【正文】 原理。2．掌握單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法。3．研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能的影響。4．研究P、PI、PD和PID四種控制分別對(duì)流量系統(tǒng)的控制作用。5．掌握同一控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實(shí)現(xiàn)過程。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備（同前）三、實(shí)驗(yàn)原理圖316 單閉環(huán)流量定值控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖316所示。被控量為變頻器支路的流量，實(shí)驗(yàn)要求變頻器支路流量穩(wěn)定至給定值。將渦輪流量計(jì)FT1檢測(cè)到的流量信號(hào)作為反饋信號(hào)，并與給定量比較，其差值通過調(diào)節(jié)器控制變頻器的頻率，以達(dá)到控制管道流量的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI控制，并且在實(shí)驗(yàn)中PI參數(shù)設(shè)置要比較大。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇變頻器支路流量作為被控對(duì)象。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1F1F111全開，其余閥門均關(guān)閉。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟可根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的目的與原理參照前面的單閉環(huán)定值控制中相應(yīng)方案進(jìn)行。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．畫出單閉環(huán)流量定值控制實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖。2．用實(shí)驗(yàn)方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，寫出整定過程。3．根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下的靜、動(dòng)態(tài)性能。4．比較不同PI參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。5．分析P、PI、PD、PID四種控制方式對(duì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的作用。6．綜合分析幾種控制方案的實(shí)驗(yàn)效果。六、思考題1．改變比例度δ和積分時(shí)間TI對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生什么影響？2．在本實(shí)驗(yàn)中為什么采用PI控制規(guī)律，而不用純P控制規(guī)律？第四章 溫度位式控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)第一節(jié) 鍋爐水溫位式控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解溫度位式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成。2．掌握位式控制系統(tǒng)的工作原理及其調(diào)試方法。3．了解位式控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)和參數(shù)整定方法。4．分析鍋爐水溫定值控制與位式控制的控制效果有何不同之處？二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備（同前）三、實(shí)驗(yàn)原理圖41 溫度位式控制系統(tǒng) (a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖41所示。本實(shí)驗(yàn)的被控對(duì)象為鍋爐，系統(tǒng)的被控制量為鍋爐內(nèi)的水溫。由于實(shí)驗(yàn)中用到的調(diào)節(jié)器輸出只有“開”或“關(guān)”兩種極限的工作狀態(tài)，故稱這種控制器為二位式調(diào)節(jié)器。溫度變送器把鉑電阻檢測(cè)到的鍋爐內(nèi)膽溫度信號(hào)TT轉(zhuǎn)變?yōu)榉答侂妷篤i。它與二位調(diào)節(jié)器設(shè)定的上限輸入Vmax 和下限輸入Vmin比較，從而決定二位調(diào)節(jié)器輸出繼電器是閉合或斷開，即控制接觸器的接通與斷開。圖42為位式控制器的工作原理圖。 圖中： V0位式控制器的輸出； Vi位式控制器的輸入； Vmax位式控制器的上限輸入；圖42 位式控制器的輸入輸出特性 Vmin位式控制器的下限輸入。 由圖42可見，當(dāng)被控制的鍋爐水溫T減小到小于設(shè)定下限值時(shí)，即Vi≤Vmin時(shí)，位式調(diào)節(jié)器的繼電器閉合，使電熱管接通220V電源進(jìn)行加熱（如圖41所示）。隨著水溫T的升高，Vi也不斷增大，當(dāng)增大到大于設(shè)定上限值時(shí)，即Vi≥Vmax時(shí)，則位式調(diào)節(jié)器的繼電器斷電，交流接觸器隨之?dāng)嚅_，切斷電熱絲的供電。由于這種控制方式是斷續(xù)的二位式控制，故只適用于對(duì)控制質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合。位式控制系統(tǒng)的輸出是一個(gè)斷續(xù)控制作用下的等幅振蕩過程，因此不能用連續(xù)控制作用下的衰減振蕩過程的溫度品質(zhì)指標(biāo)來衡量，而用振幅和周期作為控制品質(zhì)的指標(biāo)。一般要求振幅小，周期長。然而對(duì)于同一個(gè)位式控制系統(tǒng)來說，若要振幅小，則周期必然短；若要周期長，則振幅必然大。因此可通過合理選擇中間區(qū)以使振幅保持在限定范圍內(nèi)，而又盡可能獲得較長的周期。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇鍋爐內(nèi)水溫作為被控對(duì)象，實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1F15全開，其余閥門關(guān)閉。將變頻器A、B、C三端連接到三相磁力驅(qū)動(dòng)泵（220V），打開變頻器電源并手動(dòng)調(diào)節(jié)其頻率，給鍋爐內(nèi)貯一定的水量，然后關(guān)閉閥F15，打開閥F16，為給鍋爐供冷水做好準(zhǔn)備。（一）、智能儀表控制1．將SA12掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)串口1，并參照溫度定值控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。2．接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，按下啟動(dòng)按鈕，給智能儀表上電，打開變頻器電源開關(guān)，給變頻器上電，將變頻器設(shè)置在適當(dāng)?shù)念l率，變頻器支路開始往復(fù)合水箱打冷卻水。3．打開上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“THKGK3型智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)四、溫度位式控制”，進(jìn)入“實(shí)驗(yàn)四”的監(jiān)控界面。4．在上位機(jī)監(jiān)控界面中設(shè)置好儀表的設(shè)定值和回差（即DF參數(shù)）。此操作也可通過調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)。5．打開調(diào)壓模塊電源，鍋爐內(nèi)膽的水溫開始上升，觀察上位機(jī)記錄的溫度響應(yīng)曲線。6．待鍋爐內(nèi)膽水溫穩(wěn)定于設(shè)定范圍時(shí)，突增（或突減）儀表設(shè)定值的大小，使其有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過大，一般為設(shè)定值的5％～15%為宜），于是鍋爐內(nèi)膽的水溫便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時(shí)間后，水溫穩(wěn)定至新的設(shè)定范圍，水溫的響應(yīng)過程曲線將如圖44所示。 圖44 鍋爐內(nèi)膽水溫階躍響應(yīng)曲線7．適量改變調(diào)節(jié)儀的DF參數(shù)（一般不宜過大，DF＝3～10之間為佳），重復(fù)步驟6，用計(jì)算機(jī)記錄不同DF參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。（二）、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制1．將“SA22遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊”、“SA23遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模擬量輸入模塊”掛件掛到屏上，并將掛件上的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)串口1，并參照溫度定值控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。2．接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V開關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，給變頻器及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊上電。3．打開上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)十三、溫度位式控制”，進(jìn)入“實(shí)驗(yàn)十三”的監(jiān)控界面。4．以下步驟請(qǐng)參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～7。（三）、S7200PLC控制1．將“SA42 S7200PLC控制” 、“SA12”掛件掛到屏上，并用PC/PPI通訊電纜線將S7200PLC連接到計(jì)算機(jī)串口1，并參照溫度定值控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。2．接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V開關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，給變頻器及PLC上電。3．打開Step 7Micro/WIN 32軟件，并打開“S7200PLC”程序進(jìn)行下載，然后將S7200PLC置于運(yùn)行狀態(tài)，然后運(yùn)行MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“S7200PLC控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)四、溫度位式控制”，進(jìn)入“實(shí)驗(yàn)四”的監(jiān)控界面。4．以下步驟請(qǐng)參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～7。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．畫出鍋爐內(nèi)水溫位式控制實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖。2．試評(píng)述溫度位式控制的優(yōu)缺點(diǎn)。3．根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下的靜、動(dòng)態(tài)性能。4．綜合分析幾種控制方案的實(shí)驗(yàn)效果。六、思考題1．溫度位式控制系統(tǒng)與連續(xù)的PID控制系統(tǒng)有什么區(qū)別？2．本系統(tǒng)會(huì)不會(huì)產(chǎn)生發(fā)散振蕩？第五章 串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)第一節(jié) 串級(jí)控制系統(tǒng)概述一、串級(jí)控制系統(tǒng)的概述圖51是串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)有主、副兩個(gè)控制回路，主、副調(diào)節(jié)器相串聯(lián)工作，其中主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的給定值R，它的輸出m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)C1。圖51 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖R主參數(shù)的給定值； C1被控的主參數(shù) ； C2副參數(shù)；f1(t)作用在主對(duì)象上的擾動(dòng)； f2(t)作用在副對(duì)象上的擾動(dòng)。二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)及其副回路對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響已在有關(guān)課程中介紹，在此將有關(guān)結(jié)論再簡單歸納一下。1．改善了過程的動(dòng)態(tài)特性；2．能及時(shí)克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動(dòng)，提高了系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力；3．提高了系統(tǒng)的魯棒性；4．具有一定的自適應(yīng)能力。三、主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，它的控制任務(wù)是使主參數(shù)等于給定值（無余差），故一般宜采用PI或PID調(diào)節(jié)器。由于副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化規(guī)律，對(duì)副參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能和余差無特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P或PI調(diào)節(jié)器。四、主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇正如單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所述，要使一個(gè)過程控制系統(tǒng)能正常工作，系統(tǒng)必須采用負(fù)反饋。對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式的選擇原則是使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，即其主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。 各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)極性是這樣規(guī)定的：當(dāng)測(cè)量值增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加，則調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)Kc為負(fù)（即正作用調(diào)節(jié)器），反之，Kc為正（即反作用調(diào)節(jié)器）；本裝置所用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)Kv恒為正；當(dāng)過程的輸入增大時(shí)，即調(diào)節(jié)器開大，其輸出也增大，則過程的放大系數(shù)K0為正，反之K0為負(fù)。五、串級(jí)控制系統(tǒng)的整定方法在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種：（一） 逐步逼近法所謂逐步逼近法，就是在主回路斷開的情況下，按照單回路的整定方法求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，然后將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在所求的數(shù)值上，使主回路閉合，按單回路整定方法求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。而后，將主調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)在所求得的數(shù)值上，再進(jìn)行整定，求取第二次副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值，然后再整定主調(diào)節(jié)器。依此類推，逐步逼近，直至滿足質(zhì)量指標(biāo)要求為止。（二） 兩步整定法兩步整定法就是第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。整定的具體步驟為： 1．在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%，然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如4：1）曲線法來整定副回路。記下相應(yīng)的比例度δ2S和振蕩周期T2S。2．將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的δ2S值上，且把副回路作為主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度δ1S和振蕩周期T1S。3．根據(jù)求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法整定公式計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的比例度δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間Td的數(shù)值。4．按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到過程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)達(dá)到滿意為止。（三） 一步整定法由于兩步整定法要尋求兩個(gè)4：1的衰減過程，這是一件很花時(shí)間的事。因而對(duì)兩步整定法做了簡化，提出了一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。具體的整定步驟為：1．在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù)K02/δ2＝，通過副過程放大系數(shù)K02，求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)δ2或按經(jīng)驗(yàn)選取，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。2．按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。3．改變給定值，觀察被控制量的響應(yīng)曲線。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K1 和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2的匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)指標(biāo)最佳。4．如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度δ或增大積分時(shí)間常數(shù)TI，即可得到改善。第二節(jié) 雙容（串聯(lián)）液位串級(jí)控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．通過實(shí)驗(yàn)了解水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)組成原理。2．掌握水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定與投運(yùn)方法。3．了解階躍擾動(dòng)分別作用于副對(duì)象和主對(duì)象時(shí)對(duì)系統(tǒng)主控制量的影響。4．掌握液位串級(jí)控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實(shí)現(xiàn)過程。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備（同前）三、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)為水箱液位的串級(jí)控制系統(tǒng)，它是由主控、副控兩個(gè)回路組成。主控回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為下水箱，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量。副控回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為中水箱，又稱副對(duì)象，中水箱的液位為系統(tǒng)的副控制量。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，因而副控回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器的輸出直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而達(dá)到控制下水箱液位的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。由于副控回路的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化規(guī)律，對(duì)副參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能和余差無特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P調(diào)節(jié)器。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖52所示。圖52 水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇左上水箱和左下水箱串聯(lián)作為被控對(duì)象。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1F12全開，將左上水箱出水閥門F19開至適當(dāng)開度（40%～90%）、左下水箱出水閥門F110開至適當(dāng)開度（30%～80% 要求閥F19稍大于閥F110），其余閥門均關(guān)閉。（一）、智能儀表控制1．將兩個(gè)SA12掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)串口1，并按照控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。2．接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打