长江大学：电工电子国家级实验教学示范中心《过程控制系统及装置》课程实验指导书

过程控制系统及装置实验指导书目 髪录被控对象数学模型实验概述。一、传递函数的求取，二、实验中应注意的问题L实验一单容液位对象数学模型实验测取2一、实验目的：2二、实验设备及参考资料：2三、实验步骤：3实验二双容液位对象数学模型实验测取，4、实验目的，4二、实验设备及参考资料，三、实验步骤：6液位控制系统参数整定实验概述实验三：单容液位控制系统参数整定实验9、实验目的：9二、实验设备及参考资料：三、实验系统流程图：9四、实验原理：.9五、实验步骤：11实验四：双容液位控制系统参数整定实验、实验目的：.11二、实验设备：11三、实验系统流程图：11四、实验原理：1112五、实验步骤：六、实验建议：13七、思考建议：13

过程控制系统及装置实验指导书 目 录 被控对象数学模型实验概述. 1 一、传递函数的求取 .1 二、实验中应注意的问题 .2 实验一 单容液位对象数学模型实验测取. 2 一、实验目的： .2 二、实验设备及参考资料： .2 三、实验步骤： .3 实验二 双容液位对象数学模型实验测取. 4 一、实验目的 .4 二、实验设备及参考资料 .4 三、实验步骤： .4 液位控制系统参数整定实验概述. 6 实验三：单容液位控制系统参数整定实验 . 9 一、实验目的： .9 二、实验设备及参考资料： .9 三、实验系统流程图： .9 四、实验原理： .9 五、实验步骤： .9 实验四：双容液位控制系统参数整定实验 . 11 一、实验目的： .11 二、实验设备： .11 三、实验系统流程图： .11 四、 实验原理： .11 五、实验步骤： .12 六、实验建议： .13 七、思考建议： .13

被控对象数学模型实验概述被控对象数学模型是指对象在输入的作用下，其输出变量（即被控变量）随时间变化的特性。对象数学模型实验的目的：通过实验掌握对象特性曲线的测量方法。测量时应注意的问题：对象模型参数的求取。液位装置中的液位对象是自衡对象，单个水槽是一阶对象，上水槽与下水槽可以组成二阶对象。对象参数的实验测取：一、传递函数的求取1、一阶对象W(s) = K。 /(Tos+1)K。=[y(c0) - y(0)]/ x0在0.632倍的稳态值处求取时间常数To2、一阶加纯滞后的对象对于有纯滞后的一阶对象，如图2所示，当阶跃响应曲线在=0时，斜率为O；随着t的增加，其斜率逐渐增大当到达拐点后斜率又慢慢减小，可见该曲线的形状为S形，可用一阶惯性加时延环节来近似。确定Ko、To和T的方法如下:X+Yy(00)xo0tX图1图2KW(S)T,s +1K0 =[v(c0) - y(0)]/ x0在阶跃响应的拐点（即斜率的最大处）作一切线并与时间坐标轴交于C点

被控对象数学模型实验概述 被控对象数学模型是指对象在输入的作用下，其输出变量（即被控变量）随 时间变化的特性。 对象数学模型实验的目的：通过实验掌握对象特性曲线的测量方法。 测量时应注意的问题：对象模型参数的求取。液位装置中的液位对象是自衡对象， 单个水槽是一阶对象，上水槽与下水槽可以组成二阶对象。 对象参数的实验测取： 一、传递函数的求取 1、一阶对象 0/)]0()([ )1/()( 0 00 xyyK sTKsW   在 0.632 倍的稳态值处求取时间常数 T0 2、一阶加纯滞后的对象 对于有纯滞后的一阶对象，如图 2 所示，当阶跃响应曲线在 t=0 时，斜率为 0；随着 t 的增加，其斜率逐渐增大；当到达拐点后斜率又慢慢减小，可见该曲 线的形状为 S 形，可用一阶惯性加时延环节来近似。确定 K0、T0 和 τ 的方法如 下： 0/)]0()([0 1 )( 0 0 xyyK e sT K SW s     在阶跃响应的拐点（即斜率的最大处）作一切线并与时间坐标轴交于 C 点， - - 1

则OC段的值即为纯滞后时间t，而与CB段的值即为时间常数TO。3、二阶或高阶对象二阶过程的阶跃响应曲线，其传递函数可表示为K。W(S)(T,s + I)(T2s + 1)式中的KO、T1、T2需从阶跃响应曲线上K。= [y(c0)- y(0)]/ x0求出。先在阶跃响应曲线上取（1）y（t）稳态值的渐近线y（o）；（2）y（tl）=0.4y（αo）时曲线上的点yl和相应的时间tl；（3）y（t2）=0.8y（αo）时曲线上的点y2和相应的时间t2；然后，利用如下近似公式计算Ti、T2。~t1+t2(4)T,+T,2.16T,T,≥1.74=1-0.55(5)(T, +T)(T +T2)t2对于二阶过程，0.320.46时，应用高于二阶环节来近似。二、实验中应注意的问题1、测试前系统处于平衡状态，反应曲线的起始点应是输入信号的开始作阶跃信号的瞬间，这一段时间必须在记录纸上标出，以便推算纯滞后时间t。2、测试与记录工作必须持续到输出参数达到新的稳态值。3、每次实验应在相同的条件下进行两次以上。只有在所测试数据相同时方为合格。4、为了进行线性校验，可作正、负两种干扰进行比较，也可作不同扰动量的实验。实验一单容液位对象数学模型实验测取一、实验目的：通过实验测定单容特性阶跃响应曲线，通过数据处理求取一阶环节的传递函数。二、实验设备及参考资料：-.2

则 OC 段的值即为纯滞后时间 τ，而与 CB 段的值即为时间常数 T0。 3、二阶或高阶对象 二阶过程的阶跃响应曲线，其传递函数可表示为 式中的 K0、T1、T2 需从阶跃响应曲线上 求出。 0/)]0()([ )1)(1( )( 0 1 2 0 xyyK sTsT K SW    先在阶跃响应曲线上取 （1） y（t）稳态值的渐近线 y（∞）； （2） y（t1）=0.4 y（∞）时曲线上的点 y1 和相应的时间 t1； （3） y（t2）=0.8 y（∞）时曲线上的点 y2 和相应的时间 t2； 然后，利用如下近似公式计算 T1、T2。 （4） （5） 55.0 2 1 74.1 ))(( 16.2 21 2121 21 21     t t TTTT TT tt TT 对于二阶过程，0.320.46 时，应用高于二 阶环节来近似。 二、实验中应注意的问题 1、测试前系统处于平衡状态，反应曲线的起始点应是输入信号的开始作阶 跃信号的瞬间，这一段时间必须在记录纸上标出，以便推算纯滞后时间 τ。 2、测试与记录工作必须持续到输出参数达到新的稳态值。 3、每次实验应在相同的条件下进行两次以上。只有在所测试数据相同时方 为合格。 4、为了进行线性校验，可作正、负两种干扰进行比较，也可作不同扰动量 的实验。 实验一 单容液位对象数学模型实验测取 一、实验目的： 通过实验测定单容特性阶跃响应曲线，通过数据处理求取一阶环节的传递函 数。 二、实验设备及参考资料： - - 2

1、PCS一E型过程控制实验装置（使用其中：电动调节阀、DDC控制单元、下水箱及液位变送器、水泵等）2、实验操作指南。三、实验步骤：1、了解实验装置中的对象，流程图如下图所示。1V1三下水箱电动阀计算DV5机T储水箱1V10增压泵下水箱单容特性测试实验流程图2、按附图下水箱单容特性测试实验接线图接好实验导线和通讯线。DDC控判系统输出通道1-7024输入通道1--7017omtttVim0 VimlVin2SoRS-.485ORS--232RS-4850CLO流量信号电动阀信号液位信号输出输出输入电源开关位控电磁阀调节阀水泵3、将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。4、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开直流电压和DDC控制单元电源。5、在信号板上打开电动调节阀输入信号、下水箱输出信号。6、打开计算机上的组态王的“过程控制实验液位液位”工程，进入运行环境，选择实验一下水箱单容特性测试实验，给“阀门开度op”设置一个初始值（20-40）使初始液位10左右。3

1、PCS—E 型过程控制实验装置（使用其中：电动调节阀、DDC 控制单元、 下水箱及液位变送器、水泵等） 2、实验操作指南。 三、实验步骤： 1、了解实验装置中的对象，流程图如下图所示。 下水箱单容特性测试实验流程图 2、按附图下水箱单容特性测试实验接线图接好实验导线和通讯线。 3、将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。 4、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开直流 电压和 DDC 控制单元电源。 5、在信号板上打开电动调节阀输入信号、下水箱输出信号。 6、打开计算机上的组态王的“过程控制实验液位_液位”工程，进入运行 环境，选择实验一下水箱单容特性测试实验，给“阀门开度 op”设置一个初始 值（20-40）使初始液位 10 左右。 - - 3

7、在控制板上先打开电动调节阀，再打开水泵，即保证水路畅通的条件下，最后开泵，一定要注意先后顺序，避免水泵空抽，否则可能将水泵憨坏。9、等待下水箱液位达到某一平衡位置，记下此时的阀门开度值。10、增大阀门开度值，使系统输入幅值适宜的阶跃信号（阶跃信号不要太大，估计下水箱水不要溢出），一般变化5-10%，这时系统输出也有一个变化的信号，使系统在较高液位也能达到平衡状态。11、记录阶跃响应曲线，直至达到新的平衡为止。12、对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表中，和实验中自动求取的参数进行比较。阶跃响应曲线数据处理记录表时间（S）102030405060液位（cm）按常规内容编写实验报告，求取Ko、To、t。实验二，双容液位对象数学模型实验测取一、实验目的通过实验测定双容特性阶跃响应曲线，通过数据处理写出二阶环节的传递函数。二、实验设备及参考资料1、PCS一E型过程控制实验装置（使用其中：电动调节阀、DDC控制单元、上下水箱及液位变送器、水泵等）2、实验操作指南。三、实验步骤：1、了解实验装置中的对象，流程图如下图所示。4

7、在控制板上先打开电动调节阀，再打开水泵，即保证水路畅通的条件下， 最后开泵，一定要注意先后顺序，避免水泵空抽，否则可能将水泵憋坏。 9、等待下水箱液位达到某一平衡位置，记下此时的阀门开度值。 10、增大阀门开度值，使系统输入幅值适宜的阶跃信号（阶跃信号不要太大， 估计下水箱水不要溢出），一般变化 5-10%，这时系统输出也有一个变化的信号， 使系统在较高液位也能达到平衡状态。 11、记录阶跃响应曲线，直至达到新的平衡为止。 12、对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表中，和实验 中自动求取的参数进行比较。 阶跃响应曲线数据处理记录表 时间（S） 10 20 30 40 50 60 . 液位（cm） 按常规内容编写实验报告，求取 K0、T0、τ。 实验二 双容液位对象数学模型实验测取 一、实验目的 通过实验测定双容特性阶跃响应曲线，通过数据处理写出二阶环节的传递函 数。 二、实验设备及参考资料 1、PCS—E 型过程控制实验装置（使用其中：电动调节阀、DDC 控制单元、 上下水箱及液位变送器、水泵等） 2、实验操作指南。 三、实验步骤： 1、了解实验装置中的对象，流程图如下图所示。 - - 4

上水箱业1V茶V4下水箱电动阀计D算V5机储水箱1V10增压泵下水箱双容特性测试实验流程图2、按附图下水箱双容特性测试实验接线图接好实验导线和通讯线。DDC按制系统输出通道1-7024输入通道1-7017VmO VinlVin2Iout2Jout3Vin3omutoufRS--485RS485RS--232OO1O液位信号流量信号电动阀信号输出输出输入电源开关位控电磁阀调节阀水泵3、将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。5、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开直流电压和DDC控制单元电源。6、在信号板上打开电动调节阀输入信号、下水箱输出信号。7、打开计算机上的组态王的“过程控制实验液位液位”工程，进入运行环境，选择实验二中的下水箱双容特性测试实验，给“阀门开度op”设置一个初始值。8、在控制板上先打开电动调节阀，再打开水泵，一定要注意先后顺序，避免水泵空抽，保护实验设备。9、准确记录此时的时间，备用，等待下水箱液位达到某一平衡位置，记下2

下水箱双容特性测试实验流程图 2、按附图下水箱双容特性测试实验接线图接好实验导线和通讯线。 3、将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。 5、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开直流 电压和 DDC 控制单元电源。 6、在信号板上打开电动调节阀输入信号、下水箱输出信号。 7、打开计算机上的组态王的“过程控制实验液位_液位”工程，进入运行 环境，选择实验二中的下水箱双容特性测试实验，给“阀门开度 op”设置一个 初始值。 8、在控制板上先打开电动调节阀，再打开水泵，一定要注意先后顺序，避 免水泵空抽，保护实验设备。 9、准确记录此时的时间，备用，等待下水箱液位达到某一平衡位置，记下 增压泵 上水箱 H 下水箱 电动阀 计 算 机 1V V4 V5 1V10 储水箱 - - 5

此时的阀门开度值。10、增大阀门开度值，使系统输入幅值适宜的阶跃信号（阶跃信号不要太，估计下水箱水不要溢出），一般变化10%即可，这时系统输出也有一个变化的信号，使系统在较高液位也能达到平衡状态。11、观察计算机上的实时曲线和历史曲线，直至达到新的平衡为止。12、设置阀门的开度为原来的值，记录一条液位下降的曲线（可以选作）。13、打开监控画面上的数据报表，按照报表画面中的提示进行操作，自动获取对象参数KO和TO。14、对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表中，和实验中自动求取的参数进行比较。阶跃响应曲线数据处理记录表2010时间（S)30405060液位（cm）按常规内容编写实验报告，求取Ko、To、t。液位控制系统参数整定实验概述调节器参数对过程控制系统影响很大。Kc越大，调节作用越强；积分时间Ti越大积分调节作用越弱：微分时间Td越大，微分调节作用越强，在简单的过程控制系统中，调节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要指标，保证系统具有一定的稳定裕量。本实验采用闭环液位控制，其原理方框图如下：扰动设定值e执行器被控对象调节器皮馈值液位变送器

此时的阀门开度值。 10、增大阀门开度值，使系统输入幅值适宜的阶跃信号（阶跃信号不要太， 估计下水箱水不要溢出），一般变化 10%即可，这时系统输出也有一个变化的信 号，使系统在较高液位也能达到平衡状态。 11、观察计算机上的实时曲线和历史曲线，直至达到新的平衡为止。 12、设置阀门的开度为原来的值，记录一条液位下降的曲线（可以选作）。 13、打开监控画面上的数据报表，按照报表画面中的提示进行操作，自动获 取对象参数 K0 和 T0。 14、对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表中，和实验 中自动求取的参数进行比较。 阶跃响应曲线数据处理记录表 时间（S） 10 20 30 40 50 60 . 液位（cm） 按常规内容编写实验报告，求取 K0、T0、τ。 液位控制系统参数整定实验概述 调节器参数对过程控制系统影响很大。Kc 越大，调节作用越强；积分时间 Ti 越大积分调节作用越弱；微分时间 Td 越大，微分调节作用越强，在简单的过 程控制系统中，调节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要指标，保证 系统具有一定的稳定裕量。 本实验采用闭环液位控制，其原理方框图如下： 扰动 调节器 执行器 设定值 e 被控对象 反馈值 液位变送器 - - 6

调节器的工程整定方法，主要有临界比例度法、衰减曲线法。（1）临界比例度法这是一种闭环整定方法。由于该方法直接在闭环系统中进行，不需测试过程的动态特性，因为方法简单，使用方便，获得了广泛的应用。具体步骤如下：·先将调节器的积分时间Ti置于最大（Ti=oo）微分时间TD置零（Td=O），比例度8置为较大的数值，使系统投入闭环运行。·待系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃扰动，并减小8，直到系统出现如图11所示的等幅振荡，即临界振荡过程。记录此时的8k（临界比例带）和等幅振荡周期Tk。·根据记录的8k和Tk，按表1-1给出的经验公式计算出调节器的8、Ti及Td的参数。需要指出的是，采用这种方法整定调节器的参数时受到一定的限制，如有些过程控制系统不允许进行反复振荡实验，像锅炉给水系统和燃烧控制系统等，就不可能应用此法。再如某些时间常数较大的单容过程，采用比例调节时根本不可能出现等幅振荡，也就不能应用此法。C(t)t图1.1系统临界振荡表1-1采用临界比例度法的整定参数Ti整定参数 (%)Td调节规律P28kPI2.28k0.85TkPID1.78k0.5Tk0.125Tk(2)衰减

调节器的工程整定方法，主要有临界比例度法、衰减曲线法。 （1）临界比例度法 这是一种闭环整定方法。由于该方法直接在闭环系统中进行，不需测试过程 的动态特性，因为方法简单，使用方便，获得了广泛的应用。具体步骤如下： ● 先将调节器的积分时间 Ti 置于最大（Ti=∞）微分时间 TD 置零（Td=0）， 比例度 δ 置为较大的数值，使系统投入闭环运行。 ● 待系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃扰动，并减小 δ，直到系统出 现如图 1.1 所示的等幅振荡，即临界振荡过程。记录此时的 δk（临界比例带）和 等幅振荡周期 Tk。 ● 根据记录的 δk 和 Tk，按表 1-1 给出的经验公式计算出调节器的 δ、Ti 及 Td 的参数。 需要指出的是，采用这种方法整定调节器的参数时受到一定的限制，如有些 过程控制系统不允许进行反复振荡实验，像锅炉给水系统和燃烧控制系统等，就 不可能应用此法。再如某些时间常数较大的单容过程，采用比例调节时根本不可 能出现等幅振荡，也就不能应用此法。 图 1.1 系统临界振荡 表 1-1 采用临界比例度法的整定参数 整定参数 调节规律 δ（℅） Ti Td P 2δk PI 2.2δk 0.85Tk PID 1.7δk 0.5Tk 0.125Tk （2）衰减 - - 7

曲线法这种方法与临界比例度法相类似，所不同的是无需出现等幅振荡过程，具体方法如下：。先置调节器积分时间Ti=o0.微分时间Td=0.比例带8置于较大的值。将系统投入运行。。待系统工作稳定后，对设定值作阶跃扰动，然后观察系统的响应。若响应振荡衰减太快，就减小比例带：反之，则增大比例带。如此反复，直到出现如图1.2（a）所示的衰减比为4：1的振荡过程，或者如图1.2(b)所示的10：1振荡过程时，记录此时的值（设为s），以及Ts的值（如图1.2(a)中所示），或者Tr的值（如图1.2(b)中所示）。图1.2中，Ts为衰减振荡周期，Tr为响应上升时间。c(t)tΦ=0.9C(t)（衰减比10:1)0=0.75（豪减比4：1++Tr(b)(a)图1.2系统表减振荡曲线·按表1-2中所给的经验公式计算8、Ti及Td的参数。表1-2衰减曲线法整定计算公式TITn衰减率整定参数8 (%)调节规律Ps0.75PI1.28s0.5TsPID0.88s0.3Ts0.1TsP8sPI2Tr0.901.28sPID1.2Tr0.4Tr0.88s衰减曲线对多数过程都适用，该方法的缺点是较难确定4：1的衰减程度，从而较难得到准确的8、Ti及Td的值。O

曲线法 这种方法与临界比例度法相类似，所不同的是无需出现等幅振荡过程，具体 方法如下： ● 先置调节器积分时间 Ti =∞,微分时间 Td=0,比例带 δ 置于较大的值。将系 统投入运行。 ● 待系统工作稳定后，对设定值作阶跃扰动，然后观察系统的响应。若响应 振荡衰减太快，就减小比例带；反之，则增大比例带。如此反复，直到出现如图 1.2（a）所示的衰减比为 4：1 的振荡过程，或者如图 1.2(b)所示的 10：1 振荡过 程时，记录此时的 δ 值（设为 δs），以及 Ts 的值（如图 1.2(a)中所示），或者 Tr 的值（如图 1.2(b)中所示）。图 1.2 中，Ts 为衰减振荡周期，Tr 为响应上升时间。 图 1.2 系统衰减振荡曲线 ● 按表 1-2 中所给的经验公式计算 δ、Ti 及 Td 的参数。 表 1-2 衰减曲线法整定计算公式 衰减率 整定参数 调节规律 δ（℅） P δs 0.75 PI 1.2δs 0.5Ts PID 0.8δs 0.3Ts 0.1Ts P δs 0.90 PI 1.2δs 2Tr PID 0.8δs 1.2Tr 0.4Tr 衰减曲线对多数过程都适用，该方法的缺点是较难确定 4：1 的衰减程度，从而 较难得到准确的 δ、Ti 及 Td 的值。 - - 8

实验三：单容液位控制系统参数整定实验一、实验目的：1、了解简单过程控制系统的构成。2、掌握简单过程控制的原理、计算机控制和调节器参数对控制系统性能的影响。二、实验设备及参考资料：1、PCS一E过程控制实验装置（使用其中：电动调节阀、DDC控制单元、下水箱及液位变送器、水泵等）2、实验操作指南和液位变送器的调试（一般出厂前已调试好）方法。三、实验系统流程图：1t1V1电动阀下水箱计HTD算HV5机三储水箱增压泵1V10四、实验原理：本实验采用衰减曲线法，将液位控制在设定高度。根据下水箱液位信号输出给计算机，计算机根据P、I、D参数进行PID运算，输出信号给电动调节阀，然后由电动调节阀控制水泵供水系统的进水流量，从而达到控制设定液位基本恒定的目的。五、实验步骤：1、按附图单容液位控制实验接线图接好实验导线和通讯线。L

实验三：单容液位控制系统参数整定实验 一、实验目的： 1、了解简单过程控制系统的构成。 2、掌握简单过程控制的原理、计算机控制和调节器参数对控制系统性能的 影响。 二、实验设备及参考资料： 1、PCS—E 过程控制实验装置（使用其中：电动调节阀、DDC 控制单元、 下水箱及液位变送器、水泵等） 2、实验操作指南和液位变送器的调试（一般出厂前已调试好）方法。 三、实验系统流程图： 四、实验原理： 本实验采用衰减曲线法，将液位控制在设定高度。根据下水箱液位信号输出 给计算机，计算机根据 P、I、D 参数进行 PID 运算，输出信号给电动调节阀， 然后由电动调节阀控制水泵供水系统的进水流量，从而达到控制设定液位基本恒 定的目的。 五、实验步骤： 1、按附图单容液位控制实验接线图接好实验导线和通讯线。 - - 9