单回路控制系统实验过程控制实验指导书.docx
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单回路控制系统实验过程控制实验指导书
单回路控制系统实验
单回路控制系统概述
实验三单容水箱液位定值控制实验
实验四双容水箱液位定值控制实验
实验五锅炉内胆静〔动〕态水温定值控制实验
实验三
实验工程名称：
单容液位定值控制系统
实验工程性质：
综合型实验
所属课程名称：
过程控制系统
实验方案学时：
2学时
一、实验目的
1．了解单容液位定值控制系统的构造与组成。
2．掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。
3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。
4．了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。
5．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验内容和〔原理〕要求
本实验系统构造图和方框图如图3-4所示。
被控量为中水箱〔也可采用上水箱或下水箱〕的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。
将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反应信号，在与给定量比拟后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以到达控制中水箱液位的目的。
为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。
三、实验主要仪器设备和材料
1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、计算机一台、万用表一个；
2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；
3．SA-44挂件一个、CP5611专用网卡及网线、PC/PPI通讯电缆一根。
四、实验方法、步骤及结果测试
本实验选择中水箱作为被控对象。
实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度，其余阀门均关闭。
具体实验内容与步骤按二种方案分别表达。
〔一〕、智能仪表控制
1．按照图3-5连接实验系统。
将“LT2中水箱液位〞钮子开关拨到“ON〞的位置。
图3-4中水箱单容液位定值控制系统
（a）构造图（b）方框图
图3-5智能仪表控制单容液位定值控制实验接线图
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，翻开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
3．翻开上位机MCGS组态环境，翻开“智能仪表控制系统〞工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制系统〞，进入实验三的监控界面。
4．
在上位机监控界面中把“设定值〞设置为一个适宜的值〔从低位开场每次增加3-4cm，水箱最高水位为15cm〕。
将“P、I〞值设置为一个适宜的值〔
〕。
单击“启动仪表〞系统进入运行状态。
5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，使中水箱的液位平衡于设定值，观察记录响应曲线的变化。
6．按经历法或衰减曲线法整定调节器参数，选择P、I控制规律，并按整定后的PI参数进展调节器参数设置。
适宜的PI值可做出4﹕1的响应曲线。
7．待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：
〔1〕突增〔或突减〕仪表设定值的大小，使其有一个正〔或负〕阶跃增量的变化；〔此法推荐，后面三种仅供参考〕
〔2〕将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4〔同电磁阀〕开至适当开度；
〔3〕将下水箱进水阀F1-8开至适当开度；〔改变负载〕
〔4〕接上变频器电源，并将变频器输出接至磁力泵，然后翻开阀门F2-1、F2-4，用变频器支路以较小频率给中水箱打水。
以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱
中水溢出或系统不稳定。
参加干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值〔采用后面三种干扰方法仍稳定在原设定值〕，记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图3-6所示。
图3-6单容水箱液位的阶跃响应曲线-
8．分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。
9．分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤4～8，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。
〔二〕、S7-200PLC控制
1．将SA-42S7-200PLC控制挂件挂到屏上，并用PC/PPI通讯电缆线将S7-200PLC连接到计算机串口2，并按照图3-7控制屏接线图连接实验系统。
将“LT2中水箱液位〞钮子开关拨到“ON〞的位置。
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，翻开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、Ⅲ空气开关，给S7-200PLC及电动调节阀上电。
3．翻开Step7-Micro/WIN32软件，并翻开“S7-200PLC〞程序进展下载，然后将S7-200PLC置于运行状态，然后运行MCGS组态环境，翻开“S7-200PLC控制系统〞工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制〞，进入实验三的监控界面。
4．以下步骤请参考前面“〔一〕智能仪表控制〞的步骤4～9。
五、实验报告要求
1．画出单容水箱液位定值控制实验的构造框图。
2．用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。
3．根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。
4．比拟不同PID参数对系统的性能产生的影响。
5．分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。
6．综合分析二种控制方案的实验效果。
六、思考题
1．如果采用下水箱做实验，其响应曲线与中水箱的曲线有什么异同？
并分析差异原因。
2．改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？
图3-7S7-200PLC控制单容液位定值控制实验接线图
实验四
实验工程名称：
双容水箱液位定值控制系统
实验工程性质：
综合型实验
所属课程名称：
过程控制系统
实验方案学时：
2学时
一、实验目的
1．通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。
2．掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3．研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。
4．研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。
5．掌握双容液位定值控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验内容〔原理〕和要求
本实验以中水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。
要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反应信号，在与给定量比拟后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以到达控制下水箱液位的目的。
为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。
调节器的参数整定可采用本章第一节控制规律的选择所述的整定方法。
本实验系统构造图和方框图如图3-8所示。
图3-8双容液位定值控制系统
（a）构造图（b）方框图
三、实验主要仪器设备和材料〔同前〕
四、实验方法、步骤及结果测试
本实验选择中水箱和下水箱串联作为双容对象〔也可选择上水箱和中水箱〕。
实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度〔要求阀F1-10稍大于阀F1-11〕，其余阀门均关闭。
具体实验内容与步骤按二种方案分别表达
〔一〕、智能仪表控制
1．按照图2-3连接实验系统。
将“LT2中水箱液位〞钮子开关拨到“ON〞的位置。
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，翻开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
3．翻开上位机MCGS组态环境，翻开“智能仪表控制系统〞工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验四、双容液位定值控制系统〞，进入实验四的监控界面。
4．
在上位机监控界面中把“设定值〞设置为一个适宜的值〔从低位开场每次增加3-4cm，水箱最高水位为15cm〕。
将“P、I〞值设置为一个适宜的值〔
〕。
点击“启动仪表〞，系统进入自动状态。
5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，使中水箱的液位平衡于设定值，观察记录响应曲线的变化。
6．按经历法或衰减曲线法整定调节器参数，选择P、I控制规律，并按整定后的PI参数进展调节器参数设置。
适宜的PI值可做出4﹕1的响应曲线。
7．待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动〞控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：
〔1〕突增〔或突减〕仪表设定值的大小，使其有一个正〔或负〕阶跃增量的变化；〔此法推荐，后面三种仅供参考〕
〔2〕将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4〔同电磁阀〕开至适当开度；
〔3〕将下水箱进水阀F1-8开至适当开度；〔改变负载〕
〔4〕接上变频器电源，并将变频器输出接至磁力泵，然后翻开阀门F2-1、F2-4，用变频器支路以较小频率给中水箱打水。
以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。
参加干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值〔采用后面三种干扰方法仍稳定在原设定值〕，记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图3-9所示。
图3-9水箱液位的阶跃响应曲线
8．分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。
9．分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤4～8，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。
〔二〕、S7-200PLC控制
1．将SA-42S7-200PLC控制挂件挂到屏上，并用PC/PPI通讯电缆线将S7-200PLC连接到计算机串口2，并按照图3-11接线图连接实验系统。
将“LT2中水箱液位〞钮子开关拨到“ON〞的位置。
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，翻开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、Ⅲ空气开关，给S7-200PLC及电动调节阀上电。
3．翻开Step7-Micro/WIN32软件，并翻开“S7-200PLC〞程序进展下载，然后将S7-200PLC置于运行状态，然后运行MCGS组态环境，翻开“S7-200PLC控制系统〞工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验四、双容液位定值控制〞，进入实验四的监控界面。
4．以下步骤请参考前面“〔一〕智能仪表控制〞的步骤4～9。
五、实验报告要求
1．画出双容水箱液位定值控制实验的构造框图。
2．用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。
3．根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。
4．比拟不同PI参数对系统的性能产生的影响。
5．分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实验系统的作用。
6．综合分析二种控制方案的实验效果。
六、思考题
1．如果采用上水箱和中水箱做实验，其响应曲线与本实验的曲线有什么异同？
并分析差异原因。
2．改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？
3．为什么本实验比单容液位定值控制系统更容易引起振荡？
要到达同样的动态性能指标，在本实验中调节器的比例度和积分时间常数要怎么设置？
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