热工过程自动控制实验指导书Word文件下载.docx
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580Kg。
TKGK-1型过程控制实验装置集多参数闭环控制为一体，由过程控制对象、调节器模块、执行器模块、变送器模块和单片机控制模块等组成，各模块间灵活组合，基本包含了目前所有的工业控制方式，涉及温度、压力、流量和液位等重要的过程控制参数。
控制对象主要由上、下两个水箱，一个电加热器复合水箱及一个储水箱组成，上、下水箱液位或压力作为被控对象由两个水泵供水（由交流、直流调速电机、齿轮泵和压力传感器等构成），水箱水温作为被控对象是由温度传感器、加热器、固态继电器等构成；
管道上装有电磁流量计、阀门等。
水位、水温、压力以及供水流量均可作为被控变量。
两个水泵，可同时工作，也可单独工作，也可将其中一个作为执行器，另一个作为干扰源。
整个对象可设计成一阶、二阶系统。
交流电机从储水箱中抽水，提供给对象，一方面它可以通过阀5或阀6供给复合温控水箱，再经过电磁流量计（FT）后，经阀1或阀3分别供水给上、下两个水箱，另一方面，直流电机从储水箱中抽水，通过阀7或阀8也供水给上、下两个水箱，两个水箱内均装有液位传感器（LT1，LT2）和溢流口，而且每个水箱的出水口均经过线性化处理，上水箱的水通过阀2的调节流到下水箱，在上水箱中还安装了压力传感器（PT），用于检测压力大小，而下水箱的水经阀4流到复合加热水箱的外套，最后经溢流口3流回储水箱，从而构成了一个水的循环系统。
在复合加热水箱的内套安装了加热器和PT100温度传感器（TT），用于检测温度的大小。
调节器模块主要有模拟调节器（含比例调节、比例积分调节、比例微分调节、比例积分微分调节）、位式调节器、智能调节器、PLC调节、单片机调节、计算机控制等。
调节器的参数可任意设置。
执行器模块主要有固态继电器、交流电机及水泵、直流电机及水泵等。
通过调节进水流量或电热丝的通断可实现对压力、流量、液位、温度等参数的自动控制。
变送器模块主要有流量变送器（FT）、液位变送器（LT1，LT2）、温度变送器（TT）、压力变送器（PT）等。
变送器的零位、增益可调，并均以标准信号输出。
另外，根据用户需要，配置微机通讯接口单元（RS232），以满足计算机过程控制实验教学的需要。
实验一实验装置的基本操作与仪表调试
一、实验目的
1）、了解系统结构与组成。
2）、了解液位、压力传感器的结构原理与使用方法。
3）、掌握实验装置的基本操作与变送器仪表的调整方法
二、实验设备
TKGK-1实验台、万用表
三、系统结构框图
图1-1、水位、压力、流量控制系统框图
图1-2、温度控制系统结构图
四、实验内容
1、设备组装与检查：
1）、将GK-07、GK-06、GK-05、GK-04挂件由左至右依次挂于实验屏上。
并
将挂件的三蕊插头插于相应插座中。
2）、检查挂件电源开关是否关闭。
3）、用万用表检查挂件的电源保险丝是否完好。
2、系统接线
1）、按照装置使用说明书中的GK-07交流变频调速控制箱的常用使用方法进行接线。
2）、将GK-05正给定信号接至GK-07变频器的VIA与GND端子。
3）、经指导老师检查通过后，进入下一步。
3、启动实验装置：
1）、将实验装置电源插头接到220V市电电源。
2）、打开电源空气开关与电源总钥匙开关。
3）、按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源，电压表指示220V。
4、仪表调整：
在GK-02模块左侧，设有四个控制参数的数显仪表，其输入接线柱分别接LT1、PT、LT2、FT、TT等相应传感器检测信号的输出（标准信号为0~5VDC）。
表头的右侧各有二个电位器，可通过这些电位器调整零位和增益，在传感器校验实验时要使用，同时在实验进行之前，每次都应调整好传感器的零位和增益。
调试步骤如下：
1）、打开阀1、阀3，关闭阀7、阀8，（或者打开阀7、阀8，关闭阀1、阀3）关闭阀2、阀4，然后开启变频器（或直流调速器），启动一个齿轮泵，给上下水箱供水，使其液面上升至10cm高度，关闭变频器。
2）、用三根ø
6的橡皮导气管（约0.6m长），使其一端（上端）竖直地插入上、
下水箱底部（上水箱插两根，下水箱插一根）。
另一端（下端）完全裸露在大气中。
3）、将三根导气管的下端接到三个差压传感器（MPX2010DP）的正压室。
4）、将各增益调节电位器置于中间位置，然后调节零位调节电位器，使LT1
两端的输出电压为3.33V（显示器显示10.00），LT2两端的输出电压为3.33V（显示器显示10.00），PT两端的输出电压为3.33V（显示器显示980）。
5）、开始零位调节：
a、打开阀2、阀4，排空上、下水箱中的水，关闭阀2、阀4。
b、调节“零位调节”电位器，使LT1、LT2和PT输出为零伏，显示器显示为00.00cm。
注：
稳定几分钟后进入下一步。
6）、开始增益调节：
a、启动齿轮泵，使上、下水箱水位上升至于10cm高度，然后再关闭齿轮泵。
b、调节“增益调节”电位器，使LT1、LT2显示器显示10.00cm，Pa显示器显示980Pa。
7）、重复5、6步骤，复调零位和增益，以满足系统要求（传感器输出电压为3.33V伏时，LT1与LT2的显示值为10.00cm，Pa的显示值为980Pa）。
实验二单容水箱液位/压力PID控制系统
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）、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的抗阶跃扰动作用。
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
1）、THGK-1型过程控制实验装置：
2）、万用表一只
3）、秒表一只
4）、计算机系统
三、实验原理
1、压力传感器变送原理简介
1）、扩散硅压力传感器
扩散硅压力传感器是利用单晶硅的压阻效应，采用IC工艺扩散四个等值应
变电阻，组成惠斯登电桥，不受压力作用时，电桥处于平衡状态，当受到压力（或压差）作用时，电桥的一对桥臂电阻变大，另一对变小，电桥失去平衡，若对电桥加一恒定的电压，便可检测到对应于所加压力的电压信号，从而达到测量液体、气体压力大小的目的。
随着传感器制造工艺水平的提高，具有内部温度补偿和校准的高精度，高灵敏度的硅压力传感器已广泛应用于气体压力测量和液位、压力控制系统。
本装置采用的MPX2010DP型传感器，则是在芯片上集成了一个激光敏感调
节电阻，用以偏置校准和温度补偿，它由单个X型压敏电阻代替了以往由4个电阻组成的惠斯登电桥。
MPX2010DP的压力范围为：
0~10Kpa，灵敏度为：
±
0.01KPa（1mmH2O）。
2）、液位（或压力）传器变送原理
空气管传感方式：
将一根管子（如橡皮或塑料）竖直立起，其一端放于液体
容器中，另一端完全敞开，则管子里面的液面与容器中的是完全相同的。
若将管子的上端封住（如接到MPX2010DP的压力面），管子内就会留有一定体积的气体。
当容器内液位变化时，管内空气的压力将会成比例地变化。
2、单容水箱液位/压力控制系统
图2-1、单容水箱液位控制系统的方块图
图2-1为单容水箱液位控制系统。
这是一个单回路反馈控制系统，控制的任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；
减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。
单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。
当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。
因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。
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。
系统从原来的手动操作要切换到自动操作状况，必须是无扰动的，这就要求调节器的输出量能跟踪手动的输出值，同时在切换时应使测量值与给定值无偏差存在。
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）。
在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2-2中的曲线①、②、③所示。
图2-2、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
三、实验内容与步骤
（一）、比例（P）调节器控制
1）、按图2-1所示，将系统接成一阶单回路反馈系统。
其中被控对象是上水箱，被控制量是该水箱的液位高度h1。
2）、把调节器置于“手动”状态，调节器的积分时间常数设置于最大，微分作用的开关处于“关”的位置，比例度设置于最大位置，“正-反”开关拔到“反”的位置，即此时调节器为比例调节（P）。
3）、启动工艺流程并开启相关仪器，进行传感器输出的零点与增益的调整。
在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调到等于给定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处）。
4）、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机系统，为记录过渡过程曲线作好准备。
5）、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，即可将调节器的“手动”开关拨到“自动”状态。
系统即投入闭环运行。
6）、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）。
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。
7）、减小δ，重复步骤5，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
8）、增大δ，重复步骤5，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
9）、选择合适的δ，可以得到较满意的过渡过程曲线。
改变设定值（如设定
值由50％变为60％），同样可以得到一条过渡过程曲线。
10）、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。
（二）、比例积分调节器（PI）控制
1）、在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即把“I”（积分器）由最大处（“关”）旋至中间某一位置，观察被控制量是否能回到设定值，以验证PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。
2）、固定比例度δ值（中等大小），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。
表1不同Ti时的超调量σp
积分时间常数Ti
大
中
小
超调量σp
3）、固定于某一中间值，然后改变δ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。
表2不同δ值下的σp
比例度δ
4）、选择合适的δ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。
此曲线可通过改变设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。
（三）、比例积分微分调节（PID）控制
1）、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D打开。
然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与实验
（二）PI控制下的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。
2）、选择合适的δ、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现）。
3）、秒表和显示仪表记录一条较满意的过渡过程曲线。
（四）、用临界比例度法整定调节器的参数
在实现应用中，PID调节器的参数常用下述实验的方法来确定。
用临界比例度法去整定PID调节器的参数是既方便又实用的。
它的具体做法是：
1）、待系统稳定后，逐步减小调节器的比例度δ，并且每当减小一次比例度δ，待被调量回复到平衡状态后，再手动给系统施加一个5%~15%的阶跃扰动，观察被调量变化的动态过程。
若被调量为衰减的振荡曲线，则应继续减小比例度δ，直到输出响应曲线呈现等幅振荡为止。
如果响应曲线出现发散振荡，则表示比例度调节得过小，应适当增大，使之出现等幅振荡。
图2-2为它的实验方块图。
图2-3、具有比例调节器的闭环系统
2）、在图2-3所示的系统中，当被调量作等幅荡时，此时的比例度δ就是临界比例度，用δk表示之，相应的振荡周期就是临界周期Tk。
据此，按下表可确定PID调节器的三个参数δ、Ti和Td。
图2-4、具有周期TK的等幅振荡
表3用临界比例度δk整定PID调节器的参数
调节器参数
调节器名称
δk
Ti（S）
Td（S）
P
2δk
PI
2.2δk
Tk/1.2
PID
1.6δk
0.5Tk
0.125Tk
3）、必须指出，表格中给出的参数值是对调节器参数的一个初略设计，因为它是根据大量实验而得出的结论。
若要就得更满意的动态过程（例如：
在阶跃作用下，被调参量作4：
1地衰减振荡），则要在表格给出参数的基础上，对δ、Ti（或Td）作适当调整。
四、实验报告要求
1）、画出单容水箱液位控制系统的方块图。
2）、用接好线路的单回路系统进行投运练习，并叙述无扰动切换的方法。
3）、用临界比例度法整定调节器的参数，写出三种调节器的余差和超调量。
4）、作出P调节器控制时，不同δ值下的阶跃响应曲线。
5）、作出PI调节器控制时，不同δ和Ti值时的阶跃响应曲线。
6）、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。
7）、比较P、PI和PID三种调节器对系统无差度和动态性能的影响。
五、注意事项
1）、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。
2）、水泵启动前，出水阀门应关闭，待水泵启动后，再逐渐开启出水阀，直至适当开度。
3）、必须经老师的指导下，启动计算机系统和单片机控制屏。
六、思考题
1）、实验系统在运行前应做好哪能些准备工作？
2）、为什么要强调无扰动切换？
3）、试定性地分析三种调节器的参数δ、（δ、Ti）和（δ、Ti和Td）。
的变化对控制过程各产生什么影响？
4）、如何实现减小或消除余差？
纯比例控制能否消除余差？
实验三双容水箱液位/压力控制系统
一、实验目的
1）、熟悉单回路双容液位控制系统的组成和工作原理。
2）、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的控制性能。
3）、定性地分析P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
GK-03、GK-04、GK-06、GK-07
图3-1、双容水箱液位控制系统的方框图
图3-1为双容水箱液位控制系统。
这也是一个单回路控制系统，它与实验四不同的是有两个水箱相串联，控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度；
具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。
显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于调节器Gc（S）的结构和参数的合理选择。
由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。
对于阶跃输入（包括阶跃扰动），这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度成正比，若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数δ和Ti调节得合理，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的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。
四、实验内容与步骤
1）、按图3-1所示的结构接成单回路的实验系统。
其中被控对象是下水箱，被控制量是下水箱的液位高度。
2）、把调节器置于“手动”状态，其积分是时间常数置于最大处，微分作用开关设在“关”的位置，比例度设置于最大值处，“正-反”开关拔到“反”的方向，即此时的调节器为比例调节（P）。
3）、启动工艺流程并开启相关仪器和计算机程序，在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被调量调到给定值（一般把液面高度控制在水箱高度的50%处）。
4）、观察计算机显示屏的曲线，待被调量基本稳定于给定值后，即可将调节器的开关由“手动”位置拔到“自动”状态，使系统变为闭环控制运行。
5）、待系统的输出趋于平衡不变后，加入阶跃扰动信号（一般可通过改变设定值的大小来实现），经过一段时间运行后，系统进入了新的平衡状态。
利用秒表和LT2液位指示仪表记录整个过渡过程曲线。
6）、观测由计算机显示屏记录的不同比例度δ下的过渡过程曲线，记录系统的余差ess和超调量σp的大小。
表1不同δ值下的余差ess和超调量σp
δ
大
中
小
ess
σp
1）、在比例调节器控制实验的基础上，加上积分作用，即把“I”（积分）由最大处（“关”）旋至中间某一位置，观察被控制量是否能回到原设定值的位置，以验证系统在PI调节器控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。
2）、固定比例度δ值（中等大小），然后改变调节器的积分时间常数Ti值。
观察加上阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同值时的超调量σp。
表2不同Ti时的超调量σp
超调量σp
3）、固定Ti于某一中等大小的值，然后改变比例度δ的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同δ值下超调量。
必须指出过小的δ和过小的Ti都有会导致系统的不稳定。
表3不同δ值时的超调量σp
4）、选择合适的δ和Ti值，使系统对阶跃输入（包括扰动）的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。
此曲线可通过改变设定值（设定值由50%变为60%）来获得。
（三）、比例积分微分调节器（PID）控制
然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与实验
（二）PI控制下的曲线相比较，以看出微分D对系统性能的影响。
2）、选择合适的δ、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从50%增至60%来实现）。
在实际应用中，PID调节器的参数常用下述实验的方法来确定，具体的做法是：
1）、待系统稳定后，逐步减小调节器的比例度δ，并且每减小一次比例度，待被调量回复到平衡状态后，再手动给系统施加一个5%~15%的阶跃扰动，然后观察被调量变化的动态过程。
若被调量为衰减的振荡曲线，则应继续减小比例度δ，直到输出响应曲线是等幅振荡为止，如应曲线出现发散振荡，则表示比例度δ调得过小，应适当增大δ，使之变为等幅振荡。
图3-2为该系统的实验方块图。
图3-2、具有比例调节器的闭环的系统
2）、在图3-2所示的系统中，当被调量作等幅荡时，此时的比例度就是临界比例度δ，用δK表示之，相应的振荡周期就是临界周期Tk，根据图3-3所示的振荡曲线，按下表可确定PID调节器的三个参数δ和Ti、Td。
图3-3、具有周期Tk的等幅振荡
表4用临界比例度δK整定PID调节器的参数
Td（S）
3）、必须指出，表格中给出的参数仅是对调节器参数的一个初步调整，有可能系统的动态性能不够理想。
因为表中数据是建立在大量实验基础上得出的结论。
若要获得更满意的动态过程（例如在阶跃作用下，输出作4：
1地衰减振荡），则应对表格中给出的参数稍作适当调整。
五、实验报告要求
1）、画出双容水箱液位控制实验系统的结构图。
2）、按图3-2要求接好实验线路，经老师检查无误后投入运行。
3）、用临界比例度法整定三种调节器的参数，并分别列出系统在这三种调节器控制下的余差和超调量。
6）、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D对系统性能的影响。
7）、综合评价P、PI、和PID三种调节器对系统性能的影响。
六、注意事项
3）、在老师的指导下，开启单片机控制屏和计算机系统。
七、思考题
1）、实验系统在运行前应做好哪些准备工作？
2）、为什么双容液位控制系统比单容液位控制系统难于稳定？
3）、有人说：
由于积分作用增强，系统会不稳定，为此在积分作用增强的同时应增大比例度δ，你认为对吗？
为什么？
4）、试用控制原理的相关理论分析PID调节器的微分作用为什么不能太大？
5）、为什么微分作用的引入必须缓慢进行？
这时的比例度δ是否要改变？
6）、调节器参数（δ、Ti和Td）的改变对整个控制过程有什么影响？
实验四单容液位（上小水箱）PLC控制实验
——应用PPI/PC通讯电缆、MCGS组态软件（30分钟学习版）——
1）、了解S7200PLC可编程控制器的模拟量输入/输出控制功能。
2）、熟悉PLC可编程软件、MCGS组态软件的使用。
3）、通过对单容小水箱液位PID调节组态软件使用，熟悉PLC的编程及MCGS软件的组态方法。
1）、TKGK-1型过程控制实验装置
2）、GK07、GK08挂件
3）、上位计算机及软件
应用西门子PLC模拟量输入/输出控制及PLC-S7200能实现PID算法的功能。
设计一个以上小水箱液位为控制对象，以变频器为执行机构，西门子S7200为调节器的实验
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