过程控制系统实验指导书
实验一：基本的过程控制系统概念
实验目的：
1. 了解过程控制系统的基本概念和结构；
2. 掌握过程控制系统中的传感器和执行器的作用和应用方法；
3. 学会使用PLC进行基本的控制。
实验原理：
过程控制系统的主要功能是对系统中的各种变量进行测量和控制。通常包括传感器、执行器和控制器三个部分。传感器负责采集过程变量的数值，执行器负责对控制对象进行控制，控制器负责数据的处理和算法的实现。
传感器主要用于测量过程中的各种参数，如温度、压力、流量等，把这些参数转化为电信号，通过信号传输到控制器进行处理。传感器的种类繁多，能够根据测量范围、精度、稳定性等不同要求选用不同传感器。
执行器主要用于对控制对象进行控制，例如控制阀门的开闭、启动或停止泵等。执行器的种类也很多，根据不同的控制需求，需要选择不同的执行器。
控制器是整个系统的中枢部分，主要负责调节和控制传感器和执行器之间的信号和数据。控制器一般采用计算机和程序控制器，通过不断的接收、处理、输出数据，实现对控制对象的实时监控和控制。
在本实验中，我们将使用PLC进行控制，PLC是工业控制中最为常见的控制器之一，其硬件和软件具有可编程性、可扩展性等优点，可实现较复杂的控制功能。
实验步骤：
1. PLC硬件结构的讲解与认识
我们首先要理解PLC的硬件结构，如输入模块、输出模块、中央处理器（CPU）和编程接口等部分。其中输入模块、输出模块用于将模拟量或数字量的信号转化为
PLC识别的信号，在输出时将PLC的信号。通过CPU控制，实现对各种执行器的控制。编程接口是一个开发平台，具有图形设计和文字描述的功能，对于初学者来说非常简
单实用。
2. 了解信号的类型及其转换方法
为了实现对过程的监控和控制，我们需要测量过程参数，并将其转化为PLC可以识别的信号。我们需要了解信号的类型及其转换方法。通常包括电压、电流、频率、
数字信号等类型。我们可以使用一些基本的传感器，如温度传感器、压力传感器等，
将它们的数值转化为电信号，并通过输入模块输入PLC。
3. PLC编程
PLC编程是本实验中最重要的环节，我们需要学会使用PLC编写控制逻辑程序，并运行它来控制执行器。PLC编程通常采用Ladder Diagram（梯形图）语言，这是一
种图形化的编程方法，可以直观地表示控制逻辑和执行器之间的关系。我们需要学会
如何使用Ladder Diagram语言编写基本的控制逻辑程序，如控制灯的亮灭、控制电机的启停等。
4. 实验演示
本实验内容主要通过实验演示来进行。首先要分别将电压传感器、温度传感器等连接到输入模板上，采集它们的信号。然后编写一个简单的PLC程序，控制执行器的
启停，实现对控制对象的控制。在控制过程中，可以通过监测系统中的各种参数，如温度、压力、流量等，调整控制策略，实现最优化控制。
实验结果：
通过本实验，我们可以初步认识过程控制系统，掌握PLC编程和控制技术。我们可以了解传感器、执行器和控制器的作用和特点，理解深度控制技术，对于今后的工业控制应用具有一定的帮助。
实验1 用曲线拟合法估计模型参数 实验目的： 1) 掌握用曲线拟合法测试对象动态特性； 2) 熟悉MATLAB 仿真平台。 实验原理： 图1.1 输入-输出过程模型 在如图1.1 所示的过程模型中，可以通过实验测试或依据积累的操作数据，用数学方法得出过程的经验模型。 在获取了输入输出数据后，进行曲线拟合，可采用计算机和相关的软件实现。首先根据实验数据和其它验前知识，假定对象的模型结构，然后最小化模型输出)(t y 和实际输出y(t)在采样点上的误差平方和，即 ∑=-=n i i i t y t y J 1 2))()((min 进行搜索时，当J 最小时相应的对象参数即为最优参数。式中，n 为计算数据的个数。优化的算法很多，如共轭梯度法、最速下降法、Powell 法、单纯型法、罚函数法等。 本实验利用MA TLAB 优化工具箱中的“lsqcurvefit”函数对过程阶跃响应曲线进行拟合，用户假定模型的结构，编写相应的fun 函数，即ym=fun (x , t )，其中x 为模型的参数向量，待确定，t 为时间向量。给出待估计参数的初始值x0，调用曲线拟合函数计算模型参数向量的估计值x ，格式为x = lsqcurvefit (fun , x 0, t , y )，其中y 为与时间向量t 对应的输出实验数据。 实验要求： 1) 用SIMULINK 工具箱搭建如图1.2所示的开环对象测试系统，模拟实验测试环节 获取输入输出数据，此处输入采用单位阶跃信号。设置合适的“start time”和“stop time”，使得能够得到一个完整的动态过程。仿真类型设置为“Fixed -step”，并设置合适的计算步长（0.01～0.1）。 输入输出数据保存在dataty.mat 文件中，设置变量名为ty ；run 之后，可在命令窗口中输入load dataty.mat 将数据文件中的数据读入工作空间中，然后用size(ty)查看
过程控制系统 实 验 指 导 书 自动化工程学院自动控制系
实验一实验装置* 学时数：2 实验目的： (1)了解过程控制系统实验装置的总体组成部分。 (2)了解各部分的主要构件及作用。 (3)特别应知道以下内容：各种被控对象的位置、检测元件的位置及 用途、执行器件(动力器件) 的位置及用途、供水管线各阀门与供 水方式间的关系、智能仪表的调节方式及含意。 实验原理: 一概述 “THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”是由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。本装置还可根据用户的需要设计构成AI智能仪表，DDC远程数据采集，DCS分布式控制，PLC 可编程控制，FCS现场总线控制等多种控制系统。 被控对象 实验对象总貌图如图1-1所示： 被控对象由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、4.5KW 三相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。 检测装置 (1)压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个 水箱的液位进行检测，其量程为0～5KP，精度为0.5级。采用工业 用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技 术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作 时需提供24V直流电源，输出：4～20mADC。 (2)温度传感器：装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用 来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出 口的水温。Pt100测温范围：-200～+420℃。经过调节器的温度变送 器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号。Pt100传感器精 度高，热补偿性较好。 (3)流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控 制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行 检测。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，
北方民族大学 Beifang Ethnic University 《过程装备控制技术应用》课程实验指导书 北方民族大学教务处
北方民族大学 《过程控制技术及应用》课程实验指导书 编著姜国平、刘天霞、汤占歧 校审 北方民族大学教务处 二〇一〇年六月
前言 过程装备控制技术实验室是为化工学院过程装备控制工程、化学与化学工程两个专业开设的实验课程。该实验装置主要以MPCE—1000实验系统为主，在实验教学过程中，充分强调培养学生的工艺对象分析能力、现场动手能力、控制方案综合设计能力、系统化思维能力及最新控制技术的应用能力。该实验室目前承担7个综合实验和一个开放实验的任务。实验内容多样且灵活，设备、管道、工艺参数、执行机构、控制点均可自定义，结合化工仿真软件使学生了解和熟悉化工生产过程中常见参数的控制方法及控制中常用的控制器件，如各种仪表的性能、使用方法和使用场合；了解并学会工业控制中仪表、测量、执行器的成套方法，学会按照实际被控系统要求进行实际控制系统的设计和实现；培养学生观察问题，分析问题和实验数据处理的能力，提高相关学科知识的综合运用能力；使学生了解和掌握用科学实验解决工程问题的方法。
目录 第一部分绪论 第二部分实验任务及要求 一、本课程实验的作用与任务 二、本课程实验的基础知识 三、本课程实验教学项目及其教学要求 第三部分基本实验指导 实验一流量自衡过程动态特性测试 实验二流量非自衡自衡过程动态特性测试 实验三液位自衡动态特性测试 实验四反应温度非自衡过程 实验五一阶惯性通道传递函数模型测试 实验六衰减振荡法液位PID控制器参数整定 实验七气体压力PID单回路控制系统的设计与整定
先进过程控制系统 实验指导书 过程控制系统实验 (2) 实验一组合型过程控制系统简介及过程控制演示 (2) 实验二传感器、执行器实验 (8) 实验三系统动态特性的测试 (10) 实验四液位单回路控制系统的设计及参数整定 (12) 实验五PLC和DCS综合控制演示 (14) 仿真实验 (24) 实验一MATLAB与SIMULINK熟悉实验 (24) 实验二过程参数PID控制仿真 (25) 实验三复杂过程对象PID控制仿真 (26) 实验四非线性控制时滞系统迭代学习控制算法仿真 (27) 实验五利用输入-输出的模型参考自适应控制系统的设计与仿真 (34)
过程控制系统实验 实验一组合型过程控制系统简介及过程控制演示 一、FESTO紧凑型过程控制系统介绍 FESTO紧凑型过程控制系统如图1-1所示，在这套系统上，我们可以进行液位、温度、压力、流量的控制。 图 1-1 二、组合式过程控制系统介绍 结合过程计算机控制系统理论的学习，我们研制了一套组合式过程控制系统，这套系统可以通过灵活、方便的管路组合，实现过程控制中的五种典型控制方式—单回路控制，串级控制、前馈控制、均匀控制和比值控制。
三、主要仪器与设备 1、计算机 2、接口研华 USB-4711A USB-4711A系列包括即插即用数据采集模块，因此无需再打开您的计算机机箱来安装板卡。仅需插上模块，便可以采集到数据，简单高效。USB-4711A 是给任何带有USB端口的计算机增加测量和控制能力的最佳途径。它通过USB 端口获得所有所需的电源，所以它无需连接外部的电源。USB-4711A在一块卡上包含了所有的数据采集功能，如：16路AI，2路AO，8路DI，8路DO，1路32位计数器，其中A/D数据采集为12位。USB-4711A板卡的如图1-2。 图 1-2 USB-4711A板卡
过程控制系统实验指导书编制于忠得扬增平 大连轻工业学院信息科学与工程学院
前言 本实验指导书是根据“过程控制系统课程教学大纲”的要求，结合浙江天煌科技实业有限公司提供的“THJ－3型高级过程控制实验装置”的资源情况编制的。旨在满足自动化本科“过程控制系统”课程8～10学时实验需要。 通过实验，希望能够使学生在以下几个方面学习和提高实验技能，加深对本门课程理论知识的掌握。 1、变送器特性的认识及零点迁移与满度调整； 2、自动化仪表的初步使用； 3、变频器的基本原理和初步使用； 4、电动调节阀的流量特性和原理； 5、测定被控对象特性的方法； 6、单回路控制系统的投运与参数整定； 7、串级控制系统的投运参数整定； 8、比值控制回路系统的投运参数整定； 9、控制参数对控制系统控制质量指标的影响； 10、控制系统的设计、计算、分析、接线、投运。
目录 THJ-3型过程控制系统实验装置简介 (3) 实验一过程控制系统操作实验 (12) 实验二单容水箱液位特性测试实验 (13) 实验三液位单回路系统实验 (18) 实验四水箱液位流量串级系统实验 (21) 实验五单闭环流量比值系统实验 (25)
THJ-型过程控制系统实验装置简介 本实验装置由被控对象和控制仪表两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三（380V交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。 一、被控对象 1、对象组成 由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接有机玻璃圆筒形水箱、4.5千瓦电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管道组成。 水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用优质淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：d=25cm,h=20 cm；下水箱尺寸为：d=35cm,h=20 cm。水箱结构非常独特，有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶液位单回路控制实验和双闭环、三闭环液位串级控制等实验。储水箱是采用不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝完全能满足上、中、下水箱的实验需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。 模拟锅炉：本装置采用模拟锅炉进行温度实验，此锅炉采用不锈钢精制而成，设计巧妙，由二层组成：加热层（内胆）和冷却层（夹套）。做温度单回路实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都有温度传感器检测其温度，可完成温度的串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。 盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有三个不同的
PLC综合实训室实训指导书 ---基于西门子全自动网络控制系统 自动化教研室 实训一控制网络系统的组成及其认识实验 实训目的： （1）系统了解本控制网络系统的硬件组成部件及其特点。 （2）了解本控制系统软件的特点及其配置。 （3）教育学生爱护实验装置，养成良好实验习惯。 实训内容及步骤： （1）系统简述 全自动控制系统是基于PROFIBUS和工业以太网通讯协议、在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统。
控制对象总貌图如图1-2所示。 图1-2 控制对象总貌图
本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路由由变频器、三相磁力驱动泵（380V变频）、压力传感器、液位传感器及手动阀组成。 1、被控对象 被控对象由不锈钢储水箱、圆筒形有机玻璃水箱组成。 水箱：包括有机玻璃水箱和储水箱。圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直能接观察到液位的变化和记录结果。水箱尺寸为：d=18cm,h=60 cm。储水箱尺寸为：长×宽×高=60cm×50㎝×40㎝。 管道：整个系统管道采用不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀打开让水直接排出。 2、检测装置 压力传感器、液位传感器：采用工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅差压变送器，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。 3．执行机构 变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯协议模块的变频器，其输入电压为三相AC380V，输出为三相AC380V。 水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为CHL-2-50，流量为32升/分，扬程为5米，功率为550W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。 可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。 电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2 ；工作温度：－5～80℃。 4．控制器 控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，型号为314C-2DP，本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。本机还集成了24点开关量输入、26点开关量输出；4点模拟量输入、2点模拟量输出、1点电阻输入。 （3）总线控制柜 总线控制柜有以下几部分构成： 1、控制系统供电板：该板的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V，给主控单
过程控制及检测装置硬件结构组成认识，控制方案的组成及控制系统连接 过程控制是指自动控制系统中被控量为温度、压力、流量、液位等变量在工业生产过程中的自动化控制。本系统设计本着培养工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人材为出发点。实验对象采用当今工业现场常用的对象，如水箱、锅炉等。仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS 工控组态软件。对象系统还留有扩展连接口，扩展信号接口便于控制系统二次开辟，如PLC 控制、DCS 控制开辟等。学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能很快地适应环境并进入角色。同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开辟的平台。 本实验装置由过程控制实验对象、智能仪表控制台及上位机PC 三部份组成。 由上、下二个有机玻璃水箱和不锈钢储水箱串接， 4.5 千瓦电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭外循环不锈钢锅炉夹套构成)，压力容器组成。 用，透明度高，有利于学生直接观察液位的变化和记录结果。水箱结构新颖，内有三个槽，分别是缓冲槽、工作槽、出水槽，还设有溢流口。二个水箱可以组成一阶、二阶单回路液位控制实验和双闭环液位定值控制等实验。 锅炉采用不锈钢精致而成，由两层组成：加热层(内胆)和冷却层(夹套)。 做温度定值实验时，可用冷却循环水匡助散热。加热层和冷却层都有温度传感器检测其温度，可做温度串级控制、前馈－反馈控制、比值控制、解耦控制等实验。 采用不锈钢做成，一大一小两个连通的容器，可以组成一阶、二阶单回路压力控 制实验和双闭环串级定值控制等实验。 整个系统管道采用不锈钢管连接而成，彻底避免了管道生锈的可能性。为了提高实验 装置的使用年限，储水箱换水可用箱底的出水阀进行。 检测上、下二个水箱的液位。其型号：FB0803BAEIR，测量范围：0~ 1.6KPa，精度：0.5 。输出信号：4~20mA DC。 LWGY－6A，公称压力：6.3MPa， 精度：1.0％，输出信号：4~20mA DC 本装置采用了两个铜电阻温度传感器，分别测量锅炉内胆、锅炉夹套的温度。经过温度传感器，可将温度信号转换为4~20mA DC 电流信号。 用来检测压力容器内气体的压力大小。其型号： DBYG-4000A/ST2X1，测量范围：0.6~3.5Mpa 连续可调，精度：0.2，输出信号为4~20mA 型号为QZD-1000，输入信号为4~20mA DC，输出信号：20~100Ka 气压信 号，输出用来驱动气动调节阀。 气动薄膜小流量调节阀：用来控制压力回路流量的调节。型号为ZMAP－100，输入信号为4~20mA DC 或者0~5V DC，反馈信号为4~20mA DC。气源信号 压力：20~100Kpa，流通能力：0.0032。阀门控制精度：0.1％~0.3％，环境温度：－4~ ＋200℃。 采用可控硅移相触发装置，输入控制信号0~5V DC 或者4~20mA DC 或者10K 电位器，输出电压变化范围：0~220V AC，用来控制电加热管加热。 UPA90，流量为30 升／分，扬程为8 米，功率为180W。
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 实验项目名称：单容液位定值控制系统 实验项目性质：综合型实验 所属课程名称：过程控制系统 实验计划学时：2学时 一、实验目的 1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。 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 本实验系统结构图和方框图如图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馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到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叙述。 （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。
过程控制系统 实验指导书 宁波工程学院 电子与信息工程学院 电气工程及其自动化教研室
目录 目录 ................................................................................................................................................. II 实验一、一阶单容水箱对象特性测试实验.. (1) 实验二、二阶双容水箱对象特性测试实验 (5) 实验三、单容水箱液位PID整定实验 (9) 实验四、双容水箱液位PID整定实验 (12)
宁波工程学院过程控制系统实验指导书 实验一、一阶单容水箱对象特性测试实验 一、实验目的 （1）熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。 （2）根据由实际测得的单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 CS4000型过程控制实验装置，PC机，DCS控制系统与监控软件。 三、系统结构框图 单容水箱如图1-1所示： 图1-1、单容水箱系统结构图 四、实验原理 阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，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或阶跃响应曲线。然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。 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。单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。 如图1-1所示，设水箱的进水量为Q 1，出水量为Q 2 ，水箱的液面高度为h， 出水阀V 2 固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：
过程控制及仪表实验指导书 过程控制系统及仪表 实验指导书 潘岩左利 长沙理工大学 电气与信息工程学院 20XX年4月 1 目录 第一章系统概述第二章实验装置介绍 一、THJ-3型高级过程控制对象系统实验装置二、THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台三、软件介绍 四、实验要求及安全操作规程第三章实验内容 实验一、单容自衡水箱液位特性测试实验实验二、双容水箱特性的测试实验实验三、单容液位定值控制系统实验 2 第一章系统概述 THSA-1型过程综合自动化控制系统(Experiment Platform of Process Synthetic automation Control system)THJ-3型高级过程控制对象系统实验装置、THSA-1
型综合自动化控制系统实验平台及上位监控PC机三部分组成。如图1-1所示。 图1-1 THSA-1过程综合自动化控制系统实验平台 该套实验装置紧密结合工业现场控制的实际情况，能够对流量、温度、液位、压力等变量实现系统参数辨识，并能够进行单回路控制、串级控制、前馈-反馈控制、滞后控制、比值控制、解耦控制等多种控制实验，是一套集成了自动化仪表技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术及现场总线技术等的多功能实验设备。 THSA-1型过程综合自动化控制系统能够为在校学生和相关科研人员提供有力帮助。学生通过学习，应对传感器特性及零点漂移有初步认识，同时能掌握自动化仪表、变频器、电动调节阀等仪器的规范操作，并能够整定控制系统中相关参数。 这套实验设备综合性强，所涉及的工业生产过程多，所有部件均来自工业现场，严格遵循相关国家标准，具有广泛的可扩展性和后续开发功能，有利于培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的创新能力. 整套实验装置的电源、控制屏均装有漏电保护装置，装置内各种仪表均有可靠的自保护功能，强电接线插头采用封闭式结构，强弱电连接采用不同结构接头，安全可靠。 3
实验一、单容水箱特性的测试 一、实验目的 1. 掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并记录相应液位的响应曲线。 2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。 二、实验设备 1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置 2. 计算机及相关软件 3. 万用电表一只 三、实验原理 图2-1单容水箱特性测试结构图
由图2-1可知，对象的被控制量为水箱的液位H，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1，手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时 Q1-Q2=0 (1) 动态时，则有 Q1-Q2=dv/dt (2) 式中V 为水箱的贮水容积，dV/dt为水贮存量的变化率，它与H 的关系为 dV=Adh ,即dV/dt=Adh/dt (3) A 为水箱的底面积。把式(3)代入式(2)得 Q1-Q2=Adh/dt (4) 基于Q2=h/RS，RS为阀V2的液阻,则上式可改写为 Q1-h/RS=Adh/dt 即 ARsdh/dt+h=KQ1 或写作 H(s)K/Q1(s)=K/(TS+1) (5) 式中T=ARs,它与水箱的底积A和V2的Rs有关:K=Rs。 式(5)就是单容水箱的传递函数。 对上式取拉氏反变换得
(6) 当t—>∞时,h(∞)=KR0 ,因而有K=h(∞)/R0=输出稳态值/阶跃输入当t=T 时，则有 h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞) 式(6)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2-2 所示。当由实验求得图2-2所示的阶跃响应曲线后,该曲线上升到稳态值的63%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，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T,由响应曲线求得K和T后,就能求得单容水箱的传递函数。如果对象的阶跃响应曲线为图2-3,则在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点,与响应稳态值的渐近线交于A 点。图中OB即为对象的滞后时间τ,BC为对象的时间常数T,所得的传 递函数为：
Tianhuang Teaching Apparatuses 天煌教仪 过程控制实验系列 THFCS-1型 现场总线过程控制系统实验装置 操作说明书 浙江天煌科技实业有限公司
THFCS-1型现场总线过程控制系统实验装置可以满足《过程控制》、《自动化仪表》、《工程检测》、《计算机控制系统》、《可编程控制器》等课程的教学实验、课程设计等。整个系统结构紧凑、使用方便，能进行验证性、研究性实验。本实验装置可满足本科、大专及中专等不同层次的教学实验要求，还可为科学研究的开发提供实验手段。 现场总线技术是当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，它的出现标志着自动化控制技术又一个新时代的开始。现场总线是连接设置在控制现场的仪表与设置在控制室内的控制设备的数字化、串行、多站通信的网络。其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。 现场总线技术的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化，使自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进，形成新型的网络集成式全分布式控制系统---现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。 现场总线实现了微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信，因为其开放式、数字化、多站点通信、低带宽的特性。所以可以很方便地与因特网（Internet）、企业内部网（Interanet）相连。 随着近年来现场总线控制技术的日益成熟和完善，其在工业现场的应用已经非常普遍，如何把这种能体现现代控制主流的技术应用到教学实验装置，是本套实验装置所要解决的问题。 本套现场总线控制系统，是在原有传统过程控制实验装置基础上，通过PROFIBUS协议进行数据传输和交换的现场总线模块替代常规的现场检测和变送装置，采用工业以太网及PROFIBUS DP与上位机进行通讯和远程控制，从而使整个控制系统实现网络化和数字化。 本系统既可以为高校本科自动化相关专业的学生提供一个理解和把握现代主流控制技术的实践平台，又可以为高校研究生和教师提供一个自动化理论研究的平台。
实验一ﻩ液位流量过程控制系统 一、实验目的 1.掌握控制对象动态特性测试的方法. 2．熟悉1~2阶单回路控制系统和串级控制系统的组成，调节器参数整定. 3. 了解干扰信号加于不同位置对调节质量的影响. 4。掌握P、I、Ｄ参数对系统性能的影响。 二、实验内容 1。动态特性测试 液位对象的动态特性测试 流量对象的动态特性测试 2．单回路控制系统 液位单回路控制及参数整定 流量单回路控制及参数整定 ３。串级控制系统 串级控制的组成 串级控制时调节器的参数整定及系统投运 4。比值控制系统 相乘控制方案的实施 比值控制时比值系数的设置 三、实验用图 所有原理框图、接线图均在实验步骤内 四、实验预备知识 1．了解差压变送器的工作原理和结构。 2. 了解电气调节阀和流量传感器工作原理和信号的传递与控制. ３. 掌握PID数字控制仪的接线与操作方法。 五、实验预习 1。了解实验装置,熟悉液位与流量过程控制系统面板图（见附图一）. 2．根据每个实验的要求和对应实验装置的面板图,完成“实验原理与步骤”中各种实验的原理框图和接线图，以此为依据进行实验。 3。写出每个实验的操作步骤及调节器的设置。 六、实验装置 1.装置介绍 ａ．装置的组成 该装置由控制对象和控制台两部分组成．控制对象包括两阶液位对象、水槽、水泵、流体输送管道、空气过滤减压阀、电气转换器以及有关的液位压力检测变送和气动调节阀.在控制屏上安装了数字调节仪表、泵的开停按钮及整个工艺模拟流程图等。模拟流程图上的有输入输出线插座孔.因此在组成不同控制回路时，只要在这些插孔上进行不同的连接，就能方便组成不同的控制回路． b。模拟屏 模拟屏上的流程图如图4所示。图中，Ο为插座孔．Ｃ1、Ｃ２、C３为三个调节器（C1带有通信接线、Ｃ2带有外设定功能)，C1为主调节器,C2为副调节器,C3为外加干扰;框中的PV、SＰ、ＯUT分别表示调节器的测量、外给定、输出；FT１、ＦT2分别表示内、外容器的流量检测变送值经F／I转换后的标准电流输出信号;Ｖ１、V2表示调节阀的输入信号插座孔，接收来自调节器的标准电流输出信号并经电气转换器转换
实验报告 课程名称：过程控制系统 实验项目名称：被控对象特性测试 实验日期与时间： 2022.07 指导教师： 班级：姓名：学号：成绩： 一、实验目的要求 1．了解控制对象特性的基本形式。 2．掌握实验测试对象特性的方法，并求取对象特性参数 二、实验内容 本节实验内容主要完成测试对象特性，包含以下两部分内容： 1．被控对象特性的实验测定 本实验采用飞升曲线法（阶跃向应曲线法）测取对象的动特性。飞升曲线是指输入为阶跃信号时的输出量变化的曲线。实验时，系统处于开环状态，被控对象在某一状态下稳定一段时间后，输入一阶跃信号，使被控对象达到另一个稳定状态，得到被控对象的飞升曲线。在实验时应注意以下的一些问题： 1）测试前系统应处于正常工作状态，也就是说系统应该是平衡的。采取一切措施防止其他干扰的发生，否则将影响实验结果。 2）在测试工作中要特别注意工作点与阶跃幅度的选取。作为测试对象特性的工作点，应该选择正常工作状态，也就是在额定负荷及正常的其他干扰下，因为整个控制过程将在此工作点附近进行。阶跃作用的取值范围为其额定值的 5－10%。如果取值太小，由于测量误差及其它干扰的影响，会使实验结果不够准确。如果取值过大，则非线性影响将扭曲实验结果。不能获得应有的反应曲线，同时还将使生产长期处于不正常的工作状态，特别是有进入危险区域的可能性，这是生产所不能允许的。 3）实验时，必须特别注意的是，应准确地记录加入阶跃作用的计时起点，注意被调量离开起始点时的情况，以便计算对象滞后的大小，这对以后整定控制器参数具有重要的意义。 4）每次实验应在相同的条件下进行两次以上，如果能够重合才算合格。为了校验线性，宜作正负两种阶跃进行比较。也可作不同阶跃量的实验。 2．飞升曲线数据处理 在飞升曲线测得以后，可以用多种方法来计算出所测对象的微分方程式，数据处理方法有面积法、图解法、近似法等。面积法较复杂，计算工作量较大。近似法误差较大，图解法较方便，误差比近似法小。通过简单的测试获得被被控对象的阶跃响应，进一步把它拟合成近似的传递函数，是建立被控对象数学模型简单有效的方法。 三、实验设备 1．SIMATICS7-300可编程控制器1台 2．NPCT-III型过程控制系统自动化试验装置1台 3．微型计算机1台 四、实验简要步骤 1.实验初始条件设置 1)启动管道压力自动控制，使管道压力保持稳定。
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目录 第一章概述 (2) 一、PLC的分类及特点 (2) 二、PLC的结构与工作原理 (4) 三、CPM2A PLC的硬件组成及指令系统 (5) 四、PLC控制系统的设计与故障诊断 (7) 五、PLC的应用及展望 (7) 第二章实训项目 (9) 实训一 PLC认知实训 (9) 实训二电动机点动控制 (12) 实训三电动机自锁控制 (14) 实训四电动机正反转控制 (16) 实训五电动机星三角启动控制 (18) 实训六装配流水线控制 (21) 实训七加工中心控制 (24) 实训八步进电机控制 (27) 实训九三层电梯控制 (29) 实训十自动冲压系统 (32) 实训十一自动售货机控制 (34) 实训十二音乐喷泉控制系统 (37) 实训十三温度PID控制 (39) PLC、变频器综合应用技能实训 (41) 实训十四变频器功能参数设置与操作 (41) 实训十五变频器控制电机正反转 (44) 实训十六变频器无级调速 (46) 实训十七基于PLC的变频器外部端子的电机正反转控制 (48) 实训十八基于PLC数字量方式多段速控制 (50) 附录一 CX-Programmer软件的使用 (52) 附录二 PLC仿真实训软件使用帮助 (55) 附录三 CPM2A系列主机指令集 (57) 附录四 THPF-A型工业自动化创新实训平台使用说明书 (61)
第一章概述 一、PLC的分类及特点 可编程控制器简称PLC（Programmable Logic Controller），在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 (一) PLC的分类 按产地分，可分为日系、欧美、韩台、大陆等。其中日系具有代表性的为三菱、欧姆龙、松下、光洋等；欧美系列具有代表性的为西门子、A-B、通用电气、德州仪表等；韩台系列具有代表性的为LG、台达等；大陆系列具有代表性的为合利时、浙江中控等。 按点数分，可分为大型机、中型机及小型机等。大型机一般I/O点数>2048点，具有多CPU，16位/32位处理器，用户存储器容量8～16K，具有代表性的为西门子S7－400系列、通用公司的GE－Ⅳ系列、欧姆龙CS1系列等；中型机一般I/O点数为256～2048点，单/双CPU，用户存储器容量2～8K，具有代表性的为西门子S7－300系列、三菱Q系列等、欧姆龙CJ系列；小型机一般I/O点数<256点，单CPU，8位或16位处理器，用户存储器容量4K字以下，具有代表性的为西门子S7-200系列、三菱FX系列、欧姆龙CPM2A系列等。 按结构分，可分为整体式和模块式。整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点；小型PLC一般采用这种整体式结构。模块式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等；扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU；基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接；整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。这种模块式PLC 的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。 按功能分，可分为低档、中档、高档三类。低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能，主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统；中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能，有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统；高档PLC除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等，高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。 (二) PLC的特点
【关键字】实验 《过程控制系统》 安阳工学院 电子信息与电气工程学院 一、实验目的 1．掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法； 2．根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T1、T2及传递函数；3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验条件
1．THJ －3型高级过程控制系统实验装置； 2．计算机、组态王工控组态软件、RS232/485转换器1只、串口线1根； 3．万用表1只。 三、实验原理 图2-1 双容水箱东西特性测试系统 G(s)=G1(s)G2(s)= (2-1) 式中K ＝k1k2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。 本实验中被测量为中水箱的液位，当上水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2-2所示。由图2-2可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图2-2(a)）；而下水箱液位的响应曲线则呈S 形曲线（图2-2(b)），即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1-10和F1-11的开度大小密切相关。 图2-2 双容水箱液位的阶跃响应曲线 （a ）中水箱液位 （b ）下水箱液位 双容东西两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。在图2-3所示的阶跃响应曲线上求取： (1) h 2（t ）|t=t1=0.4 h 2(∞)时曲线上的点B 和对应的时间t 1； (2) h 2（t ）|t=t2=0.8 h 2(∞)时曲线上的点C 和对应的时间t 2。 图2-3 双容水箱液位的阶跃响应曲线 然后，利用下面的近似公式计算式 阶跃输入量 输入稳态值 =∞= O h x )(K 2 (2-2) 2.16 t t T T 2 121+≈ + (2-3) )55.074.1()T (T T T 21 2 2121-≈+t t (2-4) 0.32〈t 1/t 2〈0.46 由上述两式中解出T 1和T 2，于是得到如式（2-1）所示的传递函数。 在改变相应的阀门开度后，对象可能出现滞后特性，这时可由S 形曲线的拐点P 处作一切线，它与时间轴的交点为A ，OA 对应的时间即为对象响应的滞后时间τ。于是得到双容滞后（二阶滞后）对象的传递函数为：
过程控制系统课程设计指南
目录 第一部分课程设计的目的和要求1 第二部分课程设计的一般描述2 实验装置说明2 2 被控对象特性测试示例10 第三部分课程设计题目13 主题1 锅炉夹套和被加热介质的温度控制13话题2双闭环流量比控制20 话题 3 温度的滞后控制27 话题 4 流的滞后控制30
第一部分课程设计的目的和要求 一前言 过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续或按一定循环程序对生产过程进行自动控制。自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程中，过程控制技术在实现各项最优技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面发挥着越来越重要的作用。 二课程设计的目的 在本课程的设计中，通过设计一套完整的生产过程控制系统，在进一步加深对《过程控制系统》课程内容的理解和掌握的基础上，重点培养学生使用《过程检测》与控制仪表》、《自动控制原理》、《微机控制技术》和《过程工程基础》等课程综合运用所学知识。锻炼学生综合知识应用能力，让学生了解设计方法、步骤、通用工程系统的系统集成和运行。 三课程设计要求 根据课程设计指南中提供的主题，根据给定的设计任务，自行设计系统结构，分析系统的特点和系统特性，根据“可选”的受控对象设计相应的控制系统，并连接实验室中的系统组件，构建硬件系统。您可以自己跳线、连接和连接对象、控制器和计算机。通过控制器、监控计算机和实验对象的在线调试、执行和观察结果，达到预期的应用功能和控制目的，比较不同方案的应用效果，完成设计任务书. 1.访问与流程相关的信息。 2.根据工艺要求分析、比较和设计方案（说明其合理性、工作原理和工作流程）。 3.受控对象用仪表来描述。 4.控制方案的选择及其讨论，控制系统框图及其描述。 5.完成了物体特性曲线的测试，建立了物体的数学模型。
cs4000高级过程控制(kòngzhì)实验 装置 DCS实验(shíyàn)指导书
目录(mùlù) 一、概述(ɡài shù) (3) 二、软件配置及安装(ānzhuāng)说明 (4) 三、CS4000系统(xìtǒng)介绍 (9) 一）、CS4000型系统主要(zhǔyào)特点 (9) 二）、CS4000型实验对象组成结构 (10) 四、系统主题实验 (13) 实验一、一阶单容水箱对象特性测试实验 (13) 实验二、二阶双容水箱对象特性测试实验 (15) 实验三、加热水箱温度特性测试实验 (19) 实验四、加热水箱温度二位式控制实验 (24) 实验五、单容水箱液位PID控制实验 (25) 实验六、双容水箱液位PID整定实验 (28) 实验七、加热水箱温度PID控制实验 (34) 实验八、短滞后温度PID控制实验 (33) 实验九、电磁流量PID控制实验 (36) 实验十、双容水箱液位串级控制实验 (39)
一、概述 生产与生活的自动化是人类长久以来所梦寐以求的目标，在18世纪自动控制系统在蒸汽机运行中得到成功的应用(yìngyòng)以后，自动化技术时代开始了。随着工业技术的更新，特别是半导体技术、微电子技术、计算机技术和网络技术的发展，自动化已经进入了计算机控制装置时代。 在过去的十多年里，随着生产车间自动化和过程自动化中分散结构的迅速增长，DCS（分布式集散控制系统）的应用日益普遍。其原因之一是：DCS系统实现了数字和模拟输入/输出模块、智能信号装置和过程调节装置与PC之间的数据传输，把I/O通道分散到实际需要的现场设备附近(fùjìn)，使安装和布线的费用减少到最小，从而使成本费用大大的节省。其原因之二是：DCS具有“开放(kāifàng)”的通信接口，允许用户选用不同制造商生产的分散I/O装置和现场(xiànchǎng)设备。 本书所叙述的控制系统采用开放的的DCS系统设备，本装置的目的是使自动化专业的学生能尽快的入门，使研究生和高校教师能容易地利用DCS实现所设计的自动化任务。