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过程控制专业实训

实训一双容水箱特性的测试…………………………………………1

实训二双容水箱液位定值控制系统…………………………………7

实训三锅炉内胆水温位式控制系统…………………………………9

实训四水箱液位串级控制系统………………………………………12

实训五下水箱液位与进水流量的串级控制系统……………………17

实训六下水箱液位的前馈-反馈控制系统……………………………20

总结………………………………………………………………………23

实训一双容水箱特性的测试

一、实训目的

1．掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；

2．根据由实训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、实训设备（同前）

三、原理说明

图1双容水箱对象特性测试系统

（a）结构图（b）方框图

由图1-1所示，被测对象由两个不同容积的水箱相串联组成，故称其为双容对象。

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。

根据本章第一节单容水箱特性测试的原理，可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：

G（s）=G1（s）G2（s）=

（1-1）

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。

本实训中被测量为下水箱的液位，当中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1-2所示。

由图1-2可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图1-2（a））；而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图1-2（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1-2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

双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。

在图1-3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=t2=0.8h2（∞）时曲线上的点C和对应的时间t2。

图1-3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

（1-2）

（1-3）

（1-4）

0.32〈t1/t2〈0.46

由上述两式中解出T1和T2，于是得到如式（1-1）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

。

于是得到双容滞后（二阶滞后）对象的传递函数为：

G（S）=

（1-4）

四、实训内容与步骤

本实训选择中水箱和下水箱串联作为被测对象（也可选择上水箱和中水箱）。

实训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、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求F1-10开度稍大于F1-11的开度），其余阀门均关闭。

具体实训内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实训与用户所购的硬件设备有关，可根据实训需要选做或全做。

智能仪表控制步骤如下：

1．将SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照本章第一节控制屏接线图2-3连接实训系统。

将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。

2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。

3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实训二、双容自衡水箱对象特性测试”，进入实训二的监控界面。

4．在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”输出，并将输出值设置为一个合适的值（一般为最大值的40～70%，不宜过大，以免水箱中水溢出），此操作需通过调节仪表实现。

5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。

6．液位平衡后，突增（或突减）仪表输出量的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录下此时的仪表输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如图1-4所示。

图1-4双容水箱液位阶跃响应曲线

7．根据前面记录的液位和仪表输出值，按公式（1-2）计算K值，再根据图1-3中的实训曲线求得T1、T2值，写出对象的传递函数。

五、实训结果

1．双容水箱液位特性测试实训的结构框图。

2．根据实训得到的数据及曲线，分析并计算出双容水箱液位对象的参数及传递函数。

六、思考题

1．做本实训时，为什么不能任意改变两个出水阀门开度的大小？

答：

如果改变会影响实训的稳定，对所设置的给定值产生影响。

2．用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？

答：

与K和T有关。

3．如果采用上水箱和中水箱做实训，其响应曲线与用中水箱和下水箱做实训的曲线有什么异同？

并分析差异原因。

4．引起双容对象滞后的因素主要有哪些？

答：

因素有K、T及时间常数。

实训二双容水箱液位定值控制系统

一、实训目的

1．通过实训进一步了解双容水箱液位的特性。

2．掌握双容水箱液位控制系统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。

4．研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。

5．掌握双容液位定值控制系统采用不同控制方案的实现过程。

二、实训设备（同前）

三、实训原理

本实训以中水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。

要求下水箱液位稳定至给定量，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，以达到控制下水箱液位的目的。

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。

调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。

本实训系统结构图和方框图如图2-1所示。

图2-1双容液位定值控制系统

四、实训内容与步骤

本实训选择中水箱和下水箱串联作为双容对象（也可选择上水箱和中水箱）。

实训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、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。

具体实训内容与步骤可根据本实训的目的与原理参照前一节单容液位定值控制中的相应方案进行。

实训的接线与第二章第一节单容对象特性测试的接线图完全一样。

值得注意的是手自动切换的时间为：

当中水箱液位基本稳定不变（一般约为3～5cm）且下水箱的液位趋于给定值时切换为最佳。

五、实训结果

1．双容水箱液位定值控制实训的结构框图。

2．根据实训数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。

、

实训三锅炉内胆水温定值控制系统

一、实训目的

1．了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。

2．研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用。

3．了解PID参数自整定的方法及其参数整定在整个系统中的重要性。

4．分析锅炉内胆动态水温与静态水温在控制效果上有何不同之处？

二、实训设备（同前）

三、实训原理

本实训以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。

本实训要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻TT1检测到的锅炉内胆温度信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。

在锅炉内胆水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于加热过程容量时延较大，所以其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。

本实训系统结构图和方框图如图3-15所示。

图3-1锅炉内胆温度特性测试系统

可以采用两种方案对锅炉内胆的水温进行控制：

（一）锅炉夹套不加冷却水（静态）

（二）锅炉夹套加冷却水（动态）

显然，两种方案的控制效果是不一样的，后者比前者的升温过程稍慢，降温过程稍快，过渡过程时间稍短。

四、实训内容与步骤

本实训选择锅炉内胆水温作为被控对象，实训之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F2-1、F2-6、F1-13全开，将锅炉出水阀门F2-12关闭，其余阀门也关闭。

将变频器输出A、B、C三端连接到三相磁力驱动泵（220V），打开变频器电源并手动调节其频率，给锅炉内胆贮一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的红线位置），然后关闭阀F1-13，打开阀F1-12，为给锅炉夹套供冷水做好准备。

具体实训内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实训与用户所购的硬件设备有关，可根据实训需要选做或全做。

智能仪表控制步骤如下：

1．将SA-11、SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照第二章第三节的控制屏接线图2-14连接实训系统。

2．接通总电源空气开关和钥匙开关，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给智能仪表上电。

3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实训六、锅炉内胆水温定值控制”，进入实训六的监控界面。

4．在上位机监控界面中点击“启动仪表”，将智能仪表设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。

5．合上三相电源空气开关，三相电加热管通电加热，适当增加/减少智能仪表的输出量，使锅炉内胆的水温平衡于设定值。

6．按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PID控制规律，并按整定后的PID参数进行调节器参数设置。

7．待锅炉内胆水温稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待水温平衡后，突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，一般为设定值的5％～15%为宜），于是锅炉内胆的水温便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水温稳定至新的设定值，记录此时智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，内胆水温的响应过程曲线将如图3-16所示。

图3-2锅炉内胆水温阶跃响应曲线

8．适量改变调节仪的PID参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。

9．打开变频器电源开关，给变频器上电，将变频器设置在适当的频率（19Hz左右），变频器支路开始往锅炉夹套打冷水，重复步骤4～8，观察实训的过程曲线与前面不加冷水的过程有何不同。

10．分别采用P、PI、PD控制规律重复实训，观察在不同的PID参数值下，系统的阶跃响应曲线。

五、实训结果

根据实训数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。

六、思考题

为什么内胆动态水的温度控制比静态水时的温度控制更容易稳定，动态性能更好？

答：

因为温度是动态的，所以内胆动态水的温度动态性能更好。

实训四水箱液位串级控制系统

一、实训目的

1．通过实训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．了解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、实训设备（同前）

三、实训原理

本实训为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。

主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主控制量。

副控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，中水箱的液位为系统的副控制量。

主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。

副调节器的的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制下水箱液位的目的。

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，系统的主调节器应为PI或PID控制。

由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P调节器。

本实训系统结构图和方框图如图5-2所示。

图4-1水箱液位串级控制系统

（a）结构图（b）方框图

四、实训内容与步骤

本实训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）。

实训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、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。

具体实训内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实训与用户所购的硬件设备有关，可根据实训需要选做或全做。

智能仪表控制步骤如下：

1．将两个SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实训系统。

将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“OFF”的位置，将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。

图4-2智能仪表控制水箱液位串级控制实训接线图

2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表1及电动调节阀上电。

3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实训十、水箱液位串级控制系统”，进入实训十的监控界面。

4．在上位机监控界面中点击“启动仪表1”、“启动仪表2”。

将主控仪表设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。

5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少主调节器的输出量，使下水箱的液位平衡于设定值，且中水箱液位也稳定于某一值（此值一般为3～5cm，以免超调过大，水箱断流或溢流）。

6．按本章第一节中任一种整定方法整定调节器参数，并按整定得到的参数进行调节器设定。

7．待液位稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：

（1）突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；

（2）打开阀门F2-1、F2-4（或F2-5），用变频器支路以较小频率给中水箱（或下水箱）打水。

（干扰作用在主对象或副对象）

（3）将阀F1-5、F1-13开至适当开度（改变负载）；

（4）将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；

以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。

加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，下水箱液位的响应过程曲线将如图5-4所示。

图4-3下水箱液位阶跃响应曲线

8．适量改变主、副控调节仪的PID参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。

五、实训报告要求

1．水箱液位串级控制系统的结构框图。

2．扰动分别作用于主、副对象时系统输出的响应曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。

六、思考题

1．试述串级控制系统为什么对主扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力？

如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时，二次扰动对主控制量的影响是否仍很小，为什么？

答：

因为串级控制有主、副两个回路，且有主、副两个调节器，所以对主扰动具有很强的抗扰能力。

因为串级控制系统主要受主对象的时间常数影响。

实训五下水箱液位与进水流量的串级控制系统

一、实训目的

1.了解液位-流量串级控制系统的组成原理。

2.掌握液位-流量串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。

3.了解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-流量出串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。

二、实训设备（同前）

三、实训原理

本实训系统的主控量为下水箱的液位高度h，副控制量为电动调节阀支路流量q，它是一个辅助的控制变量。

系统由主、副两个回路所组成。

主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控制量h等于给定值，因而系统的主调节器应为PI或者PID控制。

副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现住调节器输出的变化规律，以达到对主控制量h的控制目的，因而副调节器可采用P控制。

但选择流量作福控参数时，为了保持系统稳定，比例度必须选的较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用，即采用PI控制器了。

引入积分作用的目的不是消除静差，而是增强控制作用。

显然，由于副对象管道的时间常数小于主对象下水箱的时间常数，因而当主扰动作用于副回路时，通过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响。

四、实训内容与步骤

本实训选择下水箱和电动调节阀支路组成串级控制系统。

实训之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度，其余阀门均关闭。

本实训采用智能仪表控制，步骤如下：

1.将两个SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2。

将“FT1电动阀支路流量”钮子开关拨到“OFF”的位置，将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。

2.接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器及涡轮流量计上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表1及电动阀上电。

3.打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，进入该实训监控界面。

4.在上位机监控界面中点击“启动仪表1”“启动仪表2”。

将主控仪表设置手动，并将输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。

5.合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适合增加/减少主控仪表的输出量，使下水箱的液位平衡于设定值。

6.按照以前的方法进行整定调节器的参数。

7.待下水箱进水流量相对稳定，且其液位稳定于给定值时，将调节器切换到自动状态，待液位平衡后，通过以下加干扰，突增仪表设定值的大小，使其有一个正阶跃增量的变化。

将阀F1-5、F1-13开至适当开度。

8.适量改变调节仪的PID参数，重复7步骤，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。

五、实训报告要求

1．液位-流量串级控制系统的结构框图。

2.扰动分别作用于主、副对象时系统输出的响应曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。

六、思考题

1.试简述串级控制系统设置副回路的主要原因有哪些？

答：

由于副对象管道的时间常数小于主对象下水箱的时间常数，因而当主扰动作用于副回路时，通过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响。

2.为什么本实训中副调节器采用PI调节器而不用P调节器？

答：

因为主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控制量h等于给定值，因而系统的主调节器应为PI或者PID控制。

而不采用P调节器。

实训六下水箱液位的前馈-反馈控制系统

一、实训目的

1.通过本实训进一步了解液位前馈-反馈控制系统的结构与原理。

2.掌握前馈补偿器的设计与调试方法。

3.掌握前馈-反馈控制系统参数的整定与投运方法。

二、实训设备（同前）

三、实训原理

本实训被控制量为下水箱的液位h，主扰动量为变频器支路的流量本实训要求下水箱液位稳定到给定值，将压力传感器LT3检测到下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，以达到控制下水箱液位的目的，而扰动量经过前馈补偿器后直接叠加在调节器的输出，以抵消扰动对被控对象的影响。

四、实训内容与步骤

本实训选择中水箱和下水箱串联作为被控对象。

实训之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7、F2-1、F2-5全开，将阀门F1-1Q、F1-11开至适当开度，其余阀门均关闭。

本实训采用智能仪表控制，步骤如下：

1.将SA-11、SA-12、SA-14挂件挂到屏上，并将SA-12挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2。

将“FT2电动阀支路流量”钮子开关拨到“ON”的位置，将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。

2.接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器及涡轮流量计上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表1及电动阀上电。

3.打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，进入该实训监控界面。

4.在上位机监控界面中将主控仪表设置手动，并将输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。

5.合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适合增加/减少主控仪表的输出量，使下水箱的液位平衡于设定值。

6.按照单回路的整定方法进行整定调节器的参数。

7.待下水箱进水流量相对稳定，且其液位稳定于给定值时，将调节器切换到自动状态，待液位平衡后，打开阀门F2-4或F2-5，合上单相Ⅱ电源空气开关启动变频器支路以较小频率给中水下个打水加干扰，记录下水箱液位的响应过程曲线。

8.将前馈补偿去掉，即构成双容液位定值控制系统，重复7步骤，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。

比较该曲线与加前馈补偿的试验曲线有什么不同。

五、实训报告要求

1．下水箱液位前馈-反馈控制系统的结构框图。

2．实训数据和曲线，分析系统在相同扰动作用下，加入前馈补偿与不加前馈补偿的动态性能。

六、思考题

1.对一种扰动设计的前馈补偿装置，对其他形式的扰动是否也使用？

答：

不一定。

2.有了前馈补偿器后，试问反馈控制系统部分是否还具有康扰动的功能？

答：

有

总结与致谢

三周专业实训结束了，回想起来正的是受益匪浅，在指导老师的带领下，我们完成了专业实训的所有内容。

这次实训安排在我们大学的最后一年，又是一次与专业十分紧扣的实训，对我们在以后的工作中起到一定的作用，在实训中，我们对双容液位的特性、双容液位的串级控制、定值控制、前馈—反馈控制系统、锅炉内胆水温定值控制等方面做啦进一步的研究，通过在组态软件上模拟，与水箱进行总体的实训，得出系统的结构框图及历史曲线图，进一步的学习过程控制。

这次实训不只是一次实训，它不仅在锻炼我们学习的过程中，而且需要我们有团队的精神，记得有一次，我们对流量滞后控制系统不是很掌握，大家在忙活半天后还是做不出来，最后在老师的指导下顺利完成。

所以这次实训要特别感谢我们的指导老师及曾经帮助过我们的学生，更要感谢学校给我们安排的这次实训。