控制技术与系统课程实验指导书THJ2.docx

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控制技术与系统课程实验指导书THJ2

控制技术与系统课实验指导书

实验项目

实验准备、差压传感器的零点迁移和性能测试…………………………2

实验一、大水箱液位控制系统　………………………………………5

实验二、上、下小水箱液位串级控制系统…………………………9

测控技术与仪器专业《控制技术与系统课程实验》是为了配合控制技术与系统课程的教学而设置的实践教学环节。

该实验是完成教学计划达到学生培养目标的重要环节，是教学计划中进行综合训练的重要实践环节，是有助于培养应用性人才的一种教学形式，它将使学生在综合运用所学知识，解决本专业方向的实际问题方面得到系统性的训练。

学生在进行综合实验后可掌握以下内容：

1、传感器特性的认识和零点迁移；

2、自动化仪表的综合认识及使用；

3、电动调节阀的调节特性和原理；

4、单回路控制系统的控制参数整定；

5、复杂控制回路系统的控制参数整定；

6、控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力的培养。

实验过程的基本程序：

1、明确实验目的；

2、提出实验方案；

3、画实验接线图；

4、进行实验操作，做好观测和记录；

5、整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。

实验准备、差压传感器的零点迁移和性能测试

一、实验目的：

（1）了解差压传感器的结构原理和使用方法。

（2）掌握差压传感器零点的迁移方法。

（3）测试和分析差压传感器的特性。

二、实验设备：

（1）THJ-2型高级过程控制系统实验装置；

（2）万用表1只；

（3）小一字螺丝刀1把。

三、实验原理：

1、差压传感器零点的迁移

在使用差压传感器测量水箱液位时，其差压△P（△P=P正-P负）与水箱液位高度H之间有着如下的关系：

△P=ρ*g*H

式中ρ为液体密度，g为重力加速度。

在“无迁移”时，即H=0，作用在正、负压室的压力应该相等。

然而，　　　　图0-1、差压传感器

在实际应用中，由于多种原因常会出现当H=0时，△P≠0的情况，如图0-1中的直线

（1）所示。

H=0时，变送器的输出不为4mA；H=Hmax时，变送器输出不为20mA。

零点迁移的方法就是改变P负的大小，使得输出与液面满量程一致，迁移的实质是改变变送器的零点，如图0-1的a，b，c各点所示。

迁移的同时改变了测量范围的上下限，相当于测量范围的平移，但不会改变量程的大小。

2、差压传感器的线性度和偏差

任何测量过程都存在一定的误差，因此检测时必须知道精确程度，以便估计测量结果与真实值的差距，即估计测量值的误差大小。

精确度不仅与绝对误差有关，而且还与其测量范围有关。

变差是指在外界条件不变的情况下，对被测量在测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行程和反行程所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。

线性度是表征输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度

四、实验内容和步骤

1、设备的连接和检查：

（以大水箱液位零点迁移为例）

（1）关闭阀24，将THJ-2实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。

（2）打开以丹麦泵、电磁阀、涡轮流量计组成的动力支路至大水箱的进水阀门：

阀23、阀21、阀22、阀19，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门:

阀11、阀8、阀9、阀22。

（3）检查电源开关是否关闭

2、系统连线

（1）将I/O信号接口板上的大水箱液位的钮子开关打到ON位置。

（2）三相电源、单相Ⅰ、单相Ⅱ、单相Ⅲ的空气开关打在关的位置。

（3）将大水箱250Ω液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV

的+极），大水箱液位-（负极）接到智能调节仪的2端（即RSV的-极）。

（4）单相水泵电动机的1L端接THJ-2电源控制屏上对应的单相Ⅰ（220V/5A）的1L端，将1N端接至单相Ⅰ（220V/5A）的1N端。

（5）智能调节仪的～220V输入的L端（即9端）和N端（即10端）也分别接单相Ⅲ（220V/5A）的3L端和3N端。

（6）将电压指示切换钮子开关打在24V输出位置。

将直流24V输出“+”端接直流电磁阀VD11端，直流24V输出“-”端接直流电磁阀24V（-）端。

3、启动实验装置

（1）将实验装置电源插头接到三相380V的三相四线制交流电源插座上。

（2）打开电源三相带漏电保护空气开关和总电源钥匙开关，电源指示灯亮，电压表指示380V，停止按钮红灯亮。

（3）按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源。

4、实验步骤

（1）将智能调节仪对应的电源空气开关拉上，此时根据人工智能调节仪的使用说明书和传感器的原理特性，先调节传感器的零位电位器使得传感器的输出在仪表上显示为0（即调零）。

（2）将单相水泵电动机的电源开关拉上，此时给大水箱供水。

（3）当大水箱的水接近于满量程（65cm左右）时，此时把单相水泵电动机的电源关掉。

（4）用卷尺测量大水箱里的水柱高度，然后通过调节传感器的满量程电位器（即调增益）将智能调节器的输出显示值与所测的实际液位值相对应。

（5）再将大水箱的出水阀14打开将水放掉，这个过程中可以用卷尺跟踪测试液柱下降时每一时刻的高度能否与智能仪表的输出显示值对应上（测试传感器的线性度）。

（6）当大水箱的水放完以后,看智能仪表的输出显示是否为零，再将阀14关闭，拉上单相水泵电动机的电源开关，再次给大水箱灌水，这个过程中也可以用卷尺跟踪测试液柱上升时每一时刻的高度能否与智能仪表的输出显示值对应上（测试传感器的线性度）。

（7）通过重复

（1）——（5）的调节过程，反复调节传感器零位和增益电位器，使得最终大水箱实际液位与传感器实时输出显示一一对应。

五、注意事项

1、在实验过程中切勿同时调整零位和增益电位器；

2、在大水箱静态水位测量水柱高度时切记将阀19关闭，以免大水箱中的水回流。

六、思考题

1、零点迁移的实质是什么？

2、在本实验中，是正迁移还是负迁移？

迁移量为多少？

3、在水位上升和下降中同一测试点处测得传感器输出电流的大小为何有差异？

实验一、大水箱液位控制系统

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）分析分别用P、PI和PID调节时的过渡过程曲线。

（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

（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、万用表1只、加密狗1只。

三、实验原理

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控制一个被控制量，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只能控制一个执行机构。

本系统的阶跃输入是液位的给定高度，即控制的任务是使大水箱的液位达到给定值所要求的高度。

本实验采用的调节器为工业上常用的AI智能调节仪。

众所周知,系统控制质量的好坏与调节器的控制参数选择有着很大的关系。

合适的控制参数，可以获得满意的控制效果。

反之，控制器的控制参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，甚至不能正常工作。

因此，当一个单回路系统组成后，系统的投运和参数的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设置合理，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）。

四、实验内容和步骤

1、设备的连接和检查：

（1）将THJ-2实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。

（2）打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至大水箱的进水阀门：

阀23、阀22、阀19，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门:

阀21、阀11、阀9、阀8。

（3）打开大水箱的出水阀：

阀14至适当开度。

（4）检查电源开关是否关闭

2、系统连线

（1）三相电源、单相Ⅰ、单相Ⅱ、单相Ⅲ的空气开关打在关的位置。

（2）将I/O信号接口板上的大水箱液位的钮子开关打到ON位置。

（3）将大水箱液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV的+极），将大水箱液位-（负极）接到智能调节仪的2端（即RSV的-极）。

（4）将智能调节仪的4～20mA输出端的7端（即+极）接至电动调节阀的4～20mA输入端的+端（即正极），将智能调节仪的4～20mA输出端的5端（即-极）接至电动调节阀的4～20mA输入端的-端（即负极）。

（5）单相水泵电动机的1L端接THJ-2电源控制屏上对应的单相Ⅰ（220V/5A）的1L端，将1N端接至单相Ⅰ（220V/5A）的1N端。

（6）电动调节阀的～220输入的L端接单相Ⅲ（220V/5A）的3L端，N端接单相Ⅲ（220V/5A）的3N端。

（7）智能调节仪的～220V输入的L端（即9端）和N端（即10端）分别接单相Ⅱ（220V/5A）的3L端和3N端。

3、启动实验装置

（1）将实验装置电源插头接到三相四线制380V的交流电源插座上。

（2）打开电源三相带漏电保护空气开关和总电源钥匙开关，电压表指示380V。

（3）按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源。

（4）开启单相Ⅱ空气开关，调整好仪表各项参数（仪表初始状态为手动且为0）和液位传感器的零位。

（一）比例调节控制

①启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统选择相应的实验。

②启动智能仪表，设置各项参数，同时把比例度P设到适当的值，积分时间I和微分时间D均设为0，将调节器置于手动0，启动动力支路。

然后在仪表手动状态下，按住仪表的Stop键将仪表的输出上升到一定的值。

③打开相应单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，开始实验。

④观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数接近于给定值的60%左右时，即可将调节器的“手动”切换到“自动”状态，系统即投入闭环运行。

⑤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）。

记录曲线再次稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。

⑥在步骤5的基础上减小P，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

⑦在步骤5的基础上增大P，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

⑧选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。

⑨注意：

每当做完一次实验后，必须等系统稳定后再做另一次实验。

（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）由关闭“0”状态设置为中间某一数值，观察被控制量是否能回到设定值，以验证PI控制下，系统受阶跃扰动影响而无余差存在。

②固定比例度δ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控制量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp。

③把积分时间固定于某一中间值，然后改变δ的大小，观察加扰动后被控制量输出的动态波形，据此列表记录不同值Ti下的超调量σp。

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。

（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，即把在仪表上设置D参数，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）所得的曲线相比较，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，使系统的阶跃输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。

③在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录。

（四）、用临界比例度法整定调节器的参数

在现实应用中，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再闭环控制下，首先将调节器的积分作用和微分作用除去，然后逐步减小调节器的比例度δ（即1/P），并且每当减小一次比例度δ，待被控制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，观察被控制量变化的动态过程。

若被控制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。

②在图2-4所示的系统中，当被控制量作等幅振荡时，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

附表：

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/min

Td/min

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。

若要获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。

注意：

这种方法简单方便，容易掌握和判断。

但是如果生产过程不允许反复振荡，就不能应用这种方法。

五、实验报告要求

（1）画出单容大水箱液位控制系统的方框图。

（2）用接好线路的单回路系统进行投运练习，并叙述手--自动无扰动切换的方法。

（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或超调量。

（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。

六、注意事项

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。

七、思考题

（1）实验系统在运行前应做好哪些准备工作？

（2）为什么要强调手--自动无扰动切换？

（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？

实验二、上下水箱液位串级控制系统

一、实验目的

（1）熟悉串级控制系统的结构与控制特点。

（2）掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。

（3）研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。

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、MCGS组态软件、RS232/485转换器1只、串口线1根、万

用表1只、加密狗1只。

三、系统结构框图：

（略）

四、实验原理

1、串级控制系统的组成

图12-2为一液位串级控制系统。

这种系统具有2个调节器和2个闭合回路和一个执行对象，2个调节器分别设置在主、副回路中，设在主回路的调节器称主调节器，设在副回路的调节器称为副调节器。

两个调节器串联连接，主调节器的输出作为副调节器的给定，副调节器的输出控制执行组件。

主对象的输出为系统的被控制量即下水箱的液位，副对象的输出是一个辅助的控制变量即上水箱的液位。

2、主、副回路的设计

（1）主参数的选择和主回路的设计

串级控制系统由主回路和副回路组成。

主回路是一个定值控制系统。

对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。

凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。

若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。

否则应选用一个与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数。

另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性。

（2）副参数的选择和副回路的设计

副参数的选择应使副回路的时间常数小，时延小，控制信道短，这样可使等效过程的时间常数大大减小，从而加快需要的工作频率，提高响应速度，缩短过渡过程时间，改善系统的控制品质。

副回路应包括生产过程中变化剧烈、频繁而且幅度大的主要扰动，而且要有及时克服干扰的能力，则要求副对象的时间常数要小，这样副回路包含的干扰量就必定要少。

在选择副参数进行副回路设计时，必须注意主、副过程时间常数的匹配问题，一般要求主对象与副对象的时间常数比在3～10之间。

这是串级控制系统正常运行的主要条件，是保证安全生产、防止共振的根本措施。

3、主、副调节器控制规律的选择

在串级控制系统中，主、副调节器的控制规律选择都应按照工艺要求来进行。

主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控制规律的基本出发点。

主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无余差，因此，主调节器应选PI或PID控制规律。

副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器可以选P控制规律就可以了，因为它的放大倍数往往整定得较大，所以校正作用很强，余差很小。

一般不引入积分控制规律，但当副参数是流量时，为了消除高频扰动可适当加一定的积分作用。

4、主、副调节器正、反作用方式的选择：

为了满足生产工艺的要求，确保串级控制系统正常运行，主、副调节器正、反作用方式必须正确选择。

选择时，应根据调节阀的形式确定主、副调节器的正反作用方式以确保系统工作在负反馈状态。

5、串级控制系统与单回路的控制系统相比

串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象的特性，使等效过程的时间常数减小，系统的工作频率提高，从而改善了系统的动态性能，使系统的响应加快，控制及时。

同时，由于串级系统具有主副两只控制器，总放大倍数增大，系统的扰干扰能力也增强了，因此，它的控制质量要比单回路控制系统高。

6、串级控制系统的投运和整定有一步整定法；也有两步整定法：

即先整定副回路，后整定主回路。

五、实验内容与步骤

1、设备的连接和检查：

（1）关闭阀24，将THJ-2实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。

（2）打开阀22、阀23，阀8，关闭阀21、阀9、阀11、阀19，把阀7和阀6打开为适当的开度（阀7>阀6），启动丹麦泵支路，给上小水箱打水。

（3）检查电源开关是否关闭。

2、系统连线

（1）三相电源、单相Ⅰ、单相Ⅱ、单相Ⅲ的空气开关打在关的位置

（2）单相Ⅰ（220V/5A）的1L端接任意一个智能调节仪的~220V输入L端（9），单相Ⅰ（220V/5A）的1N端接调节仪的～220V输入N端（10）。

将此调节仪定为副调节器。

并将单相Ⅰ（220V/5A）的1L端并联接到单相水泵电动机的1L端，将单相Ⅰ（220V/5A）的1N端并联接到单相水泵电动机1N端。

（3）将上水箱液位钮子开关打在OFF端，（+）端接副调节器的3端（+），（-）端接副调节器的2端（-）。

（4）副调节器4~20mA输出（7）端（即正极）和（5）端（即负极）分别接电动调节阀4~20mA（+）和（-）端。

（5）单相Ⅲ的3L端和3N端分别接电动调节阀～220V输入L端和N端。

（6）再利用另外一调节仪作为主调节器，～220V输入L端和N端分别接单相Ⅱ（220V/5A）的2L端和单相Ⅱ（220V/5A）的2N端。

（7）将下水箱液位钮子开关打在ON端，（+）端接主调节器的1端（+），（-）端接主调节器的2端（-）。

（8）将主调节器4～20mA输出信号7端（+）、5端（-）并联连接在I/V转换250Ω的（+）端和（-）端，把主调节器输出的电流信号转换成电压信号，然后，转换后的电压信号接在副调节器的输入端（即RSV的1端和2端）。

3、启动实验装置

（1）将实验装置电源插头接到三相～380V的三相交流电源。

（2）打开电源三相带漏电保护空气开关和总电源钥匙开关，电压表指示380V。

（3）按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源。

（4）根据实验接线，开启单相Ⅰ、单相Ⅱ空气开关，调整好仪表各项参数（仪表初始状态为手动且为0）和液位传感器的零位。

4、调节器参数设置

副调节器：

纯比例（P）控制，反作用（副调节器CF=8），自动，KC2（副回路的开环增益）较大。

主调节器：

比例积分（PI）控制，反作用CF=0，KC1〈KC2（KC1主回路开环增益）输出先设为手动（在刚开始实验时可不断修正输出值），以调节副回路，待上下水箱的液位相对平衡（一般上水箱液位保持4-5cm，且下水箱的液位高度接近于设定值时最佳），再把主调节器的输出改为自动状态，让系统投入自动运行。

5、打开计算机，运行MCGS组态软件，进入相应的实验，观察实时或历史曲线，并记录。

6、待系统稳定后，类同于单回路控制系统那样，对系统加扰动信号，扰动的大小与单回路时相同。

7、通过反复对副调节器和主调节器参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的控制精度。

六、实验报告要求

（1）画出详细的实验线路图。

（2）扰动作用于主、副对象，观察对主变量（被控制量）的影响。

（3）观察并分析副调节器KP的大小对系统动态性能的影响。

（4）观察并分析主调节器的KP与Ti对系统动态性能的影响。

七、思考题

（1）试述串级控制系统为什么对主扰动具有很强的抗扰动能力？

如果副对象的时间常数远小于主对象的时间常数时，这时副回路抗扰动的优越性还具有吗？

为什么？

（2）二步整定法的依据是什么？

（3）串级控制系统投运前需要做好那些准备工作？

主、副调节器的内、外给定如何确定？

正、反作用如何设置？

（4）本实验中主、副调节器的极性应如何确定？

（5）为什么副回路中的副调节器不设计为PI调节器？

（6）改变副调节器比例放大倍数的大小，对串级控制系统的扰动能力有什么影响？

试从理论上给予说明。

（6）分析串级系统比单回路系统控制质量高的原因。