《工业自动化仪表与过程控制》实验指导书

《工业自动化仪表与过程控制》

实验指导书

授课学时：8课时

授课班级：芙蓉自动化0901、 授课学期：2012年上学期 授课教师：敖章洪

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工业自动化仪表与过程控制实验项目一览表

序号 1 2 3 4 5 实验项目 实验装置的基本操作与仪表调试 单容/双容水箱对象特性的测试 单容/双容水箱液位PID控制系统 液位串级控制系统的设计与研究 PLC单容/双容水箱液位PID控制系统 实验学时 实验类型 2 2 2 2 2 验证 验证 验证 综合 综合 实验要求 必做 必做 必做 限选 （2选1）

实验参考书：

1. TKGK-1型操作说明书.实验指导书

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实验一 实验装置的基本操作与仪表调试

实验学时：2学时 实验类型：验证 实验要求：必做

一、 实验目的

1）、了解本实验装置的结构与组成。

2）、掌握液位、压力传感器的使用方法。 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

1) TKGK-1型过程控制实验装置：

交流变频器GK-07-2 直流调速器GK-06 PID调节器GK-04 2)万用表

三、实验装置的结构框图

图1-1、液位、压力 、流量控制系统的结构框图

四、实验内容

1、设备组装与检查： 1）、将GK-07-2、GK-06、GK-04挂件由左至右依次挂于实验屏上。并 将挂件的三芯蓝插头插于相应的插座中。

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2）、检查挂件的电源开关是否关闭。 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）、直流部分：将一台GK04的PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”接GK06的控制电压“输入”；GK06的“电枢电压”和“励磁电压”输出端分别接GK01的直流他励电动机的“电枢电压” 和“励磁电压”输入端 。

2）、交流部分：将另一台GK04的PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”端接GK-07-2变频器的“2”与“5”接线端； 将GK-07-2变频器的输出“A、B、C”接GK-01上三相异步电机的“A、B、C”输入端；将三相异步电机接成三角形，即“A”接“Z” 、“B”接“X” 、“C”接“Y”；GK-07-2 的“SD”接“STR”使电机正转打水，（若此时电机为反转则“SD”接“STF” ）。

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，交流电压表指示220V。 4、仪表调整：（仪表的零位与增益调节 ） 在GK-02装置结构展示屏的左侧，有五组传感器检测信号输出：LT1、PT、LT2、FT、TT（输出标准信号DC0~5V），它们旁边分别设有数字显示器，以显示相应的输出值。在LT1、PT、LT2数字显示器的右边各有二个电位器，可通过这些电位器调整相应传感器的零位和增益，在每次实验进行之前，必须作好这些准备工作。

调试步骤如下：

1)、将三根ø6的橡皮导气管（约0.6m长）的一端分别竖直地插入上、下水箱底部（上水箱两根，下水箱一根），再将它们的另一端接到三个差压传感器（MPX2010DP）的正压室。

2）、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、阀5、阀6，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，使其液面均上升至10cm高度，关闭变频器（或直流调速器）。

3）、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）。

4）、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。

5）、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。

6）、重复实验步骤4、5，反复调整零位和增益，使上、下水箱水位为零时，LT1、LT2、PT输出都为0V（显示器显示00.00）；上、下水箱水位上升至于10cm高度时，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）。

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实验二 单容/双容水箱对象特性的测试

实验学时：2学时 实验类型：验证 实验要求：必做

一、 实验目的

1）、了解单/双容水箱的自衡特性。 2）、掌握单容/双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。 3）、由实测单容/双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

1）、TKGK-1型过程控制实验装置： PID调节器：GK-04 变频器：GK-07-2

2）、万用表一只 3）、计算机一台

三、实验原理

阶跃响应测试法是系统在开环运行状况下，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。

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。

（一）、单容水箱

其数学模型可用一阶惯性环节来近似描述，且用下述方法求取对象的特征参数。

单容水箱液位开环控制结构图如图3-1所示：

给定量 PID 调 节 器 变 频 器 交 流 电 机 与 泵 GK-0GK-0 图3-1、 单容水箱液位开环控制结构图

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：

5

R2*C*dhhR2*Qdt

在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

式中，T=R2*C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），K=R2为过程的放大倍数，也是阀V2的液阻，C 为水箱的底面积。令输入流量Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位的高度为：

G(s)H(s)R2K 3-1Q1(s)R2*C*S1T*S1

KR0 KR H 0  KR 0 3-2 (S)  S(TS1)SS1/T

1-tT 即 h(t)  KR O (1 - e ) 3-3

当t时，h()KRO . 因而有 h()输出稳态值 KRO阶跃输入

当tT时, 则有: -1 h(T)KR0(1- e )  0.632KR 0  0.632h(  ) 3-4

式（3-3）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图3-2

h2(t)所示。由式（3-4）可知该曲线上

h2( )00升到稳态值的63.2%所对应的时间，

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

0.63h2( )00应曲线作切线，此切线与稳态值的

交点所对应的时间就是时间常数T，

其理论依据是： 0Tt

图3-2 阶跃响应曲线

dh(t)KR01tKR0h()Tt0t0 (3-4)dtTeTT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（∞）。

式（3-2）中的K值由下式求取：

K = h(∞)/R0 = 输入稳态值/阶跃输入

（二）、双容水箱

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双容水箱液位控制结构图如图3-3所示：

V1 ¸¸¨¸÷ ¸¸¸ ¸÷¸ ¸±¸ ¸÷¸¸ú¸±¸

Q1GK-04GK-07 h1

V2Q2h2V4Q4图3-3、双容水箱液位控制结构图

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

H2(S)Ks

G(S)*e ( 3-5) Q1(S)(T1*S1)(T2*S1)

式中 K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分别为阀V2和V4的液阻，C1 和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。式中的K、T1和T2可由实验求得的阶跃响应曲线求出。具体的做法是在图3-4所示的阶跃响应曲线上取：

1）、h2（t）稳态值的渐近线h2(∞)；

h (t) 2）、h2（t）|t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的

2 点A和对应的时间t1；

h 2( 00 3）、h2（t）|t=t2=0.8 h2(∞)时曲线上的

点B和对应的时间t2。 hB 0.8 0 2( 0 然后，利用下面的近似公式计算式

P 3-5中的参数K、T1和T2。其中： hA 0.4 2( 00 h2()输入稳态值RO阶跃输入量t1t24)、 T1T22.16 KA 0 て t 1 t 2 t 图3-4、阶跃响应曲线

对于式（3-5）所示的二阶过程，0.32过曲线的拐点做一条切线，它与横轴交于A点，OA即为滞后时间常数て。

T1T2t15)、 (1.740.55)t2 (T1T2)2四、实验内容与步骤

1)、对上、下水箱液位传感器进行零点与增益的调整。

2）、按照图3-1的结构框图，完成系统的接线 （接线参照实验1），并把PID

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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）、将单片机控制屏GK-03的输入信号端“LT1、LT2”分别接GK-02的传感器输出端“LT1、LT2”；用配套通讯线 将GK-03的“串行通信口”与计算机的COM1连接；启动单片机控制屏GK-03，用单片机控制屏GK-03的键盘设置回路1和回路3的采样时间St=2，标尺上限CH=150（详见本书第一部分单片机控制屏GK-03《使用说明》第10页）；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。

4）、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。 5）、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。

变频器输出频手动输出Vo 水箱水位高度h1 LT1显示值 率f HZ v cm 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 h1(cm) 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PID输出Vo 水箱水位高度h1 LT1显示值 率f HZ v cm 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 h1(cm) LT1读数 (cm) 8）、重复上述实验步骤。 9）、上述实验步骤同样适用于双容水箱的下水箱液位h2的控制，系统的结构框图如图3-3所示，实验步骤自拟。

五、注意事项

1）、做本实验过程中，阀V1和V2不得任意改变开度大小；且阀2开度必须大于阀4的开度，以保证实验效果。

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%。

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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

1）、作出一阶和二阶环节的阶跃响应曲线。 2）、根据实验原理中所述的方法，求出一阶和二阶环节的相关参数。

七、思考题

1）、在做本实验时，为什么不能任意变化阀V1或V2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？

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实验三 单容/双容水箱液位PID控制系统

实验学时：2学时 实验类型：验证 实验要求：必做

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。 5）、掌握临界比例度法整定调节器的参数。 6）、掌握4：1衰减曲线法整定调节器的参数。

二、 实验设备

1）、THGK-1型过程控制实验装置：

GK-03、GK-04 GK-06 GK-07-2 2）、万用表一只 3）、秒表一只 4）、计算机系统

三、实验原理

1、单容水箱液位控制系统

图6-1、单容水箱液位控制系统的方块图

图6-1为单容水箱液位控制系统。这是一个单回路反馈控制系统，它的控制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

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以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且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T( c)2关。比例积分（PI）调节器，由于

3积分的作用，不仅能实现系统无余1ess差，而且只要参数δ，Ti选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。 1比例积分微分（PID）调节器 是在PI调节器的基础上再引

0t(s)入微分D的作用，从而使系

统既无余差存在，又能改善 图6-3、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线 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6-3中的曲线①、②、③所示。

2、双容水箱液位控制系统

图7-1、双容水箱液位控制系统的方框图

图7-1为双容水箱液位控制系统。这是一个单回路控制系统，有两个水箱相串联，控制的目的是既要使下水箱的液位高度等于给定值所期望的值，又要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主要取决于调节器GK-04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，且与比例度近似成正比，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选择的合理，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。

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四、实验内容与步骤

1、单容水箱液位控制系统 （一）、比例（P）调节器控制 1）、按图6-1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。 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δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 8）、增大δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 9）、选择合适的δ值就可以得到比较满意的过程控制曲线。 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（即把积分器“I”由最大处“关” 旋至中间某一位置，并把积分开关置于“开”的位置），观察被控制量是否能回到设定值，以验证在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。 表二、δ值不变、不同Ti时的超调量σp 积分时间常数Ti 大 中 小 超调量σp 3）、固定积分时间T i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，并列表记录不同δ值下的超调量σp。

表三、Ti值不变、不同δ值下的σp 比例度δ 大 中 小 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。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）。

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3）、用计算机记录实验时所有的过渡过程实时曲线，并进行分析。 2、双容水箱液位控制系统 （一）、比例（P）调节器控制 1）、按图7-1所示，将系统接成单回路反馈控制系统（接线参照实验一）。其中被控对象是下水箱，被控制量是下水箱的液位高度h2。

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。 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δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 8）、增大δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 9）、选择合适的δ值就可以得到比较满意的过程控制曲线。 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（即把积分器“I”由最大处旋至中间某一位置，并把积分开关置于“开”的位置），观察被控制量是否能回到设定值，以验证在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。 表二、δ值不变、不同Ti时的超调量σp 积分时间常数Ti 大 中 小 超调量σp 3）、固定积分时间T i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，并列表记录不同δ值下的超调量σp。 表三、Ti值不变、不同δ值下的σp 比例度δ 大 中 小 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。此曲线可通过改变设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。

（三）、比例积分微分调节器（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）、用秒表和显示仪表记录一条较满意的过渡过程实时曲线。

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（四）、用临界比例度法整定调节器的参数

在实际应用中，PID调节器的参数常用下述临界比例度法来确定。用临界比例度法去整定PID调节器的参数既方便又实用。它的具体做法是：

1）、待系统稳定后，将调节器置于纯比例P控制。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，使之出现如图7-4所示的等幅振荡。 图7-3为它的实验方块图。

r (t)¨¸+ ¸¸e- ¸¸¸±÷¸¸¸÷¸¸¸¸¸¸¸¸±C(t)¸¸¸

츸¸¸图7-3、具有比例调节器的闭环系统

2）、在图7-3所示的系统中，当被调量作等幅振荡时，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，按下表所列出的经验数据确定PID调节器的三个参数δ、Ti和Td 。 h(t) Tk

0 t 图7-4、具有周期TK的等幅振荡

表四 、用临界比例度δk整定PID调节器的参数 调节器参数 δk Ti(S) Td(S) 调节器名称 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。

（五）、用衰减曲线法整定调节器的参数：

与临界比例度法类似，不同的是本方法先根据由实验所得的阻尼振荡衰减曲线（为4 :1），求得相应的比例度δs和曲线的振荡周期Ts，然后按表五给出的经验公式，确定调节器的相关参数。对于4:1衰减曲线法的具体步骤如下：

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1）、置调节器积分时间Ti到最大值

（Ti=∞），微分时间Td为零(Td=0)，比例度δ为较大值，让系统投入闭环运行。 Ts 2）、待系统稳定后，作设定值阶跃扰 y 动，并观察系统的响应。若系统响应衰 减太快，则增大比例度；反之，系统响 应衰减过慢，应减小比例度。如此反复 直到系统出现如图7-5所示4:1的衰减振荡过程。记下此时的比例度δs和振荡周

0 t(s) 期 Ts的数值。 图7-5 4:1衰减响应曲线

3）、利用δs和Ts值，按表五给出的经验公式，求调节器参数δ、Ti和Td数值。

表五 4:1衰减曲线法整定计算公式

调节器参数 调节器名称 P PI PID

δ δs 1.2δs 0.8δs Ti 0.5Ts 0.3Ts Td 0.1Ts 五、实验报告要求

1）、绘制单/双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）用临界比例度法和衰减曲线法分别计算P、PI、PID调节的参数，并分别列出系统在这三种方式下的余差和超调量。

4）、P调节时，作出不同δ值下的阶跃响应曲线。 5）、PI调节时，分别作出Ti不变、不同δ值时的阶跃响应曲线和δ不变、不同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三种调节器对系统余差和动态性能的影响。

六、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）、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。

七、思考题

1）、如何实现减小或消除余差？纯比例控制能否消除余差？ 2）、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？

3）、实验系统在运行前应做好哪些准备工作？ 4）、为什么双容液位控制系统比单容液位控制系统难于稳定？ 5）、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

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应增大比例度δ，你认为对吗？为什么？

6）、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？ 7）、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？为什么？

8）、调节器参数（δ、Ti和Td）的改变对整个控制过程有什么影响？

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实验四 液位串级控制系统的设计与研究

实验学时：2学时 实验类型：综合 实验要求：限选

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）TKGK-1型过程控制实验装置： 变频调速器(GK-07-2) 直流调速器(GK-06)

模拟PID调节器（GK-04）二台

2）万用电表一只、计算机系统和GK-03

三、 实验原理

¸¨¸¸Vg+_¸¸¸¸¸¸GK-06¸¸¸ ¸¸ ¸¸±¸ó¸¸¸ ¸¸ ¸¸÷¸ó¸¸h¸¨¸¸¸e÷÷¸¸¸÷¸PID1GK-04+_±÷¸¸¸÷¸PID2GK-04¸ ¸±¸ ¸÷GK-07

¸¸¸±¸÷¸2

图12-1、液位串级控制系统的方框图

1、串级控制系统的组成

图12-1为一液位串级控制系统的方框图（图12-2为其结构图）。这种系统具有2个调节器，主、副两个被控对象，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为主调节器，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回路的给定量，副调节器的输出去控制执行元件。主对象的输出为系统的被控制量h2，副对象的输出h1是一个辅助的被控变量。

2、串级系统的抗干扰能力

串级系统由于增加了副回路，因而对于进入副回路的干扰具有很强的抑制作用，使作用于副环的干扰对主变量的影响大大减小。主回路是一个定值控制系统，而副回环是一个随动控制。在

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¸¸¸±¸÷¸1设计串级控制系统时，要求系统副对象的时间常数要远小于主对象。此外，为了保证系统的控制精度，一般要求主调节器设计成PI或PID调节器，而副调节器则一般设计为比例P控制，以提高副回路的快速响应。在搭实验线路时，要注意到两个调节器的极性（目的是保证主、副回路都是负反馈控制）。

3、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，使等效副对象的时间 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。同时，由于串级系统具有主副两只调节器，使它的开环增益变大，因而使系统的扰干扰能力增强。

4、串级控制系统的参数整定

串级控制系统中两个控制器的参数都需要进行整定，其中任一个控制器任一参数值发生变化，对整个串级系统都有影响。因此，串级控制系统的参数整定要比单回路控制系统复杂一些。常用的整定方法有：逐步逼近法、一步整定法、两步整定法。

四、 实验步骤

1）、按图12-1和图12-2，连接好实验线路，并进行零位与增益的调节。 2）、正确设置PID调节器的开关位置：

副调节器：纯比例（P）控制，反作用，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，自动，KC1〈 KC2（KC1主回路开环增益）。

3）、利用一步整定法整定系统：

a、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。

b、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值使下水箱液位达到设定值。

c、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4的开度必须小于阀2的开度实验才能成功。

五、 实验报告要求

1）、记录实验过程曲线。 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）、观察并分析主调节的KP与Ti对系统动态性能的影响。

六、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不是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）、采用一步整定法的理论依据是什么？ 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、反作用如何确定？

4）、为什么副调节器可以不设计为PI调节器？

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5）、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。

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实验五 PLC单容/双容水箱液位PID控制系统

实验学时：2学时 实验类型：综合 实验要求：限选

一、实验目的

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/双容小水箱液位PID调节组态软件的使用，熟悉PLC的编程及MCGS软件的组态方法。

二、实验设备

1）、TKGK-1型过程控制实验装置

2）、交流变频器（GK07-2）、 S7200PLC（GK08） 3）、计算机、MCGS软件、PPI/PC电缆线一根

三、实验原理

图16-1 PLC的单容上水箱水位控制系统

测量值信号由S7-200PLC的模拟量输入通道进入，经程序比较测量值与设定值的偏差，然后通过对偏差的P或PI或PID调节得到控制信号（即输出值），并通过S7-200PLC的AO通道输出。用此控制信号控制变频器的频率，以控制交流电机的转速，从而达到控制水位的目的。S7-200PLC和上位机进行通讯，并利用上位机MCGS组态软件实现给定值和PID参数的设置、手动/自动无扰动切换、实时过程曲线的绘制等功能。

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四、实验步骤：

1）、利用S7-200PLC（带模拟量输入/输出模块）、上位机及组态软件MCGS、交流变频器、TKGK-1型实验装置等按图16-1组成一个单回路水位控制系统。

2）、打开GK-08的电源开关，并将PLC置于STOP工作方式。

3）、开启电脑，安装所需软件，将提供的S7-200PLC演示程序plcpid.mwp下载到PLC中，然后将PLC置于RUN工作方式。

4）、点击“tkgk-1.mcg”，进入TKGK-1型单容（上水箱）液位控制演示程序控制界面，如图16-2所示。

图16-2

5）、分别在P、PI、PID三种控制方式做实验，整定相应的PID控制参数 6）、运行：在设定好给定值后，即可进入自动运行状态。彩色柱状图直观的显示了给定值SV、测量值PV、输出值OP的动态变化值。实时曲线所记录的是当前实验的数据，实时数据将自动保存在历史曲线数据库里，供以后查询。

7）、待被控水箱水位趋于稳定后，加入一定的正（或负）阶跃信号（即增加或减小设定值），观察输出值和测量值的变化规律，记录一条完整的过渡过程曲线。

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8）、按如图所示接成双容液位控制系统，再按照前面的步骤进行实验，并记录相关数据。

五、实验要求

1）、摘记实验数据，分析实验曲线，比较P、PI、PID 控制下的超调量、余差、调节时间、抗扰动性能有什么不同？

2）、在相同的控制参数下，比较单容和双容水箱的过程曲线，看它们的稳定性、调节时间、超调量有什么不同

3）、模仿本系统提供的程序，自己设计一个液位控制系统。编写S7-200PLC的程序，并用MCGS进行组态。

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