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《过程控制系统》实验指导书吴建国、姬文亮、陆平编写2014.3目录1.实验一:典型过程的工程建模2.实验二:单回路控制系统设计及其工程整定3.实验三:串级控制系统设计及其工程整定4.实验四:集散控制系统实验5.附录一:JX300X系统6.附录二:900系列智能控制器实验一典型过程的工程建模1、实验目的掌握典型过程的工程建模方法。
其实验原理为：被调对象选为锅炉液位或锅炉温度；改变其操纵量使其产生阶跃扰动，测试阶跃变化时过渡过程曲线，并用阶跃响应法来实验辨识系统的数学模型τ、T0、K（参见图1以及教材）。
图1 阶跃响应曲线2、实验准备（被调对象选为锅炉液位）实验采用静压法测量锅炉液位的扩散硅压力变送器LT-3、1#调节器、LIC－3进水电动调节阀M1+VC1，以及被调对象构成了锅炉液位调节系统。
2.1 配管操作锅炉液位调节系统的流程图(用水箱水源和进水阀)见图2,按图2进行下列配管操作,去改变对象的工艺流程。
2.1 用带快速接头的软管将阀门相连通。
2.2 配线操作实验的仪表配线见图进行插棒连线(6根弱电,4根强电)。
2.3 记录曲线的方法(取其中之一即可)2.3.1 在DCS系统上记录数据;2.3.2 人工记录智能仪表上的数据.3、实验步骤3.1 阶跃响应法辨识数学模型3.2 系统调整到相对稳定关闭锅炉出水阀，手操1#调节器使锅炉的液位为200mm左右。
然后改变1#调节器阀位使进水流量FIT-1为常用值(20-30%),手操锅炉出水阀使出水流量FIT-2与FIT-1相等，等待几分钟看液位基本不变，即达到系统相对稳定。
3.3 系统的正向阶跃扰动系统在相对稳定的基础上,手操1#调节器阀位阶跃增加5-10%。
同时记录手动(开环)时锅炉液位LT-3的阶跃响应曲线,分析求解系统数模的三大特性参数:τ、T0、K。
3.4 系统的反向阶跃扰动系统在正向阶跃扰动达到稳定后,再手操1#调节器阀位阶跃减少5-10%，同时记录锅炉液位LT-3的阶跃响应曲线,分析求解系统的τ、T0、K。
过程控制系统课程实习指导书赵黎明张冰广东海洋大学信息学院自动化系2009-09-08一．实习目的实习题目主要是加强理论与实践的联系，增强学生对于社会、国情和专业背景的了解；增强劳动观点和社会主义事业心，责任感；通过考察和实践，扩宽学生视野，巩固和运用课堂教学所掌握的理论知识，了解控制系统设计发展的状况，培养学生分析问题、解决问题的能力和创新能力；增强劳动观念，培养学生的敬业、创业精神；积极探索“学、研、产”相结合的人才培养新途径，提高人才培养质量。
二．实习内容实习内容主要是基于PCS3000高级型过程控制实验装置上，借助数字控制仪表，可编程控制器PLC和WINCC组态软件对其单容液位对象、多容液位对象、温度对象、压力对象和流量对象等进行全程监控。
实习过程中要理论联系实际结合以往学过的课程理论，如《过程控制工程》、《过程控制仪表》、《可编程逻辑控制器》，重点强化培养解决实际问题的能力，实践能力和动手能力。
具体内容如下：1．全面熟悉PCS3000高级型过程控制系统实习装置平台。
2．液位、压力、温度和流量信号检测。
3．单容水箱特性测试。
4．串联水箱特性测试。
5．锅炉温度特性测试。
6．水箱液位定值PID调节。
7．管道压力PID调节。
8．水箱液位多位式调节。
9．锅炉温度定值PID调节。
10．管道流量PID调节。
11．纯延迟水箱液位定值PID调节。
12．串联水箱液位定值PID调节。
13．实验数据收集整理，撰写实习报告和参加实习考核。
以上内容只是这次实习的总体规划，具体实施时应根据学生班级人数和具体情况灵活调整，可能只是其中一部分或若干部分。
三．实习时间自动化专业拟定二周；电气工程及其自动化专业拟定三周。
四．实习方式和安排实习方式为校内集中实习；地点安排在科技502。
具体实习内容安排详见实习计划表及其附录。
五．考核内容和方式及成绩评定标准考核内容及方式由三方面综合：平时表现、实习报告质量、答辩成绩。
实习最终成绩根据实习表现，实习报告情况和答辩情况来综合确定。
过程控制实验指导书实验一：对象动态特性实验目的：1、学习被控对象动态特性的工程测试方法。
2、掌握被控对象动态特性特征参数的求取方法。
实验要求：1、预习被控对象有关章节；安排好实验计划；作好前期准备。
2、依据实验曲线求取被控对象动态特性的特征参数。
实验内容：1、对象的动态特性：下图为单位阶跃时输入系统输出测试曲线：曲线1.1实验报告：⑴依据曲线1.1、1.2和1.3 求取对象动态特性的特征参数（K 、T 、τ）。
由此确定闭环系统模型。
⑵ 分别确定系统开环传递函数，并分别画出单位负反馈时系统动态结构图。
⑶用SIMULINK 构建系统，比较仿真曲线与输出测试曲线。
⑷比较曲线1.1、1.2和1.3，说明不同系统的动态特性在运动形态、特征参数等方面的异同。
实验二：调节器控制规律实验目的：1、熟悉SIMULINK 调节器模块的使用方法。
2、掌握调节器控制规律特征参数的整定方法。
实验要求：1、预习调节器有关章节；安排好实验计划；作好前期准备。
2、用工程测试法绘制调节器的输出特性，求取PID 参数。
实验内容：被控对象分别为)11.0)(1(2)(1++=s s s G p 和)11.0(2)(2+=s s s G p分别对以上系统，构建下述调节器，研究调节器对输出特性的影响：1、比例调节器的输出特性：⑴ 用SIMULINK 构建比例控制系统。
⑵ 设定值为单位阶跃信号，改变比例调节器的大小，观察对系统的影响。
2、比例积分调节器的输出特性：⑴用SIMULINK 构建比例积分控制系统。
⑵设定值为单位阶跃信号，改变比例积分调节器的大小，观察对系统的影响。
注意调节器的整定顺序。
3、比例微分调节器的输出特性：⑴用SIMULINK 构建比例微分控制系统。
⑵改变比例微分调节器的大小，观察对系统的影响。
注意调节器的整定顺序。
4、比例积分微分调节器的输出特性：⑴用SIMULINK构建比例积分微分控制系统。
⑵改变比例积分微分调节器的大小，观察对系统的影响。
过程控制实验指导书辽宁科技大学电信学院前言过程控制是自动化专业教学中一门重要的专业课。
要完成这门课程的教学任务，就应进行必要的教学实验，以指导学生理论联系实际，在实验中加深对过程控制理论的理解。
过程控制课程的主要任务是：1．通过实验进一步了解和掌握过程控制理论的基本概念，控制系统的分析方法和设计方法。
2. 学习和掌握系统控制回路的构成和测试技术。
3. 提高应用计算机的能力和水平，这也是应用本实验系统的特色之一。
为提高学生的实验技能，结合配套的工业控制组态软件不仅能进行验证性、研究型实验，又增加了综合性和设计性实验内容。
目的是培养学生用理论知识和实验手段解决科学技术中实际问题的能力。
实验过程中学生可自由组合单元，自主编制程序。
充分发挥学生的主观能动性和创造性，为学生工程实践能力和科学研究能力的提高奠定了基础。
2010年3月30日实验要求1.实验预习：实验前必须认真预习实验指导书及其相关的理论知识，作好充分准备。
对于设计性实验和综合性实验，学生必须在实验前拿出设计方案，以其达到预期的目标，写出预习报告。
让指导老师检查合格的方可进行实验。
2.实验进行：学生进入实验室，要保持室内整洁安静。
按照预习报告进行实验。
实验中需要改接线的，应关掉电源后才能拆、接线。
实验时应注意观察，若发现有异常现象，应立即关掉电源，保持现场并报告指导老师处理。
3.实验数据：实验过程中应仔细观察实验现象，认真记录实验结果、数据、波形。
所记录的实验结果经指导老师审阅后再拆除实验线路。
4.实验报告：要求学生独立完成实验报告，不许抄袭或请人代劳。
报告内容包括实验目的、实验设备、实验内容、实验电路图、实验数据及仿真曲线、实验思考题等。
要求文字书写整齐清洁。
5.未尽事项由实验教师和认课教师协商决定。
目录前言-----------------------------------------------------------------------------------------------1实验要求-----------------------------------------------------------------------------------------------2目录-----------------------------------------------------------------------------------------------3实验一、实验装置的基本操作与仪表调试-----------------------------------------4实验二、智能仪表温度位式控制系统---------------------------------------------------6实验三、单容水箱对象特性的测试----------------------------------------------------10 实验四、单容水箱液位PID控制系统----------------------------------------------14实验五、流量PID控制系统--------------------------------------------------------------17实验六、双容水箱液位PID控制系统--------------------------------------------20实验七、上下水箱液位串级控制系统------------------------------------------------25附录、实验连线参考---------------------------------------------------------------------28实验一、实验装置的基本操作与仪表调试一、实验目的1、了解本实验装置的结构与组成。
计算机过程控制系统(DCS)课程实验指导书实验一、单容水箱液位PID整定实验一、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、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。
3、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
二、实验设备AE2000A型过程控制实验装置、JX-300X DCS控制系统、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、网线1根、24芯通讯电缆1根。
三、实验原理图2-15为单回路水箱液位控制系统单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。
根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用SUPCON JX-300X DCS控制。
当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个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，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。
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。
一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ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（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δ，Ti调节合理，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，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。
但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。
《过程控制技术与系统》实验指导书过程控制系统组编华北电力大学前言1．实验总体目标通过实验，巩固掌握课程的讲授内容，使学生对过程控制系统的基本理论及分析方法有一个感性认识和更好地理解，使学生在分析问题与解决问题的能力及实践技能方面有所提高。
2．适用专业自动化、测控、集控专业本科生3．所修课程过程控制技术与系统或热工控制系统4．实验课时分配⒌PCS-B过程控制系统⒍实验总体要求1、掌握对象动态特性测量方法；2、掌握单回路控制系统原理和参数整定方法；3、掌握串级控制系统原理和参数整定方法。
⒎本实验的重点、难点及教学方法建议实验通过对控制系统的基本理论和方法有一个感性认识和更好地理解。
实验的重点及难点是：对象动态特性测量基本方法；单回路控制系统投运和参数整定方法；串级控制系统投运和参数整定方法。
目录实验一上水箱动态特性测试实验 (3)实验二上水箱液位控制系统实验 (6)实验三上下水箱液位串级控制系统实验 (11)附录一硬件介绍 (16)附录二软件使用说明 (34)附件三实验报告格式要求 (40)实验一上水箱动态特性测试实验一、实验目的1、被控对象动态特性测试；2、学习和了解DCS系统的原理及它在过程控制中的应用。
二、实验类型综合型三、实验装置1、DCS过程控制实验装置（其中使用：电动调节阀、上水箱及液位变送器、储水箱、增压泵等），液位变送器的量程一般在出厂前已调试好。
2、DCS控制机柜3、安装有组态及监控软件的计算机上水箱动态特性测试实验系统见图1-1图1－1 上水箱单容特性测试实验流程图四、实验步骤1、将过程控制综合实验装置的手动阀门1V1、V4打开， 1V2、1V3、1V7关闭。
2、确认实验装置和控制机柜电源正常。
3、点击主界面上方的“单容水箱特性”按钮进入单容水箱特性实验界面。
图1-2 实验系统主界面4、点击“开始实验”按钮，确认增压泵启动正常，调节阀开度为5%。
5、设置阀门开度值（点击设置按钮，在弹出的对话框中输入阀门开度，以0－100百分数表示），使上水箱水位稳定后。
过程控制系统课程 ——实验指导书李仲德内蒙古科技大学信息工程学院自动化系2012-4目录前言 (3)实验一、过程控制仪表认识及对象特性测试 (4)实验二、串级控制系统实验 (14)实验三、单回路控制系统实验 (19)前 言浙江求是科教设备有限公司生产的PCT系列过程控制实验系统装置，可以非常好地满足过程控制课程实验的要求。
在这套设备由被控对象和控制台组成，通过手动或计算机控制，可以将被控对象转变成不同特性的过控对象，因此，在此基础上可以进行简单的温度、压力、流量、液位的单回路控制，而且也可以进行一系例复杂控制系统实验如：变比值控制、Simth预估控制、解耦控制、三容液位控制、换热器温度控制等。
一、PCT系列过程控制实验装置特点:1、装置由控制对象、控制屏、计算机三部分组成，也可以把控制屏换成DCS(分散控制系统)，对象构布局合理，造型美观大方。
2、真实性、直观性、综合性强，控制对象元件全部来源于工业现场。
控制屏正面有完整的系统结构图案，便于学生系统接线。
3、参数全面，涵盖了液位、流量、压力、温度等典型的热工量参数。
4、PCT系列过程控制实验装置具有控制参数和控制方案的多样化。
该装置可通过对其管路上的阀门(电磁阀)切换和对模拟信号接线板上信号的连接组合，可构成数十种过程控制实验。
电磁阀可以手动和自动控制。
5、在PCT系列过程控制实验装置中充分考虑了工业自动化专业的大纲要求，完全能满足教学实验、课程设计、毕业设计的需要，同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、创造性过程控制系统实验的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的能力。
6、可为学校教师和研究生进行复杂控制系统的计算机控制算法的研究工作提供一个实实在在的物理模型。
二、本实验装置可以灵活搭配，进行多方面的实验，有利于学生掌握下列内容：1、自动化仪表的初步使用，其中包括检测仪表、变送单元、执行单元和控制仪表。
2、测定控制对象特性的方法。
过程控制系统实验指导书王永昌西安交通大学自动化系2015.3实验一先进智能仪表控制实验一、实验目的1．学习YS—170、YS—1700等仪表的使用；2．掌握控制系统中PID参数的整定方法；3．熟悉Smith补偿算法。
二、实验内容1．熟悉YS-1700单回路调节器与编程器的操作方法与步骤，用图形编程器编写简单的PID仿真程序；2．重点进行Smith补偿器法改善大滞后对象的控制仿真实验；3．设置SV与仿真参数，对PID参数进行整定，观察仿真结果，记录数据。
4．了解单回路控制，串级控制及顺序控制的概念，组成方式。
三、实验原理1、YS—1700介绍YS1700 产于日本横河公司，是一款用于过程控制的指示调节器，除了具有YS170一样的功能外，还带有可编程运算功能和2回路控制模式，可用于构建小规模的控制系统。
其外形图如下：YS1700 是一款带有模拟和顺序逻辑运算的智能调节器，可以使用简单的语言对过程控制进行编程（当然，也可不使用编程模式）。
高清晰的LCD提供了4种模拟类型操作面板和方便的双回路显示，简单地按前面板键就可进行操作。
能在一个屏幕上对串级或两个独立的回路进行操作。
标准配置I/O状态显示、预置PID控制、趋势、MV后备手动输出等功能，并且可选择是否通信及直接接收热偶、热阻等现场信号。
对YS1700编程可直接在PC机上完成。
SLPC内的控制模块有三种功能结构，可用来组成不同类型的控制回路：（1）基本控制模块BSC，内含1个调节单元CNT1，相当于模拟仪表中的l台PID调节器，可用来组成各种单回路调节系统。
（2）串级控制模块CSC，内含2个互相串联的调节单元CNTl、CNT2，可组成串级调节系统。
（3）选择控制模块SSC，内含2个并联的调节单元CNTl、CNT2和1个单刀三掷切换开关CNT3，可组成选择控制系统。
当YS1700处于不同类型的控制模式时，其内部模块连接关系可以表示如下：（1）、单回路控制模式单回路控制器具有丰富和灵活可变的运算控制功能；即具有连续控制功能，也具有一定的顺序控制及处理批量生产过程的能力。
实验一 单回路温度控制系统的参数整定一、实验目的1、 掌握单回路控制系统的原理性组成；了解单回路温度控制系统实验装置的组成和原 理；掌握单回路温度控制系统的参数整定方法。
2、 掌握DCS 系统的监控和操作方法。
二、实验仪器及设备过程控制系统综合实验装置一套、SUPCON JX-300X DCS 系统一套 三、实验线路单回路温度控制系统流程示意图：温度调节器SP综合实验装置管路连接方式见图示（下页）： DCS 控制站第一个机笼的I/O 卡件分布见下图：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19各块I/O卡件的信号安排见下表：说明：J1/01——J1/08卡件通道为SP313的第1路即SP313(1)J1/09——J1/16卡件通道为SP313的第2路即SP313(2)J1/17——J1/20卡件通道为SP313的第3路即SP313(3)四、实验内容及实验方法（一）、实验内容1、熟悉单回路温度控制系统的管路连接方式及各输入/输出信号与DCS卡件的连接方式。
2、根据温度控制系统管路连接方式调节相关手动球阀至对应开关位置，进行单回路控制系统参数整定的方法整定PID参数。
3、观察和比较PID参数变化对系统性能的影响。
（二）、实验方法及步骤1、按照综合实验装置管路图正确开关各手动球阀。
2、综合实验装置上电，打开水泵，等高位水箱开始溢流（恒压状态下），锅炉水位到高度的2/3时，关闭锅炉的进水阀和出水阀。
3、SUPCON JX-300X DCS系统上电，工程师站上调出监控画面（组态设计已做好），手动操作给锅炉加热到设定温度。
4、小开度打开锅炉的进、出水阀，使锅炉水流动，手动调节加热功率大小，使锅炉水温基本稳定在设定值上，初置调节器PID参数值，将DCS切换到自动控制状态。
5、在锅炉里加少量冷水或加大锅炉进水阀的开度片刻，以模拟扰动，观察系统的调节过程、响应曲线。
《过程控制技术与系统》实验指导书过程控制系统组编华北电力大学前言1．实验总体目标通过实验，巩固掌握课程的讲授内容，使学生对过程控制系统的基本理论及分析方法有一个感性认识和更好地理解，使学生在分析问题与解决问题的能力及实践技能方面有所提高。
2．适用专业自动化、测控、集控专业本科生3．所修课程过程控制技术与系统或热工控制系统4．实验课时分配⒌PCS-B过程控制系统⒍实验总体要求1、掌握对象动态特性测量方法；2、掌握单回路控制系统原理和参数整定方法；3、掌握串级控制系统原理和参数整定方法。
⒎本实验的重点、难点及教学方法建议实验通过对控制系统的基本理论和方法有一个感性认识和更好地理解。
实验的重点及难点是：对象动态特性测量基本方法；单回路控制系统投运和参数整定方法；串级控制系统投运和参数整定方法。
目录实验一上水箱动态特性测试实验 (3)实验二上水箱液位控制系统实验 (6)实验三上下水箱液位串级控制系统实验 (11)附录一硬件介绍 (16)附录二软件使用说明 (34)附件三实验报告格式要求 (40)实验一上水箱动态特性测试实验一、实验目的1、被控对象动态特性测试；2、学习和了解DCS系统的原理及它在过程控制中的应用。
二、实验类型综合型三、实验装置1、DCS过程控制实验装置（其中使用：电动调节阀、上水箱及液位变送器、储水箱、增压泵等），液位变送器的量程一般在出厂前已调试好。
2、DCS控制机柜3、安装有组态及监控软件的计算机上水箱动态特性测试实验系统见图1-1图1－1 上水箱单容特性测试实验流程图四、实验步骤1、将过程控制综合实验装置的手动阀门1V1、V4打开， 1V2、1V3、1V7关闭。
2、确认实验装置和控制机柜电源正常。
3、点击主界面上方的“单容水箱特性”按钮进入单容水箱特性实验界面。
图1-2 实验系统主界面4、点击“开始实验”按钮，确认增压泵启动正常，调节阀开度为5%。
5、设置阀门开度值（点击设置按钮，在弹出的对话框中输入阀门开度，以0－100百分数表示），使上水箱水位稳定后。
实验一 单容自衡水箱液位特性测试实验一、实验目的1．掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，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，用相应的方法确定被测对象的特征参数K 、T 和传递函数；3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验设备1．实验对象及控制屏，SA-11挂件一个，SA-14挂件一个，计算机一台。
万用表一个；2. SA-12挂件一个，3. SA-44-1挂件一个4. SA-24-1 挂件一个5. SA-21 挂件一个 SA-22挂件一个 SA-23挂件一个三、实验原理所谓单容指只有一个贮蓄容器。
自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。
图2-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。
阀门F1-1、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q 1，改变电动调节阀V 1的开度可以改变Q 1的大小，下水箱的流出量为Q 2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q 2。
液位h 的变化反映了Q 1与Q 2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。
若将Q 1作为被控过程的输入变量，h 为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h 与Q 1之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系有Q 1-Q 2=A dtdh (2-1) 将式(2-1)表示为增量形式 ΔQ 1-ΔQ 2=Adt h d ∆ (2-2) 式中：ΔQ 1，ΔQ 2，Δh ——分别为偏离某一平衡状态的增量；A ——水箱截面积。
在平衡时， Q 1=Q 2， dtdh ＝0； 当Q 1 发生变化时，液位h 随之变化，水箱出 图2-1 单容自衡水箱特性测试系统 口处的静压也随之变化，Q 2也发生变化。
（a ）结构图 （b ）方框图 由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h 与流量之间为非线性关系。
但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q 2与h 成正比关系，而与阀F1-11的阻力R 成反比，即ΔQ 2=Rh ∆ 或 R=2Q ∆∆h (2-3) 式中：R ——阀F1-11的阻力，称为液阻。
过程控制系统实验指导书信息与控制学院实验一PID 参数整定与单回路过程控制系统仿真一、 实验目的(1) 熟悉Simulink 的常用界面以及常用的功能模块； (2) 掌握C-C 工程整定参数的方法； (3) 掌握Z-N 工程整定参数的方法。
二、 实验内容已知被控广义对象的传递函数为：采用工程整定参数的方法，利用PID 控制器，完成P 、PI 、PID 控制时的参数整定、系统仿真图、单位阶跃响应。
三、 实验原理由题目可知系统的增益K 、时间常数T 和纯迟延时间τ分别为：K =8、τ=180s 、T =360s 。
1、C-C 工程整定参数方法根据C-C 工程整定方法的计算公式，可得 ① P 控制时：Kc=(T/τ+0.333)/K=0.2916利用图1.1所示的Simulink 系统方框图，将仿真时间设置为2000，启动仿真，便可在示波器中看到如图1.1所示的系统在P 控制时的单位阶跃响应曲线。
sp e s s G 180)1360(8)(-+=图1.1 系统仿真图及阶跃响应曲线（P控制）② PI控制时：K c=(0.9*T/τ+0.082)/K=0.2353；T i =(3.33*τ/T+0.3*(τ/T)^2)/(1+2.2*τ/T)*T=298.2857利用图1.2所示的Simulink系统方框图，将仿真时间设置为2000，启动仿真，便可在示波器中看到如图1.2所示的系统在PI控制时的单位阶跃响应曲线。
图1.2 系统仿真图及阶跃响应曲线（PI控制）③ PID控制时：Kc=(1.35*T/τ+0.27)/K=0.3713；Ti =(2.5*τ/T+0.5*(τ/T)^2)/(1+0.6*τ/T)*T= 380.7692Td=(0.37*τ/T)/(1+0.2*τ/T)*T=60.5455图1.3 系统仿真图及阶跃响应曲线（PID控制）由图1.3可知，根据C-C工程整定方法得到的控制器参数，系统在PID控制时阶跃响应的超调量大约为60%，上升时间大约为300s；过渡过程时间大约为2000s。
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。
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∑=-=ni i i t y t y J 12))()((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)查看变量ty ，可见它的第一行（可用ty(1,:)提取）是时间向量，第二行（可用ty(2,:)提取）是与时间向量对应的输出响应数据。
《过程控制系统》实验指导书实验设备简介A3000对象系统包含三个水箱，一个大的蓄水箱，一个锅炉，一个工业用板式换热器，两个水泵，大功率加热棒，滞后系统以及加热联锁保护系统。
传感器和执行器包含5个温度、3个液位、1个压力、1个电磁流量计，1个涡轮流量计,1个电动调节阀，2个电磁阀，以及2个锅炉液位开关。
结构工艺图如下图0-1所示：、图0-1 A3000高级过程控制系统结构工艺图实验一单容自衡水箱液位比例控制实验一．实验目的：⑴通过实验了解单回路控制系统的原理及采用纯比例控制时的特点；⑵分析比例控制时，比例系数改变时对系统稳态指标和静态指标的影响；二．实验设备：A3000高级过程控制实验设备，计算机监控系统。
三．实验原理实验原理图如下：四．实验内容与步骤：1．系统连接⑴在A-3000设备上，打开手动调节阀JV201、JV206，其余阀门关闭。
⑵将下水箱液位变送器输出连接到PLC的输入端子AI0，PLC的输出端子AO0连接到电动调节阀上控制信号端(注意红黑线不要接错)。
⑶打开A3000设备电源，启动右边水泵。
⑷启动计算机组态软件，进入实验系统，选择“单容液位定值控制实验”。
2．P控制⑴调节下水箱出口闸板开度到某一刻度（如下闸板顶到槽顶距离（开度）5mm）；⑵设定一个液位给定值SP（例如30），将比例系数设定为某一个较小的值，并设定积分时间常数为最大，微分时间常数为0，启动系统。
⑶待系统达到稳态时，用抓图的方法记录所得的响应曲线；⑷按电脑监控界面的停止按钮，停止系统。
将出水闸板开度加大，将水箱水放掉，待水放完之后，重新将出水闸板开度设定为5mm。
⑸仍然设定为纯比例控制下（设定方法见步骤⑵），增大比例系数，重新做步骤⑵和⑶。
⑹ 重复上述步骤⑸，重新记录响应曲线，上述响应曲线至少测得3组，包括单调曲线2组、衰减振荡曲线1组。
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。
五．实验报告要求：⑴ 抓取不同比利系数时所得到的响应曲线，打印出来并附在实验报告上。
⑵ 根据所获得3组响应曲线，计算稳态误差ss e 、超调量(%)σ和调整时间s t 。
⑶ 回答思考题。
六．思考题：分析随着比例系数的增大，对系统的稳态指标（稳态误差ss e ）和动态指标（超调量(%)σ和调整时间s t ）有什么影响？实验二单容自衡水箱液位PID控制实验一．实验目的：⑴通过实验了解单回路控制系统的原理及采用P、PI、PID控制时的特点；⑵分析PI控制时，积分时间常数及微分时间常数改变时对系统稳态指标和静态指标的影响；二．实验设备：A3000高级过程控制实验设备，计算机监控系统。
三．实验原理实验原理图如下：四．实验内容与步骤：1．系统连接⑴在A-3000设备上，打开手动调节阀JV201、JV206，其余阀门关闭。
⑵将下水箱液位变送器输出连接到PLC的输入端子AI0，PLC的输出端子AO0连接到电动调节阀上控制信号端(注意红黑线不要接错)。
⑶打开A3000设备电源，启动右边水泵。
⑷启动计算机组态软件，进入实验系统，选择“单容液位定值控制实验”。
2．PI控制⑴调节下水箱出口闸板开度到某一刻度（如下闸板顶到槽顶距离（开度）5mm）；⑵在实验一比例调节测试的基础上（在计算机监控画面中设定P值为某个数值如2或3），加入积分作用。
即在计算机监控界面上设置I参数为不是特别大的数。
固定比例P值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后给定值加阶跃扰动，观察给定值加阶跃扰动后被调量的输出波形，并抓取并记录两组不同Ti 值时的输出曲线。
⑶ 通过上一步的实验观察，选择一组合适的P 和Ti 值，使系统对给定值阶跃扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线，记录这条响应曲线。
3． PID 控制⑴ 在获得上述满意的PI 控制器参数的基础上，固定此PI 参数，再引入适量的微分作用，即在监控软件界面上设置D 参数，然后加上与前面PI 调节时幅值完全相等的给定值扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线。
⑵ 逐渐增大Td 和反复试凑，选择合适的Td ，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线，并抓取记录此响应曲线。
（注意：按上述步骤，本实验至少应记录3条响应曲线：PI 控制2-3条，PID 控制至少1条） 五．实验报告要求：⑴ 在上述的给定值加阶跃扰动条件下，将抓取的2组不同Ti 值时的输出曲线（在同一比例系数P 值下）打印出来并附在实验报告上。
⑵ 计算这2条曲线的超调量(%) 和调整时间s t 。
⑶ 将实验中获得的较为满意的PI 和PID 控制下的输出曲线打印出来并附在实验报告上。
⑷ 回答思考题。
六．思考题：1. 积分的引入对闭环控制有何影响？积分作用过强和过弱有何不同？2. 微分控制一般应用在什么场合？微分的引入会对闭环系统产生什么影响？微分过强与过弱有何不同？（以上思考题从闭环系统的动态和静态特性方面回答）实验三 电动调节阀流量特性测量实验一．实验目的：⑴ 通过实验验证直线型调节阀的理想流量特性，并加深理解； ⑵ 理解影响调节阀流量的因素；⑶ 通过控制电动调节阀的阀前压力，熟悉和掌握管道压力的单回路调节原理。
二．实验设备：A3000高级过程控制实验设备，计算机监控系统。
三、实验原理：本实验通过控制电动调节阀的阀前压力来控制电动调节阀两端的压力为恒定值（由于电动调节阀的阀后压力基本等于大气压），从而来测定电动调节阀的理想流量特性。
由调节阀理想流量的关系式，max v v q l f q L ⎛⎫= ⎪⎝⎭，其中max v q 是对应于调节阀处于全开（控制电流等于20mA 时，电动调节阀处于全开）时流过调节阀的流量，max v q 通过实验可测得。
实验中，使用智能调节仪表分别手动给电动调节阀的控制输入端输入4～20mA 的直流电流信号即可使电动调节阀处于某个稳定的开度上。
并可由输入的电流值算出相对开度。
测出此相对开度下的相对流量值，反复测出几组相对开度对应的相对流量与的值，绘制成理想流量特性曲线，进而得到电动调节阀的理想流量特性。
实验原理图如下图3.1图3.1 电动调节阀流量特性测试原理图四．实验内容与步骤：⒈在A-3000设备上，根据水流方向，打开相应手动调节阀，其余阀门关闭。
⒉调节下水箱出口闸板开度到某一刻度（开度可稍微大一些）；⒊将压力变送器输出连接到AI0，AO0输出到变频器信号输入端。
⒋将调节阀控制信号端连接到智能控制仪表的MV端（控制信号端）。
⒌启动计算机组态软件，进入实验系统，选择“电动调节阀特性测量实验”。
⒍在监控界面上输入压力给定值，例如可取给定压力为30。
⒎给定智能调节仪表的输出为8-16mA中的某一值，并等到调节阀不动为止。
调节PID参数，直到使压力信号的动态特性和静态特性都比较好。
⒏固定压力值和PID参数值，调节智能控制仪表的控制信号为4mA，观察管道压力的变化情况，待到压力进入稳态后，读取此时通过调节阀的流量（可通过现场的智能流量计来读取，或连接到另一块智能控制仪表上读取）。
⒐分别设定智能控制仪表的输出控制信号为8mA、12mA、16mA和20mA(或再多取几个值)，重新做步骤⑶，将步骤⑵、⑶所得结果记录到如下表格3-1中。
表3-110．实验结束，关闭水泵，关闭所有电源，拆下所有连接线。
五．实验报告要求：⑴完成表3-1；⑵根据表3-1中的数据，绘制出电动调节阀的理想流量特性曲线。
⑶回答实验思考题。
六．思考题⑴从理性流量特性考虑，直线阀与等百分比阀的不同在哪里？⑵选择控制阀的流量特性时主要需要考虑哪几方面的因素？实验四流量调节阀控制实验一．实验目的：⑴通过实验掌握用调节阀控制流量的原理；⑵进一步掌握单回路控制的特点及对控制效果的评价；⑶进一步熟悉单回路PID控制中，PID参数整定的一般原则。
二．实验设备：A3000高级过程控制实验设备，计算机监控系统。
三、实验原理：本实验控制系统是一个单回路的流量定值控制系统，控制目的是使被控管道的流量等于设定值。
其中水泵P102处于工频运行，流量检测使用电磁流量计FT103，其检测的管道流量信号送给流量控制器FC101，FC101使用PLC进行控制，FC101输出的控制信号送给电动调节阀，通过控制电动调节阀的开度来控制管道的流量等于设定值。
实验原理图如下图所示：四．实验内容与步骤：⒈ 在A-3000设备上，打开手动调节阀JV201、JV206，其余阀门关闭。
⒉ 调节下水箱出口闸板开度到某一刻度（开度可稍微大一些）；⒊ 将电磁流量计FT102输出连接到AI0，AO0输出到电动调节阀上。
⒊ 打开A3000设备电源，启动右边水泵。
⒋ 启动计算机组态软件，进入实验系统，选择“流量调节阀控制实验”。
⒌ 应用前三个实验使用的整定PID 参数的经验和方法整定PID 参数，使流量调节过程曲线呈现单调过程，并尽量缩短调节时间，记录此时对应的PID 参数及所得响应曲线，求取过渡过程时间s t 。
⒍ 使用同样的方法整定PID 参数，使流量调节过程曲线呈现衰减振荡过程，并尽量减少超调量和缩短调节时间，记录此时对应的PID 参数及所得曲线，并计算超调量(%)σ和过渡过程时间s t 。
⒎ 使用同样的方法整定PID 参数，使流量调节过程曲线呈现等幅振荡过程，记录所得曲线及其振荡周期。
⒏ 实验结束，整理所获得的曲线和数据。
关闭水泵，关闭阀门，关闭全部电源设备，拆下连接线。
五．实验报告要求：⑴ 将实验所得曲线打印出来并附在实验报告上。
⑵ 根据实验步骤中的要求计算各动态指标参量（(%)σ、s t ）。
⑶ 回答思考题。
六．思考题⑴ 用经验法整定PID 参数的一般原则有哪些？实验五双容自衡水箱液位定值控制实验一．实验目的：⑴通过实验了解双容被控对象的内涵和特点；⑵进一步熟悉单回路PID控制中，PID参数整定的一般原则。
⑶理解单容液位与双容液位PID调节的不同点。
二．实验设备：A3000高级过程控制实验设备，计算机监控系统。
三．实验原理图：四．实验内容与步骤：3．系统连接⑴在A-3000设备上，使用2支路和中水箱、下水箱。
沿水流方向检查，打开相应的手动调节阀，其余阀门关闭。
⑵调节中水箱和下水箱出口闸板开度到某一刻度，中水箱闸板开度可稍大于下水箱。
例如中水箱闸板开度1～1.5cm，下水箱闸板开度0.5～1cm。
（可体会为什么?）⑶将液位变送器LT103输出连接到PLC的AI0，PLC的AO0输出接到电动调节阀的控制输入端。
⑷打开A3000设备电源，启动右边水泵。
⑸启动计算机组态软件，进入实验系统，选择“双容水箱液位调节阀控制实验”。
4．P 控制⑴ 在组态界面上将I 参数设为最大取消I 控制，将D 参数设为0取消D 控制。
⑵ 在组态界面上设置P 参数为两个大小不同的值，记录相应曲线。
