水工艺仪表与控制课程实验指导书THBDC1.docx

水工艺仪表与控制课程实验指导书THBDC1.docx

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水工艺仪表与控制课程实验指导书THBDC1

《水工艺仪表与控制》课程实验指导书

实验准备液位传感器的校准

一、实验目的

1.了解实验装置的结构和组成。

2.了解信号的传输方式和路径。

3.掌握实验装置的基本操作。

4.掌握液位传感器的校准方法。

二、实验设备

1.THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验台平台（含交/直流数字电压表）

2.THBXD数据采集卡一块（含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根）

3.PC机1台（含软件“THBDC-1”）

4.THBDY-1单容水箱液位控制系统

三、实验原理

水箱液位定值控制系统一般有由电流传感器构成大电流反馈环。

在高精度液位控制系统中，电流反馈是必不可少的重要环节。

这里为了方便测量与观察反馈信号，通常把电流反馈信号转化为电压信号：

反馈端输出端串接一个250Ω的高精度电阻。

本实验电压与液位的关系为：

H液位=（V反馈-1）×12.5单位：

mm

水箱液位传感器测量范围：

0~10Kp上；24VDC电源供电，4~20mA电流输出，两线制接法。

四、实验步骤

1、实验接线

1.1将水箱面板上的“LT–”与实验台的“GND”相连接；水箱面板上的“LT+”与实验台的“AD1”相连接。

1.2将水箱面板上的“输入–”与实验台的“GND”相连接；水箱面板上的“输入+”与实验台的“DA1”相连接。

1.3将水箱面板上的“输出–”与“水泵电源–”连接；水箱面板上的“输出+”与“水泵电源+”连接。

1.4熟悉实验台，按上述步骤连接好实验电路，待检查电路接线无误后，启动实验平台左侧的空气开关和实验台上的电源总开关。

并将+24V、±5V、±15V直流稳压电源的钮子开关拔到“开”的位置。

2、压力变送器调零

本实验在开始实验前必须对压力变送器调零操作。

具体方法为：

2.1检查储水箱水位是否达到总高度的50％以上，如不够，灌水；

2.2打开至水箱的阀门，打开出水阀排空水箱中的水后，关闭出水阀。

2.3零位（零点）校准：

旋开压力变送器的后盖，用小一字螺丝刀调节压力变送器中电路板上有“Z”标识的调零电位器，让压力变送器的输出电压为1.00V（对应水箱液位0mm），用交/直流数字电压表“直流”、“20V”电压档测量水箱面板上的水箱液位的电压值；

2.4增益（量程）校准：

向水箱中打水，并观察水箱液位与压力变送器输出电压的对应情况，其对应关系为：

H液位=（V反馈-1）×12.5（当液位为10cm时，输出电压应为1.80V左右），如不对应，再重复步骤2.1、2.2直到对应为止；

2.4如果步骤1）、2）、3）还不能调好水箱液位与压力变送器输出电压的对应情况，那么可适度调节压力变送器中电路板上有“S”标识的增益电位器，再重复步骤2.1、2.2、2.3直到对应为至。

在实际应用中，增益电位器的调节要慎用，一般不调节。

注：

液位传感器的校准一般在出厂前已完成。

实验一单容水箱液位定值DDC控制系统

一、实验目的

1.理解单容水箱液位定值控制的基本方法及原理；

2.学习PID控制参数的配置。

二、实验设备

1.THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验台平台

2.THBXD数据采集卡一块（含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根）

3.PC机1台（含软件“THBDC-1”）

4.THBDY-1单容水箱液位控制系统

三、实验原理

单容水箱液位定值控制系统的控制对象为一阶单容水箱，主要的实验项目为单容水箱液位定值控制。

其执行机构为微型直流水泵，正常工作电压为24V。

直流微型水泵控制方式主要有调压控制以及PWM控制，在本实验中采用PWM控制直流微型水泵的转速来实现对单容水箱液位的定值控制。

PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理参考实验十三的相关部分。

控制器采用了工业过程控制中所采用的最广泛的控制器——PID控制器。

通过计算机模拟PID控制规律直接变换得到的数字PID控制器，它是按偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）组合而成的控制规律。

水箱液位定值控制系统一般有由电流传感器构成大电流反馈环。

在高精度液位控制系统中，电流反馈是必不可少的重要环节。

这里为了方便测量与观察反馈信号，通常把电流反馈信号转化为电压信号：

反馈端输出端串接一个250Ω的高精度电阻。

本实验电压与液位的关系为：

H液位=（V反馈-1）×12.5单位：

mm

水箱液位控制系统方框图为：

四、实验步骤

1、实验接线

1.1将水箱面板上的“LT–”与实验台的“GND”相连接；水箱面板上的“LT+”与实验台的“AD1”相连接。

1.2将水箱面板上的“输入–”与实验台的“GND”相连接；水箱面板上的“输入+”与实验台的“DA1”相连接。

1.3将水箱面板上的“输出–”与“水泵电源–”连接；水箱面板上的“输出+”与“水泵电源+”连接。

1.3打开实验平台的电源总开关。

2、脚本程序的参数整定及运行

3.1启动计算机，在桌面双击图标“THBDC-1”，运行实验软件。

3.2顺序点击虚拟示波器界面上的“

”按钮和工具栏上的“

”按钮（脚本编程器）；

3.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制技术应用算法”文件夹下选中“水箱控制”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；

3.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；观察水箱内液位的变化。

3.5当水箱液位稳定在设定值后，再点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，重新配置P、I、D的参数或改变算法的运行步长，再次启动程序，并观察运行结果。

3.6实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。

注意：

①为了更好地观测液位曲线，本实验中可将“分频系数”设置到最大。

②直流水泵电源的正反接，可以控制水泵正反转，最好保证水泵处于正转状态；

③实验时出水阀的开度一般调节至整个阀开度的70%左右；

④由于本实验是基础应用型实验，其液位的控制精度在10%内即可。

五、报告要求

1.画出水箱控制系统的方框图；

2.分析P、I、D控制参数对水箱控制系统的影响；

3.分析水箱控制系统的出水口开度大小对水箱控制系统的影响。

六、参考程序

dimpv,sv,ei,ex,ey,K,Ti,Td,q0,q1,q2,op,h‘变量定义

subInitialize（arg）'初始化函数

WriteData0,1

endsub

subTakeOneStep（arg）'算法运行函数

pv=ReadData

（1）'当前测量值

h=（pv-1）*12.5

TTTRACE"pv=%f",pv

TTRACE"液位h=%f",h

sv=10‘水箱液位的控制高度，单位cm

K=0.8‘P参数

Ti=5‘I参数

Td=0‘D参数

Ts=0.2'采集周期200ms

ei=（sv/12.5+1）-pv'当前偏差

q0=k*（ei-ex）'比例项

ifTi=0then

q1=0

else

q1=K*Ts*ei/Ti'积分项

endif

q2=k*td*（ei-2*ex+ey）/Ts'微分项

ey=ex

ex=ei

op=op+q0+q1+q2

ifop<=1.8then'输出值限幅

op=1.8

endif

ifop>=3.5then

op=3.5

endif

TTRACE"op=%f",op

WriteDataop,1

endsub

subFinalize（arg）'退出函数

WriteData0,1

endsub

实验二、单容水箱液位PID整定实验

一、实验目的

1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。

2、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。

3、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。

二、实验设备

AE2000A型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。

三、实验原理

图2-15

图2-15为单回路水箱液位控制系统。

单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。

本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。

根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。

当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。

合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。

反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。

一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。

一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。

比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。

比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。

但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。

对于我们的实验系统，在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2-16中的曲线①、②、③所示。

图2-16P、PI和PID调节的阶跃响应曲线

四、实验内容和步骤

1、设备的检查和连接

1）.关闭排水阀门，检查AE2000A型过程控制对象的储水箱水位是否达到总高度的50％以上，如不够，灌水。

2）.打开以循环泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。

3）.打开上水箱泄水阀，开至适当的开度。

4）.检查电源开关是否关闭。

2、系统连线如图2-17所示：

图2-17单容水箱液位PID参数整定控制接线图

1）.将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到1～5V（250Ω）位置。

2）.将上水箱液位+（正极）接到一号智能调节仪的1端（即RSV的正极），将上水箱液位－（负极）接到智能调节仪的2端（即RSV的负极）。

3）.将智能调节仪的4~20mA输出端的7端（即正极）接至调节阀的4~20mA输入端的+端（即正极），将智能调节仪的4~20mA输出端的5端（即负极）接至调节阀的4~20mA输入端的－（即负极）。

4）.智能调节仪的220V的电源开关打在关的位置。

5）.电源控制板上的电源空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。

3、启动实验装置

1）.将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。

2）.打开电源带漏电保护空气开关。

3）.打开电源总开关。

4）.开启24VDC电源开关，调整好仪表各项参数（仪表初始状态为手动且为0）和液位传感器的零位。

5）.启动智能仪表，设置好仪表参数。

4、比例调节控制

1）.启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统选择相应的实验，如图2-18所示：

2）.打开调节阀和单相电源泵开关，开始实验。

3）.设定给定值，调整比例度（P）。

4）.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）。

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。

5）.减小比例系数重复步骤4，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

6）.增大比例系数重复步骤4，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

图2-18实验软件界面

7）.选择合适的比例系数（K），可以得到较满意的过渡过程曲线。

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。

P=（1/K）x100%

8）.注意：

每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。

5、比例积分调节器（PI）控制

1）.在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置积分时间（Ti）不为0，观察被控制量是否能回到设定值，以验证PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。

2）.固定比例系数值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数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σp。

表2-10不同Ti时的超调量σp

积分时间常数Ti

大

中

小

超调量σp

3）.固定积分时间于某一中间值，然后改变比例系数的大小，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σp。

表2-11不同K值下的σp

比例系数K

大

中

小

超调量σp

4）.选择合适的K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（如设定值变化20%）来获得。

6、比例积分微分调节（PID）控制

1）.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微分时间（Td）参数，然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与PI控制下的曲线相比较，由此可看到微分时间（Td）对系统性能的影响。

2）.选择合适的K、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线

7、用临界比例度法整定调节器的参数

在实现应用中，PID调节器的参数常用下述实验的方法来确定。

用临界比例度法去整定PID调节器的参数是既方便又实用的。

它的具体做法是：

1）.在只有比例调节作用下（将积分时间放到最大，微分时间放到最小），先把比例系数K放在较小值上，然后逐步增加调节器的比例系数，并且每当增加一次比例系数，待被调量回复到平衡状态后，再手动给系统施加一个5%~15%的阶跃扰动，观察被调量变化的动态过程。

若被调量为衰减的振荡曲线，则应继续增加比例系数，直到输出响应曲线呈现等幅振荡为止。

如果响应曲线出现发散振荡，则表示比例系数调节得过大，应适当减少，使之出现等幅振荡。

图2-19为它的实验方块图。

图2-19具有比例调节器的闭环系统

2）.在图2-20系统中，当被调量作等幅荡时，此时的比例系数K就是临界比例系数，用Km表示之，此时的临界比例度为δk，δk＝1/Km，相应的振荡周期就是临界周期Tm。

据此，按下表可确定PID调节器的三个参数δ、Ti和Td。

图2-20具有周期Tm的等幅振荡

表2-12用临界比例度δk整定PID调节器的参数

调节器参数

调节器名称

比例度δ（δ＝1/K）

积分时间Ti（S）

微分时间Td（S）

P

2δk

PI

2.2δk

0.85Tm

PID

1.7δk

0.5Tm

0.13Tm

3）.必须指出，表格中给出的参数值是对调节器参数的一个初略设计，因为它是根据大量实验而得出的结论。

若要就得更满意的动态过程（例如：

在阶跃作用下，被调参量作4：

1的衰减振荡），则要在表格给出参数的基础上，对δ、Ti（或Td）作适当调整。

注：

图2-18中设定值15cm，比例系数20，积分时间20秒，微分时间3秒，泄水阀全开。

五、实验报告要求

1、画出单容水箱液位控制系统的方块图。

2、用临界比例度法整定调节器的参数，写出三种调节器的余差和超调量。

3、作出P调节器控制时，不同δ值下的阶跃响应曲线。

4、作出PI调节器控制时，不同δ和Ti值时的阶跃响应曲线。

5、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。

6、比较P、PI和PID三种调节器对系统无差度和动态性能的影响。

六、注意事项

1、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。

七、思考题

1、为什么要强调无扰动切换？

2、试定性地分析三种调节器的参数K、（K、Ti）和（K、Ti和Td）的变化对控制过程各产生什么影响？

3、如何实现减小或消除余差？

纯比例控制能否消除余差？

实验三、上水箱中水箱液位串级控制实验

一、实验目的

1）、掌握串级控制系统的基本概念和组成。

2）、掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。

3）、研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。

二、实验设备

1）、AE2000A型过程控制实验装置：

上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根。

2）、万用表一只

三、实验原理

上水箱液位作为副调节器调节对象，中水箱液位做为主调节器调节对象。

控制框图如图12-1所示：

12-1、上水箱下水箱液位串级控制框图

四、实验内容和步骤

1、设备的连接和检查：

（1）、打开以循环泵、调节阀、涡轮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。

（2）、打开上水箱和中水箱的出水阀至适当开度。

（3）、检查电源开关是否关闭

2、系统连线图：

图12-2、实验接线

1）、电源控制板上电源、单相泵电源开关打在关的位置。

2）、智能调节仪的220V电源开关打在关的位置。

3）、如图9-2所示：

将I/O信号接口板上的中水箱液位的钮子开关打到1~5v（250Ω）位置，上水箱液位的钮子开关打到0.2~1V（50Ω）位置。

4）、将中水箱液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV的+极），中水箱液位-（负端）接到智能调节仪的2端（即RSV的-极）。

智能仪表的地址设为1，软件定义调节仪地址为1的调节器为主调节器，调节仪地址为2的调节器为副调节器。

5）、将主调节仪的4~20mA输出接至I/O信号面板的转换电阻上转换成1~5V电压信号，再将此转换信号接至另一调节仪（副调节器）的1端和2端作为外部给定，上水箱液位信号转换为0.2~1V的信号后接入副调节器的3、2两端。

调节器输出的4~20mA接调节阀的4~20mA控制信号两端。

3、启动实验装置：

1）、将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。

2）、打开电源漏电保护空气开关。

3）、启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验如图12-3所示：

图12-3、实验软件界面

5）、设定主控参数和副控参数。

主调节器的参数与单回路闭环控制设定方法一样，对副调节器参数主要的区别在于参数Sn应设为32，CF应设为8。

6）、待系统稳定后，在上水箱给一个阶跃信号，观察软件的实时曲线变化，并记录曲线。

7）、系统稳定后，在副回路上加阶跃干扰信号，观察主回路和副回路上的实时曲线的变化。

记录并保存曲线。

五、实验报告要求。

1）、画出串级控制系统的控制方块图。

2）、分析串级控制和单回路PID控制不同之处。

六、注意事项

1）、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。

2）、系统连接好以后，在老师的指导下，运行串级控制实验。

七、思考题

1）、串级控制控制相比于单回路控制有什么优点