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过程控制课程设计指导书

AE2000型

过程控制实验系统使用手册

DDC

实验指导书

第一章DDC控制简述

自动化技术是当今举世瞩目的高技术之一，也是今后实现工业高度自动化重点要发展的一个高科技领域。

现代科学技术领域中，计算机技术和自动化技术被认为是发展最为迅速的两个分支，计算机控制技术是这两个分支相结合的产物，是工业自动化的重要支柱。

计算机控制可分为集中控制、分布式控制和直接数字控制等。

直接数字控制（DDC）系统是用一台工业计算机配以适当的输入输出设备，从生产过程中经输入通道获取信息，按照预先规定的控制算法（如PID、内回流等）计算出控制量，并通过输出通道，直接作用在执行机构上，实现对整个生产、实验过程的闭环控制，通常它有几十个控制回路。

它的框图如图1-1所示从上图可看出，

实验过程中的各种物理量（如温度、压力、流量、液位等），由一次仪表（如温度变送器、压力变送器等）测量放大，统一变换为4~20mA（或1-5V）信号，通过ICP8017模数转换，作为DDC的输入，计算机按照预定的控制程序，对被测量进行必要的处理、分析和比较，并按一定的规律（如PID控制规律）进行运算，从而得出控制量的改变值，输出到ICP8024数模转换直接控制执行机构。

ICP8017是带通讯功能的AD采集卡，ICP8024是带通讯功能的DA输出卡。

作为工控机AD采集卡的延伸产品在工控领域得到了广泛的应用。

（一）、输入模块的功能介绍：

输入模块：

8通道模拟量输入模块。

工作电源：

直流24V

输入类型：

电压、电流。

输入范围：

150~150mv,-500~500mv,-1~1v,-5~5v,-10~10v,-2~20mA

通讯方式：

485通讯

任一通道接线图：

ICP8017模块外部接线图：

图1-2ICP8017某一通道接线图

图1-3ICP8017接线图

ICP8024模块：

4路电压型模拟量输出，4路电流型模拟量输出。

工作电源：

直流24V

电流输出范围：

0~20mA,4~20mA

电压输出范围：

-10v~10v,0~10v,-5~5v,0~5v

通讯方式：

485通讯

ICP8024模块外部接线图：

任一通道接线方式：

图1-4ICP8024接线图

图1-5ICP8024接线图

（二）、7000Utility软件的使用说明

如图所示：

图1-67000Utility软件启动界面

图1-77000Utility软件设置界面

图1-87000Utility软件通讯检测界面

7000Utility软件主要是为7000系列的模块提供以下功能：

检测与主机相连的7000系列模块。

设置7000系列的配置。

对7000系列各个模块执行数据输入或数据输出。

保存检测到模块的信息（文件格式为*.map）

三）、MCGS组态软件的介绍：

MCGS组态软件的安装盘只有一张光盘。

具体安装步骤如下：

l 启动Windows；

l在相应的驱动器中插入光盘；

l 插入光盘后会自动弹出MCGS安装程序窗口（如没有窗口弹出，则从Windows的“开始”菜单中，选择“运行...“命令，运行光盘中AutoRun.exe文件），MCGS安装程序窗口如下图所示：

l 在安装程序窗口中选择“安装MCGS组态软件通用版”，启动安装程序开始安装；

随后，安装程序将提示你指定安装目录，用户不指定时，系统缺省安装到D:

\MCGS目录下，如下图所示：

l安装过程大约要持续数分钟；MCGS系统文件安装完成后，安装程序要建立象标群组和安装数据库引擎，这一过程可能持续几分钟，请耐心等待；

安装过程完成后，安装程序将弹出“安装完成”对话框，上面有两个复选框，重新启动计算机和不启动计算机。

一般在计算机上初次安装时需要选择重新启动计算机。

按下“完成”按钮，将结束安装程序的运行，如下图所示：

l  安装完成后，Windows操作系统的桌面上添加了如下图所示的两个图标，分别用于启动MCGS组态环境和运行环境：

l  同时，Windows开始菜单中也添加了相应的MCGS程序组，如下图所示；MCGS程序组包括五项：

MCGS组态环境、MCGS运行环境、MCGS电子文档、MCGS自述文件以及卸载MCGS组态软件。

运行环境和组态环境为软件的主体程序，自述文件描述了软件发行时的最后信息，MCGS电子文档则包含了有关MCGS最新的帮助信息。

MCGS系统的运行方式

MCGS系统分为组态环境和运行环境两个部分。

文件McgsSet.exe对应于MCGS系统的组态环境，文件McgsRun.exe对应于MCGS系统的运行环境。

此外，系统还提供了几个组态完好的样例工程文件，用于演示系统的基本功能。

MCGS系统安装完成后，在用户指定的目录（或系统缺省目录D:

\MCGS）下创建有三个子目录：

Program、Samples和Work。

组态环境和运行环境对应的两个执行文件以及MCGS中用到的设备驱动、动画构件及策略构件存放在子目录Program中，样例工程文件存放在Samples目录下，Work子目录则是用户的缺省工作目录。

分别运行执行程序McgsSet.exe和McgsRun.exe，就能进入MCGS的组态环境和运行环境。

安装完毕后，运行环境能自动加载并运行样例工程。

用户可根据需要创建和运行自己的新工程。

（三）、ICP7000计算机组态介绍

ICP7000通过RS485转232通讯硬件和组态软件进行设备通讯组态，可采集到ICP8017输入模块送来的（如：

液位、温度、流量）检测信号，在组态软件里编写（液位、温度、流量）PID控制算法，由计算机送出输出控制信号到ICP8024再经由他们送出到执行机构的控制端，即可组成闭环控制。

通过画面组态，动画组态和策略组态等，可以良好的完成计算机动态实时监控对象的运行情况。

并作出丰富的动态实时、历史图形曲线。

1、组态说明：

组态一共可以分主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库、运行策略5大块内容，完成这五项，即完成的组态的全过程。

在用户窗口选项菜单里，所有的计算机监控界面组态窗口都在用户窗口菜单项里建立。

如下图所示：

ICP8017和ICP8024数据采集是通过下图所示的设备窗口组态来完成的。

详细设置请参看组态软件的帮助文档。

根据不同的实验需要采集的数据不同，设置不同的通道，本装置同时提供4路电压输入通道。

若实验中只要用到一个通道，则不同的实验可以共用一个通道。

比如:

通道AD0上的数据对象为pv1,那么流量、温度、液位等都可以通过这个通道采集上来，只是需要在用户窗口里的控制脚本中把pv1转化为流量、温度、液位的对应值即可。

通道组态连接表：

实验名称

ICP8017通道值

ICP8024通道值

接入信号

数据对象

对应通道号

数据对象

通道号

实验一、一阶单容系统对象特性测试实验

上水箱液位

pv1

AD0

OP2

DA0

实验二、二阶双容系统对象特性测试实验

下水箱液位

pv1

AD0

OP2

DA0

实验三、锅炉内胆温度二位式控制实验

锅炉水温

pv1

AD0

OP2

DA0

实验四、上水箱液位PID整定实验

上水箱液位

pv1

AD0

OP2

DA0

实验五、双容下小水箱液位控制实验

下水箱液位

pv1

AD0

OP2

DA0

实验六、锅炉内胆温度控制实验（动态）

锅炉水温

pv1

AD0

OP2

DA0

实验七、锅炉夹套温度控制实验（动态）

夹套

pv1

AD0

OP2

DA0

实验八、电磁流量计流量控制实验

电磁流量

pv1

AD0

OP2

DA0

实验九、上下水箱液位串级控制实验

下水箱液位

上水箱液位

pv1（主控）

pv2（副控）

AD0

AD1

OP4

DA1

实验十、锅炉内胆温度和夹套温度串级控制实验

夹套温度

内胆温度

pv1（主控）

pv2（副控）

AD0

AD1

OP4

DA1

下图所示是主画面的组态界面：

包括对象的动力支路演示、实时液位的跟踪、给定值的设定、参数的调节、实时曲线和历史曲线的记录、通讯状态的指示等。

下图所示的是实时数据库选项：

在实时数据库里建立数据对象名称，组态里需要用到的变量（如液位、温度、流量、中间变量、比例、积分、微分等）均在此定义，且一个变量对应一个点，点数不能超过128点，若超过128点，运行将出错。

在组态环境运行组态好的程序可以直接按F5或点击

按钮即可进入运行环境。

实验一、一阶单容水箱对象特性测试实验

（AE2000型DDC）

一、实验目的

1.熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

2.根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。

二、实验设备

AE2000型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。

三、系统结构框图

单容水箱的系统结构框图如图1-1所示。

图1-1单容水箱系统结构图

四、实验原理

阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。

然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。

图解法是确定模型参数的一种实用方法。

不同的模型结构，有不同的图解方法。

单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。

如图2-1所示，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。

根据物料动态平衡的关系，求得：

在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

式中，T为水箱的时间常数（注意：

阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R2*C，K=R2为单容对象的放大倍数，R1、R2分别为V1、V2阀的液阻，C为水箱的容量系数。

令输入流量Q1的阶跃变化量为R0，其拉氏变换式为Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为：

当t=T时，则有：

h（T）=KR0（1-e-1）=0.632KR0=0.632h（∞）

即h（t）=KR0（1-e-t/T）

当t→∞时，h（∞）=KR0，因而有

K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入

一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1-2所示。

当由实验求得图1-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应时间，就是水箱的时间常数T，该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T，其理论依据是：

上式表示h（t）若以在原点时的速度h（∞）/T恒速变化，即只要花T秒时间就可达到稳态值h（∞）。

图1-2阶跃响应曲线

五、实验内容和步骤

1、设备的连接和检查

1）.往AE2000型过程控制对象的储水箱灌水，水位达到总高度的90％以上时停止灌水。

2）.打开以丹麦泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。

3）.打开上水箱出水阀，开至适当的开度。

4）.检查电源开关是否关闭。

2、系统连线

1）.如图1-3所示，将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到1～5V位置。

2）.将上水箱液位+（正极）接到ICP8017的AI0+端，上水箱液位－（负极）接到ICP8017的AI0－端。

3）.将ICP8024的AO0+端接至电动调节阀的4~20mA输入端的+端（即正极），将ICP8024的AO0－端接至气动调节阀的4~20mA输入端的－端（即负极）。

4）.电源控制板上的电源空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。

图1-3实验连线图

3、启动实验装置

1）.将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。

2）.打开电源带漏电保护空气开关。

3）.打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。

4、实验步骤

1）.开启24VDC电源开关和ICP8017、8024电源开关。

2）.启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验如图1-4所示：

图1-4、实验软件界面

3）.点击设置输出按钮，设定输出值的大小，这个值根据阀门开度的大小来给定，一般初次设定值<25。

开启单相泵电源开关，启动动力支路。

将被控参数液位高度控制在20%处（一般为7cm）。

4）.观察系统的被调量：

上水箱的水位是否趋于平衡状态。

若已平衡，应记录调节仪输出值，以及水箱水位的高度h1和8024的测量显示值并填入表1-1。

表1-1

8024输出值（0~100）

水箱水位高度h1（cm）

5）.迅速增加手动输出值，增加5%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，它们均可在上位软件上获得。

以所获得的数据绘制变化曲线。

表1-2

T（秒）

水箱水位

h1（cm）

6）.直到进入新的平衡状态。

再次记录平衡时的下列数据，并填入表1-3。

表1-3

8024输出值（0~100）

水箱水位高度h1（cm）

7）.将仪表输出值调回到步骤5）前的位置，再记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。

填入表1-4。

表1-4

t（秒）

水箱水位

h1（cm）

8）.重复上述实验步骤。

六、实验报告要求

1、作出一阶环节的阶跃响应曲线。

2、根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。

七、注意事项

1、本实验过程中，出水阀不得任意改变开度大小。

2、阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止因读数误差和其他随机干扰影响对象特性参数的精确度。

一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。

3、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。

八、思考题

1、在做本实验时，为什么不能任意上水箱出水阀变化阀的开度大小？

2、用两点法和用切线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点?

实验二、二阶双容中水箱对象特性测试实验

（仪表）

一、实验目的

1.熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

2.根据实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的飞升特性。

二、实验设备

AE2000型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。

三、实验原理

双容水箱的系统结构框图如图2-1所示。

图2-1双容水箱系统结构图

图2-2变化曲线

如图2-1所示，这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，输出量是下水箱的水位h2。

当输入量有一个阶跃增加ΔQ1时，输出量变化的反应曲线如图2-2所示的Δh2曲线。

它不再是简单的指数曲线，而是就使调节对象的飞升特性在时间上更加落后一步。

在图中S形曲线的拐点P上作切线，它在时间轴上截出一段时间O上。

这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此，称容量滞后，通常以τC代表之。

设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度h2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：

式中K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分别为阀V2和V3的液阻，C1和C2分别为上水箱和中水箱的容量系数。

式中的K、T1和T2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。

具体做法是在图2-3所示的阶跃响应曲线上取：

1）、h2（t）稳态值的渐近线h2（∞）；

2）、h2（t）|t=t1=0.4h2（∞）时曲线上的点上和对应的时间t1；

3）、h2（t）|t=t2=0.8h2（∞）时曲线上的点B和对应的时间t2。

然后，利用下面的近似公式计算式2-1中的参数K、T1和T2。

其中：

对于式（2-1）所示的二阶过程，0.32〈t1/t2〈0.46。

当t1/t2=0.32时，可近似为一阶环节；当t1/t2=0.46时，过程的传递函数G（S）=K/（TS+1）2（此时T1=T2=T=（t1+t2）/2*2.18）

图2-3阶跃响应曲线

四、实验步骤

1、设备的连接和检查

1）.打开以水泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。

2）.打开上水箱泄水阀和中水箱的泄水阀，开至适当的开度。

3）.检查电源开关是否关闭。

2、系统连线

接线如图2-4所示：

图2-4实验接线图

1）.将中水箱液位信号智接到智能调节仪1的模拟输入通道1。

2）.将调节阀控制信号接到智能调节仪1的模拟输出通道3。

3）.电源控制板上的电源空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。

4）.调节阀的~220V电源开关打在关的位置。

5）.智能调节仪的~220V电源开关打在关的位置。

3、启动实验装置

1）.将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。

2）.打开电源带漏电保护空气开关。

3）.打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。

4、实验步骤

1）.开启24VDC电源开关，中水箱液位传感器输出信号为1~5V电压信号，调整好仪表输入规格参数与其他各项参数，开始校准液位传感器的零位和增益，仪表输出方式设为手动输出，初始值为0。

2）.启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验界面如图2-5所示。

图2-5实验软件界面

3）.开启水泵电源开关，启动动力支路，手动将仪表的输出值迅速上升到小于等于10，将被控参数液位高度控制在20%处（一般为5cm）。

4）.观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。

若已平衡，应记录调节仪输出值，以及水箱水位的高度h2和智能仪表的测量显示值并填入表2-5。

表2-5

仪表输出值（0~100）

水箱水位高度h2（cm）

仪表显示值（cm）

5）.迅速增加仪表手动输出值，增加10%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，均可在上位软件上获得各项参数和数据，并绘制过程变化曲线。

表2-6

T（秒）

水箱水位

h2（cm）

仪表读数（cm）

6）.直到进入新的平衡状态。

再次记录测量数据，并填入表2-7。

表2-7

仪表输出值（0~100）

水箱水位高度h2（cm）

仪表显示值（cm）

7）.将仪表输出值调回到步骤5）前的位置，再记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。

填入表2-8。

表2-8

T（秒）

水箱水位

h2（cm）

仪表读数

（cm）

8）.重复上述实验步骤。

注：

图2-5实验结果是在阀门开度60％，泄水阀全开的情况下得到的。

五、注意事项

1、实验过程中，上中水箱的出水阀不得任意改变开度大小。

2、阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止影响对象特性参数的精确性。

一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。

3、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。

六、实验报告要求

i.作出二阶环节的阶跃响应曲线。

ii.根据实验原理中所述的方法，求出二阶环节的相关参数。

iii.试比较二阶环节和一阶环节的不同之处。

七、思考题

1、在做本实验时，为什么不能任意变化下水箱泄水阀的开度大小？

2、用两点法和用切线法对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点？

实验三、单容水箱液位PID整定实验

（DDC）

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

AE2000型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。

三、实验原理

图4-1

图4-1为单回路上水箱液位控制系统。

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上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，采用工业智能仪表控制。

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。

对于我们的实验系统，在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图4-2中的曲线①、②、③所示。

图4-2P、PI和PID调节的阶跃响应曲线

四、实验内容和步骤

1、设备的连接和检查

1）.往AE2000型过程控制对象的储水箱灌水，水位达到总高度的90％以上时停止灌水。

2）.打开以丹麦泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。

3）.打开上水箱出水阀开至适当的开度。

4）.检查电源开关是否关闭。

2、系统连线如图4-3所示：

图4-3上水箱液位PID参数整定控制接线图

1）.将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到1～5V位置。

2）.将上水箱液位+（正极）接到ICP8017的AI0+端，上水箱液位－（负极）接到ICP8017的AI0－端。

3）.将ICP8024的AO0+端接至电动调节阀的4~20mA输入端的+端（即正极），将ICP8024的AO0－端接至电动调节阀的4~20mA输入端的－端（即负极）。

4）.电源控制板上的电源空气开关、单相泵电