DCS实训教案.docx
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DCS实训教案
浙江工业职业技术学院实习教案
课题名称
一阶单容上水箱对象特性测试实验
课题号
课题1
授课班级
自动化
（1）
（2）班
授课日期
目的与要求：
（1）熟悉单容水箱的数学模型
（2）了解其阶跃响应曲线。
课时安排：
1——2节阶跃响应测试法和图解法工作原理讲解
3——6节一阶单容上水箱对象特性测试实训
检测手段：
1、程序的自检。
2、上机调试程序。
安全与注意事项：
1、不许带电插拔导线。
2、外部接线要正确，防止短路。
3、本实验过程中，出水阀不得任意改变开度大小。
4、阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止因读数误差和其他随机干扰影响对象特性参数的精确度。
一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。
5、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。
课后分析：
教学过程：
复习：
1、阶跃响应原理。
2、DCS控制系统与监控软件的使用。
引言：
阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。
然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。
图解法是确定模型参数的一种实用方法。
不同的模型结构，有不同的图解方法。
单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数
一阶单容上水箱对象特性测试实验
一、实验目的
1、根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，
2、用相关的方法分别确定它们的参数。
二、实验设备
1、AE2000型过程控制实验装置，
2、PC机，DCS控制系统与监控软件，
3、连接导线一套。
三、实验内容
1）对象的连接和检查：
（1）将AE2000A实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。
（2）打开以水泵、电动调节阀、电磁流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门.关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。
（3）打开上水箱的出水阀至适当开度。
2）实验步骤
（1）打开控制柜中水泵、电动调节阀的电源开关。
（2）启动DCS上位机组态软件，进入主画面，然后进入实验一画面。
（3）用鼠标点击调出PID窗体框，然后在“MV”栏中设定电动调节阀一个适当开度。
（此实验必须在手动状态下进行）
（4）、观察系统的被调量：
上水箱的水位是否趋于平衡状态。
若已平衡，应记录系统输出值，以及水箱水位的高度h1和上位机的测量显示值并填入下表。
系统输出值
水箱水位高度h1
上位机显示值
0~100
cm
cm
（5）、迅速增加系统输出值，增加5%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，它们均可在上位软件上获得。
以所获得的数据绘制变化曲线。
T（秒）
水箱水位h1（cm）
上位机读数（cm）
（6）、直到进入新的平衡状态。
再次记录平衡时的下列数据，并填入下表：
系统输出值
水箱水位高度h1
上位机显示值
0~100
cm
cm
（7）、将系统输出值调回到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。
填入下表：
t（秒）
水箱水位h1（cm）
上位机读数（cm）
（8）、重复上述实验步骤。
四、课后思考
1）在做本实验时，为什么不能任意变化上水箱出水阀的开度大小？
2）用两点法和用切线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点?
小结：
浙江工业职业技术学院实习教案
课题名称
二阶双容下水箱对象特性测试实验
课题号
课题2
授课班级
06自动化
（1）
（2）班
授课日期
目的与要求：
1）、熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
2）、根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的飞升特性。
3）、试比较二阶环节和一阶环节的不同之处。
课时安排：
1——2节二阶环节的阶跃响应讲解
3——6节二阶双容下水箱对象特性测试实训
检测手段：
1、程序的自检。
2、上机调试程序。
安全与注意事项：
1、不许带电插拔导线。
2、外部接线要正确，防止短路。
3、理解所编程序的工作原理。
4、做本实验过程中，出水阀不得任意改变开度大小。
5、阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止影响对象特性参数的精确性。
一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。
6、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。
课后分析：
教学过程：
复习：
1、阶跃响应测试法工作原理
2、图解法工作原理。
引言：
如图所示：
这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，输出量是下水箱的水位h2。
当输入量有一个阶跃增加Q1时，输出量变化的反应曲线如图2-2所示的h2曲线。
它不再是简单的指数曲线，而是就使调节对象的飞升特性在时间上更加落后一步。
二二阶双容下水箱对象特性测试实验
一、实验目的
1、熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线
2、根据实验原理中所述的方法，可以求出二阶环节的相关参数。
二、实验设备
1、AE2000型过程控制实验装置，
2、PC机，DCS控制系统与监控软件。
3、连接导线一套。
三、实验内容与步骤
1、设备的连接和检查：
（1）、开通以水泵、电动调节阀、电磁流量计以及上水箱出水阀所组成的水路系统;关闭通往其他对象的切换。
（2）、将下水箱的出水阀开至适当开度。
（3）、检查电源开关是否关闭。
2、实验步骤
1）、开启电源开关。
启动计算机DCS组态软件，进入实验系统相应的实验二。
2）、开启单相泵电源开关，启动动力支路。
在上位机软件界面用鼠标点击调出PID窗体框，然后在“MV”栏中设定电动调节阀一个适当开度。
（此实验必须在手动状态下进行）将被控参数液位高度控制在30%处（一般为10cm）。
3）、观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。
若已平衡，应记录系统输出值，以及水箱水位的高度h2和上位机的测量显示值并填入下表。
系统输出值
水箱水位高度h2
上位机显示值
0~100
cm
cm
4）、迅速增加系统手动输出值，增加10%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，均可在上位软件上获得各项参数和数据，并绘制过程变化曲线。
T（秒）
水箱水位h2（cm）
上位机读数（cm）
5）、直到进入新的平衡状态。
再次记录测量数据，并填入下表：
系统输出值
水箱水位高度h2
上位机显示值
0~100
cm
cm
6）、将系统输出值调回到步骤4）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。
填入下表：
T（秒）
水箱水位h2（cm）
上位机读数（cm）
7）、重复上述实验步骤。
4、课后思考
1）在做本实验时，为什么不能任意变化下水箱出水阀的开度大小？
2）用两点法和用切线法对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点？
小结
浙江工业职业技术学院实习教案
课题名称
实验三、锅炉内胆温度二位式控制实验
课题号
课题3
授课班级
06高职自动化
（1）
（2）班
授课日期
目的与要求：
（1）、熟悉实验装置，了解二位式温度控制系统的组成。
（2）、掌握位式控制系统的工作原理、控制过程和控制特性
课时安排：
1——2节二位式温度控制系统与温度传感器原讲解
3——6节锅炉内胆温度二位式控制实训
检测手段：
1、程序的自检。
2、上机调试程序。
安全与注意事项：
1、不许带电插拔导线。
2、外部接线要正确，防止短路。
3、实验前，锅炉内胆的水位必须高于热电阻的测温点。
4、给定值必须要大于常温
课后分析：
教学过程：
复习：
1、传感器原理。
2、DCS控制系统与监控软件的使用。
引言：
温度测量通常采用热电阻元件（感温元件）。
它是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。
其电阻值与温度关系式如下：
Rt＝Rt0[1+α（t-t0）]
式中Rt——温度为t（如室温20℃）时的电阻值；
Rt0——温度为t0（通常为0℃）时的电阻值；
α——电阻的温度系数。
可见，由于温度的变化，导致了金属导体电阻的变化。
这样只要设法测出电阻值的变化，就可达到温度测量的目的。
锅炉内胆温度二位式控制
一、实验目的
1、掌握位式控制系统的工作原理
2、画出加冷却水时被控量的过程曲线，并比较振荡周期和振荡幅度大小。
二、实验设备
1、AE2000型过程控制实验装置，
2、PC机，DCS控制系统与监控软件，
3、连接导线一套。
三、实验内容
1、设备的连接和检查：
（1）、开通以水泵、电动调节阀、电磁流量计以及锅炉内胆进水阀所组成的水路系统，关闭通往其他对象的切换阀。
（2）、将锅炉内胆的出水阀关闭。
（3）、检查电源开关是否关闭。
2、启动电源，进入DCS运行软件，进入相应的实验三。
在上位机调节好各项参数以及设定值和回差dF的值。
3、系统运行后，组态软件自动记录控制过程曲线。
待稳定振荡2~3个周期后，观察位式控制过程曲线的振荡周期和振幅大小，记录实验曲线。
实验数据记录如下：
S（秒）
T（℃）
4、适量改变给定值的大小，重复实验步骤3）。
5、把动力水路切换到锅炉夹套，启动实验装置的供水系统，给锅炉的外夹套加流动冷却水，重复上述的实验步骤。
四、课后思考
1）、为什么缩小dF值时，能改善双位控制系统的性能？
dF值过小有什么影响？
2）、为什么实际的双位控制特性与理想的双位控制特性有着明显的差异？
小结：
浙江工业职业技术学院实习教案
课题名称
锅炉内胆水温PID整定实验
课题号
课题4
授课班级
06高职自动化
（1）
（2）班
授课日期
目的与要求：
（1）了解单回路温度控制系统的组成与工作原理
（2）改变P、PI、PD和PID的相关参数，观察它们对系统性能的影响。
（3）绘制用PID调节器控制时系统的动态波形。
课时安排：
1——2节单回路温度控制系统的组成与工作原理讲解
3——6节锅炉内胆水温PID整定实训
检测手段：
1、程序的自检。
2、上机调试程序。
安全与注意事项：
1、不许带电插拔导线。
2、外部接线要正确，防止短路。
3、理解所编程序的工作原理。
课后分析：
教学过程：
复习：
1、阶跃响应和比例积分微分原理。
2、DCS控制系统与监控软件的使用。
引言：
温度控制系统原理图
本系统所要保持的恒定参数是锅炉内胆温度给定值，即控制的任务是控制锅炉内胆温度等于给定值
一阶单容上水箱对象特性测试实验
一、实验目的
1、了解单回路温度控制系统的组成与工作原理，
2、研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用。
。
二、实验设备
2、AE2000型过程控制实验装置，
2、PC机，DCS控制系统与监控软件，
3、连接导线一套。
三、实验内容
1）、开通以水泵、电动调节阀、电磁流量计以及锅炉内胆进水阀所组成的水路系统，关闭通往其他对象的切换阀。
2）、将锅炉内胆的出水阀关闭。
3）、检查电源开关是否关闭。
4）、开启相关仪器和计算机软件，进入相应的实验六。
5）、点击上位机界面上的“点击以下框体调出PID参数”按钮，设定好给定值，并根据实验情况反复调整Ｐ、Ｉ、Ｄ三个参数，直到获得满意的的测量值。
6）、比例调节（P）控制
待基本不再变化时，加入阶跃扰动（可通过改变调节器的设定值来实现）。
观察并记录在当前比例P时的余差和超调量。
每当改变值P后，再加同样大小的阶跃信号，比较不同P时的ess和σp，并把数据填入表一中。
表一、不同比例P时的余差和超调量
P
大
中
小
ess
σp
记录实验过程各项数据绘成过渡过程曲线。
（数据可在软件上获得）
7）比例积分调节（PI）控制
（1）、在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，加入积分（I）作用，观察被控制量能否回到原设定值的位置，以验证系统在PI调节器控制下没有余差。
（2）、固定比例P值，然后改变积分时间常数I值，观察加入扰动后被调量的动态曲线，并记录不同I值时的超调量σp。
表二、不同Ti值时的超调量σp
积分时间常数I
大
中
小
超调量σp
（3）、固定I于某一中间值，然后改变比例P的大小，观察加扰动后被调量的动态曲线，并记下相应的超调量σp。
表三、不同δ值时的超调量σp
比例P
大
中
小
超调量σp
（4）、选择合适的P和I值，使系统瞬态响应曲线为一条令人满意的曲线。
此曲线可通过改变设定值（如把设定值由50%增加到60%）来实现。
8）比例微分调节器（PD）控制
在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，引入微分作用（D）。
固定比例P值，改变微分时间常数D的大小，观察系统在阶跃输入作用下相应的动态响应曲线。
表四、不同D时的超调量和余差
D
大
中
小
ess
σp
9）比例积分微分（PID）调节器控制
（1）、在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，引入积分（I）作用，使被调量回复到原设定值。
减小P，并同时增大I，观察加扰动信号后的被调量的动态曲线，验证在PI调节器作用下，系统的余差为零。
（2）、在PI控制的基础上加上适量的微分作用“D”，然后再对系统加扰动（扰动幅值与前面的实验相同），比较所得的动态曲线与用PI控制时的不同处。
（3）、选择合适的P、I和D，以获得一条较满意的动态曲线。
10）用临界比例度法整定PID调节器的参数
在实际应用中，PID调节器的参数常用下述实验的方法来确定，这种方法既简单又较实用，它的具体做法是：
图6-4、具有比例调节器的闭环系统
（1）、按图6-4所示接好实验系统，逐渐减小调节器的比例度（1/P），直到系统的被调量出现等幅振荡为止。
如果响应曲线发散，则表示比例度（1/P）调得过小，应适当增大之，使曲线出现等幅振荡为止。
（2）、图6-5为被调量作
等幅振荡时的曲线。
此时对
应的比例度（1/P）就是临界比例，
用δK表示；相应的振荡
图6-5、具有周期TK等幅振荡
周期就是临界振荡周期TK。
据此按下表确定PID调节器的参数。
表五、用临界比例度法整定调节器的参数
调节器参数
调节器名称
δ
Ti（S）
Td（S）
P
2δK
PI
2.2δK
TK/1.2
PID
1.6δK
0.5TK
0.125TK
（3）、必须指出，表格中给出的参数仅是对调节器参数的一个初步整定。
使用上述参数的调节器很可能使系统在阶跃信号作用下，达不到4：
1的衰减振荡。
因此若获得理想的动态过程，应在此基础上，对表中给出的参数稍作调整，并记下此时的δ、Ti和Td。
四、课后思考
1）、为什么缩小dF值时，能改善双位控制系统的性能？
dF值过小有什么影响？
2）、为什么实际的双位控制特性与理想的双位控制特性有着明显的差异？
小结：
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