《工业自动化仪表与过程控制》实验指导书(共23页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上工业自动化仪表与过程控制实验指导书For personal use only in study and research; not for commercial use授课学时：8课时 授课班级：芙蓉自动化0901、0902 授课学期：2012年上学期授课教师：敖章洪工业自动化仪表与过程控制实验项目一览表序号实验项目实验学时实验类型实验要求1实验装置的基本操作与仪表调试2验证必做2单容/双容水箱对象特性的测试2验证必做3单容/双容水箱液位PID控制系统2验证必做4液位串级控制系统的设计与研究2综合限选（2选1）5PLC单容/双容水箱液位PID控制系统2综合实验参考书：

2、1. TKGK-1型操作说明书.实验指导书实验一 实验装置的基本操作与仪表调试实验学时：2学时实验类型：验证实验要求：必做一、 实验目的 1）、了解本实验装置的结构与组成。2）、掌握液位、压力传感器的使用方法。3）、掌握实验装置的基本操作与变送器仪表的调整方法。二、实验设备1) TKGK-1型过程控制实验装置：交流变频器GK-07-2直流调速器GK-06PID调节器GK-042)万用表三、实验装置的结构框图图1-1、液位、压力 、流量控制系统的结构框图四、实验内容1、设备组装与检查：1）、将GK-07-2、GK-06、GK-04挂件由左至右依次挂于实验屏上。并将挂件的三芯蓝插头插于相应的插座中

3、。2）、检查挂件的电源开关是否关闭。3）、用万用表检查挂件的电源保险丝是否完好。2、系统接线1）、直流部分：将一台GK04的PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”接GK06的控制电压“输入”；GK06的“电枢电压”和“励磁电压”输出端分别接GK01的直流他励电动机的“电枢电压” 和“励磁电压”输入端 。 2）、交流部分：将另一台GK04的PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”端接GK-07-2变频器的“2”与“5”接线端； 将GK-07-2变频器的输出“A、B、C”接GK-01上三相异步电机的“A、B、C”输入端；将三相异步电机接成三角形，即

4、“A”接“Z” 、“B”接“X” 、“C”接“Y”；GK-07-2 的“SD”接“STR”使电机正转打水，（若此时电机为反转则“SD”接“STF” ）。3、启动实验装置：1）、将实验装置电源插头接到220V市电电源。2）、打开电源空气开关与电源总钥匙开关。3）、按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源，交流电压表指示220V。4、仪表调整：（仪表的零位与增益调节 ）在GK-02装置结构展示屏的左侧，有五组传感器检测信号输出：LT1、PT、LT2、FT、TT（输出标准信号DC05V），它们旁边分别设有数字显示器，以显示相应的输出值。在LT1、PT、LT2数字显示器的右边各有二个电位器，可通过这些

5、电位器调整相应传感器的零位和增益，在每次实验进行之前，必须作好这些准备工作。调试步骤如下：1)、将三根6的橡皮导气管（约0.6m长）的一端分别竖直地插入上、下水箱底部（上水箱两根，下水箱一根），再将它们的另一端接到三个差压传感器（MPX2010DP）的正压室。2）、打开阀1、阀3，关闭阀7、阀8，（或者打开阀7、阀8，关闭阀1、阀3）关闭阀2、阀4、阀5、阀6，然后开启变频器（或直流调速器），启动一个齿轮泵，给上、下水箱供水，使其液面均上升至10cm高度，关闭变频器（或直流调速器）。3）、将各增益调节电位器置于中间位置，然后调节零位调节电位器，使LT1两端的输出电压为3.33V(显示器显示10

6、.00)，LT2两端的输出电压为3.33V(显示器显示10.00)，PT两端的输出电压为3.33V（显示器显示980）。4）、零位调节 a、打开阀2、阀4，排空上、下水箱中的水，关闭阀2、阀4。 b、调节“零位调节”电位器，使LT1、LT2和PT输出为零伏，显示器显示为00.00cm。注：稳定几分钟后进入下一步。5）、开始增益调节： a、启动齿轮泵，使上、下水箱水位上升至于10cm高度，然后再关闭齿轮泵。 b、调节“增益调节”电位器，使LT1、LT2显示器显示10.00cm，Pa显示器显示980Pa。6）、重复实验步骤4、5，反复调整零位和增益，使上、下水箱水位为零时，LT1、LT2、PT输出

7、都为0V（显示器显示00.00）；上、下水箱水位上升至于10cm高度时，LT1两端的输出电压为3.33V(显示器显示10.00)，LT2两端的输出电压为3.33V(显示器显示10.00)，PT两端的输出电压为3.33V（显示器显示980）。实验二 单容/双容水箱对象特性的测试实验学时：2学时实验类型：验证实验要求：必做一、 实验目的1）、了解单/双容水箱的自衡特性。2）、掌握单容/双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。3）、由实测单容/双容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。二、实验设备1）、TKGK-1型过程控制实验装置： PID调节器：GK-04 变频器：GK-07-22

8、）、万用表一只3）、计算机一台三、实验原理 阶跃响应测试法是系统在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节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和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理的处理，确定模型中的相关参数。 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。（一）、单容水箱 其数学模型可用一阶惯性环节来近似描述，且用下述方法求取对象的特征参数。 单容水箱液位开环控制结构图如图3-1所示：图3-1、 单容水箱液位开环控制结构图设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态

9、平衡的关系，求得：在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： Page: 6（1）式中，T=R2*C为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数，也是阀V2的液阻，C 为水箱的底面积。令输入流量Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位的高度为： 3-2 3-3 3-4式（3-3）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3-2所示。由式（3-4）可知该曲线上升到稳态值的63.2%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，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T， 其理论依据是：图3-2 阶

10、跃响应曲线上式表示h（t）若以在原点时的速度h（）/T 恒速变化，即只要花T秒时间就可达到稳态值h（）。式（3-2）中的K值由下式求取： K = h()/R0 = 输入稳态值/阶跃输入（二）、双容水箱 双容水箱液位控制结构图如图3-3所示： 图3-3、双容水箱液位控制结构图设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度H2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为式中 K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分别为阀V2和V4的液阻，C1 和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。式中的K、T1和T2可由实验求得的阶跃响应曲线求出。具体的做法是在图3-4

11、所示的阶跃响应曲线上取：1）、h2（t）稳态值的渐近线h2()；2）、h2（t）|t=t1=0.4 h2()时曲线上的点A和对应的时间t1；3）、h2（t）|t=t2=0.8 h2()时曲线上的点B和对应的时间t2。 然后，利用下面的近似公式计算式 3-5中的参数K、T1和T2。其中： 图3-4、阶跃响应曲线对于式（3-5）所示的二阶过程，0.32t1/t20.46。当t1/t2=0.32时 ，为一阶环节；当t1/t2=0.46时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2（此时T1=T2=T=(t1+t2)/2*2.18 ）过曲线的拐点做一条切线，它与横轴交于A点，OA即为滞后时间常数。四、

12、实验内容与步骤1)、对上、下水箱液位传感器进行零点与增益的调整。2）、按照图3-1的结构框图，完成系统的接线 （接线参照实验1），并把PID调节器的“手动/自动”开关置于“手动”位置，此时系统处于开环状态。3）、将单片机控制屏GK-03的输入信号端“LT1、LT2”分别接GK-02的传感器输出端“LT1、LT2”；用配套通讯线 将GK-03的“串行通信口”与计算机的COM1连接；启动单片机控制屏GK-03，用单片机控制屏GK-03的键盘设置回路1和回路3的采样时间St=2，标尺上限CH=150（详见本书第一部分单片机控制屏GK-03使用说明第10页）；然后用上位机控制监控软件对液位进行监视并记

13、录过程曲线。4）、利用PID调节器的手动旋钮调节输出，将被控参数液位控制在4cm左右。5）、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，记录此时调节器手动输出值VO 以及水箱水位的高度h1和显示仪表LT1的读数值并填入下表。变频器输出频率f手动输出Vo水箱水位高度h1LT1显示值HZvcmcm6）、迅速增调“手动调节”电位器，使PID的输出突加10%，利用上位机监控软件记下由此引起的阶跃响应的过程曲线，并根据所得曲线填写下表。t（s）水箱水位h1(cm)LT1读数(cm)等到进入新的平衡状态后，再记录测量数据，并填入下表：变频器输出频率fPID输出Vo水箱水位高度h1LT1显示值HZ

14、vcmcm7）、将“手动调节”电位器回调到步骤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（s）水箱水位h1(cm)LT1读数(cm)8）、重复上述实验步骤。9）、上述实验步骤同样适用于双容水箱的下水箱液位h2的控制，系统的结构框图如图3-3所示，实验步骤自拟。五、注意事项1）、做本实验过程中，阀V1和V2不得任意改变开度大小；且阀2开度必须大于阀4的开度，以保证实验效果。2）、阶跃信号不能取得太大，以免影响系统正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。一般阶跃信号取正常输入信号的5%15%。3）、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。4）、在老师

15、的帮助下，启动计算机系统和单片机控制屏。六、实验报告要求1）、作出一阶和二阶环节的阶跃响应曲线。2）、根据实验原理中所述的方法，求出一阶和二阶环节的相关参数。七、思考题1）、在做本实验时，为什么不能任意变化阀V1或V2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？实验三 单容/双容水箱液位PID控制系统实验学时：2学时实验类型：验证实验要求：必做 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）、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的阶跃响应。3）、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的抗扰动作用。4）、定性地分析P、PI和PID调节器

16、的参数变化对系统性能的影响。5）、掌握临界比例度法整定调节器的参数。6）、掌握4：1衰减曲线法整定调节器的参数。二、 实验设备1）、THGK-1型过程控制实验装置： GK-03、GK-04 GK-06 GK-07-22）、万用表一只3）、秒表一只4）、计算机系统三、实验原理1、单容水箱液位控制系统图6-1、单容水箱液位控制系统的方块图 图6-1为单容水箱液位控制系统。这是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。 当一个

17、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的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，则会导致控制质量变坏，甚至使系统不能正常工作。因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。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。系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定值无偏差存在。一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度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

18、（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，Ti选择合理，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 图6-3、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图6-3中的曲线、所示。2、双容水箱液位控制系统图7-1、双容水箱液位控制系统的方框图图7-1为双容水箱液位控制系统。这是一个单回路控制系统，有两个水箱相串联，控制的目的是既要使下水箱的液位高度等于给定值所期望的值，又要具有减少或消除来自系统内部

19、或外部扰动的影响。显然，这种反馈控制系统的性能主要取决于调节器GK-04的结构和参数的合理选择。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。 对于阶跃输入（包括阶跃扰动），这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度近似成正比，若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数和Ti选择的合理，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的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。四、实验内容与步骤1、单容水箱液位控制系统（一）、比例（P）调节器控制1）、按图6-1所示

20、，将系统接成单回路反馈系统（接线参照实验一）。其中被控对象是上水箱，被控制量是该水箱的液位高度h1。 2）、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。3）、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好准备。4）、在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调到等于给定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处）。5）、观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可将调节器切换到纯比例自动工作状态（积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关”的位置，比例度设置于某一中间值，“正-反”开关拔到“反”的位置，调节

21、器的“手动”开关拨到“自动”位置），让系统投入闭环运行。6）、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。7）、减小，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。8）、增大，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。9）、选择合适的值就可以得到比较满意的过程控制曲线。10）、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。（二）、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（即把积分器“I”由最大处“关” 旋至中间某一位置，并把积分开关置于“开”的位

22、置），观察被控制量是否能回到设定值，以验证在PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。2）、固定比例度值（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。 表二、值不变、不同Ti时的超调量p积分时间常数Ti大中小超调量p3）、固定积分时间T i于某一中间值，然后改变的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同值下的超调量p。 表三、Ti值不变、不同值下的p比例度大中小超调量p4）、选择合适的和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%）来获得。（

23、三）、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D打开。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，并与实验步骤（二）所得的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。2）、选择合适的、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50%突变至60%来实现）。3）、用计算机记录实验时所有的过渡过程实时曲线，并进行分析。2、双容水箱液位控制系统（一）、比例（P）调节器控制1）、按图7-1所示，将系统接成单回路反馈控制系统（接线参照实验一）。其中被控对象是下水箱，被控制量是下水箱的液位高度h

24、2。 2）、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。3）、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好准备。4）、在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被控制量调到等于给定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处）。5）、观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可将调节器切换到纯比例自动工作状态（积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关”的位置，比例度设置于某一中间值，“正-反”开关拔到“反”的位置，调节器的“手动”开关拨到“自动”位置），让系统投入闭环运行。6）、待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的

25、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。7）、减小，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。8）、增大，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。9）、选择合适的值就可以得到比较满意的过程控制曲线。10）、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。（二）、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（即把积分器“I”由最大处旋至中间某一位置，并把积分开关置于“开”的位置），观察被控制量是否能回到设定值，以验证在PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。2）、固定比例度值（中等大小）

26、，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。 表二、值不变、不同Ti时的超调量p积分时间常数Ti大中小超调量p3）、固定积分时间T i于某一中间值，然后改变的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同值下的超调量p。 表三、Ti值不变、不同值下的p比例度大中小超调量p4）、选择合适的和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%）来获得。（三）、比例积分微分调节器（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D打开。然后

27、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，并与实验步骤（二）所得的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。2）、选择合适的、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50%突变至60%来实现）。3）、用秒表和显示仪表记录一条较满意的过渡过程实时曲线。（四）、用临界比例度法整定调节器的参数 在实际应用中，PID调节器的参数常用下述临界比例度法来确定。用临界比例度法去整定PID调节器的参数既方便又实用。它的具体做法是：1）、待系统稳定后，将调节器置于纯比例P控制。逐步减小调节器的比例度，并且每当减小一次比例度，待被调量回复到平衡状态后

28、，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，则应继续减小比例度，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，则表示比例度调节得过小，应适当增大，使之出现如图7-4所示的等幅振荡。 图7-3为它的实验方块图。图7-3、具有比例调节器的闭环系统2）、在图7-3所示的系统中，当被调量作等幅振荡时，此时的比例度就是临界比例度，用k表示之，相应的振荡周期就是临界周期Tk。据此，按下表所列出的经验数据确定PID调节器的三个参数、Ti和Td 。图7-4、具有周期TK的等幅振荡 表四 、用临界比例度k整定PID调节器的参数调节器参数调节器名称

29、kTi(S)Td(S)P2kPI2.2kTk/1.2PID1.6k0.5Tk0.125Tk3）、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。若要获得更满意的动态过程（例如：在阶跃作用下，被调参量作4：1地衰减振荡），则要在表格给出参数的基础上，对、Ti（或Td）作适当调整。（五）、用衰减曲线法整定调节器的参数：与临界比例度法类似，不同的是本方法先根据由实验所得的阻尼振荡衰减曲线（为4 :1），求得相应的比例度s和曲线的振荡周期Ts，然后按表五给出的经验公式，确定调节器的相关参数。对于4:1衰减曲线法的具体步骤如下：1）、置调节器积分时间Ti到最大

30、值（Ti=），微分时间Td为零(Td=0)，比例度为较大值，让系统投入闭环运行。2）、待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统的响应。若系统响应衰减太快，则增大比例度；反之，系统响应衰减过慢，应减小比例度。如此反复直到系统出现如图7-5所示4:1的衰减振荡过程。记下此时的比例度s和振荡周期 Ts的数值。 图7-5 4:1衰减响应曲线 3）、利用s和Ts值，按表五给出的经验公式，求调节器参数、Ti和Td数值。表五 4:1衰减曲线法整定计算公式调节器参数调节器名称TiTdPsPI1.2s 0.5TsPID0.8s0.3Ts0.1Ts五、实验报告要求1）、绘制单/双容水箱液位控制系统的方块图。2）

31、、用接好线路的单回路系统进行投运练习，并叙述无扰动切换的方法。3）用临界比例度法和衰减曲线法分别计算P、PI、PID调节的参数，并分别列出系统在这三种方式下的余差和超调量。4）、P调节时，作出不同值下的阶跃响应曲线。5）、PI调节时，分别作出Ti不变、不同值时的阶跃响应曲线和不变、不同Ti值时的阶跃响应曲线。6）、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。7）、比较P、PI和PID三种调节器对系统余差和动态性能的影响。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。2）、必须在老师的指导下，启动计算机系统和单片机控制屏。3）、若参数设置不当，可能导致系统失控，

32、不能达到设定值。七、思考题1）、如何实现减小或消除余差？纯比例控制能否消除余差？2）、试定性地分析三种调节器的参数、（、Ti）和（、Ti和Td）。的变化对控制过程各产生什么影响？3）、实验系统在运行前应做好哪些准备工作？4）、为什么双容液位控制系统比单容液位控制系统难于稳定？5）、有人说：由于积分作用增强，系统会不稳定，为此在积分作用增强的同时应增大比例度，你认为对吗？为什么？6）、试用控制原理的相关理论分析PID调节器的微分作用为什么不能太大？7）、为什么微分作用的引入必须缓慢进行？这时的比例度是否要改变？为什么？8）、调节器参数（、Ti和Td）的改变对整个控制过程有什么影响？实验四 液位串

33、级控制系统的设计与研究实验学时：2学时实验类型：综合实验要求：限选一、 实验目的1）、熟悉串级控制系统的结构与控制特点。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）TKGK-1型过程控制实验装置：变频调速器(GK-07-2)直流调速器(GK-06) 模拟PID调节器（GK-04）二台 2）万用电表一只、计算机系统和GK-03三、 实验原理 图12-1、液位串级控制系统的方框图1、串级控制系统的组成图12-1为一液位串级控制系统的方框图（图12-2为其结构图）。这种系统具有2个调节器，主、副两个被控对象，2个调节

34、器分别设置在主、副回路中。设在主回路的调节器称为主调节器，设在副回路的调节器称为副调节器。两个调节器串联连接，主调节器的输出作为副回路的给定量，副调节器的输出去控制执行元件。主对象的输出为系统的被控制量h2，副对象的输出h1是一个辅助的被控变量。2、串级系统的抗干扰能力串级系统由于增加了副回路，因而对于进入副回路的干扰具有很强的抑制作用，使作用于副环的干扰对主变量的影响大大减小。主回路是一个定值控制系统，而副回环是一个随动控制。在设计串级控制系统时，要求系统副对象的时间常数要远小于主对象。此外，为了保证系统的控制精度，一般要求主调节器设计成PI或PID调节器，而副调节器则一般设计为比例P控制，

35、以提高副回路的快速响应。在搭实验线路时，要注意到两个调节器的极性（目的是保证主、副回路都是负反馈控制）。 3、串级控制系统与单回路的控制系统相比 串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象的特性，使等效副对象的时间常数减小，系统的工作频率提高，从而改善了系统的动态性能，使系统的响应加快。同时，由于串级系统具有主副两只调节器，使它的开环增益变大，因而使系统的扰干扰能力增强。4、串级控制系统的参数整定串级控制系统中两个控制器的参数都需要进行整定，其中任一个控制器任一参数值发生变化，对整个串级系统都有影响。因此，串级控制系统的参数整定要比单回路控制系统复杂一些。常用的整定方法有：逐步逼近法、一步整定法

36、、两步整定法。四、 实验步骤1）、按图12-1和图12-2，连接好实验线路，并进行零位与增益的调节。2）、正确设置PID调节器的开关位置： 副调节器：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）。3）、利用一步整定法整定系统： a、先将主、副调节器均置于纯比例P调节，并将副调节器的比例度调到30%左右。 b、将主调节器置于手动，副调节器置于自动，通过改变主调节器的手动输出值使下水箱液位达到设定值。 c、将主调节器置于自动，调节比例度，使输出响应曲线呈4:1衰减，记下s和Ts，据此查表求出主

37、调节器的和Ti值。（注）：阀4的开度必须小于阀2的开度实验才能成功。五、 实验报告要求1）、记录实验过程曲线。2）、扰动作用于主、副对象，观察对主变量（被控制量）的影响。3）、观察并分析副调节器KP的大小对系统动态性能的影响。4）、观察并分析主调节的KP与Ti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具有很强的抗扰动能力？如果副对象的时间常数不是远小于主对象的时间常数时，这时副回路抗扰动的优越性还具有吗？为什么？2）、采用一步整定法的理论依据是什么？3）、串级控制系统投运前需要做好那些准备工作？ 主、副调节器的内、外给定如何确定？正、反作用如何确定？4）、为什么副调节

38、器可以不设计为PI调节器？5）、改变副调节器比例放大倍数的大小，对串级控制系统的扰动能力有什么影响？试从理论上给予说明。 6）、分析串级系统比单回路系统控制质量高的原因。实验五 PLC单容/双容水箱液位PID控制系统实验学时：2学时实验类型：综合实验要求：限选一、实验目的1）、了解S7200PLC可编程控制器的模拟量输入/输出控制功能。2）、熟悉PLC可编程软件、MCGS组态软件的使用。3）、通过对单/双容小水箱液位PID调节组态软件的使用，熟悉PLC的编程及MCGS软件的组态方法。二、实验设备1）、TKGK-1型过程控制实验装置2）、交流变频器（GK07-2）、 S7200PLC（GK08）

39、3）、计算机、MCGS软件、PPI/PC电缆线一根三、实验原理图16-1 PLC的单容上水箱水位控制系统 测量值信号由S7-200PLC的模拟量输入通道进入，经程序比较测量值与设定值的偏差，然后通过对偏差的P或PI或PID调节得到控制信号（即输出值），并通过S7-200PLC的AO通道输出。用此控制信号控制变频器的频率，以控制交流电机的转速，从而达到控制水位的目的。S7-200PLC和上位机进行通讯，并利用上位机MCGS组态软件实现给定值和PID参数的设置、手动/自动无扰动切换、实时过程曲线的绘制等功能。四、实验步骤：1）、利用S7-200PLC（带模拟量输入/输出模块）、上位机及组态软件MC

40、GS、交流变频器、TKGK-1型实验装置等按图16-1组成一个单回路水位控制系统。2）、打开GK-08的电源开关，并将PLC置于STOP工作方式。3）、开启电脑，安装所需软件，将提供的S7-200PLC演示程序plcpid.mwp下载到PLC中，然后将PLC置于RUN工作方式。4）、点击“tkgk-1.mcg”，进入TKGK-1型单容（上水箱）液位控制演示程序控制界面，如图16-2所示。图16-25）、分别在P、PI、PID三种控制方式做实验，整定相应的PID控制参数6）、运行：在设定好给定值后，即可进入自动运行状态。彩色柱状图直观的显示了给定值SV、测量值PV、输出值OP的动态变化值。实时曲

41、线所记录的是当前实验的数据，实时数据将自动保存在历史曲线数据库里，供以后查询。7）、待被控水箱水位趋于稳定后，加入一定的正（或负）阶跃信号（即增加或减小设定值），观察输出值和测量值的变化规律，记录一条完整的过渡过程曲线。8）、按如图所示接成双容液位控制系统，再按照前面的步骤进行实验，并记录相关数据。五、实验要求1）、摘记实验数据，分析实验曲线，比较P、PI、PID 控制下的超调量、余差、调节时间、抗扰动性能有什么不同？2）、在相同的控制参数下，比较单容和双容水箱的过程曲线，看它们的稳定性、调节时间、超调量有什么不同3）、模仿本系统提供的程序，自己设计一个液位控制系统。编写S7-200PLC的程

42、序，并用MCGS进行组态。 专心-专注-专业仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur fr den persnlichen fr Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l tude et la recherche uniquement des fins personnelles; pas des fins commerciales. , , . 以下无正文