【正文】 （一）、智能儀表控制1．將兩個SA12掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內RS485通訊口上，將控制屏右側RS485通訊線通過RS485/232轉換器連接到計算機串口1，并按照控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。圖52 水箱液位串級控制系統(tǒng)(a)結構圖 (b)方框圖四、實驗內容與步驟本實驗選擇左上水箱和左下水箱串聯(lián)作為被控對象。由于副控回路的輸出要求能快速、準確地復現(xiàn)主調節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律，對副參數(shù)的動態(tài)性能和余差無特殊的要求，因而副調節(jié)器可采用P調節(jié)器。副調節(jié)器的輸出直接驅動電動調節(jié)閥，從而達到控制下水箱液位的目的。副控回路中的調節(jié)器稱副調節(jié)器，控制對象為中水箱，又稱副對象，中水箱的液位為系統(tǒng)的副控制量。二、實驗設備（同前）三、實驗原理本實驗為水箱液位的串級控制系統(tǒng)，它是由主控、副控兩個回路組成。3．了解階躍擾動分別作用于副對象和主對象時對系統(tǒng)主控制量的影響。第二節(jié) 雙容（串聯(lián)）液位串級控制系統(tǒng)一、實驗目的1．通過實驗了解水箱液位串級控制系統(tǒng)組成原理。根據(jù)主調節(jié)器放大系數(shù)K1 和副調節(jié)器放大系數(shù)K2的匹配原理，適當調整調節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質指標最佳。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節(jié)器的參數(shù)。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先確定副調節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調節(jié)器的參數(shù)。（三） 一步整定法由于兩步整定法要尋求兩個4：1的衰減過程，這是一件很花時間的事。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算主、副調節(jié)器的比例度δ、積分時間TI和微分時間Td的數(shù)值。記下相應的比例度δ2S和振蕩周期T2S。（二） 兩步整定法兩步整定法就是第一步整定副調節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調節(jié)器參數(shù)。而后，將主調節(jié)器參數(shù)設在所求得的數(shù)值上，再進行整定，求取第二次副調節(jié)器的整定參數(shù)值，然后再整定主調節(jié)器。 各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)極性是這樣規(guī)定的：當測量值增加，調節(jié)器的輸出也增加，則調節(jié)器的放大系數(shù)Kc為負（即正作用調節(jié)器），反之，Kc為正（即反作用調節(jié)器）；本裝置所用電動調節(jié)閥的放大系數(shù)Kv恒為正；當過程的輸入增大時，即調節(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。四、主、副調節(jié)器正、反作用方式的選擇正如單回路控制系統(tǒng)設計中所述，要使一個過程控制系統(tǒng)能正常工作，系統(tǒng)必須采用負反饋。主調節(jié)器起定值控制作用，它的控制任務是使主參數(shù)等于給定值（無余差），故一般宜采用PI或PID調節(jié)器。1．改善了過程的動態(tài)特性；2．能及時克服進入副回路的各種二次擾動，提高了系統(tǒng)抗擾動能力；3．提高了系統(tǒng)的魯棒性；4．具有一定的自適應能力。圖51 串級控制系統(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)作用在主對象上的擾動； f2(t)作用在副對象上的擾動。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)會不會產(chǎn)生發(fā)散振蕩？第五章 串級控制系統(tǒng)實驗第一節(jié) 串級控制系統(tǒng)概述一、串級控制系統(tǒng)的概述圖51是串級控制系統(tǒng)的方框圖。3．根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動作用下的靜、動態(tài)性能。五、實驗報告要求1．畫出鍋爐內水溫位式控制實驗的結構框圖。3．打開Step 7Micro/WIN 32軟件，并打開“S7200PLC”程序進行下載，然后將S7200PLC置于運行狀態(tài)，然后運行MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“S7200PLC控制系統(tǒng)”工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗四、溫度位式控制”，進入“實驗四”的監(jiān)控界面。（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連接到計算機串口1，并參照溫度定值控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。3．打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗十三、溫度位式控制”，進入“實驗十三”的監(jiān)控界面。（二）、遠程數(shù)據(jù)采集控制1．將“SA22遠程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊”、“SA23遠程數(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RS485通訊口上，將控制屏右側RS485通訊線通過RS485/232轉換器連接到計算機串口1，并參照溫度定值控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。6．待鍋爐內膽水溫穩(wěn)定于設定范圍時，突增（或突減）儀表設定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過大，一般為設定值的5％～15%為宜），于是鍋爐內膽的水溫便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調節(jié)時間后，水溫穩(wěn)定至新的設定范圍，水溫的響應過程曲線將如圖44所示。此操作也可通過調節(jié)儀表實現(xiàn)。3．打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“THKGK3型智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗四、溫度位式控制”，進入“實驗四”的監(jiān)控界面。（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RS485通訊口上，將控制屏右側RS485通訊線通過RS485/232轉換器連接到計算機串口1，并參照溫度定值控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。四、實驗內容與步驟本實驗選擇鍋爐內水溫作為被控對象，實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1F15全開，其余閥門關閉。然而對于同一個位式控制系統(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。位式控制系統(tǒng)的輸出是一個斷續(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指標來衡量，而用振幅和周期作為控制品質的指標。隨著水溫T的升高，Vi也不斷增大，當增大到大于設定上限值時，即Vi≥Vmax時，則位式調節(jié)器的繼電器斷電，交流接觸器隨之斷開，切斷電熱絲的供電。 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。它與二位調節(jié)器設定的上限輸入Vmax 和下限輸入Vmin比較，從而決定二位調節(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。由于實驗中用到的調節(jié)器輸出只有“開”或“關”兩種極限的工作狀態(tài)，故稱這種控制器為二位式調節(jié)器。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、實驗設備（同前）三、實驗原理圖41 溫度位式控制系統(tǒng) (a)結構圖 (b)方框圖 本實驗系統(tǒng)的結構圖和方框圖如圖41所示。2．掌握位式控制系統(tǒng)的工作原理及其調試方法。6．綜合分析幾種控制方案的實驗效果。4．比較不同PI參數(shù)對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。2．用實驗方法確定調節(jié)器的相關參數(shù)，寫出整定過程。具體實驗內容與步驟可根據(jù)本實驗的目的與原理參照前面的單閉環(huán)定值控制中相應方案進行。四、實驗內容與步驟本實驗選擇變頻器支路流量作為被控對象。將渦輪流量計FT1檢測到的流量信號作為反饋信號，并與給定量比較，其差值通過調節(jié)器控制變頻器的頻率，以達到控制管道流量的目的。二、實驗設備（同前）三、實驗原理圖316 單閉環(huán)流量定值控制系統(tǒng)(a)結構圖 (b)方框圖本實驗系統(tǒng)結構圖和方框圖如圖316所示。4．研究P、PI、PD和PID四種控制分別對流量系統(tǒng)的控制作用。2．掌握單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)調節(jié)器參數(shù)的整定方法。6．綜合分析幾種控制方案的實驗效果。4．比較不同PID參數(shù)對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。2．用實驗方法確定調節(jié)器的相關參數(shù)，寫出整定過程。4．以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～7。2．接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V開關電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，給變頻器及PLC上電。4．以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～7。2．接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V開關電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，給變頻器及遠程數(shù)據(jù)采集模塊上電。10．分別采用P、PI、PD控制規(guī)律重復實驗，觀察在不同的PID參數(shù)值下，系統(tǒng)的階躍響應曲線。 圖312 鍋爐內膽水溫階躍響應曲線8．適量改變調節(jié)儀的PID參數(shù)，重復步驟7，用計算機記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的響應曲線。6．按本章第一節(jié)中的經(jīng)驗法或動態(tài)特性參數(shù)法整定調節(jié)器參數(shù)，選擇PID控制規(guī)律，并按整定后的PID參數(shù)進行調節(jié)器參數(shù)設置。4．將智能儀表設置為“手動”，并將輸出值設置為一個合適的值（50%～70%），此操作可通過調節(jié)儀表實現(xiàn)。2．接通總電源空氣開關和鑰匙開關，按下啟動按鈕，給智能儀表上電。打開變頻器電源并手動調節(jié)其頻率，給鍋爐內貯一定的水量，然后關閉閥F15，打開閥F16，為給鍋爐供冷水做好準備。圖311溫度定值控制系統(tǒng)(a)結構圖 (b)方框圖可以采用兩種方案對鍋爐的水溫進行控制：（一）復合水箱不加冷卻水（靜態(tài)）（二）復合水箱加冷卻水（動態(tài)）顯然，兩種方案的控制效果是不一樣的，后者比前者的升溫過程稍慢，降溫過程稍快，過渡過程時間稍短。在鍋爐水溫的定值控制系統(tǒng)中，其參數(shù)的整定方法與其它單回路控制系統(tǒng)一樣，但由于加熱過程容量時延較大，所以其控制過渡時間也較長，系統(tǒng)的調節(jié)器可選擇PD或PID控制。4．分析鍋爐內膽動態(tài)水溫與靜態(tài)水溫在控制效果上有何不同之處？二、實驗設備（同前）三、實驗原理本實驗以復合水箱內的小鍋爐作為被控對象，鍋爐的水溫為系統(tǒng)的被控制量。2．研究P、PI、PD和PID四種調節(jié)器分別對溫度系統(tǒng)的控制作用。7．綜合分析幾種控制方案的實驗效果。5．比較在相同的PID參數(shù)下，階躍擾動作用在不同位置對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。3．根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線，分析二階系統(tǒng)在階躍擾動作用下的靜、動態(tài)性能。五、實驗報告要求1．畫出雙容（并聯(lián)）水箱液位定值控制實驗的結構框圖。實驗的接線與第二章第一節(jié)單容對象特性測試的接線圖完全一樣。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1F12全開，將左上水箱出水閥門F19關閉，閥門F17開至適當開度（50%～90%）、右上水箱出水閥門F111開至適當開度（40%～80%） 要求閥門開度F17 F111），其余閥門均關閉。調節(jié)器的參數(shù)整定可采用本章第一節(jié)所述任意一種整定方法。本實驗要求右上水箱液位穩(wěn)定至給定量，將壓力傳感器LT3檢測到的右上水箱液位信號作為反饋信號，與給定量比較后的差值通過調節(jié)器控制變頻器的頻率，以達到控制右上水箱液位的目的。二、實驗設備（同前）三、實驗原理圖310 雙容（并聯(lián)）液位定值控制系統(tǒng)(a)結構圖 (b)方框圖本實驗系統(tǒng)結構圖和方框圖如圖310所示。4．分析P、PI、PD、PID四種控制方式對本實驗系統(tǒng)的作用。2．掌握二階系統(tǒng)調節(jié)器參數(shù)的整定與投運方法。六、思考題1．如果采用左上水箱和右上水箱做實驗，其響應曲線與本實驗的曲線有什么異同？并分析差異原因。5．分析P、PI、PD、PID四種控制方式對本實驗系統(tǒng)的作用。3．根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動作用下的靜、動態(tài)性能。五、實驗報告要求1．畫出雙容水箱液位定值控制實驗的結構框圖。儀表實驗的接線與第二章第一節(jié)“單容對象特性測試”的接線圖完全一樣。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1F12全開，將左上水箱出水閥門F19開至適當開度（40%～90%）、左下水箱出水閥門F110開至適當開度（30%～80% 要求閥F19稍大于閥F110），其余閥門均關閉。本實驗系統(tǒng)結構圖和方框圖如圖39所示。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調節(jié)器應為PI或PID控制。二、實驗設備（同前）三、實驗原理本實驗以左上水箱與左下水箱串聯(lián)作為被控對象，左下水箱的液位為系統(tǒng)的被控制量。4．研究P、PI、PD和PID四種調節(jié)器分別對液位系統(tǒng)的控制作用。2．掌握雙容水箱液位控制系統(tǒng)調節(jié)器參數(shù)的整定與投運方法。六、思考題1．如果采用上水箱做實驗，其響應曲線與下水箱的曲線有什么異同？并分析差異原因。5．分析P、PI、PD、PID四種控制規(guī)律對本實驗系統(tǒng)的作用。3．根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動作用下的靜、動態(tài)性能。五、實驗報告要求1．畫出單容水箱液位定值控制實驗的結構框圖。3．打開Step 7Micro/WIN 32軟件，并打開“S7200PLC”程序進行下載，然后將S7200PLC置于運行狀態(tài)，然后運行MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“S7200PLC控制系統(tǒng)”工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗六、單容液位定值控制系統(tǒng)”，進入“實驗六”的監(jiān)控界面。（三）、S7200PLC控制1．將“SA42 S7200PLC控制”掛件掛到屏上，并用PC/PPI通訊電纜線將S7200PLC連接到計算機串口1，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。3．打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗四、單容液位定值控制系統(tǒng)”，進入“實驗四”的監(jiān)控界面。（二）、遠程數(shù)據(jù)采集控制1．將“SA22遠程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊”、“SA23遠程數(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RS485通訊口上，將控制屏右側RS485通訊線通過RS485/232轉換器連接到計算機串口1，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。 圖