东南大学自动化学院
实验报告
课程名称：过程控制实验
实验名称：水箱液位控制系统
院（系）：自动化专业：自动化姓名：学号：
实验室：实验组别：
同组人员：
实验时间：
评定成绩：审阅教师：
目录
一、系统概论 (3)
二、对象的认识..................................... 错误!未定义书签。
三、执行机构 ....................................... 错误!未定义书签。
四、单回路调节系统................................ 错误!未定义书签。
五、串级调节系统Ⅰ................................ 错误!未定义书签。
六、串级调节系统Ⅱ................................ 错误!未定义书签。
七、前馈控制 ....................................... 错误!未定义书签。
八、软件平台的开发................................ 错误!未定义书签。
一、系统概论
实验设备
组成器件
图实验设备正面图图实验设备背面图
本实验设备包含水箱、加热器、变频器、泵、电动阀、电磁阀、进水阀、出水阀、增压器、流量计、压力传感器、温度传感器、操作面板等。
铭牌
·加热控制器：
功率1500w，电源220V（单相输入）
·泵：
Q40-150L/min，，，380V，VL450V，
IP44，50Hz，2550rpm，，，，ICL B
·全自动微型家用增压器：
型号15WZ-10，单相电容运转马达
最高扬程10m，最大流量20L/min，级数2，转速2800rmp，电压220V，
电流，频率50Hz，电容μF，功率80w，绝缘等级 E
·LWY-C型涡轮流量计：
口径4-200mm，介质温度-20—+100℃，环境温度-20—+45℃，供电电源+24V，
标准信号输出4-20mA，负载0-750Ω，精确度±%Fs ±%Fs，外壳防护等级 IP65
·压力传感器
YMC303P-1-A-3
RANGE 0-6kPa，OUT 4-20mADC，SUPPLY 24VDC，IP67，RED SUP+，BLUE OUT+/V-·SBWZ温度传感器 PT100
量程0-100℃，精度%Fs，输出4-20mADC，电源24VDC
·智能电动调节阀
型号2DYP-16P
压力，输入信号4-20mA，口径，电源220V，
反馈信号4-20mA，阀门控制精度%-8%可调
·电磁阀
MODEL UW-15，VOLTS 220V，ORIFICE 15，CYCLES 60Hz，PIPESIZE 1/，OFERATING PRESSURE MINI 0kg/—MAX 8kg/
·交流变频器
功率1500w，电源220V（单相输入） 380V（三相输入）
电气接线图
见最后一页
操作面板图
控制面板中有4个P909仪表，以及执行机构和变送器的接口。
每个P909有4组接口，分别为（PV，4-20mA），（外给定，4-20mA），（OUT，4-20mA），（报警）。PV为测量值的输入口，即在闭环回路中为反馈值的输入口，该接口一般与变送器相连。外给定为该P909的给定值是由其他仪器给定，而非手动人为调节，在串级控制中为外环的输出口与内环给定的接口。OUT为该P909的输出值。
实验中用到的执行机构和变送器为电动阀、电动阀开度变送器、液位变送器。
二、对象的认识
对液位系统的认识
本系统的是由水箱、进水阀、出水阀、泵、压力表、电动阀等组成。
2.2实验软件
程序安装
打开安装包
选择安装力控ForceControl 进入安装向导
根据向导提示进行安装直到结束，点击完成
同理安装驱动程序直至完成
在本地计算机安装文件夹下找到IO Severs，将P909驱动程序文件夹拷贝到力控安装目录下的“IO Servers”文件夹下
然后把力控教学平台复制到Project文件夹下
程序运行及配置
打开软件点击搜索，选择力控教学平台
单击开发进入，点击忽略后软件主界面
在IO设备组态中配置设备参数
完成所有设备配置后，全部编译并运行
登陆
P909的认识和应用
与本实验有关的一些功能操作：·设定SV值
·各阶层参数说明
·PV高点和低点校正
Level3层中
·外给定高点和低点校正
Level3层中
·故障与排除
对象建模
为了实现对水箱的建模，应该在断开所有的控制器的情况下让水箱获得自然平衡点。利用P909手动控制电动阀的开度，保持出水阀的开度不变，手动调节进水阀的开度，使得液位逐渐达到平衡点。在液位到达第一个平衡点之后保持进水阀和出水阀的开度不变，通过P909手动增大电动阀的开度。（这里之所以实用电动阀来控制输入量是因为电动阀的是线性的，而进水阀是非线性的，从而电动阀的开度该变量是可以量化的）由于开度的增大，进水量必然会增大，但是由于液位不断升高，出水量也会随之增大，最终进水量与出水量相等从而液位重新达到平衡点。这个过程的液位-时间曲线称为飞升曲线。通过飞升曲线可以估计出水箱的模型结构，并且通过分析该曲线的数据可以得到模型的相关参数。
控制面板的连线如图。P909的(OUT，4-20mA)接电动阀的接口，（PV，4-20mA）接电动阀开度变送器的接口。手动调节输出值OUTL来控制电动阀开度。
图建模连线图
在实验中，电磁阀的开度由30%增大到50%，平衡点的液位高度由增高到。飞升曲线如图。
图飞升曲线
由图可以看出水箱的模型为一节惯性系统，其传递函数为,
其中，K = %，T = = 276s
所以水箱的传递函数为
三、执行机构
本实验的执行机构为电动阀。下面的工作是探究电动阀的传递函数。将P909的（PV，4-20mA）接到电动阀开度变送器的接口，（OUT，4-20mA）接到电动阀的接口，连线如图。
图电动阀连线图
在软件平台上观察电动阀开度从0%-100%以及不同开度的变化曲线（图），从而得出传递函数。
图电动阀开度调节曲线
从图可以得出，电动阀的开度变化和时间是线性关系，设为开度=kt，进一步分析曲线知k=100/×60)=，所以开度（%）= ，传递函数为
四、单回路调节系统
单回路调节系统方框图
图单回路调节方框图
PV校正
通过测量知：低水位10mm，对应的液位变送器值为7mA；高水位510mm，对应的液位变送器值为20mA。由于此处需要有一个量程的变换，即4-20mA→0-100，所以7mA→20,20mA →100。在校正PV时，需要两个P909（A和B），连线如图。先将A调到手动模式，手动设置OUTL为20，使B进入到level3，在ANL1中调节SV的大小使PV值为10。再先将A手动设置OUTL为100，使B进入到level3，在ANH1中调节SV的大小使PV值为510。通过以上两步，完成高点和低点的PV校正。
图单回路PV校正
实验过程
·Step1：控制面板连线。按照单回路方框图，P909的（PV，4-20mA）接到液位变送器，接口，（OUT，4-10mA）接到电磁阀接口。如图。
图单回路控制面板连线图
·Step2：由于在实际的过程控制中被控量是不可能大幅度变化的，所以在对控制的效果进行评判时是观察在给定值附近的控制效果是否理想。例如，实验时设定液位从100mm升到200mm，而为了模拟实际情况，我们应该观察从180mm到液位稳定这段时间的控制效果。基于以上的分析，在实验中我们分两步进行，手动与自动相结合。首先，当液位低于180mm 时，手动设置OUTL为100（即电动阀开度最大），使液位快速上升。当液位达到180mm时，切换到自动调节，根据设定的参数进行PID调节，使液位最终稳定。
实验结果
经过不断的PID参数调整，最终我们获得如下的PID参数：P=，I=43，D=0。调节效果如图所示。
图
单回路PID调节
从上图可以看出效果还是不错的，有一个超调，之后就进入稳态，超调量为
如果忽略扰动（电流波动，液位晃动等），基本上是没有静差的。
五、串级调节系统Ⅰ
串级调节系统方框图
图串级调节方框图
PV校正
主控制器的PV校正
主控制器的测量值为液位，所以它的PV校正和单回路PV校正相同，控制面板连线见图。副控制器的PV及外给定校正
串级控制系统比单级控制系统多一个控制器，即副控制器。副控制器的给定值是主控制器的输出值，反馈值是电磁阀开度，所以副控制器需要PV校正和外给定校正。
PV校正：副控制器的PV校正的连线和单回路PV校正相同，先将主控制器调到手动模式，手动设置OUTL为0，使副控制器进入到level3，在ANL1中调节SV的大小使SV值为0。再先将主控制器手动设置OUTL为100，使副控制器进入到level3，在ANH1中调节SV的大小使SV值为100。通过以上两步，完成高点和低点的PV校正。
外给定校正：主控制器的输出值即电动阀开度的给定值，所以外给定校正的连线图如图。先将主控制器调到手动模式，手动设置OUTL为0，使副控制器进入到level3，在ANL2中调节SV的大小使PV值为0。再先将主控制器手动设置OUTL为100，使副控制器进入到level3，在ANH2中调节SV的大小使PV值为100。通过以上两步，完成高点和低点的外给定校正。
图外给定校正
六、串级调节系统Ⅱ
实验过程
·Step1：控制面板连线。按照单回路方框图，主控制器的（PV，4-20mA）接到液位变送器，接口，（OUT，4-10mA）接到副控制器的（外给定，4-20mA）；副控制器的（PV，4-20mA）
接到电磁阀开度变送器，（OUT，4-10mA）接到电磁阀接口。如图。
图串级控制连线图
·Step2：串级控制系统中有两个PID控制器，在调节参数时不应该同时调节，而是应该先调节副控制器再调节主控制器。对于副控制器的要求是响应速度快，电磁阀的开度要能跟得上给定值，所以副控制器的PID参数要求为放大倍数比较大，积分时间比较小。对于主控制器的要求是输出的开度调节幅度不能太大，反应速度应该比副控制器慢，所以主控制器的PID参数要求是放大倍数比较小，积分时间比较大。（注：P909中的P为比例度，为放大倍数的倒数，所以在调节参数时应该是主控制器的P比较大，副控制器的P比较小。）
·Step3：与单回路调节系统相同，由于在实际的过程控制中被控量是不可能大幅度变化的，所以在对控制的效果进行评判时是观察在给定值附近的控制效果是否理想。（本实验为300mm）
实验结果
经过不断的PID参数调整，最终我们获得如下的PID参数：主控制器P=20，I=50，D=0；副控制器P=，I=1，D=0。调节效果如图所示。
图串级控制PID调节
通过串级控制，液位稳定在300mm，没有静差。超调量为
单回路与串级调节系统的对比
单回路串级
由给定期望值两种系统的过渡曲线可知：
·单回路调节的超调量为%，串级调节的超调量为5%，串级调节比单回路调节的超调量小。·串级调节的过渡时间比单回路调节长。
·两者都能使输出量稳定并且无静差，但是由于负调节器实现对被控对象的粗调，粗调的准确性影响到过渡过程的稳定性，因此过渡过程曲线有小幅的波动。（从上图中可能看不出串级波动大是因为单回路的图像比串级的图像放大的倍数更大）。
·由于本实验的液体流量控制通道的滞后性小，所以并不能看出串级控制相较于单回路控制的优势。但是在滞后比较大的系统中，串级控制由于副控制器的快速调节可以使得液位控制更加快速，稳定。
七、前馈控制
扰动
本实验中的扰动主要为进水量和出水量的扰动。进水量的变化可能是由于泵的转速变化导致进水流量变化，出水量的变化可能是由于出水阀的开度变化导致出水流量的变化。进水流量的扰动应该在副控制器中抑制，出水流量的扰动应该在主控制器中抑制。
前馈控制方框图