记录实验曲线如图5-6-4所示。图5-6-4液位流量串级控制曲线实验五 水箱液位数学模型测定一般情况下，系统特性实验是属于开发性测试。在用户现场一般不会再次进行，如果用户有兴趣可以抽取进行。测试的对象实际包括控制系统。单容系统测试和多容系统的编程和界面都一样，只是出水口和目标液位对象不同。多容系统的特性时间更长。5.1.1 实验题目描述阀门的开度，以及调速器、水泵的特性都可能影响到系统的传递函数，所以没有一样的传递函数，但是在一定的液位高度范围内和一定的开度下，系统时间基本是一样的。阀门的开度会

25、影响到传递函数，所以同学们测量的数据可能不同。把系统作为一阶系统，传递函数G(S)=K/(TcS+1)。对于单容水箱，如果考虑进行线性简化，可以认为它是一阶惯性环节加纯延迟的系统。由于纯延迟相对系统时间比较少。可以不考虑纯延迟。下面求出系统时间参数Tc和增益K。直接在调速器上加定值电流，从而使得水泵具有固定的流量。可以通过智能调节仪表手动给定，或者AO模块直接输出电流，调整水箱出口到一定的开度，等待稳定后，突然加大调速器上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型，测试工艺如图5-1-1所示。图5-1-1 单容液位特性测量流程图相关理论计算可以参考清华大学出版社1993年出版

26、的过程控制，金以慧编著。实验方案连线如表5-1-1所示。表5-1-1 实验连线测量或控制量测量或控制量标号控制系统端口水箱液位LT101AI0调速器U101AO05.1.2 实验步骤和数据记录步骤如下：1、JV12全开，JV16打开45度左右（由于开度不同，特性也有差异），其余阀门关闭。2、将LT101连到AI0输入端，AO0输出端连到U101(手动输出)。3、工艺对象上电，控制系统上电，调速器U101上电，启动P101。4、启动组态软件，设定U101控制40%，等待系统稳定。液位和流量稳定在某个值。注意观察液面，不能太低，否则不算稳定。5、设定U101控制45%，记录水位随时间的数据，到新的稳定点或接近稳定。如果阶越太大，可能导致溢出。6、抓图，修改U101控制量，然后获得一个新的稳定曲线。7、可以修改JV16开度，重复4和6步。8、关闭系统，分析数据。5.1.3 实验结果单容水箱水位阶跃响应曲线，如图5-1-2所示。图5-1-2 单容测试飞升特性曲线传递函数G(S)=K/(TcS+1)。控制量从20%上升到25%，液位从27.1%上升到61.2%。按照63.2%变动，则从54.6%高度画线。从开始变化到70.6%变动范围时间Tc就是178秒。增益K=(70.6-27.1)/(25-20)=8.7传递函数G(S)=8.7/(178S+1)。