過程控制系統(tǒng)實驗指導書

PAGE32PAGE33過程控制系統(tǒng)THSA-1型過控綜合自動化控制系統(tǒng)對象實驗對象總貌圖如圖1-1所示：圖1-1實驗對象總貌圖本實驗裝置對象主要由水箱、鍋爐和盤管三大部分組成。供水系統(tǒng)有兩路：一路由三相（380V恒壓供水）磁力驅(qū)動泵、電動調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動泵（220V變頻調(diào)速）、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成。一、被控對象由不銹鋼儲水箱、（上、中、下）三個串接有機玻璃水箱、4.5KW三相電加熱模擬鍋爐(由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式鍋爐夾套構(gòu)成)、盤管和敷塑不銹鋼管道等組成。1．水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。上、中、下水箱采用淡藍色優(yōu)質(zhì)有機玻璃，不但堅實耐用，而且透明度高，便于學生直接觀察液位的變化和記錄結(jié)果。上、中水箱尺寸均為：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸為：D=35cm，H=20cm。水箱結(jié)構(gòu)獨特，由三個槽組成，分別為緩沖槽、工作槽和出水槽，進水時水管的水先流入緩沖槽，出水時工作槽的水經(jīng)過帶燕尾槽的隔板流入出水槽，這樣經(jīng)過緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩(wěn)定，便于觀察。水箱底部均接有擴散硅壓力傳感器與變送器，可對水箱的壓力和液位進行檢測和變送。上、中、下水箱可以組合成一階、二階、三階單回路液位控制系統(tǒng)和雙閉環(huán)、三閉環(huán)液位串級控制系統(tǒng)。儲水箱由不銹鋼板制成，尺寸為：長×寬×高=68cm×52㎝×43㎝，完全能滿足上、中、下水箱的實驗供水需要。儲水箱內(nèi)部有兩個橢圓形塑料過濾網(wǎng)罩，以防雜物進入水泵和管道。2．模擬鍋爐：是利用電加熱管加熱的常壓鍋爐，包括加熱層（鍋爐內(nèi)膽）和冷卻層（鍋爐夾套），均由不銹鋼精制而成，可利用它進行溫度實驗。做溫度實驗時，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測其溫度，可完成溫度的定值控制、串級控制，前饋-反饋控制，解耦控制等實驗。3．盤管：模擬工業(yè)現(xiàn)場的管道輸送和滯后環(huán)節(jié)，長37米（43圈），在盤管上有三個不同的溫度檢測點，它們的滯后時間常數(shù)不同，在實驗過程中可根據(jù)不同的實驗需要選擇不同的溫度檢測點。盤管的出水通過手動閥門的切換既可以流入鍋爐內(nèi)膽，也可以經(jīng)過渦輪流量計流回儲水箱。它可用來完成溫度的滯后和流量純滯后控制實驗。4．管道及閥門：整個系統(tǒng)管道由敷塑不銹鋼管連接而成，所有的手動閥門均采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。有效提高了實驗裝置的使用年限。其中儲水箱底部有一個出水閥，當水箱需要更換水時，把球閥打開將水直接排出。二、檢測裝置1．壓力傳感器、變送器：三個壓力傳感器分別用來對上、中、下三個水箱的液位進行檢測，其量程為0～5KP，精度為0.5級。采用工業(yè)用的擴散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補償。采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供24V直流電源，輸出：4～20mADC。2．溫度傳感器：裝置中采用了六個Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，分別用來檢測鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套、盤管（有3個測試點）以及上水箱出口的水溫。Pt100測溫范圍：-200～+420℃。經(jīng)過調(diào)節(jié)器的溫度變送器，可將溫度信號轉(zhuǎn)換成4～20mA直流電流信號。Pt100傳感器精度高，熱補償性較好。3．流量傳感器、變送器：三個渦輪流量計分別用來對由電動調(diào)節(jié)閥控制的動力支路、由變頻器控制的動力支路及盤管出口處的流量進行檢測。它的優(yōu)點是測量精度高，反應(yīng)快。采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供24V直流電源。流量范圍：0～1.2m3/h；精度：1.0%；輸出：4～20mADC。三、執(zhí)行機構(gòu)1．電動調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動調(diào)節(jié)閥，用來對控制回路的流量進行調(diào)節(jié)。電動調(diào)節(jié)閥型號為：QSVP-16K。具有精度高、技術(shù)先進、體積小、重量輕、推動力大、功能強、控制單元與電動執(zhí)行機構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點，電源為單相220V，控制信號為4～20mADC或1～5VDC，輸出為4～20mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。2．水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為16CQ-8P，流量為30升/分，揚程為8米，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動泵,一只為三相380V恒壓驅(qū)動，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動。3．電磁閥：在本裝置中作為電動調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號為：2W-160-25；工作壓力：最小壓力為0Kg/㎝2，最大壓力為7Kg/㎝2；工作溫度：－5～80℃；工作電壓：24VDC。4．三相電加熱管：由三根1.5KW電加熱管星形連接而成，用來對鍋爐內(nèi)膽內(nèi)的水進行加溫，每根加熱管的電阻值約為50Ω左右。THSA-1型過控綜合自動化控制系統(tǒng)實驗平臺“THSA-1型過控綜合自動化控制系統(tǒng)實驗平臺”主要由控制屏組件、智能儀表控制組件、遠程數(shù)據(jù)采集控制組件、DCS分布式控制組件、PLC控制組件等幾部分組成。一、控制屏組件1．SA-01電源控制屏面板充分考慮人身安全保護，裝有漏電保護空氣開關(guān)、電壓型漏電保護器、電流型漏電保護器。圖1-2為電源控制屏示意圖。合上總電源空氣開關(guān)及鑰匙開關(guān)，此時三只電壓表均指示380V左右，定時器兼報警記錄儀數(shù)顯亮，停止按鈕燈亮。此時打開照明開關(guān)、變頻器開關(guān)及24V開關(guān)電源即可提供照明燈，變頻器和24V電。按下啟動按鈕，停止按鈕燈熄，啟動按鈕燈亮，此時合上三相電源、單相Ⅰ、單相Ⅱ、單相Ⅲ空氣開關(guān)即可提供相應(yīng)電源輸出，作為其他設(shè)備的供電電源。圖1-2電源控制屏示意圖2．SA-02I/O信號接口面板該面板的作用主要是通過航空插頭（一端與對象系統(tǒng)連接）將各傳感器檢測信號及執(zhí)行器控制信號同面板上自鎖緊插孔相連，便于學生自行連線組成不同的控制系統(tǒng)。3．SA-11交流變頻控制掛件采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH(R)型變頻器，控制信號輸入為4～20mADC或0～5VDC，交流220V變頻輸出用來驅(qū)動三相磁力驅(qū)動泵。有關(guān)變頻器的使用請參考變頻器使用手冊中相關(guān)的內(nèi)容。變頻器常用參數(shù)設(shè)置：P30＝1；P53＝1；P62＝4；P79＝0。4．三相移相SCR調(diào)壓裝置、位式控制接觸器采用三相可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號為4～20mA標準電流信號，其移相觸發(fā)角與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓用來控制電加熱器的端電壓，從而實現(xiàn)鍋爐溫度的連續(xù)控制。位式控制接觸器和AI-708儀表一起使用，通過AI-708儀表輸出繼電器觸點的通斷來控制交流接觸器的通斷，從而完成鍋爐水溫的位式控制實驗。二、智能儀表控制組件1．AI智能調(diào)節(jié)儀表掛件采用上海萬迅儀表有限公司生產(chǎn)的AI系列全通用人工智能調(diào)節(jié)儀表，其中SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制掛件為AI-818型，SA-13智能位式調(diào)節(jié)儀為AI-708型。AI-818型儀表為PID控制型，輸出為4～20mADC信號；而AI-708型儀表為位式控制型，輸出為繼電器觸點型開關(guān)量信號。AI系列儀表通過RS485串口通信協(xié)議與上位計算機通訊，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)控。AI儀表常用參數(shù)設(shè)置：CtrL：控制方式。CtrL＝0，采用位式控制；CtrL＝1，采用AI人工智能調(diào)節(jié)/PID調(diào)節(jié)；CtrL＝2，啟動自整定參數(shù)功能；CtrL＝3，自整定結(jié)束。Sn：輸入規(guī)格。Sn＝21，Pt100熱電阻輸入；Sn＝32，0.2～1VDC電壓輸入；Sn＝33，1～5VDC電壓輸入。DIL：輸入下限顯示值，一般DIL＝0。DIH：輸入上限顯示值。輸入為液位信號時，DIH＝50.0；輸入為熱電阻信號時，DIH＝100；輸入為流量信號時，DIH＝100。OP1：輸出方式，一般OP1＝4為4～20mA線性電流輸出。CF：系統(tǒng)功能選擇。CF＝0為內(nèi)部給定，反作用調(diào)節(jié)；CF＝1為內(nèi)部給定，正作用調(diào)節(jié)；CF＝8為外部給定，反作用調(diào)節(jié)；CF＝9為外部給定，正作用調(diào)節(jié)。Addr：通訊地址。單回路實驗Addr＝1；串級實驗主控為Addr＝1，副控為Addr＝2；三閉環(huán)實驗主控為Addr＝1，副控為Addr＝2，內(nèi)環(huán)為Addr＝3。實驗中各儀表通訊地址不允許相同。P、I、D參數(shù)可根據(jù)實驗需要調(diào)整，其他參數(shù)請參考默認設(shè)置。有關(guān)AI系列儀表的使用請參考說明書上相關(guān)的內(nèi)容。2．SA-14比值、前饋補償及解耦裝置掛件比值、前饋補償裝置同調(diào)節(jié)器一起使用，其原理如圖1-3所示。上面一路作為比值器，輸入電壓經(jīng)過電壓跟隨器、反相比例放大器、反相器輸出0～5V電壓，可以實現(xiàn)流量的單閉環(huán)比值、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)實驗；當上面一路作為干擾輸入，下面一路作為調(diào)節(jié)器輸出時，兩路相加或相減（通過鈕子開關(guān)切換），再經(jīng)過I/V變換輸出4～20mA電流，這部分構(gòu)成一個前饋補償器，可以實現(xiàn)液位與流量、溫度與流量的前饋-反饋控制系統(tǒng)實驗。圖1-3比值、前饋補償器原理圖解耦裝置同調(diào)節(jié)器一起使用，其原理如圖1-4所示。上面一路的輸入對輸出的影響，以及下面一路的輸入對輸出的影響均為1：1的關(guān)系；兩路之間相互的影響通過可調(diào)比例放大器及加法器實現(xiàn)。值得注意的是上面一路對下面一路的影響可通過鈕子開關(guān)選擇相加或相減，可以實現(xiàn)鍋爐內(nèi)膽與鍋爐夾套的溫度、上水箱液位與出口水溫的解耦控制系統(tǒng)實驗。圖1-4解耦裝置原理圖三、遠程數(shù)據(jù)采集控制組件遠程數(shù)據(jù)采集控制即我們通常所說的直接數(shù)字控制（DDC），它的特點是以計算機代替模擬調(diào)節(jié)器進行控制，并通過數(shù)據(jù)采集板卡或模塊進行A/D、D/A轉(zhuǎn)換，控制算法全部在計算機上實現(xiàn)。在本裝置中遠程數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)包括SA-21遠程數(shù)據(jù)采集熱電阻輸入模塊掛件、SA-22遠程數(shù)據(jù)采集模擬量輸入模塊掛件、SA-23遠程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊掛件。采用臺灣鴻格ICP7000系列智能采集模塊，其中I-7017是8路模擬量輸入模塊，I-7024是4路模擬量輸出模塊，I-7033是3路熱電阻輸入模塊。ICP7000系列智能采集模塊通過RS485等串行口通訊協(xié)議與PC相連，由PC中的算法及程序控制并實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊對現(xiàn)場的模擬量、開關(guān)量信號的輸入和輸出、脈沖信號的計數(shù)和測量脈沖頻率等功能。圖1-5所示即為遠程數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)框圖。圖中輸入輸出通道即為ICP7000智能采集模塊。關(guān)于ICP7000智能模塊的具體使用請參考裝置附帶的光盤中的相關(guān)內(nèi)容。圖1-5遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖四、DCS分布式控制組件分布式控制系統(tǒng)（DCS），國內(nèi)也稱為集散控制系統(tǒng)，它的特點是將危險分散化，而監(jiān)視、操作和管理集中化，因而具有很高可靠性和靈活性。本裝置采用北京和利時公司生產(chǎn)的MACS系統(tǒng)，包括一臺操作員站兼工程師站、一臺服務(wù)器、一臺現(xiàn)場主控單元和三個掛件，即FM148現(xiàn)場總線遠程I/O模塊掛件、FM143現(xiàn)場總線遠程I/O模塊掛件和FM151現(xiàn)場總線遠程I/O模塊掛件，其中FM148為8路模擬量輸入模塊、FM143為8路熱電阻輸入模塊、FM151為8路模擬量輸出模塊。圖1-6所示為MACSⅡ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。有關(guān)MACSⅡ系統(tǒng)軟硬件的具體使用請參考裝置附帶的光盤中相關(guān)的內(nèi)容。圖1-6DCS分布式系統(tǒng)框圖五、PLC控制組件可編程控制器（簡稱PLC）是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用的一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)。目前國內(nèi)外PLC品種繁多，生產(chǎn)PLC的廠商也很多，其中德國西門子公司在S5系列PLC的基礎(chǔ)上推出了S7系列PLC，性能價格比越來越高。S7系列PLC有很強的模擬量處理能力和數(shù)字運算功能，具有許多過去大型PLC才有的功能，其掃描速度甚至超過了許多大型的PLC，S7系列PLC功能強、速度快、擴展靈活，并具有緊湊的、無槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)，因而在國內(nèi)工控現(xiàn)場得到了廣泛的應(yīng)用。在本裝置中采用了S7-300PLC控制系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)各有特點且區(qū)別較大，以使學生對于西門子中小型PLC有較深入的了解。這兩套系統(tǒng)包括SA-41S7-300PLC可編程控制器掛件。圖1-8S7-300PLC控制系統(tǒng)框圖方案一、S7-300PLC控制系統(tǒng)：S7-300是采用模塊化結(jié)構(gòu)的中小型PLC，包括一個CPU315-2DP主機模塊、一個SM331模擬量輸入模塊和一個SM332模擬量輸出模塊，以及一塊西門子CP5611專用網(wǎng)卡和一根MPI網(wǎng)線。其中SM331為8路模擬量輸入模塊，SM332為4路模擬量輸出模塊。圖1-8所示為S7-300PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。軟件介紹一、MCGS組態(tài)軟件本裝置中智能儀表控制方案、遠程數(shù)據(jù)采集控制方案和S7-200PLC控制方案均采用了北京昆侖公司的MCGS組態(tài)軟件作為上位機監(jiān)控組態(tài)軟件。MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）是一套基于Windows平臺的，用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運行于MicrosoftWindows95/98/NT/2000等操作系統(tǒng)。MCGS5.1為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。有關(guān)MCGS軟件的使用請參考配套的手冊及光盤。二、MACS系統(tǒng)軟件本裝置中DCS控制方案采用了北京和利時公司的MACSⅡ系統(tǒng)。MACS系統(tǒng)給用戶提供了一個通用的系統(tǒng)組態(tài)和運行控制平臺，應(yīng)用系統(tǒng)需要通過工程師站軟件組態(tài)產(chǎn)生，即把通用系統(tǒng)提供的模塊化的功能單元按一定的邏輯組合起來，形成一個能完成特定要求的應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)組態(tài)后將產(chǎn)生應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫、控制運算程序、歷史數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控流程圖以及各類生產(chǎn)管理報表。MACS系統(tǒng)具有功能：數(shù)據(jù)采集、控制運算、閉環(huán)控制輸出、設(shè)備和狀態(tài)監(jiān)視、報警監(jiān)視、遠程通信、實時數(shù)據(jù)處理和顯示、歷史數(shù)據(jù)管理、日志記錄、事件順序記錄、事故追憶、圖形顯示、控制調(diào)節(jié)、報表打印、高級計算、組態(tài)、調(diào)試、打印、下裝、診斷。有關(guān)MACS系統(tǒng)的使用請參考配套光盤。三、西門子S7系列PLC編程軟件本裝置中PLC控制方案采用了德國西門子公司的S7-200和S7-300PLC，其中西門子S7-200PLC采用的是Step7-MicroWIN32編程軟件，而西門子S7-300PLC采用的是Step7編程軟件。利用這兩個軟件可以對相應(yīng)的PLC進行編程、調(diào)試、下裝、診斷。有關(guān)軟件使用請參考光盤中相應(yīng)的內(nèi)容。四、西門子WinCC監(jiān)控組態(tài)軟件S7-300PLC控制方案采用WinCC軟件作為上位機監(jiān)控組態(tài)軟件，WinCC是結(jié)合西門子在過程自動化領(lǐng)域中的先進技術(shù)和Microsoft的強大功能的產(chǎn)物。作為一個國際先進的人機界面(HMI)軟件和SCADA系統(tǒng)，WinCC提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板；并具有高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)；WinCC還為用戶解決方案提供了開放的界面，使得將WinCC集成入復(fù)雜、廣泛的自動化項目成為可能。關(guān)于WinCC軟件的使用請參考配套光盤中的電子文檔。五、7000Utility軟件遠程數(shù)據(jù)采集控制方案采用臺灣鴻格I-7000系列智能采集模塊，7000Utility是其配套的模塊調(diào)試軟件。軟件安裝完以后，會在桌面創(chuàng)建快捷方式，雙擊“7000Utility”圖標，運行程序自動檢測模塊，當檢測到模塊后，可雙擊模塊進行模塊參數(shù)的顯示及修改。若模塊通訊失敗，請檢查通訊線是否已按實驗要求連接；若上位機MCGS組態(tài)與模塊通訊失敗，請用7000Utility檢查模塊地址，并作正確修改。實驗要求及安全操作規(guī)程一、實驗前的準備實驗前應(yīng)復(fù)習教科書有關(guān)章節(jié)，認真研讀實驗指導書，了解實驗?zāi)康?、項目、方法與步驟，明確實驗過程中應(yīng)注意的問題，并按實驗項目準備記錄等。實驗前應(yīng)了解實驗裝置中的對象、水泵、變頻器和所用控制組件的名稱、作用及其所在位置。以便于在實驗中對它們進行操作和觀察。熟悉實驗裝置面板圖，要求做到：由面板上的圖形、文字符號能準確找到該設(shè)備的實際位置。熟悉工藝管道結(jié)構(gòu)、每個手動閥門的位置及其作用。認真作好實驗前的準備工作，對于培養(yǎng)學生獨立工作能力，提高實驗質(zhì)量和保護實驗設(shè)備都是很重要的。二、實驗過程的基本程序1．明確實驗任務(wù)；2．提出實驗方案；3．畫實驗接線圖；4．進行實驗操作，做好觀測和記錄；5．整理實驗數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，撰寫實驗報告。在進行本書中的綜合實驗時，上述程序應(yīng)盡量讓學生獨立完成，老師給予必要的指導，以培養(yǎng)學生的實際動手能力，要做好各主題實驗，就應(yīng)做到：實驗前有準備；實驗中有條理，實驗后有分析。三、實驗安全操作規(guī)程1．實驗之前確保所有電源開關(guān)均處于“關(guān)”的位置。2．接線或拆線必須在切斷電源的情況下進行，接線時要注意電源極性。完成接線后，正式投入運行之前，應(yīng)嚴格檢查安裝、接線是否正確，并請指導老師確認無誤后，方能通電。3．在投運之前，請先檢查管道及閥門是否已按實驗指導書的要求打開，儲水箱中是否充水至三分之二以上，以保證磁力驅(qū)動泵中充滿水，磁力驅(qū)動泵無水空轉(zhuǎn)易造成水泵損壞。4．在進行溫度試驗前，請先檢查鍋爐內(nèi)膽內(nèi)水位，至少保證水位超過液位指示玻璃管上面的紅線位置，無水空燒易造成電加熱管燒壞。5．實驗之前應(yīng)進行變送器零位和量程的調(diào)整，調(diào)整時應(yīng)注意電位器的調(diào)節(jié)方向，并分清調(diào)零電位器和滿量程電位器。6．儀表應(yīng)通電預(yù)熱15分鐘后再進行校驗。7．小心操作，切勿亂扳硬擰，嚴防損壞儀表。單回路控制系統(tǒng)的概述一、單回路控制系統(tǒng)的概述圖3-1為單回路控制系統(tǒng)方框圖的一般形式，它是由被控對象、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器和測量變送器組成一個單閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的給定量是某一定值，要求系統(tǒng)的被控制量穩(wěn)定至給定量。由于這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能較好，調(diào)試方便等優(yōu)點，故在工業(yè)生產(chǎn)中已被廣泛應(yīng)用。圖3-1單回路控制系統(tǒng)方框圖二、干擾對系統(tǒng)性能的影響1．干擾通道的放大系數(shù)、時間常數(shù)及純滯后對系統(tǒng)的影響。干擾通道的放大系數(shù)Kf會影響干擾加在系統(tǒng)中的幅值。若系統(tǒng)是有差系統(tǒng)，則干擾通道的放大系數(shù)愈大，系統(tǒng)的靜差也就愈大。如果干擾通道是一慣性環(huán)節(jié)，令時間常數(shù)為Tf，則階躍擾動通過慣性環(huán)節(jié)后，其過渡過程的動態(tài)分量被濾波而幅值變小。即時間常數(shù)Tf越大，則系統(tǒng)的動態(tài)偏差就愈小。通常干擾通道中還會有純滯后環(huán)節(jié)，它使被調(diào)參數(shù)的響應(yīng)時間滯后一個τ值，但不會影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量。2．干擾進入系統(tǒng)中的不同位置。復(fù)雜的生產(chǎn)過程往往有多個干擾量，它們作用在系統(tǒng)的不同位置，如圖3-2所示。同一形式、大小相同的擾動作用在系統(tǒng)中不同的位置所產(chǎn)生的靜差是不一樣的。對擾動產(chǎn)生影響的僅是擾動作用點前的那些環(huán)節(jié)。圖3-2擾動作用于不同位置的控制系統(tǒng)三、控制規(guī)律的選擇PID控制規(guī)律及其對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響已在有關(guān)課程中介紹，在此將有關(guān)結(jié)論再簡單歸納一下。1．比例(P)調(diào)節(jié)純比例調(diào)節(jié)器是一種最簡單的調(diào)節(jié)器，它對控制作用和擾動作用的響應(yīng)都很快。由于比例調(diào)節(jié)只有一個參數(shù)，所以整定很方便。這種調(diào)節(jié)器的主要缺點是系統(tǒng)有靜差存在。其傳遞函數(shù)為：GC(s)=KP=(3-1)式中KP為比例系數(shù)，δ為比例帶。2．比例積分(PI)調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)器就是利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用I調(diào)節(jié)消除殘差，但I調(diào)節(jié)會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種調(diào)節(jié)器在過程控制中是應(yīng)用最多的一種調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為：GC(s)=KP(1+)＝(1+)(3-2)式中TI為積分時間。3．比例微分(PD)調(diào)節(jié)這種調(diào)節(jié)器由于有微分的超前作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，減小動態(tài)和靜態(tài)誤差，但微分抗干擾能力較差，且微分過大，易導致調(diào)節(jié)閥動作向兩端飽和。因此一般不用于流量和液位控制系統(tǒng)。PD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：GC(s)=KP(1+TDs)＝(1+TDs)(3-3)式中TD為微分時間。4．比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器PID是常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一種調(diào)節(jié)器。由于它具有各類調(diào)節(jié)器的優(yōu)點，因而使系統(tǒng)具有更高的控制質(zhì)量。它的傳遞函數(shù)為GC(s)=KP(1++TDs)＝(1++TDs)(3-4)圖3-3表示了同一對象在相同階躍擾動下，采用不同控制規(guī)律時具有相同衰減率的響應(yīng)過程。圖3-3各種控制規(guī)律對應(yīng)的響應(yīng)過程四、調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定一般有兩種方法：一種是理論計算法，即根據(jù)廣義對象的數(shù)學模型和性能要求，用根軌跡法或頻率特性法來確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)；另一種方法是工程實驗法，通過對典型輸入響應(yīng)曲線所得到的特征量，然后查照經(jīng)驗表，求得調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。工程實驗整定法有以下四種：（一）經(jīng)驗法若將控制系統(tǒng)按照液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對象往往比較接近，所以無論是控制器形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表3-1為經(jīng)驗法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進一步修正。若需加微分作用，微分時間常數(shù)按TD=(～)TI計算。表3-1經(jīng)驗法整定參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)δ(%)TI(min)TD(min)溫度20～603～100.5～3流量40～1000.1～1壓力30～700.4～3液位20～80(二)臨界比例度法圖3-4具有周期TS的等幅振蕩這種整定方法是在閉環(huán)情況下進行的。設(shè)TI=∞，TD=0，使調(diào)節(jié)器工作在純比例情況下，將比例度由大逐漸變小，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)呈現(xiàn)等幅振蕩，如圖3-4所示。根據(jù)臨界比例度δk和振蕩周期TS，按表3-2所列的經(jīng)驗算式，求取調(diào)節(jié)器的參考參數(shù)值，這種整定方法是以得到4：1衰減為目標。表3-2臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱δTI(S)TD(S)P2δkPI2.2δkTS/1.2PID1.6δk0.5TS0.125TS臨界比例度法的優(yōu)點是應(yīng)用簡單方便，但此法有一定限制。首先要產(chǎn)生允許受控變量能承受等幅振蕩的波動，其次是受控對象應(yīng)是二階和二階以上或具有純滯后的一階以上環(huán)節(jié)，否則在比例控制下，系統(tǒng)是不會出現(xiàn)等幅振蕩的。在求取等幅振蕩曲線時，應(yīng)特別注意控制閥出現(xiàn)開、關(guān)的極端狀態(tài)。（三）衰減曲線法（阻尼振蕩法）圖3-54：1衰減曲線法圖形在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動觀察輸出響應(yīng)的衰減過程，直至出現(xiàn)圖3-5所示的4：1衰減過程為止。這時的比例度稱為4：1衰減比例度，用δS表示之。相鄰兩波峰間的距離稱為4：1衰減周期TS。根據(jù)δS和TS，運用表3-3所示的經(jīng)驗公式，就可計算出調(diào)節(jié)器預(yù)整定的參數(shù)值。表3-3衰減曲線法計算公式調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱δ（%）TI(min)TD(min)PδSPI1.2δS0.5TSPID0.8δS0.3TS0.1TS（四）動態(tài)特性參數(shù)法所謂動態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程階躍響應(yīng)特性進行近似計算的方法，即根據(jù)第二章中對象特性的階躍響應(yīng)曲線測試法測得系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)（K、T、τ等），利用表3-4所示的經(jīng)驗公式，就可計算出對應(yīng)于衰減率為4：1時調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。如果被控對象是一階慣性環(huán)節(jié)，或具有很小滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，若用臨界比例度法或阻尼振蕩法（4：1衰減）就有難度，此時應(yīng)采用動態(tài)特性參數(shù)法進行整定。表3-4經(jīng)驗計算公式調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱δ（%）TITDP×100%PI1.1×100%3.3τPID0.85×100%2τ0.5τ實驗一液位、流量單回路過程控制系統(tǒng)一、實驗?zāi)康?．了解單容液位定值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成。2．掌握單容液位定值控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定和投運方法。3．研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對系統(tǒng)靜、動態(tài)性能的影響。4．了解P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對液位控制的作用。5．掌握同一控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實現(xiàn)過程。二、實驗原理圖3-6中水箱單容液位定值控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖本實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖3-6所示。被控量為中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，實驗要求中水箱的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器LT2檢測到的中水箱液位信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，以達到控制中水箱液位的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。四、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇中水箱作為被控對象。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全開，將中水箱出水閥門F1-10開至適當開度，其余閥門均關(guān)閉。具體實驗內(nèi)容與步驟按五種方案分別敘述，這五種方案的實驗與用戶所購的硬件設(shè)備有關(guān)，可根據(jù)實驗需要選做或全做。（一）、智能儀表控制1．將“SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制”掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算機串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。圖3-7智能儀表控制單容液位定值控制實驗接線圖2．接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V開關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ、單相Ⅲ空氣開關(guān)，給智能儀表及電動調(diào)節(jié)閥上電。3．打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗三、單容液位定值控制系統(tǒng)”，進入實驗三的監(jiān)控界面。4．在上位機監(jiān)控界面中點擊“啟動儀表”。將智能儀表設(shè)置為“手動”，并將設(shè)定值和輸出值設(shè)置為一個合適的值，此操作可通過調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)。5．合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當增加/減少智能儀表的輸出量，使中水箱的液位平衡于設(shè)定值。6．按本章第一節(jié)中的經(jīng)驗法或動態(tài)特性參數(shù)法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，選擇PI控制規(guī)律，并按整定后的PI參數(shù)進行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。7．待液位穩(wěn)定于給定值后，將調(diào)節(jié)器切換到“自動”控制狀態(tài)，待液位平衡后，通過以下幾種方式加干擾：（1）突增（或突減）儀表設(shè)定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化；（此法推薦，后面三種僅供參考）（2）將電動調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開至適當開度；（3）將下水箱進水閥F1-8開至適當開度；（改變負載）（4）接上變頻器電源，并將變頻器輸出接至磁力泵，然后打開閥門F2-1、F2-4，用變頻器支路以較小頻率給中水箱打水。以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的5％～15％，干擾過大可能造成水箱中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時間后，水箱液位穩(wěn)定至新的設(shè)定值（采用后面三種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值），記錄此時的智能儀表的設(shè)定值、輸出值和儀表參數(shù)，液位的響應(yīng)過程曲線將如圖3-8所示。圖3-8單容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線8．分別適量改變調(diào)節(jié)儀的P及I參數(shù)，重復(fù)步驟7，用計算機記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。9．分別用P、PD、PID三種控制規(guī)律重復(fù)步驟4～8，用計算機記錄不同控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。（二）、遠程數(shù)據(jù)采集控制1．將“SA-22遠程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊”、“SA-23遠程數(shù)據(jù)采集模擬量輸入模塊”掛件掛到屏上，并將掛件上的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算機串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置圖3-9遠程數(shù)據(jù)采集控制單容液位定值控制實驗接線圖2．接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V開關(guān)電源，給智能采集模塊及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。3．打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗三、單容液位定值控制”，進入實驗三的監(jiān)控界面。4．以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～9。（三）、DCS分布式控制1．按照第一章圖1-6用網(wǎng)線和交換機連接操作員站（網(wǎng)卡IP設(shè)為128.0.0.2）和服務(wù)器（A網(wǎng)卡IP設(shè)為128.0.0.1），以及服務(wù)器（B網(wǎng)卡設(shè)為168.0.0.1）和主控單元，將“SA-31FM148現(xiàn)場總線遠程I/O模塊”、“SA-33FM151現(xiàn)場總線遠程I/O模塊”掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)Profibus-DP總線接口上，將控制屏左側(cè)Profibus-DP總線連接到主控單元DP口，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。圖3-10DCS分布式控制單容液位定值控制實驗接線圖2．接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V開關(guān)電源，給現(xiàn)場總線I/O模塊及壓力變送器上電，打開主控單元電源。啟動服務(wù)器程序，在工程師站的組態(tài)中選擇“單回路控制系統(tǒng)”工程進行編譯下裝，再重啟服務(wù)器程序。3．啟動操作員站，打開主菜單，點擊“實驗三、單容液位定值控制”，進入實驗三的監(jiān)控界面。在流程圖的液位測量值上點擊左鍵，彈出PID窗口，可進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。4．按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。5．以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟5～9。（三）、S7-300PLC控制1．將掛件SA-41S7-300PLC控制掛件掛到屏上，并用MPI通訊電纜線將S7-300PLC連接到計算機CP5611專用網(wǎng)卡，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。圖3-12S7-300PLC控制單容液位定值控制實驗接線圖2．接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V開關(guān)電源，給S7-300PLC及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。3．打開Step7軟件，打開“S7-300”程序進行下載，然后將S7-300PLC置于運行狀態(tài)，然后運行WinCC組態(tài)軟件，打開“S7-300PLC控制系統(tǒng)”工程，然后激活WinCC運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗三、單容液位定值控制”，進入實驗三的監(jiān)控界面。4．以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～9。五、實驗報告要求1．畫出單容水箱液位定值控制實驗的結(jié)構(gòu)框圖。2．用實驗方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，寫出整定過程。3．根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動作用下的靜、動態(tài)性能。4．比較不同PID參數(shù)對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。5．分析P、PI、PD、PID四種控制規(guī)律對本實驗系統(tǒng)的作用。6．綜合分析五種控制方案的實驗效果。六、思考題1．如果采用下水箱做實驗，其響應(yīng)曲線與中水箱的曲線有什么異同？并分析差異原因。2．改變比例度δ和積分時間TI對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生什么影響？實驗二雙容水箱液位定值控制系統(tǒng)一、實驗?zāi)康?．通過實驗進一步了解雙容水箱液位的特性。2．掌握雙容水箱液位控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定與投運方法。3．研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的改變對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。4．研究P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對液位系統(tǒng)的控制作用。5．掌握雙容液位定值控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實現(xiàn)過程。二、實驗原理本實驗以中水箱與下水箱串聯(lián)作為被控對象，下水箱的液位高度為系統(tǒng)的被控制量。要求下水箱液位穩(wěn)定至給定量，將壓力傳感器LT2檢測到的中水箱液位信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，以達到控制下水箱液位的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定可采用本章第一節(jié)所述任意一種整定方法。本實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖3-13所示。圖3-13雙容液位定值控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖三、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇中水箱和下水箱串聯(lián)作為雙容對象（也可選擇上水箱和中水箱）。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-7全開，將中水箱出水閥門F1-10、下水箱出水閥門F1-11開至適當開度（要求閥F1-10稍大于閥F1-11），其余閥門均關(guān)閉。具體實驗內(nèi)容與步驟可根據(jù)本實驗的目的與原理參照前一節(jié)單容液位定值控制中的相應(yīng)方案進行。實驗的接線與第二章第一節(jié)單容對象特性測試的接線圖完全一樣。值得注意的是手自動切換的時間為：當中水箱液位基本穩(wěn)定不變（一般約為3～5cm）且下水箱的液位趨于給定值時切換為最佳。五、實驗報告要求1．畫出雙容水箱液位定值控制實驗的結(jié)構(gòu)框圖。2．用實驗方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，寫出整定過程。3．根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動作用下的靜、動態(tài)性能。4．比較不同PI參數(shù)對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。5．分析P、PI、PD、PID四種控制方式對本實驗系統(tǒng)的作用。6．綜合分析五種控制方案的實驗效果。六、思考題1．如果采用上水箱和中水箱做實驗，其響應(yīng)曲線與本實驗的曲線有什么異同？并分析差異原因。2．改變比例度δ和積分時間TI對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生什么影響？3．為什么本實驗比單容液位定值控制系統(tǒng)更容易引起振蕩？要達到同樣的動態(tài)性能指標，在本實驗中調(diào)節(jié)器的比例度和積分時間常數(shù)要怎么設(shè)置？串級控制系統(tǒng)概述一、串級控制系統(tǒng)的概述圖5-1是串級控制系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)有主、副兩個控制回路，主、副調(diào)節(jié)器相串聯(lián)工作，其中主調(diào)節(jié)器有自己獨立的給定值R，它的輸出m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)C1。圖5-1串級控制系統(tǒng)方框圖R-主參數(shù)的給定值；C1-被控的主參數(shù)；C2-副參數(shù)；f1(t)-作用在主對象上的擾動；f2(t)-作用在副對象上的擾動。二、串級控制系統(tǒng)的特點串級控制系統(tǒng)及其副回路對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響已在有關(guān)課程中介紹，在此將有關(guān)結(jié)論再簡單歸納一下。1．改善了過程的動態(tài)特性；2．能及時克服進入副回路的各種二次擾動，提高了系統(tǒng)抗擾動能力；3．提高了系統(tǒng)的魯棒性；4．具有一定的自適應(yīng)能力。三、主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，它的控制任務(wù)是使主參數(shù)等于給定值（無余差），故一般宜采用PI或PID調(diào)節(jié)器。由于副回路是一個隨動系統(tǒng)，它的輸出要求能快速、準確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律，對副參數(shù)的動態(tài)性能和余差無特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P或PI調(diào)節(jié)器。四、主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇正如單回路控制系統(tǒng)設(shè)計中所述，要使一個過程控制系統(tǒng)能正常工作，系統(tǒng)必須采用負反饋。對于串級控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式的選擇原則是使整個系統(tǒng)構(gòu)成負反饋系統(tǒng)，即其主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)極性是這樣規(guī)定的：當測量值增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加，則調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)Kc為負（即正作用調(diào)節(jié)器），反之，Kc為正（即反作用調(diào)節(jié)器）；本裝置所用電動調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)Kv恒為正；當過程的輸入增大時，即調(diào)節(jié)器開大，其輸出也增大，則過程的放大系數(shù)K0為正，反之K0為負。五、串級控制系統(tǒng)的整定方法在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種：（一）逐步逼近法所謂逐步逼近法，就是在主回路斷開的情況下，按照單回路的整定方法求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，然后將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在所求的數(shù)值上，使主回路閉合，按單回路整定方法求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。而后，將主調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)在所求得的數(shù)值上，再進行整定，求取第二次副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值，然后再整定主調(diào)節(jié)器。依此類推，逐步逼近，直至滿足質(zhì)量指標要求為止。（二）兩步整定法兩步整定法就是第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。整定的具體步驟為：1．在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%，然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如4：1）曲線法來整定副回路。記下相應(yīng)的比例度δ2S和振蕩周期T2S。2．將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的δ2S值上，且把副回路作為主回路中的一個環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度δ1S和振蕩周期T1S。3．根據(jù)求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法整定公式計算主、副調(diào)節(jié)器的比例度δ、積分時間TI和微分時間Td的數(shù)值。4．按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當調(diào)整，直到過程的動態(tài)品質(zhì)達到滿意為止。（三）一步整定法由于兩步整定法要尋求兩個4：1的衰減過程，這是一件很花時間的事。因而對兩步整定法做了簡化，提出了一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。具體的整定步驟為：1．在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù)K02/δ2＝0.5這一關(guān)系式，通過副過程放大系數(shù)K02，求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)δ2或按經(jīng)驗選取，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。2．按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。3．改變給定值，觀察被控制量的響應(yīng)曲線。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K1和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2的匹配原理，適當調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)指標最佳。4．如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度δ或增大積分時間常數(shù)TI，即可得到改善。實驗三液位、流量、水箱液位串級過程控制系統(tǒng)一、實驗?zāi)康?．通過實驗了解水箱液位串級控制系統(tǒng)組成原理。2．掌握水箱液位串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定與投運方法。3．了解階躍擾動分別作用于副對象和主對象時對系統(tǒng)主控制量的影響。4．掌握液位串級控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實現(xiàn)過程。二、實驗原理本實驗為水箱液位的串級控制系統(tǒng)，它是由主控、副控兩個回路組成。主控回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對象為下水箱，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量。副控回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對象為中水箱，又稱副對象，中水箱的液位為系統(tǒng)的副控制量。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，因而副控回路是一個隨動控制系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器的的輸出直接驅(qū)動電動調(diào)節(jié)閥，從而達到控制下水箱液位的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。由于副控回路的輸出要求能快速、準確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律，對副參數(shù)的動態(tài)性能和余差無特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P調(diào)節(jié)器。本實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖5-2所示。圖5-2水箱液位串級控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖三、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇中水箱和下水箱串聯(lián)作為被控對象（也可選擇上水箱和中水箱）。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-7全開，將中水箱出水閥門F1-10、下水箱出水閥門F1-11開至適當開度（要求閥F1-10稍大于閥F1-11），其余閥門均關(guān)閉。具體實驗內(nèi)容與步驟按五種方案分別敘述，這五種方案的實驗與用戶所購的硬件設(shè)備有關(guān)，可根據(jù)實驗需要選做或全做。（一）、智能儀表控制1．將兩個SA-12掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算機串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“OFF”的位置，將“LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。圖5-3智能儀表控制水箱液位串級控制實驗接線圖2．接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V開關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ、單相Ⅲ空氣開關(guān)，給智能儀表1及電動調(diào)節(jié)閥上電。3．打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗十、水箱液位串級控制系統(tǒng)”，進入實驗十的監(jiān)控界面。4．在上位機監(jiān)控界面中點擊“啟動儀表1”、“啟動儀表2”。將主控儀表設(shè)置為“手動”，并將輸出值設(shè)置為一個合適的值，此操作可通過調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)。5．合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當增加/減少主調(diào)節(jié)器的輸出量，使下水箱的液位平衡于設(shè)定值，且中水箱液位也穩(wěn)定于某一值（此值一般為3～5cm，以免超調(diào)過大，水箱斷流或溢流）。6．按本章第一節(jié)中任一種整定方法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，并按整定得到的參數(shù)進行調(diào)節(jié)器設(shè)定。7．待液位穩(wěn)定于給定值時，將調(diào)節(jié)器切換到“自動”狀態(tài)，待液位平衡后，通過以下幾種方式加干擾：（1）突增（或突減）儀表設(shè)定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化；（2）打開閥門F2-1、F2-4（或F2-5），用變頻器支路以較小頻率給中水箱(或下水箱)打水。（干擾作用在主對象或副對象）（3）將閥F1-5、F1-13開至適當開度（改變負載）；（4）將電動調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開至適當開度；以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的5％～15％，干擾過大可能造成水箱中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀