南昌大學(xué)實驗報告學(xué)生姓名：金兆遠學(xué)號：6100312301專業(yè)班級：自動化122實驗類型：□驗證□綜合□設(shè)計□創(chuàng)新實驗日期：實驗成績：實驗一單容自衡水箱液位特性測試實驗一、實驗?zāi)康?．掌握單容水箱的階躍響應(yīng)測試方法，并記錄相應(yīng)液位的響應(yīng)曲線；2．根據(jù)實驗得到的液位階躍響應(yīng)曲線，用相應(yīng)的方法確定被測對象的特征參數(shù)K、T和傳遞函數(shù)；3．掌握同一控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實現(xiàn)過程。二、實驗設(shè)備1．實驗對象及控制屏、SA-11掛件一個、SA-13掛件一個、SA-14掛件一個、計算機一臺（DCS需兩臺計算機）、萬用表一個；2．SA-12掛件一個、RS485/232轉(zhuǎn)換器一個、通訊線一根；3．SA-21掛件一個、SA-22掛件一個、SA-23掛件一個；4．SA-31掛件一個、SA-32掛件一個、SA-33掛件一個、主控單元一個、數(shù)據(jù)交換器兩個，網(wǎng)線四根；5．SA-41掛件一個、CP5611專用網(wǎng)卡及網(wǎng)線；6．SA-42掛件一個、PC/PPI通訊電纜一根。三、實驗原理所謂單容指只有一個貯蓄容器。自衡是指對象在擾動作用下，其平衡位置被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠其自身重新恢復(fù)平衡的過程。圖2-1所示為單容自衡水箱特性測試結(jié)構(gòu)圖及方框圖。閥門F1-1、F1-2和F1-8全開，設(shè)下水箱流入量為Q1，改變電動調(diào)節(jié)閥V1的開度可以改變Q1的大小，下水箱的流出量為Q2，改變出水閥F1-11的開度可以改變Q2。液位h的變化反映了Q1與Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的過程。若將Q1作為被控過程的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是h與Q1之間的數(shù)學(xué)表達式。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有Q1-Q2=A(2-1)將式(2-1)表示為增量形式ΔQ1-ΔQ2=A(2-2)式中：ΔQ1，ΔQ2，Δh——分別為偏離某一平衡狀態(tài)的增量；A——水箱截面積。在平衡時，Q1=Q2，＝0；當(dāng)Q1發(fā)生變化時，液位h隨之變化，水箱出圖2-1單容自衡水箱特性測試系統(tǒng)口處的靜壓也隨之變化，Q2也發(fā)生變化（a）結(jié)構(gòu)圖（b）方框圖。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線性關(guān)系。但為了簡化起見，經(jīng)線性化處理后，可近似認(rèn)為Q2與h成正比關(guān)系，而與閥F1-11的阻力R成反比，即ΔQ2=或R=(2-3)式中：R——閥F1-11的阻力，稱為液阻。將式(2-2)、式(2-3)經(jīng)拉氏變換并消去中間變量Q2，即可得到單容水箱的數(shù)學(xué)模型為W0（s）＝＝=(2-4)式中T為水箱的時間常數(shù)，T＝RC；K為放大系數(shù)，K＝R；C為水箱的容量系數(shù)。若令Q1（s）作階躍擾動，即Q1（s）=，x0=常數(shù)，則式(2-4)可改寫為H（s）=×=K-對上式取拉氏反變換得h(t)=Kx0(1-e-t/T)(2-5)當(dāng)t—>∞時，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有K=＝(2-6)當(dāng)t=T時，則有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h(∞)(2-7)式（2-5）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖2-2（a）所示，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對應(yīng)的時間，就是水箱的時間常數(shù)T。也可由坐標(biāo)原點對響應(yīng)曲線作切線OA，切線與穩(wěn)態(tài)值交點A所對應(yīng)的時間就是該時間常數(shù)T，由響應(yīng)曲線求得K和T后，就能求得單容水箱的傳遞函數(shù)。圖2-2單容水箱的階躍響應(yīng)曲線如果對象具有滯后特性時，其階躍響應(yīng)曲線則為圖2-2（b），在此曲線的拐點D處作一切線，它與時間軸交于B點，與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于A點。圖中OB即為對象的滯后時間τ，BC為對象的時間常數(shù)T，所得的傳遞函數(shù)為：H(S)=(2-8)四、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇下水箱作為被測對象（也可選擇上水箱或中水箱）。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-8全開，將下水箱出水閥門F1-11開至適當(dāng)開度，其余閥門均關(guān)閉。具體實驗內(nèi)容與步驟按五種方案分別敘述，這五種方案的實驗與用戶所購的硬件設(shè)備有關(guān)，可根據(jù)實驗需要選做或全做。（一）、智能儀表控制1．將“SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制”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)換器連接到計算機串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。圖2-3儀表控制單容水箱特性測試實驗接線圖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，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ、單相Ⅲ空氣開關(guān)，給智能儀表及電動調(diào)節(jié)閥上電。3．打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“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“實驗一、單容自衡水箱對象特性測試”，進入實驗一的監(jiān)控界面。4．在上位機監(jiān)控界面中將智能儀表設(shè)置為“手動”控制，并將輸出值設(shè)置為一個合適的值，此操作需通過調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)。5．合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使下水箱的液位處于某一平衡位置，記錄此時的儀表輸出值和液位值。6．待下水箱液位平衡后，突增（或突減）智能儀表輸出量的大小，使其輸出有一個正（或負(fù)）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后，水箱液位進入新的平衡狀態(tài)，記錄下此時的儀表輸出值和液位值，液位的響應(yīng)過程曲線將如圖2-4所示。圖2-4單容下水箱液位階躍響應(yīng)曲線7．根據(jù)前面記錄的液位值和儀表輸出值，按公式（2-6）計算K值，再根據(jù)圖2-2中的實驗曲線求得T值，寫出對象的傳遞函數(shù)。（二）、遠程數(shù)據(jù)采集控制1．將“SA-22遠程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊”、“SA-23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(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算機串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。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，給智能采集模塊及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。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“實驗一、單容自衡水箱對象特性測試”，進入實驗一的監(jiān)控界面。4．以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～7。圖2-5遠程數(shù)據(jù)采集控制單容水箱特性測試實驗接線圖（三）、S7-300PLC控制1．將“SA-41S7-300PLC控制”掛件掛到屏上，并用MPI通訊電纜線將S7-300PLC連接到計算機CP5611專用網(wǎng)卡，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。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S7-300PLC及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。3．打開Step7軟件，打開“S7-300”程序進行下載，然后將S7-300PLC置于運行狀態(tài)，然后運行WinCC組態(tài)軟件，打開“S7-300PLC控制系統(tǒng)”工程，然后激活WinCC運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗一、單容自衡水箱對象特性測試”，進入實驗一的監(jiān)控界面。4．以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～7。圖2-8S7-300PLC控制單容水箱特性測試實驗接線圖五、實驗報告要求1．畫出單容水箱液位特性測試實驗的結(jié)構(gòu)框圖。（a）是結(jié)構(gòu)圖；（b）是方框圖2．根據(jù)實驗得到的數(shù)據(jù)及曲線，分析并計算出單容水箱液位對象的參數(shù)及傳遞函數(shù)。實驗過程中的某個時間段的圖形：截取該過程中的一段，表示單容水箱自衡達到穩(wěn)定液位的過程：根據(jù)上圖可知：入水流量到液位的過程在平衡點處近似為一階慣性環(huán)節(jié)：W0（s）＝＝=式中T為水箱時間常數(shù)，T＝RC；K為放大系數(shù)，K＝R；C為水箱的容量系數(shù)h(t)=Kx0(1-e-t/T)當(dāng)t—>∞時，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有K=＝當(dāng)t=T時，則有：h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h(∞)由圖可知，原來的穩(wěn)定值為12cm，因此該系統(tǒng)的階躍輸入為12.0cm當(dāng)達到穩(wěn)態(tài)時h(∞)=100cm，因此K=100/12=8.3當(dāng)液面達到63.2cm時，由圖上可知，所需的時間約為28s，則T=28因此，該環(huán)節(jié)模型為W（s）=六、思考題1．做本實驗時，為什么不能任意改變出水閥F1-11開度的大小？答：出水閥F1-11的開度是改變出水量Q2的，改變水箱泄水的過程。在此實驗中是先將出水閥F1-11開至適當(dāng)?shù)拈_度。之后在單容水箱在穩(wěn)定的過程中，此閥門是不能任意改變的，因為一改變就會對系統(tǒng)帶來干擾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，不能正確反映實驗特性。只有當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時，要研究輸出量對系統(tǒng)的穩(wěn)定特性影響時才改變出水閥F1-11。2．用響應(yīng)曲線法確定對象的數(shù)學(xué)模型時，其精度與那些因素有關(guān)？答：應(yīng)曲線可能與實驗工作電壓的波動，執(zhí)行器的不穩(wěn)定性，和系統(tǒng)的控制參數(shù)比例度、積分時間、微分時間及測量值的波動都可能帶來一定的誤差，造成精度下降，同時還跟壓力傳感器的精度，閥門開度，測試軟件都有關(guān)系。3．如果采用中水箱做實驗，其響應(yīng)曲線與下水箱的曲線有什么異同？并分析差異原因。答：若采用中水箱做實驗，它的響應(yīng)曲線要比下水箱變化到的快。原因：因為中水箱的截面積比下水箱的截面積要小，上升相同的液位高度，下水箱要更長的時間。實驗總結(jié)對于實驗的學(xué)習(xí)，我們更加了解裝置設(shè)備，以及熟悉了MCGS運行環(huán)境。體會到了到試驗參數(shù)的設(shè)定的重要性。通過對實驗的知道了實驗精度與傳感器的靈敏度，執(zhí)行器的不穩(wěn)定性，系統(tǒng)的控制參數(shù)比例度、積分時間、微分時間及測量值的波動都可能有關(guān)，因此我們要通過分析綜合因素來分析實驗曲線的形成過程。同時，通過實驗讓自己對工業(yè)生產(chǎn)過程的實驗系統(tǒng)也有了進一步的了解，收獲頗多。南昌大學(xué)實驗報告學(xué)生姓名：金兆遠學(xué)號：6100312301專業(yè)班級：自動化122實驗類型：□驗證□綜合□設(shè)計□創(chuàng)新實驗日期：實驗成績：實驗二單容液位定值控制系統(tǒng)一、實驗?zāi)康?．了解單容液位定值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成。2．掌握單容液位定值控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定和投運方法。3．研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對系統(tǒng)靜、動態(tài)性能的影響。4．了解P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對液位控制的作用。5．掌握同一控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實現(xiàn)過程。二、實驗設(shè)備（同前）三、實驗原理圖3-6中水箱單容液位定值控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖本實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖3-6所示。被控量為中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，實驗要求中水箱的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器LT2檢測到的中水箱液位信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，以達到控制中水箱液位的目的。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(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。四、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇中水箱作為被控對象。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全開，將中水箱出水閥門F1-10開至適當(dāng)開度，其余閥門均關(guān)閉。具體實驗內(nèi)容與步驟按五種方案分別敘述，這五種方案的實驗與用戶所購的硬件設(shè)備有關(guān)，可根據(jù)實驗需要選做或全做。（一）、智能儀表控制1．將“SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制”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)換器連接到計算機串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。圖3-7智能儀表控制單容液位定值控制實驗接線圖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，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ、單相Ⅲ空氣開關(guān)，給智能儀表及電動調(diào)節(jié)閥上電。3．打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“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“實驗三、單容液位定值控制系統(tǒng)”，進入實驗三的監(jiān)控界面。4．在上位機監(jiān)控界面中點擊“啟動儀表”。將智能儀表設(shè)置為“手動”，并將設(shè)定值和輸出值設(shè)置為一個合適的值，此操作可通過調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)。5．合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使中水箱的液位平衡于設(shè)定值。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(diào)節(jié)器參數(shù)，選擇PI控制規(guī)律，并按整定后的PI參數(shù)進行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。7．待液位穩(wěn)定于給定值后，將調(diào)節(jié)器切換到“自動”控制狀態(tài)，待液位平衡后，通過以下幾種方式加干擾：（1）突增（或突減）儀表設(shè)定值的大小，使其有一個正（或負(fù)）階躍增量的變化；（此法推薦，后面三種僅供參考）（2）將電動調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開至適當(dāng)開度；（3）將下水箱進水閥F1-8開至適當(dāng)開度；（改變負(fù)載）（4）接上變頻器電源，并將變頻器輸出接至磁力泵，然后打開閥門F2-1、F2-4，用變頻器支路以較小頻率給中水箱打水。以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的5％～15％，干擾過大可能造成水箱中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時間后，水箱液位穩(wěn)定至新的設(shè)定值（采用后面三種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值），記錄此時的智能儀表的設(shè)定值、輸出值和儀表參數(shù)，液位的響應(yīng)過程曲線將如圖3-8所示。 圖3-8單容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線8．分別適量改變調(diào)節(jié)儀的P及I參數(shù)，重復(fù)步驟7，用計算機記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。9．分別用P、PD、PID三種控制規(guī)律重復(fù)步驟4～8，用計算機記錄不同控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。（二）、遠程數(shù)據(jù)采集控制1．將“SA-22遠程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊”、“SA-23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(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算機串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。圖3-9遠程數(shù)據(jù)采集控制單容液位定值控制實驗接線圖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，給智能采集模塊及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。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“實驗三、單容液位定值控制”，進入實驗三的監(jiān)控界面。4．以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～9。（三）、S7-300PLC控制1．將掛件SA-41S7-300PLC控制掛件掛到屏上，并用MPI通訊電纜線將S7-300PLC連接到計算機CP5611專用網(wǎng)卡，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。圖3-12S7-300PLC控制單容液位定值控制實驗接線圖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S7-300PLC及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。3．打開Step7軟件，打開“S7-300”程序進行下載，然后將S7-300PLC置于運行狀態(tài)，然后運行WinCC組態(tài)軟件，打開“S7-300PLC控制系統(tǒng)”工程，然后激活WinCC運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗三、單容液位定值控制”，進入實驗三的監(jiān)控界面。4．以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～9。五、實驗報告要求1．畫出單容水箱液位定值控制實驗的結(jié)構(gòu)框圖。2．用實驗方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，寫出整定過程。實驗過程的曲線：最初的PID參數(shù)為：環(huán)節(jié)KpTiTd數(shù)值300400.0由圖分析：經(jīng)過了大概40s后系統(tǒng)趨于設(shè)定值100而且達到穩(wěn)定，此時穩(wěn)定時自動閥門開度在95%左右。在135至160區(qū)間，改變閥門1-8的開度，此時將系統(tǒng)PID參數(shù)設(shè)定為：環(huán)節(jié)KpTiTd數(shù)值150400.0由圖可以看到，由于改變了閥門的開度，實際的液位下降到大概90mm時，呈現(xiàn)上升的趨勢，在時間到達180左右，系統(tǒng)又一次趨于穩(wěn)定，此時自動閥門的開度約為71%。在時間260左右再一次改變閥門1-8的開度，并再一次設(shè)定PID參數(shù)：環(huán)節(jié)KpTiTd數(shù)值1502000.0由圖分析：增大了積分時間，由響應(yīng)曲線可以看出，系統(tǒng)在時間280左右趨于穩(wěn)定。在時間段330時，再設(shè)定PID參數(shù)：環(huán)節(jié)KpTiTd數(shù)值1502001.0由圖分析：增加了微分以后，從響應(yīng)曲線可知，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，調(diào)節(jié)時間延長，但趨于穩(wěn)定以后。動態(tài)誤差減小了。使得系統(tǒng)更加趨于設(shè)定值。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。分析：系統(tǒng)在階躍擾動作用下，當(dāng)比例系數(shù)較大時，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差也較大，這是因為比例系數(shù)會加大幅值；在加入微分環(huán)節(jié)以后，系統(tǒng)的動態(tài)誤差明顯減小，但調(diào)節(jié)時間卻延長，這是因為微分具有超前的作用，可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度。4．比較不同PID參數(shù)對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。Ti：為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零，但由于積分項的存在會使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間增大。因此，PI控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。Kp：起放大誤差的幅值，快速抵消干擾的影響，使系統(tǒng)上升時間降低，如果僅有比例環(huán)節(jié)，系統(tǒng)會存在穩(wěn)態(tài)誤差。Td：自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)，在控制器中僅引入“比例P”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢。這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，PD控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。5．分析P、PI、PD、PID四種控制規(guī)律對本實驗系統(tǒng)的作用。P：是基本的控制作用，比例調(diào)節(jié)對控制作用和擾動作用的響應(yīng)都很快但會帶來余差。PI：PI調(diào)節(jié)中P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用I調(diào)節(jié)消除殘差，但是I調(diào)節(jié)會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PD：由于微分的超前作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，振蕩周期變短，減小了誤差，但是微分抗干擾能力差，且微分過大，易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動作向兩端飽和。PID：常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一種調(diào)節(jié)器，具有各類調(diào)節(jié)器的優(yōu)點，具有更高的控制質(zhì)量。六、思考題1．如果采用下水箱做實驗，其響應(yīng)曲線與中水箱的曲線有什么異同？并分析差異原因。答：采用下水箱實驗，其滯后時間會更短原因：因為水的回路變得更短，其響應(yīng)曲線會上升的更快2．改變比例度δ和積分時間TI對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生什么影響？答：①改變比例度使讓調(diào)節(jié)器的的參數(shù)改變，這可能讓系統(tǒng)穩(wěn)定性受一定程度的影響，增大比例度會使得其超調(diào)量增大，使得系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。②改變積分時間會使得系統(tǒng)的精度提高，但是可能造成積分飽和。實驗總結(jié)PID控制是我們在自動控制理論中學(xué)到的知識，是為了調(diào)整系統(tǒng)使其穩(wěn)定性達到人們的控制要求。通過這個實驗，我們可以更加直觀清晰的感受到系統(tǒng)微妙的變化。實驗的實際操作展示在此時此刻表現(xiàn)的淋漓盡致。在這個實驗中，我們算是第一次嘗試真正去控制一個系統(tǒng)，并且把他調(diào)到最優(yōu)狀態(tài)。

南昌大學(xué)實驗報告學(xué)生姓名：金兆遠學(xué)號：6100312301專業(yè)班級：自動化122實驗類型：□驗證□綜合□設(shè)計□創(chuàng)新實驗日期：實驗成績：實驗三水箱液位串級控制系統(tǒng)一、實驗?zāi)康?．通過實驗了解水箱液位串級控制系統(tǒng)組成原理。2．掌握水箱液位串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定與投運方法。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。4．掌握液位串級控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實現(xiàn)過程。二、實驗設(shè)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。主控回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對象為下水箱，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。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隨動控制系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器的的輸出直接驅(qū)動電動調(diào)節(jié)閥，從而達到控制下水箱液位的目的。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(diào)節(jié)器可采用P調(diào)節(jié)器。本實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖5-2所示。圖5-2水箱液位串級控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖四、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇中水箱和下水箱串聯(lián)作為被控對象（也可選擇上水箱和中水箱）。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-7全開，將中水箱出水閥門F1-10、下水箱出水閥門F1-11開至適當(dāng)開度（要求閥F1-10稍大于閥F1-11），其余閥門均關(guān)閉。具體實驗內(nèi)容與步驟按五種方案分別敘述，這五種方案的實驗與用戶所購的硬件設(shè)備有關(guān)，可根據(jù)實驗需要選做或全做。（一）、智能儀表控制1．將兩個SA-12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)換器連接到計算機串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“OFF”的位置，將“LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。圖5-3智能儀表控制水箱液位串級控制實驗接線圖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，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ、單相Ⅲ空氣開關(guān)，給智能儀表1及電動調(diào)節(jié)閥上電。3．打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“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“實驗十、水箱液位串級控制系統(tǒng)”，進入實驗十的監(jiān)控界面。4．在上位機監(jiān)控界面中點擊“啟動儀表1”、“啟動儀表2”。將主控儀表設(shè)置為“手動”，并將輸出值設(shè)置為一個合適的值，此操作可通過調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)。5．合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當(dāng)增加/減少主調(diào)節(jié)器的輸出量，使下水箱的液位平衡于設(shè)定值，且中水箱液位也穩(wěn)定于某一值（此值一般為3～5cm，以免超調(diào)過大，水箱斷流或溢流）。6．按本章第一節(jié)中任一種整定方法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，并按整定得到的參數(shù)進行調(diào)節(jié)器設(shè)定。7．待液位穩(wěn)定于給定值時，將調(diào)節(jié)器切換到“自動”狀態(tài)，待液位平衡后，通過以下幾種方式加干擾：（1）突增（或突減）儀表設(shè)定值的大小，使其有一個正（或負(fù)）階躍增量的變化；（2）打開閥門F2-1、F2-4（或F2-5），用變頻器支路以較小頻率給中水箱(或下水箱)打水。（干擾作用在主對象或副對象）（3）將閥F1-5、F1-13開至適當(dāng)開度（改變負(fù)載）；（4）將電動調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開至適當(dāng)開度；以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的5％～15％，干擾過大可能造成水箱中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時間后，水箱液位穩(wěn)定至新的設(shè)定值（后面三種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值），記錄此時的智能儀表的設(shè)定值、輸出值和儀表參數(shù)，下水箱液位的響應(yīng)過程曲線將如圖5-4所示。 圖5-4下水箱液位階躍響應(yīng)曲線8．適量改變主、副控調(diào)節(jié)儀的PID參數(shù)，重復(fù)步驟7，用計算機記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。（二）、遠程數(shù)據(jù)采集控制1．將掛件SA-22遠程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊、SA-23遠程數(shù)據(jù)采集模擬量輸入模塊掛到屏上，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)換器連接到計算機串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”、“LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)均撥到“ON”的位置。圖5-5遠程數(shù)據(jù)采集控制水箱液位串級控制實驗接線圖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，給智能采集模塊及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。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、水箱液位串級控制”，進入實驗十的監(jiān)控界面。4．以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～8。（三）、S7-300PLC控制1．將掛件SA-41S7-300PLC控制掛件掛到屏上，并用MPI通訊電纜線將S7-300PLC連接到計算機CP5611專用網(wǎng)卡，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”、“LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)均撥到“ON”的位置。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S7-300PLC及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。3．打開Step7軟件，打開“S7-300”程序進行下載，然后運行WinCC組態(tài)軟件，打開“S7-300PLC控制系統(tǒng)”工程，然后激活WinCC運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗十、水箱液位串級控制”，進入實驗十的監(jiān)控界面。4．以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～8。圖5-8S7-300PLC控制水箱液位串級控制實驗接線圖五、實驗報告要求1．畫出水箱液位串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。2．用實驗方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，并寫出整定過程。設(shè)定主副調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)：主調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定：參數(shù)KpTiTd數(shù)值300.020.00.0副調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定：參數(shù)KpTiTd數(shù)值150.00.00.0分析：實驗中上水箱作為主調(diào)節(jié)器，中水箱作為副調(diào)節(jié)器，由串級控制系統(tǒng)的特點知道：上水箱的輸出作為中水箱的輸入，由系統(tǒng)響應(yīng)曲線可知，在系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)按經(jīng)驗選取為150，積分時間和微分時間都為0，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上；然后按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，改變給定值，根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)和副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)的匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使得主參數(shù)品質(zhì)最佳；如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度和增大積分時間即可改善系統(tǒng)性能。實驗中主調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)設(shè)定為300，積分時間20，由圖可知設(shè)定了積分時間，減少了振蕩，是系統(tǒng)更穩(wěn)定。3．根據(jù)擾動分別作用于主、副對象時系統(tǒng)輸出的響應(yīng)曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動作用下的靜、動態(tài)性能。由曲線可知：系統(tǒng)在受到階躍擾動的情況下，若增大系統(tǒng)的比例放大系數(shù)，則會縮短振蕩周期，能夠快速消除干擾，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，但是此時系統(tǒng)的靜態(tài)誤差將會變大。若增大積分時間常數(shù)，也可以起到快速消除干擾的作用，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性增強，此時若增加微分環(huán)節(jié)，則會使得系統(tǒng)的動態(tài)誤差和靜態(tài)誤差減小，但是增加微分后的系統(tǒng)抗干擾的能力會下降。4．分析主、副調(diào)節(jié)器采用不同PID參數(shù)時對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。主調(diào)節(jié)器：P的大小與對上水箱的控制作用和對主環(huán)擾動作用的響應(yīng)有著直接的作用，P越大，當(dāng)上水箱即主環(huán)受到擾動時能快速消除對它的擾動；I是主調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)，積分時間常數(shù)越大，對于主環(huán)的抗干擾能力就越強，調(diào)節(jié)時間也就越短，D是主環(huán)的微分時間常數(shù)，增大它可以減小主環(huán)的靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差，但是會降低主環(huán)的抗干擾能力。副調(diào)節(jié)器：P越大對副環(huán)即中水箱的控制作用和抗干擾能力就越強，是系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間越短，I是副調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)，I越大，對副環(huán)的抗干擾能力就越強，調(diào)節(jié)時間也越短，副調(diào)節(jié)器可不用D控制作用。六、思考題1．試述串級控制系統(tǒng)為什么對主擾動（二次擾動）具有很強的抗擾能力？如果副對象的時間常數(shù)與主對象的時間常數(shù)大小接近時，二次擾動對主控制量的影響是否仍很小，為什么？答：答：當(dāng)擾動進入副回路后，首先，副被控變量檢測到擾動的影響，并通過副回路的定值控制作用，及時調(diào)節(jié)操縱變量，使副被控變量回副到設(shè)定值，也使擾動對主被控變量的影響減少。即副回路對擾動進行粗調(diào)，主回路對擾動進行細調(diào)，因此串級控制系統(tǒng)對進入副環(huán)擾動（二次擾動）具有很強的抗擾能力。如果副對象的時間常數(shù)與主對象的時間常數(shù)大小接近時將很有可能發(fā)生共振現(xiàn)象，使得副環(huán)的工作頻率處于諧振頻率，其相角接近180度，從而使副環(huán)增益為負(fù)，形成正反饋，出現(xiàn)共振現(xiàn)象，二次擾動對主控制量的影響將會很大。2．當(dāng)一次擾動作用于主對象時，試問由于副回路的存在，系統(tǒng)的動態(tài)性能比單回路系統(tǒng)的動態(tài)性能有何改進？答：當(dāng)一次擾動作用于主對象時，由于副回路的存在，系統(tǒng)的動態(tài)性能比單回路系統(tǒng)的動態(tài)性能改進在于：副被控變量檢測到擾動的影響，并通過副回路的定制控制作用，及時調(diào)節(jié)操縱變量，使副被控變量恢復(fù)到副設(shè)定值，也使擾動對主被控變量的影響減少。即副環(huán)回路對擾動進行粗調(diào)，主環(huán)回路對對擾動進行細調(diào)。因而使系統(tǒng)能更快的趨于穩(wěn)定，調(diào)整時間縮短，并且比較準(zhǔn)確的恢復(fù)到最開始的設(shè)定值。3．串級控制系統(tǒng)投運前需要作好那些準(zhǔn)備工作？主、副調(diào)節(jié)器的正反作用方向如副控制器為何確定？答：串級控制系統(tǒng)投運前需要作好那些準(zhǔn)備工作：串級控制系統(tǒng)投運前需要將主、副控制器的參數(shù)整定好，設(shè)置好主回路的設(shè)定值，同時要設(shè)置好實驗裝置各個開關(guān)的初始狀態(tài)。主、副調(diào)節(jié)器的正反作用方向的確定方式：①根據(jù)安全運行準(zhǔn)則，選擇控制閥的氣開和氣關(guān)類型②根據(jù)工藝條件確定副被控對象的特性。操縱變量增加時，副被控變量增加，kp2為正，反之為負(fù)③根據(jù)負(fù)反饋準(zhǔn)則，確定副控制器正反作用。④根據(jù)工藝條件確定主被控對象的特性。操縱變量增加時，主被控變量增加，kp2為正，反之為負(fù)⑤根據(jù)負(fù)反饋準(zhǔn)則，確定主控制器正反作用。⑥根據(jù)負(fù)反饋準(zhǔn)則，確定在主控方式時主控制器正反作用是否要更換。當(dāng)副控制器是反作用控制時，主控制器從串級方式切換到主控方式時，不需要更換主控制器的作用方式。當(dāng)副控制器是正作用控制時，主控制器從串級方式切換到主控方式時，為保證主控制系統(tǒng)為負(fù)反饋，應(yīng)更換為原來的的作用方式。4．為什么本實驗中的副調(diào)節(jié)器為比例（P）調(diào)節(jié)器？答：因為副回路既是隨動控制系統(tǒng)又是定值控制系統(tǒng)，對于消除余差沒有要求可不采用I，所以通常選用大比例度的P控制作用。5．改變副調(diào)節(jié)器的比例度，對串級控制系統(tǒng)的動態(tài)和抗擾動性能有何影響，試從理論上給予說明。v答：一定范圍內(nèi)，副控制器P參數(shù)增大，副回路輸出最大動態(tài)偏差增大，振蕩周期和回復(fù)周期更短，振蕩更劇烈，使得副控制器的輸出更有利于及時跟蹤主控制器的輸出，及時調(diào)節(jié)執(zhí)行器的輸出，使得串級控制系統(tǒng)更有利于及時克服進入副環(huán)擾動的影響，提高控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，提高抗干擾能力，但P參數(shù)過大會使得副控制器的輸出余差增大，導(dǎo)致副控制器反映主控制器輸出的精確性。6．評述串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量高的原因？答：原因：能迅速客服進入副回路擾動；改善致空氣Gc2的廣義對象特性，提高工作效率；自適應(yīng)能力加強；能夠更精確控制操縱變量的流量；可實現(xiàn)更靈活的操作方式。七、實驗總結(jié)在此次實驗中，對串級控制系統(tǒng)的工作原理更加的熟悉了，了解了PID各環(huán)節(jié)的作用，及對系統(tǒng)的性能的影響。對系統(tǒng)的整體調(diào)試中，在對其進行細調(diào)時，首先調(diào)節(jié)積分環(huán)節(jié)和比例環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的衰減率達到要求，同時也系統(tǒng)超調(diào)量減小了，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PID系統(tǒng)有很好的穩(wěn)定特性，同時響應(yīng)時間比較短，系統(tǒng)干擾能力強，所以在主調(diào)節(jié)器中常用PID控制。南昌大學(xué)實驗報告學(xué)生姓名：金兆遠學(xué)號：6100312301專業(yè)班級：自動化122班實驗類型：□驗證□綜合□設(shè)計□創(chuàng)新實驗日期：實驗成績：實驗四、單(雙)閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)一、實驗?zāi)康?．了解單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)組成。2．掌握比(雙)值系數(shù)的計算方法。3．掌握比(雙)值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定與投運方法。二、實驗設(shè)備1．實驗對象及控制屏、SA-11掛件一個、SA-13掛件一個、SA-14掛件一個、計算機一臺（DCS需兩臺計算機）、萬用表一個；2．SA-12掛件一個、RS485/232轉(zhuǎn)換器一個、通訊線一根；3．SA-21掛件一個、SA-22掛件一個、SA-23掛件一個；4．SA-31掛件一個、SA-32掛件一個、SA-33掛件一個、主控單元一個、數(shù)據(jù)交換器兩個，網(wǎng)線四根；5．SA-41掛件一個、CP5611專用網(wǎng)卡及網(wǎng)線；6．SA-42掛件一個、PC/PPI通訊電纜一根。三、實驗原理在工業(yè)生產(chǎn)過程中,往往需要幾種物料以一定的比例混合參加化學(xué)反應(yīng)。如果比例失調(diào)，則會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的降低、原料的浪費，嚴(yán)重時還會發(fā)生事故。這種用來實現(xiàn)兩個或兩個以上參數(shù)之間保持一定比值關(guān)系的過程控制系統(tǒng)，均稱為比值控制系統(tǒng)。第一個實驗是單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)。其實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)中有兩條支路，一路是來自于電動調(diào)節(jié)閥支路的流量Q1，它是一個主流量；另一路是來自于變頻器—磁力泵支路的流量Q2，它是系統(tǒng)的副流量。要求副流量Q2能跟隨主流量Q1的變化而變化，而且兩者之間保持一個定值的比例關(guān)系，即Q2/Q1=K。圖1單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖由圖中可以看出副流量是一個閉環(huán)控制回路，當(dāng)主流量不變，而副流量受到擾動時，則可通過副流量的閉合回路進行定值控制；當(dāng)主流量受到擾動時，副流量按一定比例跟隨主流量變化，顯然，單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)的總流量是不固定的。第二個實驗是雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)。其實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該系統(tǒng)中有兩條支路，一路是來自于電動閥支路的流量Q1，它是一個主流量；另一路是來自于變頻器—磁力泵支路的流量Q2，它是系統(tǒng)的副流量。要求副流量Q2能跟隨主流量Q1的變化而變化，而且兩者間保持一個定值的比例關(guān)系，即Q2/Q1=K。圖2雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖由圖中可以看出雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)是由一個定值控制的主流量回路和一個跟隨主流量變化的副流量控制回路組成，主流量回路能克服主流量擾動，實現(xiàn)其定值控制。副流量控制回路能抑制作用于副回路中的擾動，當(dāng)擾動消除后，主副流量都回復(fù)到原設(shè)定值上，其比值不變。顯然，雙閉環(huán)流量控制系統(tǒng)的總流量是固定不變的。四、比值系數(shù)的計算設(shè)流量變送器的輸出電流與輸入流量間成線性關(guān)系，即當(dāng)流量Q由0～Qmax變化時，相應(yīng)變送器的輸出電流為4～20mA。由此可知，任一瞬時主流量Q1和副流量Q2所對應(yīng)變送器的輸出電流分別為I1＝(6-1)I2＝(6-2)式中Q1max和Q2max分別為Q1和Q2最大流量值，即渦輪流量計測量上限，由于兩只渦輪流量計完全相同，所以有Q1max＝Q2max。設(shè)工藝要求Q2/Q1＝K，則式（6-1）、（6-2）可改寫為Q1＝Q1max(6-3)Q2＝Q2max(6-4)于是求得＝×＝(6-5)折算成儀表的比值系數(shù)K′為K′＝K×＝K(6-6)五、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇電動閥支路和變頻器支路組成流量比值控制系統(tǒng)。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-8、F1-11、F2-1、F2-5全開，其余閥門均關(guān)閉。具體的實驗內(nèi)容與步驟按四種方案分別敘述，這四種方案的實驗與用戶所購的硬件設(shè)備有關(guān)，可根據(jù)實驗需要選做或全做。（一）、智能儀表控制1．將兩個SA-12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)換器連接到計算機串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“FT1電動閥支路流量”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置，將“FT2變頻器支路流量”鈕子開關(guān)撥到“OFF”的位置。圖6-2智能儀表控制單閉環(huán)流量比值控制實驗接線圖2．本實驗采用兩只智能儀表，其中控制主流量的調(diào)節(jié)儀1運行在“手動”狀態(tài)，即主流量控制回路開環(huán)，而控制副流量的調(diào)節(jié)儀2則處于“自動”狀態(tài)，即副流量控制回路閉環(huán)運行。3．接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V開關(guān)電源，給渦輪流量計上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ、單相Ⅲ空氣開關(guān)，給智能儀表及電動調(diào)節(jié)閥上電。4．打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“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“實驗十七、單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)”，進入實驗十七的監(jiān)控界面。5．在上位機監(jiān)控界面中將智能儀表1設(shè)置為“手動”輸出，并將輸出值設(shè)置為一個合適的值。此操作也可通過調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)。6．合上單相Ⅱ和三相電源空氣開關(guān)，變頻器及磁力驅(qū)動泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使電動閥支路流量平衡于設(shè)定值。用萬用表測量比值器的輸入電壓Uin和輸出電壓Uout，并調(diào)節(jié)比值器上的電位器，使得K′＝(6-7)7．選擇PI控制規(guī)律，并按照單回路調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法整定副流量回路的調(diào)節(jié)器參數(shù)，并按整定后的PI參數(shù)進行副流量調(diào)節(jié)儀2的參數(shù)設(shè)置，同時將智能儀表2投入自動運行。8．待變頻器支路流量穩(wěn)定于給定值后，通過以下幾種方式加干擾：（1）突增（或突減）儀表1輸出值的大小，使其有一個正（或負(fù)）階躍增量的變化；（2）將中水箱進水閥F2-4開至適當(dāng)開度（副流量擾動）。（3）將電動調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開至適當(dāng)開度；（4）將中水箱進水閥F1-7開至適當(dāng)開度；以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的5％～15％，干擾過大可能造成水箱中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定。流量的響應(yīng)過程曲線將如圖3-7所示。 圖6-3變頻器支路流量階躍響應(yīng)曲線9．分別適量改變調(diào)節(jié)儀2的P及I參數(shù)，重復(fù)步驟8，用計算機記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。10．適量改變比值器的比例系數(shù)K′，觀察副流量Q2的變化，并記錄相應(yīng)的動態(tài)曲線。（二）、遠程數(shù)據(jù)采集控制1．將掛件SA-22遠程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊、SA-23遠程數(shù)據(jù)采集模擬量輸入模塊掛