THJ-2型高级过程控制系统》

电气工程与自动化专业年级班一、设计题目双闭环流量比值控制二、主要内容熟悉THJ-2型高级过程控制系统实验装置，获取电动阀支路的流量和变频器－磁力泵支路的流量曲线，利用实验建模法求出它们的数学模型。

根据比值控制，选择合适的双回路调节器控制规律，并在Matlab 上进行仿真。

最终在过程控制系统实验装置平台上完成实际系统的调试，并说明两种方法的所得结果的差别。

三、具体要求1.从组成、工作原理上对工业型传感器、执行机构有一深刻的了解和认识。

2.分析控制系统各个环节的动态特性，从实验中获得各环节的特性曲线，建立被控对象的数学模型。

3.根据其数学模型，选择被控规律和整定调节器参数。

4.在Matlab上进行仿真，调节控制器参数，获得最佳控制效果。

5.了解和掌握自动控制系统设计与实现方法，并在THJ-2型高级过程控制系统平台上完成本控制系统线路连接和参数调试，得到最佳控制效果。

6.分析仿真结果与实际系统调试结果的差异，巩固所学的知识。

四、进度安排五、完成后应上交的材料课程设计报告。

六、总评成绩指导教师签名日期年月日系主任审核日期年月日目录一.设计任务分析…………………………………………………1.1 设计目的………………………………………………1.2 主要内容…………………………………………………1.3 设计要求………………………………………………二.总体方案设计…………………………………………………2.1 实验装置说明……………………………………………2.2 实验注意事项……………………………………………2.3 控制面板接线说明………………………………………三.控制方案设计…………………………………………………3.1双闭环比值控制系统的结构………………………………3.2双闭环比值控制系统的特点与分析………………………四.单回路参数整定……………………………………………4.1 被控对象特性测试………………………………………4.2 电动阀传递函数测试……………………………………4.3 变频器/磁力泵传递函数测试……………………………4.4 matlab 仿真……………………………………………4.5 比值控制系统参数的整定………………………………五.课程设计体会…………………………………………………六.参考文献……………………………………………………摘要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的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。

外文文献中文译文：基于MCGS 的工业过程控制系统的开发与应用本文简要介绍了全中文工控组态软件MCGS ,并以THJ - 2 型高级过程控制系统实验装置为例,阐述了该系统的硬件组成、控制方法、功能以及采用MCGS 开发的人机接口可视化界面(HMI) 。

讲述了该系统开发的基本过程以及工控机怎样通过RS -485 通讯协议与装置进行通讯。

实践证明,系统具有界面友好、易于操作、运行可靠、便于升级扩充等特点。

过程控制; PID 参数整定; MCGS 组态软件; 串口通讯上位机监控系统的组态软件系统,它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。

MCGS 组态软件具有多任务、多线程功能,其系统框架采用VC + + 语言编程,通过OLE 技术向用户提供VB 编程接口,提供丰富的设备驱动构件、动画构件、策略构件,用户可随时地扩充系统的功能。

实时数据库组态。

是系统各个部分数据交换与处理的中心。

设置的是系统的变量,如内胆液位等,要想这些变量的值直观地表现在图形上,还需要写一定的脚本程序,将采集到的数据赋给相应的变量,只要在要现图形上连接了此变量,图形就能将此变量的值直观地表现出来。

可以在窗口属性的循环脚本编辑器中写序。

设备窗口组态。

是连接和驱动外部设备的工作环境。

在设备工具箱中加入AI 系列智能仪表的驱动程序,首先双击设备工具箱中的通用串口父设备,然后再双击不同型号的AI 系列智能仪表驱动,使它们挂接在通用串口父设备下。

通用串口父设备的参数设置应当和智能仪表的参数设置相一致,包括最小采集周期,通讯波特率等。

运行该系统,其中锅炉内胆液位控制的主界面窗口所示。

在主界面中可以方便的看到采集到的各种参数,还可设定智能仪表的参数值,可直接观测到实时曲线。

众所周知,系统控制质量的好坏与控制器的结构和参数选择有着很大的关系。

合适的控制参数,可以导致满意的控制效果。

双容水箱液位定值控制系统实验双容水箱液位定值控制系统一、实验目的1( 通过实验，进一步了解双容对象的特性。

2( 掌握调节器参数的整定与投运方法。

3( 研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。

二、实验设备1( THJ-2型高级过程控制系统装置。

2( 计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根3( 万用表一只三、实验原理本实验系统以中水箱与下水箱为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被图6-1 双容液位定值控制系统结构图控制量。

基于系统的给定量是一定值，要求被控制量在稳态时等于给定量所要求的值，所以调节器的控制规律为PI或PID。

本系统的执行元件既可采用电动调节阀，也可用变频调速磁力泵。

如果采用电动调节阀作执行元件，则变频调速磁图6-2 双容液位定值控制系统方框图力泵支路中的手控阀F2-4或F2-5打开时可分别作为中水箱或下水箱的扰动。

图6-1为实验系统的结构图，图6-2为控制系统的方框图。

四、实验内容与步骤1( 图6-1所示，完成实验系统的接线。

2( 接通总电源和相关仪表的电源。

3( 打开阀F1-1、 F1-2、F1-7、F1-10和F1-11，且使F1-10的开度大于F1-11的开度。

4( 用实验四(上册)中所述的临界比例度法或4:1衰减振荡法整定调节器的相关参数。

5( 设置系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，控制电动调节阀给中水箱打水，待中水箱液位基本稳定不变且下水箱的液位等于给定值时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。

6( 启动计算机，运行MCGS组态软件软件，并进行下列实验:1)当系统稳定运行后，突加阶跃(给定量增加5%,15%)，观察并记录系统的输出响应曲线。

2)待系统进入稳态后，启运变频器调速的磁力泵支路，分别适量改变阀F2-4或阀F2-5的开度(加扰动)，观察并记录被控制量液位的变化过程。

7.通过反复多次调节PI的参数，使系统具有较满意的动态性能指标。

过程控制系统课程设计指导书林梅金张彩霞肖红军编佛山科学技术学院机电和信息学院2007年9月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总体描述 (3)一实验装置说明 (3)二被控对象特性测试举例 (10)第三部分课程设计选题 (13)课题一锅炉夹套和被加热介质的温度控制 (13)课题二双闭环流量比值控制 (20)课题三温度的滞后控制 (27)课题四流量的滞后控制 (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的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。

在现代化工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、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起着越来越大的作用。

二课程设计目的在本课程设计中，通过一个完整的生产过程控制系统的设计，使学生在进一步加深理解和掌握《过程控制系统》课程中所学内容的基础之上，着重训练学生将《过程检测和控制仪表》、《自动控制原理》、《微机控制技术》和《过程工程基础》等课程中所学到知识进行综合使用。

锻炼学生的综合知识使用能力，让学生了解一般工程系统的设计方法、步骤，系统的集成和投运。

三课程设计要求按课程设计指导书提供的课题，根据给出的设计任务，自己设计系统结构，分析系统的特点和系统特性，按“可选”的被控对象设计相应的控制系统，并在实验室连接系统部件、构造硬件系统。

可以自己跳线、连线，并连好对象、控制器、计算机。

通过用控制器、监控计算机和实验对象的联机调试、执行、观察结果，达到预期使用功能和控制目的，比较不同方案的使用效果，完整的设计任务书。

1.能够查阅工艺过程相关资料。

2.依据工艺要求分析、比较、设计方案（对其合理性、工作原理及工作过程做出说明）。

3.被控对象以及仪器仪表的描述。

4.控制方案的选择及其论述，控制系统方框图及其说明。

5.完成对象的特性曲线的测试，建立对象的数学模型。

第六节水箱液位串级控制实验一、实验目的1. 熟悉串级控制系统的结构与特点2. 掌握串级控制系统的投运与参数的整定方法3. 研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响二、实验设备1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置2. 计算机、上位机MCGS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6-1 液位串级控制系统的结构图图6-2 液位串级控制系统的方框图本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主、副两个回路组成。

每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量。

副回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，它的输出是一个辅助的控制变量。

本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值，实现无差调节。

当有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当被控制量（下水箱的液位）未作出反映时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对被控制量的影响。

此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。

图6-1为实验系统的结构图，图6-2为相应控制系统的方框图。

四、实验容与步骤1.按图6-1要求，完成实验系统的接线。

2.接通总电源和相关仪表的电源。

3.打开阀F1-1、F1-2、F1-7、F1-10、F1-11，且使阀F1-10的开度略大于F1-11。

4.按经验数据预先设置好副调节器的比例度。

5.调节主调节器的比例度，使系统的输出响应出现4：1的衰减度，记下此时的比例度δS和周期TS。

据此，按经验表查得PI的参数对主调节器进行参数整定。

6.手动操作主调节器的输出，以控制电动调节阀支路给中水箱送水的大小，等中、下水箱的液位相对稳定，且下水箱的液位趋于给定值时，把主调节器切换为自动。

目录1 引言 (1)2系统介绍 (1)2.1 系统组成及其框图 (1)2.2系统工作原理及其设备介绍 (2)3调试系统 (4)4调试结果 (9)心得体会 (10)1 引言在工业生产过程中，液位是最基本的工艺参数之一，因此对水箱液位实现自动控制是生产自动化的重要任务之一。

自动化专业的毕业生工作后，将面临的任务之一是对自动控制系统（设备、装置）进行维护、维修和技术改造等。

本训练项目的任务是通过为期1周的工程实践训练，对单容水箱液位控制系统的构成及工作原理作一个全面的了解，对主电路及控制电路等进行原理分析，中间信号的检测调试、故障分析处理等，进一步完善和优化系统性能。

本次系统综合工程实践训练内容覆盖面广，应用性强，通过工程训练，目的是提高学生对所学知识的综合能力，将理论知识用于实践分析问题和解决问题的能力，学习对实际系统的检修调试方法，积累实践经验，近一步缩短教学与生产实际的距离，为毕业后顺利上岗打下良好基础。

2 系统介绍2.1系统组成及其系统框图本次工程实践训练采用是THJ-2型高级过程控制系统，它是一个多功能多分支的大系统，由于时间关系，无法对此系统的各个子系统进行全面熟悉和训练，所以只是选用了此系统的单容水箱液位控制系统及其设备作为训练内容，系统由过程控制实验对象系统、智能仪表控制台、上位监控PC机及监控软件MCGS组态软件组成。

单容水箱液位控制系统的由液位给定，控制器，D/A转换器，电动节阀，单容水箱，检测变送器，A/D转换器，扰动信号组成，框图如下：图1 单容水箱液位控制系统框图2.2系统工作原理及其设备介绍1. 工作原理THJ-2型高级过程控制系统里的单容水箱液位控制系统是一个使液位保持在一定高度的控制系统。

它采用的控制方法是PID 控制。

先用水泵给水箱抽水，改变电动调节阀的开度来控制水的流量从而控制水箱液位的高度。

并选用压力传感器对液位高度进行测量，将测量的值传输给系统并与系统的给定值进行比较，通过改变PID 的控制参数，使测量值能够跟随系统给定值，实现对液位的动态调节和控制。

第一节 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Q 1，手动阀V 1和V 2的开度都为定值，Q 2为水箱中流出的流量。

根据物料平衡关系，在平衡状态时Q 10-Q 20=0 （1）动态时，则有Q 1-Q 2=dtdV（2） 式中V 为水箱的贮水容积，dt dV为水贮存量的变化率，它与H 的关系为Adh dV ，即dtdV = A dt dh（3） A 为水箱的底面积。

把式（3）代入式（2）得Q 1-Q 2=A dtdh（4）基于Q 2=SR h，R S 为阀V2的液阻，则上式可改写为 Q1-S R h = A dtdh 即AR Sdtdh+h=KQ 1 或写作)()(1s Q s H =1+TS K（5） 式中T=AR S ，它与水箱的底积A 和V 2的R S 有关；K=R S 。

式（5）就是单容水箱的传递函数。

若令Q 1（S ）=SR 0，R 0=常数，则式（5）可改为H （S ）=T S TK 1/+×S R 0=K S R 0-TS KR 10+对上式取拉氏反变换得h(t)=KR 0(1-e -t/T ) （6）当t —>∞时，h （∞）=KR 0，因而有 K=h （∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入 当t=T 时，则有h(T)=KR 0(1-e -1)=0.632KR 0=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%图2-2 单容水箱的单调上升指数曲线所对应的时间，就是水箱的时间常数T 。

双容液位控制系统的设计摘要在化学工业生产中，液位控制是一项非常重要的环节。

本论文所论述的双容液位控制系统是以过程综合自动化控制系统实验为平台，以仪表控制方法为主要工具，进行液位控制方法设计。

智能控制仪表蕴含大量高科技技术，且具备许多优点，因此越来越广泛的被应用于工业控制领域。

论文也对组态软件MCGS的特点及基本使用方法进行了简单介绍，这样对串级控制实施监控，提供了条件。

在控制算法方面，系统选用PID控制器。

然后根据系统具体的控制要求，主回路选择PI调节器，副回路选择P调节器；并选用适当整定法对调节器参数进行整定。

关键词：双容液位控制系统，智能仪表控制，MCGS组态软件，PID控制?—Dual-tank liquid level control system designAbstractProduction in the chemical industry, liquid level control is a very important part. Discussed in this paper two-tank liquid level control system is based on the process of experiments Integrated Automation Control System as a platform to instrument control as the main instrument designed for liquid level control. Intelligent Control Instrument contains a large number of high technology, and have many advantages, so more and more widely applied in industrial control.Papers also features MCGS configuration software and the basic use a brief introduction, this implementation of the cascade control monitoring, provided the conditions.In the control algorithm, the system adopts PID controller. And specific control requirements according to the system, the main loop select PI regulator, the Deputy loop select P regulator; and an appropriate tuning the parameters of the regulator tuning.\Key words: dual-tank liquid level control system, intelligent instrument control, MCGS configuration software, PID control目录双容液位控制系统的设计 (i)、摘要 (i)Abstract (ii)1 绪论 (1)课题来源，背景及意义 (1)课题研究的内容安排 (2)2 THJ-2型高级过程控制系统 (3)系统简介和组成 (3)系统控制仪表的组成 (3)、检测装置 (3)执行机构 (4)控制器 (4)智能仪表的发展前景、应用领域和优点 (4)系统软件 (5)系统特点 (5)本章小结 (6)3 MCGS组态软件 (7)—什么是MCGS组态软件 (7)MCGS组态软件的系统构成 (7)MCGS组态软件的特点 (7)建立MCGS工程 (8)设计画面流程 (9)整体画面 (13)本章小结 (15)4 液位串级控制系统分析与建模 (16)-串级控制系统的分析 (16)串级控制系统及组成结构 (16)串级控制系统的特点和适用场合 (16)串级控制系统的设计 (16)双容水箱液位串级控制系统的组成 (17)系统建模 (18)系统特性测试 (19)模型最终确定 (21);本章小结 (22)5 系统的PID参数整定 (23)PID概述 (23)控制器参数整定方法 (23)PID参数的确定 (27)系统特性测试． (28)本章小结 (30)6 结论 (31)!参考文献 (32)致谢 (33)?1 绪论课题来源，背景及意义过程控制涉及炼油、化工、发电、冶金、造纸、医药和轻工业等工业部门，对国民经济的发展起着十分重要的作用。

试验装置简介过程控制系统所采用旳试验装置一般可分为两类, 一类为物理模型试验装置, 一类为半实物仿真试验装置。

课程中多种试验都可以在这两类装置上实现。

一、物理模型试验装置这一类试验装置是由真实旳物理模型实现旳。

其长处是装置中有真实旳流体（清洁旳水）流动, 采用真实旳测量装置和真实旳控制阀。

可给学生非常真实旳感官印象。

一般都采用清洁旳循环水作为工艺介质, 因此工艺参数只有液位和流量。

有些试验装置尚有电加热设备, 增长了温度参数。

这一类试验装置旳局限性是参数比较单一, 有一定旳非线性。

具有加热功能旳装置, 会随试验旳进行循环水温度会逐渐增高, 这会导致温度控制不理想。

下面是使用比较旳几种物理模型试验装置1. 普及型控制系统试验装置下面是一种比较经典旳普及型控制系统试验装置。

该装置由北京化工大学信息学院自动化系自行研制。

试验装置两部分构成: 其一是包括测量变送器和控制阀在内旳工艺设备；其二是作为控制工具计算机。

装置上共测量四个参数: 上水槽液位、下水槽液位、流量1和流量2。

变送器旳4~20mA信号接到信号调理板上, 通过调理后旳电压信号通过专用电缆连接到插在计算内旳A/D+D/A板上。

系统用仪表旳电源、D/A 电源、计算机电源、水泵旳按钮开关、信号灯等设备都集成、组装在一种控制箱。

图F. 41所示是自动化系统试验室旳物理模型试验装置。

图F. 42所示为工艺设备原理图。

图中有三只水槽, 槽1.槽2为被控对象, 它们旳液位高度L1及L2分别通过两台差压变送器测出。

槽3为储槽, 是为了构成水得循环而设置得。

储槽3中旳水通过水泵1或2抽出, 通过孔板和控制阀后送入槽1或槽2(视手动阀1、2、3、4旳开闭而定), 两路水管中旳水流量大小分别通过各自旳差压变送器（与孔板配合）测出。

槽1中旳水通过线性化流出口流入槽2, 槽2中旳水又通过其自身旳线性化流出口流回到储槽3中。

这样对水来说, 一直处在循环状态。

图F. 41 物理模型试验装置图本装置除比值试验外, 一般状况下Fl所在旳管道为主物料管道, F2管线则作为加干扰用。

第一节 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Q 1，手动阀V 1和V 2的开度都为定值，Q 2为水箱中流出的流量。

根据物料平衡关系，在平衡状态时Q 10-Q 20=0 （1）动态时，则有Q 1-Q 2=dtdV（2） 式中V 为水箱的贮水容积，dt dV为水贮存量的变化率，它与H 的关系为Adh dV ，即dtdV = A dt dh（3） A 为水箱的底面积。

把式（3）代入式（2）得Q 1-Q 2=A dtdh（4）基于Q 2=SR h，R S 为阀V2的液阻，则上式可改写为 Q1-S R h = A dtdh 即AR Sdtdh+h=KQ 1 或写作)()(1s Q s H =1+TS K（5） 式中T=AR S ，它与水箱的底积A 和V 2的R S 有关；K=R S 。

式（5）就是单容水箱的传递函数。

若令Q 1（S ）=SR 0，R 0=常数，则式（5）可改为H （S ）=T S TK 1/+×S R 0=K S R 0-TS KR 10+对上式取拉氏反变换得h(t)=KR 0(1-e -t/T ) （6） 当t —>∞时，h （∞）=KR 0，因而有 K=h （∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入 当t=T 时，则有h(T)=KR 0(1-e -1)=0.632KR 0=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%图2-2 单容水箱的单调上升指数曲线所对应的时间，就是水箱的时间常数T 。

目录绪论 (3)第一章 THJ-2型高级过程控制系统的概述 (5)第二章被控对象特性测试 (15)第一节单容水箱特性的测试第三章单回路控制系统实验 (27)第二节上水箱(或中水箱或下水箱)液位定值控制系统第八节电动阀支路流量的定值控制系统第四章温度位式控制系统实验 (57)第五章串级控制系统的实验 (60)第四节下水箱液位与电动调节阀支路流量的串级控制系统第一节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Q 1，手动阀V 1和V 2的开度都为定值，Q 2为水箱中流出的流量。

根据物料平衡关系，在平衡状态时Q 10-Q 20=0 （1）动态时，则有Q 1-Q 2=dtdV（2） 式中V 为水箱的贮水容积，dt dV为水贮存量的变化率，它与H 的关系为Adh dV ，即dtdV = A dt dh（3） A 为水箱的底面积。

把式（3）代入式（2）得Q 1-Q 2=A dtdh（4）基于Q 2=SR h，R S 为阀V2的液阻，则上式可改写为Q1-S R h = A dtdh即AR Sdtdh+h=KQ 1 或写作)()(1s Q s H =1+TS K（5） 式中T=AR S ，它与水箱的底积A 和V 2的R S 有关；K=R S 。

式（5）就是单容水箱的传递函数。

若令Q 1（S ）=SR 0，R 0=常数，则式（5）可改为H （S ）=T S TK 1/+×S R 0=K S R 0-TS KR 10+对上式取拉氏反变换得h(t)=KR 0(1-e -t/T ) （6） 当t —>∞时，h （∞）=KR 0，因而有 K=h （∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入 当t=T 时，则有h(T)=KR 0(1-e -1)=0.632KR 0=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。

第一节上水箱(中水箱或下水箱)液位定值控制系统一、实验目的1．了解单闭环液位控制系统的结构与组成。

2．掌握单闭环液位控制系统调节器参数的整定。

3．研究调节器相关参数的变化对系统动态性能的影响。

二、实验设备1．THJ-2型高级过程控制系统装置2．计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根3．万用表 1只三、实验原理本实验系统的被控对象为上水箱，其液位高度作为系统的被控制量。

系统的给定信号为一定值，它要求被控制量上水箱的液位在稳态时等于给定值。

由图3-7 上水箱液位定值控制结构图反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。

图3-7为本实验系统的结构图，图3-8为控制系统的方框图。

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下无静差，系统的调节器应为PI或PID。

图3-8 上水箱液位定值控制方框图四、实验内容与步骤1．按图3-7要求，完成系统的接线。

2．接通总电源和相关仪表的电源。

3．打开阀F1-1、F1-2、F1-6和F1-9，且把F1-9控制在适当的开度。

4．选用单回路控制系统实验中所述的某种调节器参数的整定方法整定好调节器的相关参数。

5．设置好系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，使电动调节阀给上水箱打水，待其液位达到给定量所要求的值，且基本稳定不变时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。

6．启动计算机，运行MCGS组态软件软件，并进行下列实验：当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增加5%～15%），观察并记录系统的输出响应曲线。

7．适量改变PI的参数，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。

五、实验报告1．用实验方法确定调节器的相关参数。

2．列表记录，在上述参数下求得阶跃响应的动、静态性能指标。

3．列表记录，在上述参数下求得系统在阶跃扰动作用下响应曲线的动、静态性能指标。

对系统的性能产生什么影响？4.变比例度δ和积分时间TI。

第二节双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、MCGS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 双容水箱对象特性结构图由图2-1所示，被控对象由两个水箱相串联连接,由于有两个贮水的容积，故称其为双容对象。

被控制量是下水箱的液位，当输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2-62所示。

由图2-2可见，上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数(图2-2(a))，而下水箱液位的响应曲线则呈S形状（2-2(b)）。

显然,多了一个水箱，液位响应就更加滞后。

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则表示了对象响应的滞后时间。

至于双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。

图2-2 双容液位阶跃响应曲线图2-3 双容液位阶跃响应曲线在图2-3所示的阶跃响应曲线上求取：(1)h2（t)|t=t1=0.4h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t1；(2)h2（t)|t=t1=0.8h2(∞)时曲线上的点C和对应的时间t2；然后，利用下面的近似公式计算式由上述两式中解出T1和T2,于是求得双容(二阶)对象的传递函数为四、实验内容与步骤1.接通总电源和相关仪表的电源。

2.接好实验线路，打开手动阀，并使它们的开度满足下列关系：V1的开度>V2的开度>V3的开度3.把调节器设置于手动位置，按调节器的增/减，改变其手动输出值（一般为最大值的40～70%，不宜过大，以免水箱中水溢出），使下水箱的液位处于某一平衡位置（一般为水箱的中间位置）。

4.按调节器的增/减按钮，突增/减调节器的手动输出量，使下水箱的液位由原平衡状态开始变化，经过一定的调节时间后，液位h2进入另一个平衡状态。

实验四水箱液位串级控制系统一、实验目的1．通过实验了解水箱液位串级控制系统组成原理。

2．掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。

3．研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。

4．掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。

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、上位机MCGS 组态软件、RS232-485 转换器1 只、串口线1 根3、万用表1 只三、实验原理本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主、副两个回路组成。

每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量。

副回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，它的输出是一个辅助的控制变量。

本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值，实现无差调节。

当有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当被控制量（下水箱的液位）未作出反映时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对被控制量的影响。

此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。

本实验系统结构图和方框图如图所示。

图1 水箱液位串级控制系统(a)结构图 (b)方框图四、实验内容与步骤1、本实验选择中水箱和下水箱串联作为被控对象（也可选择上水箱和中水箱）。

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全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度（40%～90%）、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（30%～80% 要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。

2、按照实验图接线，将主、副控仪表设置为自动，主控制器Sn=33,addrss=1，CF=0 ，DF=0；副控制器Sn=32,addrss=2，CF=8，DF=0；合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，上位机的主控制器，下水箱的液位设定值8—15cm。

《过程控制系统》实验报告学院：电气学院_________________专业：自动化_________________班级：__________ 1505 _______________姓名及学号：任杰311508070822 __________日期：201863 ______________________实验一、单容水箱特性测试实验目的1. 掌握单容水箱阶跃响应测试方法，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，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。

实验设备1. THJ-FCS 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。

实验原理图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V和M的开度都为定值，Q为水箱中流出的流量。

根据物料平衡关系，在平衡状态时Q10 Q200 （式2-1），动态时，则有Q1 Q2——，dt （式2-2）式中v为水箱的贮水容积，理为水贮存量的变化率，它与h的关dt-J\ / -J h系为dV Adh，即——A—（式2-3），A为水箱的底面积。

把式（2-3）代入dt dt可改写为Q 1 - A dh ，AR s 也 dt dt KQ 1或乞（式2-5 ）式中T AR sQ 1 s Ts 1它与水箱的底面积 A 和V 的R s 有关, （式 2-5 ）为单容水箱的传递函数。

若令 Q 1 S R 0 =,R o 常数，则式2-5可表示为 H S -/TS KR o 对上式取拉氏反变换得ht KR 01 et/T （式 2-6） KR o ,因 而有 K h /R o =输出稳态/阶跃输入， h T KR 0 1 e 1 0.632KR 。

0.632h ，式2-6表示一阶惯性响应曲线是一单基于Q 2 R S h , R s 为阀V 2的液阻，（式2-4） 切线与稳态值交点所对应的时间就是 K 和T 后，就能求得单容水箱的传递函 图中OB 即为对象的滞后时间 T ，BC 为对象的时间常数T ,所得的传递函数为H s Q i s Ke s。