《过程控制》
实 验 指 导 书
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实验项目
实验一、单容水箱对象特性的了解和测试 实验二、单回路控制系统的参数整定 实验三、串级控制系统的参数整定
实验装置简介
《过程控制》课程实验的试验装置是用《THKGK-1型过程控制实验装置》。本实验装置的控制信号及被控信号均采用IEC标准，即电压0～5V或1～5V，电流0～10mA或4～20mA。实验系统供电要求为单相交流220V±10%，10A。
实验装置包括被控对象、调节器、执行器模块和变送器模块。 被控对象包括上水箱、下水箱、复合加热水箱以及管道。
调节器主要有模拟调节器（含比例P调节、比例积分PI调节、比例微分PD调节、比例积分微分PID调节）、计算机控制等。
执行器模块主要有磁力驱动泵。
变送器模块主要有流量变送器（FT）、液位变送器（LT1，LT2）等。变送器的零位、增益可调，并均以标准信号DC0-5V输出。
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实验一、单容水箱对象特性的了解和测试
一、 实验目的
1、了解单容水箱的自衡特性。
2、掌握单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
二、 实验设备
1、THKGK-1型过程控制实验装置：
GK-02 GK-03 GK-04 GK-07 2、万用表一只 3、计算机及上位机软件
三、实验原理
阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节器手
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和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理的处理，确定模型中的相关参数。
单容水箱液位开环控制结构图如图所示：
四、实验内容与步骤
1、了解并熟悉实验装置的结构与组成。
2、按照图实验原理中的控制结结构框图，完成系统的接线，并把PID调节器的“手动/自动”开关置于“手动”位置，此时系统处于开环状态。
3、打开阀3，出水口阀6打在一定的开度。
4、将单片机控制挂箱GK-03的输入信号端“LT1”与GK-02的传感器输出端“LT1”相连；用配套RS232通讯线 将GK-03的“串行通信口”与计算机的COM1连接；打开所有电源开关用单片机进行液位实时监测；然后用上位机控制监控软件对液位进行监视并记录过程曲线。
5、利用PID调节器的手动旋钮调节输出，将被控参数液位控制在4cm左右。 6、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，记录此时调节器手动输出值VO 以及水箱水位的高度h1和显示仪表LT1的读数值并填入下表。
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变频器输出频率f HZ 手动输出Vo v LT1显示值 cm 6、迅速增调“手动调节”电位器，使PID的输出突加10%，利用上位机监控软件记下由此引起的阶跃响应的过程曲线，并根据所得曲线填写下表。
t（s） 水箱水位 LT1读数 (cm) 等到进入新的平衡状态后，再记录测量数据，并填入下表： 变频器输出频率f PID输出Vo 水箱水位高度LT1显示值 HZ v cm 7、将“手动调节”电位器回调到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。填入下表： t（s） 水箱水位 LT1读数 (cm) 8、重复上述实验步骤。
五、注意事项
1、做本实验过程中，阀3和阀6不得任意改变开度大小；
2、阶跃信号不能取得太大，以免影响系统正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。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
4、在老师的帮助下，启动计算机系统和单片机控制屏。
六、实验报告要求
作出一阶环节的阶跃响应曲线。
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实验二、单回路控制系统的参数整定
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调节器时的阶跃响应。 3、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的抗扰动作用。 4、定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响。
二、实验设备
1、THKGK-1型过程控制实验装置：
GK-02、 GK-03、 GK-04、 GK-07(2台) 2、万用表一只 3、计算机系统
三、实验原理
图为一个单容水箱单回路反馈液位控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；并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的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，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的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 单容液位控制系统结构图 数整定是十分重要的工作。
四、 验内容与步骤
1、比例（P）调节器控制
1）、按控制结构图所示，将系统接成单回路反馈系统。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）、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。
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3）、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好准备。
4）、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）。
5）、观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可将调节器切换到纯比例自动工作状态（积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关”的位置，比例度设置于某一中间值，“正-反”开关拔到“反”的位置，调节器的“手动”开关拨到“自动”位置），让系统投入闭环运行。
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k或增大k，重复步骤6，观察过渡过程曲线。 8）、选择合适的k值就可以得到比较满意的过程控制曲线。
9）、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。 2、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。
2）、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。 3）选择合适的k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。 3、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，并与实验步骤（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k、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）、观察计算机记录实验时所有的过渡过程实时曲线。
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才能接通电源。 2、必须在老师的指导下，启动计算机系统和单片机控制屏。 3、若参数设置不当，可能导致系统失控，不能达到设定值。
六、实验报告要求
1、绘制单容水箱液位控制系统的方块图。 2、做出阶跃响应曲线
3、定性比较P、PI和PID三种调节器对系统余差和动态性能的影响。
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实验三、串级控制系统的参数整定
———上、下水箱液位串级控制系统
一、 实验目的
1、通过实验进一步了解并熟悉串级控制系统的结构与原理。 2、利用所提供的实验装置构成一个液位与液位串级控制系统。 3、利用所提供的实验装置构成一个液位与流量串级控制系统。 4、了解串级控制系统的投运与参数整定方法。
二、 实验设备
1、THKGK-1型过程控制实验装置：
GK-02、 GK-03、 GK-04(两台)、 GK-07 2、万用电表一只、计算机系统 三、 实验原理
单回路控制系统解决了工业生产过程中大量的参数定值控制问题。 1、串级控制系统的结构
图3-1、 串级控制系统结构
如图所示，串级控制系统是指不止采用一个调节器，而是将两个或几个调节器相串联，并将一个调节器的输出作为下一个调节器设定值的控制系统。 四、 实验步骤
1、自行考虑并连接液位与液位的串级控制系统。
2、自行设计液位与流量串级控制系统的方框图，并利用所提供的实验装置连接系统。
3、连接好实验线路，并进行零位与增益的调节。 4、正确设置PID调节器的开关位置： 副调节器：纯比例控制，反作用，自动。 主调节器：比例积分控制，反作用，自动。
5、试利用一步整定法整定系统：
（1）、先将主、副调节器均置于纯比例P调节，并将副调节器的比例度δ调到30%左右。
（2）、将主调节器置于手动，副调节器置于自动，通过改变主调节器的手动输出
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值使下水箱液位达到设定值。
（3）、将主调节器置于自动，调节比例度δ，使输出响应曲线呈4:1衰减，记下δs和Ts，据此查表求出主调节器的δ和Ti值。
（注）：阀8的开度必须小于阀5的开度实验才能成功。
五、 注意事项
当第一个串级系统连好后，需经指导老师检查认可，才能拆线进行第二个串级系统的连接实践。
六、 实验报告内容
1、仔细阅读实验原理后，分析液位与液位串级控制系统的工作过程，并画出控制系统方框图。
2、记录实验过程曲线。
3、观察扰动作用于主、副对象，观察对主变量（被控制量）的影响。
实验四、温度位式控制系统
一、实验目的
1、了解二位式温度控制系统的结构与组成。 2、掌握位式控制系统的工作原理及其调试方法。
二、实验设备
1、THKGK-1型过程控制实验装置：GK-02 GK-03 GK-05 GK-07 2、万用表一只 3、计算机系统
三、实验原理
1、 温度传感器
温度测量通常采用热电阻元件（感温元件）。它是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。其电阻值与温度间的关系式为：
Rt＝Rt0[1+α(t-t0)]
2、二位式温度控制系统
二位控制是位式控制规律中最简单的一种。本实验的被控对象是电加热丝，被控制量是复合水箱内套中的水温T，温度变送器把被控制量T转变为反馈电压Vi，它与二位调节器设定的
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上限输入Vmax 和下限输入Vmin比较，从而决定二位调节器的输出信号；调节器的输出电压V0（5V）作为执行元件的控制信号。V0与Vmin和Vmax 的关系如图4-1所示，图4-2为位式控制系统的方块图。
V0与Vi的关系不仅有死区存在，而且还有回环，因而系统实质上是一个典型的非线性控制系统。执行器只有“开”或“关”两种极限工作状态。工作原理是： 当被控制的水温T减小到小于设定下限值时，即Vi≤Vmin时，调节器的输出为V0（5V），执行元件（固态继电器）接通，使电热丝接通220V电源加热（如图所示）。随着水温T的升高，Vi也不断增大，当增大到大于设定上限值时，即Vi≥Vmax时，则两位调
节器的输出V0由5V降到0V，此时固态继电器释放，切断电热丝的供电。由于这种控制方式具有冲击性，易损坏元器件，只是在对控制质量要求不高的系统才使用。
温度给定值是由GK-05挂件上的给定信号源给定，其中RP1电位器用于设定Vmin，RP2电位器用于设定Vmax，（要求Vmax-Vmin≥1V）。被控对象为复合水箱中的电热丝，被控制量为内套的水温，它由铂电阻PT100测定，并经温度变送器AI708送到位式控制挂件GK-05的Vi端。位式控制是根据测得温度与设定温度上、下限进行比较，发出使固态继电器通断的控制信号，从而达到控制水箱中水温的目的。由过程控制原理可知，双位控制系统的输出是一个断续控制作用下的等幅振荡过程。因此不能用连续控制作用下的衰减振荡过程的温度品质指标来衡量，而是用振幅和周期作为品质的指标。一般要求振幅小，周期长，然而对同一个双位控制系统来说，若要振幅小，则周期必然短；若要周期长，则振幅就变大。因此需合理选择其中间区，以使振幅在限定的范围内，又尽可能获得较长的周期。
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四、实验内容与步骤
1、按图4-2所示的方块图，利用THKGK-1型实验装置组成控制系统。位式控制器输出端Vo接加热器控制信号的输入端“TR”，GK-05给定信号分别接“Vmax”和“Vmin”，将AI-708的变送输出信号“TT”接到GK-05的“Vi”端。
2、启动电源，分别调节好Vmin和Vmax的设定值。 3、打开GK-01上的加热开关，使系统投入运行。
4、系统运行后，通过计算机监控软件记录水温变化过程的实时曲线。待稳定振荡2~3个周期后，观察位式控制过程曲线的振荡周期和振幅大小。 实验数据记录如下： S（秒） T（℃） 5、适量改变Vmax和Vmin的大小，重复实验步骤4）。
6、打开阀1、阀4、阀7和阀8，关闭阀5，启动实验装置的供水系统，给复合水箱的外套水箱加流动冷却水，重复上述的实验步骤。
五、注意事项
1、Vmax必须要大于Vmin（一般要求Vmax-Vmin ≥1V）。 2、实验线路接好后，必须经检查认可后，方可接通电源开始实验。
3、将计算机接入系统，利用计算机显示屏作记录仪使用，并保存每次实验记录的数据和曲线。
六、实验报告
1、画出不同Vmax、Vmin时的系统被控制量的过渡过程曲线，记录相应的振荡周期和振荡幅度的大小。
2、画出加冷却水时被控量的动态响应曲线，并比较振荡周期和振荡幅度大小。 3、综合分析位式控制系统的特点。
实验五、水箱压力PID控制系统
一、实验目的
1、了解压力传感器的结构原理及使用方法。 2、研究单回路压力PID控制系统。 3、掌握手动/自动无扰动切换的方法。 4、学会用反应曲线法对PID参数进行整定。
二、实验装置
1、THKGK-1型过程控制实验装置：
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GK-02、 GK-03 GK-04、 GK-07(2台) 2、计算机及监控软件
三、实验原理
1、压力传感器变送原理简介
此压力变送器的敏感核心采用了高性能的硅压阻式压力充油芯体，内部的专用集成电路将传感 器毫伏信号转换成标准远距离的传输电流或电压信号，可以直接与计算机接口卡、控制仪表、智能仪表或PLC等方便连接，该系列产品广泛应用于工业过程控制、石油、化工、冶金等行业。
2、单回路压力控制系统方框图
图5-1、单回路压力控制系统
单回路压力控制系统如图5-1所示。系统如要实现无扰动地由手动操作切换到自动运行，则要求调节器能自动地跟踪手动输出，且要在切换时使测量值与给定值无偏差存在。
改变PID调节器参数 δ、Ti和Td都会影响系统的动态特性。整定调节器参数通常有临界比例度法、衰减振荡法。由于本系统的被控对象是一阶惯性环节、且时间滞后很小，所以很难产生振荡曲线，因此我们在这里采用反应曲线法来整定系统
的参数。
图5-2、单回路压力控制系统结构图
四、实验内容与步骤
1、按图5-1所示，将系统接成单回路反馈系统（接线参照实验一）。其中被控对象是上水箱，被控制量是上水箱的液体压力。
2、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益（参考第一部分）。 3、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好准备。
4、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）。
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5、反复调节手动输出值，使给定值与反馈值基本上保持相等且稳定后，把手动开关拨到自动，实现无扰动切换。
6、用反应曲线法整定系统参数： 1）将调节器置于手动状态，并使调 节器输出一个阶跃信号，记录被控制量压 力的响应曲线如图5-3所示。由该图可确
定て、T和K，其中K按下式确定
h (t) Y（∞) て T t K = y(∞)-y(0) / X0 （式中X0为给定值 ）
图 5-3、 阶跃响应曲线
根据所求的K、T和て,利用下表所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4:1时调节器的相关参数。
反应曲线法整定计算公式 调节器参数 控制规律 P PI PID δ（%） Kて/ T 1.1Kて/ T 0.85Kて/ T Ti 3.3て 2て Td 0.5て 五、注意事项
在老师的指导下接入单片机控制屏并启动计算机监控系统。
六、实验报告要求
1、写出常规的实验报告内容。 2、叙述无扰动切换的方法。
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