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实训说明书
自动化生产实训
实验指导书
前言
A1000小型过程控制试验系统是为配合自动化、电气及相关专业的教学和实验而设计开发的，它可满足《传感器检测与转换技术》、《过程控制》、《自动控制理论》、《计算机控制》、《DCS分布式控制》及《PLC可编程控制》等课程实验的教学要求。
本实验指导书共分三章。
第一章简要地介绍了A1000小型过程控制试验系统的软、硬件构成原理及使用说明。
第二章介绍了实验要求及注意事项。
第三章为实验内容，包括被控对象特性测试、单回路控制系统。
本指导书的实验内容旨在着重培养学生的数学模型建立、控制算法设计和现场调试能力，为将来成为卓越工程师打下坚实的基础。
实验方案上采用两种形式：
物理对象实验和MATLAB数字仿真实验。
物理对象实验环境接近工业现场，实验操作和现场的操作有极大的相似性，不仅可以完成课程的实验，还可以加深学生对过程控制系统全面的了解和认识，培养学生实际操作能力；基于MATLAB的数字仿真实验具有简单明了的特点，可以锻炼学生通过数学工具分析解决实际问题的能力，提高学生的科学素养，为今后的学习工作奠定良好的基础。
由于本实验指导书编写时间较为仓促，书中的缺点和错误在所难免，敬请使用师生批评指正。
目录
第一章系统介绍1
1.1系统简介1
1.2系统基本技术指标1
1.3对象系统介绍2
1.4系统主体结构介绍2
1.5本系统用到的仪器仪表3
1.5.1压力和液位变送器3
1.5.2涡轮流量计5
1.5.3微型潜水泵和调速模块6
1.5.4带PWM功率驱动的接口板7
1.6系统配电图7
1.6.1控制器为AS3720的配电7
1.6.2控制器为S7-200的配电8
第二章实验要求及注意事项10
2.1实验纪律10
2.2实验须知10
2.3实验报告要求10
2.4实验注意事项11
2.4.1防止触电11
2.4.2防止损坏11
第三章实验内容12
3.1单容水箱液位数学模型测定（必做）12
3.1.1实验目的12
3.1.2实验问题描述12
3.1.3实验预备知识13
3.1.4本实验对应组态王界面简介14
3.1.5实验步骤15
3.1.6实验结果15
3.2液位PID单回路控制（必做）18
3.2.1实验目的18
3.2.2实验问题描述18
3.2.3本实验对应组态王界面简介19
3.2.4实验步骤20
3.3流量PID单回路控制（选作）22
3.3.1实验目的22
3.3.2实验问题描述22
3.3.3实验步骤23
3.3.4实验结果24
3.4压力PID单回路控制（选作）24
3.4.1实验目的24
3.4.2实验问题描述24
3.4.3实验步骤26
3.4.4实验结果及记录26
第一章系统介绍
1.1系统简介
A1000小型过程控制实验系统其实就是一个水箱控制系统，通过对手阀的调节可以形成单容、双容、三容水箱控制系统，并能进行相关的实验。
本系统使用了西门子的S7-200PLC实现控制功能，同时使用组态王软件编写相应程序对该系统进行实时监控。
因此本系统非常适合学习组态软件、控制系统调节以及控制器编程，也非常适合于进行算法研究。
图1A1000小型过程控制实验系统
1.2系统基本技术指标
系统尺寸：
510mm（长度）*400mm（宽度）*565mm（高度）。
桌子尺寸：
660mm（长度）*560mm（宽度）*610mm（不含轮子高度）。
轮子高度80mm左右。
重量：
18公斤左右（无水时），38公斤左右（装满水）。
供电：
24V，3A。
供水：
纯净水20公斤。
1.3对象系统介绍
本系统的控制系统和对象是一体的，连通手阀采用金属球阀（长80mm）
图2A1000小型多参数过程控制系统流程图
该系统提供了两路动力支流，既可以满足两个同学同时进行压力、流量和液位实验，还可以一路用于提供水流，一路用于提供干扰。
JV13和JV23提供泄漏干扰。
1.4系统主体结构介绍
A1000小型过程控制实验系统结构由以下各部分组成：
1）储水箱主体，提供了整个系统的支撑。
2）三容水箱
左边水箱有一个入水口和四个出水口。
右边上出水用于溢流，如果水过多则从中水箱溢流。
右边中出水口用于和中水箱形成垂直多容系统。
右边下出水口用于和中水箱形成水平两容和水平三容。
底部出水口用于水回到储水箱。
底部还有一个开口用于提供液位测量。
中间水箱有五个入水口，两个出入水口，两个出水口。
前面的入水口是两个水路的入水。
左右最上面的入水口用于左右两个水箱溢流。
左边中出水用于和左边水箱形成垂直多容系统。
左边下出水口用于和左水箱形成水平两容，以及水平三容。
右边下出水口用于和右水箱形成水平两容，以及水平三容。
底部出水口用于水回到储水箱。
底部还有一个开口用于提供液位测量。
中间有根管道，如果水过多则从此管道溢流。
右边水箱有一个入水口，四个出水口。
左边上出水用于溢流，如果水过多则从中水箱溢流。
左边下出水口用于和中水箱形成水平两容，以及水平三容。
底部出水口用于水回到储水箱。
底部还有一个开口用于提供液位测量。
3）测控点
压力测点2个，用于测量泵出口的压力（0～100Kpa；4～20mA）。
流量测点2个，用于测量注水流量（0～0.6m3/h）。
液位测点3个，用于测量各实验水柱的水位（0～5Kpa；4～20mA）。
4）循环泵
潜水直流离心泵2台，提供水系统的循环动力。
通过调速器控制水泵的出口流量，作为控制系统的执行器。
1.5本系统用到的仪器仪表
1.5.1压力和液位变送器
1、型号：
HY133-50KPa，HY133-50Kpa。
2、量程：
0～50KPa（管道压力）、0～5KPa（水箱液位）
3、输出信号：
4～20mA
4、供电电源：
24VDC
图3压力传感器
5、技术参数：
参数
数值
过载压力
150％
精度（包括线型、重复值、迟滞）
±0.25％
零点温度漂移
<0.0005F.S/℃
满量程温度漂移
<0.0005F.S/℃
抗电磁/射频干扰
30V/m，10kHz至500MHz
抗冲击/振动
100g，10ms/10g，10～200Hz
工作温度
-20～85℃
工作介质
纯净气体和液体（无固体杂质）
外壳材料
1Cr18Ni9Ti
螺纹连接口
M20*1.5
6、原理/接线方法
24VDC
V+
图4压力变送器接线原理
7、调零
调零一般都是必要的。
先拧下上面螺母，然后抓紧信号线，拧下下面的大头。
要避免信号线旋转损坏。
然后让液位在你所要制定的0位置，然后调节零点，输出4毫安。
让液位在你所要制定的25厘米或者其他一半的位置（有刻度或用直尺），调节满度输出16毫安。
如果能满度液位更好。
图5压力传感器调零
1.5.2涡轮流量计
图6涡轮流量计
被测液体流经传感器时，传感器内叶轮借助于液体的动能而旋转。
此时，叶轮叶片使检出装置中的磁路磁阻发生周期性的变化，因而在检出线圈两端就感应出频率与流量成正比的电脉冲信号，经放大器放大后远传输出。
在测量范围内，传感器的流量脉冲频率与体积流量成正比，这个比值为仪表系数，用K表示。
式中：
f—流量信号频率（Hz）一般1600转/升
Q--体积流量（
/h或L/h）
或
N—脉冲数
V—体积总量（
或L）
（1）基本参数：
（2）介质温度：
-20--+120ºC
（3）环境温度：
-20--+50ºC
（4）供电电源：
电压：
24V±10%,电流：
<10Ma
（5）输出经过变送器，为两线制4-20毫安。
接线原理同压力变送器。
1.5.3微型潜水泵和调速模块
图7微型潜水泵
名称：
微型屏蔽式离心泵
型号：
PX1A/DC24V
扬程：
5米
流量：
10L/M
额定电流：
1A
输入信号：
0-24VDC
尺寸：
80*45*50（毫米）
特点：
采用全塑料外形结构，直流无刷电机驱动，独特的屏蔽套设计，保证了泵的轴端永无渗漏。
调速模块采用PWM控制，输入电压0-DC24V。
最大电流1A。
控制水泵时，调整系统零点和满足，控制电压到3V左右开始出水，9V左右达到最大值。
由于制造的差异，可能参数有所不同。
在水盖过水泵的情况下，测试过连续运行24小时，温升在容许的范围内。
1.5.4带PWM功率驱动的接口板
PWM功率驱动模块与以前的PWM_FV模块不同，只能提供PWM功率扩大，不能产生PWM信号。
用于S7-200，S7-1200等控制器的输出增强，控制水泵。
图8PCB1020带PWM功率驱动的接口板
注意是输出高电平有效，所以水泵的公共端是GND。
1.6系统配电图
在以前的版本，液位压力和温度的输出可能是4-20毫安。
而流量是2-10V，这样可能导致S7-200的EM235模块无法同时测量，所以本版本之后，所有检测信号被连接成四线制方式的电压型信号2-10V。
1.6.1控制器为AS3720的配电
设备布局如图9所示。
图9设备布局
图10AS3720信号接线
1.6.2控制器为S7-200的配电
S7-200接线如图11所示。
如果有一个EM231，只连接LT1,LT2，LT3，PT1，而FT1、FT2连接脉冲输入，输出连接P101，P102。
图11S7-200信号接线
第二章实验要求及注意事项
2.1实验纪律
进入实验室之后须严格遵守《实验室安全制度》、《学生实验守则》、《实验室规则》等规章制度，不得随意动用其它与本实验无关的设备。
凡违反有关条例的同学将受到严肃处理，如果由于不按有关规定操作造成仪器设备损坏的将照价赔偿，并通报处理。
2.2实验须知
为了培养同学们独立思考、独立分析问题和解决问题的能力，使同学们能在实验课上更好地完成实验内容，要求：
1、实验课前必须认真预习，了解实验目的、任务、要求；根据具体要求，复习相关理论知识。
2、实验过程中，同组同学互相配合、积极思考、认真操作。
实验结束后，将实验设备整理好后，方可离开实验室。
3、实验后，对实验内容进行归纳、分析和总结，认真书写实验报告，并按时提交。
2.3实验报告要求
实验报告是整个实验工作的总结，因此每个同学都应该认真完成。
实验报告应该包括：
两个必做实验的实验目的、实验内容、实验步骤、实验结果和心得体会。
实验一的实验结果应包括液位第一次稳定后的截图、液位第二次稳定后的截图和该系统模型对应的传递函数，注意实验中出水阀的开度大小一定要写出。
实验二的实验结果应包括至少五组调试过程（即使用五组参数）的结果截图，同时最终的响应曲线应满足的要求是：
超调，调节时间，
2.4实验注意事项
安全注意事项：
在安装、操作、维护或检查本系统之前．一定仔细阅读以下安全注意事项。
在熟悉设备的知识、安全信息及全部有关注童事项以后使用。
在本使用说明书中，将安全注意事项等级分为“危险”和“注意”。
！
危险：
不正确的操作造成的危险情况，将导致死亡或重伤的发生。
！
注意：
不正确的操作造成的危险情况，将导致一般或轻微的伤害或造成物体的硬件损坏。
注意：
根据情况的不同，“注意”等级的事项也可能造成严重后果。
请遵循两个等级的注意事项，因为它们对于个人安全都是重要的。
2.4.1防止触电
！
危险：
当通电或正在运行时，请不要进行任何维护、维修操作，不要接触插头、孔开以及开关电源等220VAC的强电端子，否则会发生触电的危险。
请不要用湿手操作开关，以防止触电。
在开始布线或维修之前，请断开电源，以防止触电。
2.4.2防止损坏
！
注意
由于系统用24V供电，操作时要正确使用电压。
系统应远离可燃物体。
系统发生故障时，请断开电源。
否则可能因电流过大导致火灾。
各个端子上加的电压只能是使用手册上所规定的电压，以防止爆裂、损坏等。
始终应保证正负极性的正确，以防止爆裂、损坏等。
第三章实验内容
3.1单容水箱液位数学模型测定（必做）
3.1.1实验目的
1、熟悉本套系统，明确应该如何进行本次实验
2、熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线
3、根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法确定其参数。
3.1.2实验问题描述
对于水箱系统而言，阀门的开度以及调速器、水泵的特性都可能影响到系统的传递函数，所以没有一样的传递函数，但是在一定的液位高度范围内和一定的开度下，系统时间基本是一样的。
阀门的开度会影响到传递函数，所以同学们测量的数据可能不同。
图12单容液位特性测量流程图
上图为本实验的流程连接图，将JV16阀手动调节到一定开度，将JV12阀手动开动最大后，直接在调速器上加定值电流，从而使得水泵具有固定的流量。
等待稳定后，突然加大调速器上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型。
3.1.3实验预备知识
经过详细的理论推导可知，单容水箱的动态数学模型是一阶惯性环节加纯延迟的系统，其传递函数为
，式中，K为对象放大系数，
为对象时间常数，
为对象纯滞后。
由于纯延迟相对系统时间比较少，可以不考虑纯延迟，从而将其传递函数简化为
。
为确定本次实验的单容水箱的动态数学模型，就需要确定该模型中的系统时间参数
和增益K，这就涉及到过程辨识和参数估计的问题。
在由俞金寿、孙自强主编的过程控制系统一书中详细介绍了两种过程辨识与参数估计的方法，即阶跃响应法和脉冲响应法。
本实验采用阶跃响应法来确定模型中的相关参数。
下面对阶跃响应法进行简单介绍：
传递函数求法非常简单，只要有遥控阀和被控变量记录仪表就可以进行。
先使工况保持平稳一段时间，然后使阀门作阶跃式的变化（通常在10%以内），同时把被控变量的变化过程记录下来，得到广义对象的阶跃响应曲线。
图13由阶跃响应曲线确定
、
和
的图解法
若对象的传递函数为
，则可在响应曲线拐点处做切线，如图13，各个参数的求法如下：
1、
式中：
为给阶跃前后，系统最终稳定到的值的差值
为所给阶跃的大小
2、
3、
3.1.4本实验对应组态王界面简介
图14单容水箱液位特性实验组态王界面
图15单容水箱液位特性实验组态王界面介绍
3.1.5实验步骤
1、JV12全开，JV16打开45度左右（由于开度不同，特性也有差异），其余阀门关闭。
2、将LT101连到AI0输入端，AO0输出端连到U101（手动输出）。
3、工艺对象上电，控制系统上电，调速器U101上电，启动P101。
（以上两步不需要同学们做，直接跳过，进行下一步）
4、启动组态软件，设定U101控制20%，等待系统稳定。
液位和流量稳定在某个值。
注意观察液面，不能太低，否则不算稳定。
将得到的新稳定曲线截图。
5、设定U101控制25%，记录水位随时间的数据，到新的稳定点或接近稳定。
如果阶越太大，可能导致溢出。
6、截图，将得到的新稳定曲线截出。
7、若想多次尝试，可以修改JV16开度，重复4-6步。
8、关闭系统，分析数据。
3.1.6实验结果
当JV16的开度为75度左右时，将控制量设置为50%后，等待系统稳定下来，其结果图如下：
图16出水阀开到75度，控制量为50%时系统响应结果
图17出水阀开到75度，控制量为50%时系统响应曲线
将控制量由原来的50%增大到55%，等待系统稳定，产生结果如下图：
图18控制量由50%增大到55%是系统响应结果
图19控制量由50%增大到55%时系统响应曲线
由该图可知，当控制量由50%增大到55%时，系统液位由原来稳定在54%的高度变成了稳定在65%的高度。
注：
此处，该实时曲线的纵坐标以0-100的数来表示控制量，同时还表示液位。
由于本系统最高液位为30cm，因此纵坐标100处对应30cm，即纵坐标的0-100对应实际液位的0-30cm。
由阶跃响应法可知：
，则
所以，该系统的传递函数为
3.1.7实验实验报告要求
1、画出单容水箱液位特性测试实验的结构框图。
2、根据实验测得的数据和曲线，分析并计算单容水箱液位对象的参数及传递函数。
3、分析误差产生原因。
3.1.8思考题
1测定动态特性的时域方法的优缺点？
2用响应曲线法确定对象数学模型时，其精度与那些因素有关？
3还有哪些其它的测定动态特性的方法并简单描述？
3.2利用MATLAB建立系统数学模型（必做）
3.2.1实验目的
（1）熟悉利用MATLAB建立系统数学模型的方法。
（2）学会利用MATLAB/Simulink对系统建模的方法。
3.2.2实验设备
安装Windows系统和MATLAB软件的计算机一台。
3.2.3实验内容
利用“单容水箱液位数学模型的测定”实验数据。
假定单容水箱液位对象近似为一阶惯性环节加纯延时。
（1）利用作图法确定单容水箱液位对象的增益
、时间常数
、和纯延迟时间
。
（2）利用计算法确定单容水箱液位对象的增益
、时间常数
、和纯延迟时间
。
3.2.4实验步骤
（1）根据输出稳态值和阶跃输入的变化幅值可得增益
。
（2）根据系统近似为一阶惯性环节加纯延迟的S形响应曲线参数求法和计算法，分别便携MATLAB程序，求系统的时间常数
和延迟时间
。
得到近似系统的数学模型。
（3）建立近似系统的Simulink仿真框图，绘出原系统和近似系统的单位阶跃响应曲线。
3.2.5实验报告要求
（1）比较原系统和近似系统的单位阶跃响应，并分析误差大小。
（2）分析误差产生原因。
（3）依据实验报告要求格式写出实验报告。
3.2.6思考题
（1）根据原系统和近似系统的阶跃响应曲线，分析利用S作图法求得系统数学模型的误差大小，它与什么有关，如何克服？
（2）与S作图法相比，计算法有何优缺点？
误差有何变化？
3.3利用MATLAB对控制器参数进行整定（必做）
3.3.1实验目的
1熟悉并学会稳定边界法。
2熟悉并学会PID参数的自整定法。
3.3.2实验设备
安装Windows系统和MATLAB软件的计算机一台。
3.3.3实验内容
根据前期实验测定的系统模型，
1利用稳定边界法分别计算系统采用P、PI、PID调节规律时的控制器参数，并绘制整定后系统的单位阶跃响应曲线。
2利用Simulink中的SignalConstraint模块（适用于MATLAB7.5）对系统采用PID调节规律时的控制器进行参数自整定，并绘制整定后系统的单位阶跃响应曲线。
3.3.4实验报告要求
1根据系统的单位阶跃响应曲线，估计系统在PID控制时阶跃响应的超调量和过渡时间大约是多少？
2比较稳定边界法和利用Simulink对系统PID控制器参数自整定的优缺点并分析。
3.3.5思考题
1影响稳定边界方法精度的因素有哪些？
3.4液位PID单回路控制（必做）
同样的程序和界面，可以用于单容、水平双容、垂直双容和水平三容的液位控制。
只是管路有所不同，目标液位不同。
我们选择单容来进行实验。
3.4.1实验目的
较为深刻理解液位PID单回路控制的原理，并掌握PID相关参数的设定方法。
3.4.2实验问题描述
单容水箱液位PID控制流程图如图20所示，采用右边支路进行实验，左边支路也是一样的。
图20单容水箱液位调速器PID单回路控制
测点清单如表5.2所示。
表5.2单容水箱液位调速器PID单回路控制测点清单
序号
位号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
U102
电动调速器
阀位控制
2～10VDC
AO
0～100％
2
LT103
压力变送器
水箱液位
4～20mADC
AI
3.5kPa
水介质由泵P102从水箱V4中加压获得压头，经由调速器U102进入水箱V3，通过手阀JV26回流至水箱V4而形成水循环；其中，水箱V3的液位由LT103测得，用调节手阀JV26的开启程度来模拟负载的大小。
本实验为定值自动调节系统，U102为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调节来完成。
现需要实现对调速器进行PID控制，确定其参数值，得到满足条件的响应曲线。
3.4.3本实验对应组态王界面简介
图21单容液位PID控制实验对应的组态王界面
点击可以调出该图片左边的参数设定界面
使水泵启动或停止
图22单容液位PID控制实验对应的组态王界面介绍
注意：
（1）上图左侧的参数设定界面中，
S值代表液位高度的设定值，可以手动设置，当其为100%时代表的液位高度为30cm；
O值代表控制量，当所给控制量为100%时进水口进水量最大；
G、I、D值即为PID控制器中的比例、积分、微分值，通过对这三个值的调节，可以得到更好的响应曲线。
（2）当调节到手动档时，调速器的控制量需手动给出，否则将始终为开始调到手动档时那个值；若为自动挡，则调速器控制量将由系统程序自动调节。
3.4.4实验步骤
1、在现场系统上，打开手阀JV22（即进水阀），调节JV26（即出水阀）开度到45%，其余阀门关闭。
2、在控制系统上，将IO面板的水箱液位输出连接到AI0，IO面板的电动调速器U102控制端连到AO1。
注意：
具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。
对于全连好线的系统，例如DCS，则必须按照已经接线的通道来编程。
3、打开设备电源。
（以上两步不需要同学们来完成，请跳过做下一步）
4、启动计算机组态软件，进入实验项目界面。
启动调节器，设置各项参数。
启动右边水泵P102和调速器。
5、系统稳定后可将调节器的手动控制切换到自动控制。
6、设置比例参数。
观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰实验。
7、待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现，也可以通过支路1增加干扰，或者临时改变一下出口闸板的高度）。
记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。
8、减小P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
9、增大P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
10、选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。
于是在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置I参数不是特别大的数。
固定比例P值，改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp。
注意：
（1）每当做完一次实验后，必须待系统稳定后再做另一次实验。
（2）在对I参数进行设置之前，首先需要判断I参数的大小与积分作用大小的关系。
方法是设置一个非常大的和一个非常小的I参数，分别观察实验结果。
13、固定I于某一中间值，然后改变P的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同值Ti下的超调量σp。
14、选择合适的P和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。
15、在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把软件界面上设置D参数，然后加上与前面调节时幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线。
16、选择合适的P、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。
调到手动档时那个值；若为自动挡，则调速器控制量将由系统程序自动调节。
3.4.5实验报告要求
1画出单容水箱液位控制系统的方框图。
2用实验方法确定调节器
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