《工業(yè)過程控制技術(shù)實踐教程》課件第9章

項目九智能儀表控制系統(tǒng)實訓(xùn)9.1實訓(xùn)目的9.2實訓(xùn)原理9.3智能儀表控制實訓(xùn)系統(tǒng)介紹9.4實訓(xùn)內(nèi)容 9.1實訓(xùn)目的

了解智能儀表的工作原理，理解智能儀表應(yīng)用的基礎(chǔ)概念，掌握智能儀表在過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方法。

9.2實訓(xùn)原理

1.液位傳感器

工作原理：當(dāng)被測介質(zhì)(液體)的壓力作用于傳感器時，壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信

號，經(jīng)歸一化差分放大和V/A(電壓/電流)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成與被測介質(zhì)(液體)的液位壓力成線性對應(yīng)關(guān)系的4mA～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號。液位傳感器接線如圖9-1所示。圖9－1液位傳感器接線圖

接線說明：液位傳感器為二線制接法，它的端子位于中繼箱內(nèi)，電纜線從中繼箱的引線口接入，直流電源24V+接中繼箱內(nèi)正端(+)，中繼箱內(nèi)負(fù)端(-)接負(fù)載電阻的一端，負(fù)載電阻的另一端接24V-。傳感器輸出4mA～20mA電流信號，通過負(fù)載電阻250/50Ω轉(zhuǎn)換成電壓信號。當(dāng)負(fù)載電阻接250Ω時信號電壓為1V～5V，當(dāng)負(fù)載電阻切換成50Ω時信號電壓為0.2V～1V。

零點(diǎn)和量程調(diào)整：零點(diǎn)和量程調(diào)整電位器位于中繼箱內(nèi)的另一側(cè)。校正時打開中繼箱蓋，即可進(jìn)行調(diào)整，左邊的(Z)為調(diào)零電位器，右邊的(R)為調(diào)增益電位器。

2.Pt100熱電阻溫度傳感器

工作原理：Pt100電阻阻值與溫度之間具有良好的線性關(guān)系。接線說明：連接兩端元件熱電阻采用的是三線制接法，以減少測量誤差。在多數(shù)測量中，熱電阻遠(yuǎn)離測量電橋，因此與熱電阻相連接的導(dǎo)線長，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，連接導(dǎo)線的電阻值將有明顯的變化。為了消除由于這種變化而產(chǎn)生的測量誤差，采用三線制接法。即在兩端元件的一端引出一條導(dǎo)線，另一端引出兩條導(dǎo)線，這三條導(dǎo)線的材料、長度和粗細(xì)都相同，如圖9－2中的a、b、c所示。它們與儀表輸入電橋相連接時，導(dǎo)線a和c分別加在電橋相鄰的兩個橋臂上，導(dǎo)線b在橋路的輸出電路上，因此，a和c阻值的變化對電橋平衡的影響正好抵消，b阻值的變化量對儀表輸入阻抗的影響可忽略不計。圖9－2

Pt100熱電阻接線圖

3.流量計

流量計包括渦輪流量計、電磁流量計。

(1)渦輪流量計輸出的是頻率，其測量范圍為0m3/h～1.2m3/h。

渦輪流量計接線如圖9－3所示。

接線說明：傳感器的12V供電電源由實訓(xùn)操作臺的智能調(diào)節(jié)儀提供，電源已從智能調(diào)節(jié)儀表后面引出。(2)電磁流量計：輸出信號為4mA～20mA的電流,測量范圍為0.3m3/h～6m3/h。電磁流量計接線如圖9－4所示。圖9－3渦輪流量計接線圖

3.流量計

流量計包括渦輪流量計、電磁流量計。

(1)渦輪流量計輸出的是頻率，其測量范圍為0m3/h～1.2m3/h。

渦輪流量計接線如圖9－3所示。

接線說明：傳感器的12V供電電源由實訓(xùn)操作臺的智能調(diào)節(jié)儀提供，電源已從智能調(diào)節(jié)儀表后面引出。

(2)電磁流量計：輸出信號為4mA～20mA的電流,測量范圍為0.3m3/h～6m3/h。電磁流量計接線如圖9－4所示。圖9－4電磁流量計接線圖圖9－5壓力表示意圖

4.壓力表

壓力表示意圖如圖9－5所示。

安裝位置：單相泵之后，電動調(diào)節(jié)閥之前。測量范圍：0Pa～0.25MPa。

5.智能電動單座調(diào)節(jié)閥主要技術(shù)參數(shù)

型式：智能型直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

輸入信號：(0～10)mA/(4～20)mADC/(0～5)VDC/(1～5)VDC。

輸入阻抗：250Ω/500Ω。

輸出信號：(4～20)mADC。

輸出最大負(fù)載：<500Ω。

信號斷電時的閥位：可設(shè)置為保持/全開/全關(guān)/0%～100%間的任意值。

電源：220V±10%/50Hz。

6.電磁閥

電磁閥由24V直流開關(guān)電源供電，分為兩種狀態(tài)：上電時電磁閥閥門打開，掉電時電磁閥閥門關(guān)閉。

7.可控硅移相調(diào)壓

可控硅移相調(diào)壓是指通過4mA～20mA電流控制信號控制三相380V(或單相220V)交流電源在0V～380V(或單相220V)之間根據(jù)控制電流的大小實現(xiàn)連續(xù)變化。

9.3智能儀表控制實訓(xùn)系統(tǒng)介紹

9.3.1實訓(xùn)系統(tǒng)主要特點(diǎn)

智能儀表控制實訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計本著從工程化、參數(shù)化、現(xiàn)代化、開放性和培養(yǎng)綜合性人才的原則出發(fā),在

實驗對象中采用了工業(yè)現(xiàn)場常用的檢測控制裝置。儀表采用具有人工智能算法及通信接口的智能調(diào)節(jié)儀，上位機(jī)監(jiān)控軟件采用MCGS工控組態(tài)軟件等。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)

(1)被調(diào)參數(shù)包括了流量、壓力、液位、溫度四大熱工參數(shù)。(2)執(zhí)行器中既有電動調(diào)節(jié)閥、SCR移相調(diào)壓等儀表類執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又有變頻器等電力拖動類

執(zhí)行器。(3)調(diào)節(jié)系統(tǒng)除了有調(diào)節(jié)器的設(shè)定值階躍擾動外，還有在對象中通過另一動力支路或電磁閥

和手操作閥制造各種擾動。(4)一個被調(diào)參數(shù)可在不同的動力源、不同的執(zhí)行器、不同的工藝線路下演變成多種調(diào)節(jié)回

路，以利于討論、比較各種調(diào)節(jié)方案的優(yōu)劣。

(5)某些檢測信號、執(zhí)行器在本對象中存在相互干擾，它們在工作時需對原獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)進(jìn)行重新整定，還可對復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)比較優(yōu)劣。(6)各種控制算法和調(diào)節(jié)規(guī)律在開放的組態(tài)實驗軟件平臺上都可以實現(xiàn)。(7)實驗數(shù)據(jù)及圖表可以永久存儲，在MCGS組態(tài)軟件中也可隨時調(diào)用，以便實驗者在實驗結(jié)束后進(jìn)行比較和分析。9.3.2實驗對象組成結(jié)構(gòu)

過程控制實驗對象系統(tǒng)包含：1#不銹鋼儲水箱(長×寬×高：800mm×550mm×400mm)、強(qiáng)制對流換熱管系統(tǒng)、串接圓筒有機(jī)玻璃上水箱(Φ350mm×450mm)、中水箱(Φ350mm×450mm)、下水箱(Φ350mm×450mm)、2#不銹鋼儲水箱(長×寬×高：600mm×450mm×400mm)、三相6.0kW電加熱釜(由不銹鋼釜內(nèi)膽加溫筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼冷卻釜夾套組成)、純滯后盤管實驗裝置。系統(tǒng)動力支路分為兩路：一路由單相循環(huán)水泵、電動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計、自鎖緊不銹鋼水管及手動切換閥組成；另一路由小流量水泵、變頻調(diào)速器、小流量電磁流量計、自鎖緊不銹鋼水管及手動切換閥組成。實驗對象結(jié)構(gòu)圖如圖9－6所示。圖9－6實驗對象結(jié)構(gòu)圖9.3.3實訓(xùn)系統(tǒng)控制臺

1.智能儀表控制臺面板

(1)電源控制屏面板：充分考慮人身安全保護(hù)，帶有漏電保護(hù)空氣開關(guān)、電流型漏電保護(hù)器。(2)儀表、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊、S7－200PLC面板：由1塊AI/519智能調(diào)節(jié)儀面板、1塊AI/719智能調(diào)節(jié)儀面板、1塊AI/708H流量積算儀面板、1塊AI/701顯示變送儀面板、2塊遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊面板和1塊S7－200PLC面板組成，各裝置外接線端子通過面板上自鎖緊插孔引出。(3)I/O信號接口面板：該面板的作用主要是將各傳感器檢測及執(zhí)行器控制信號同面板上自鎖緊插孔相連，再通過航空插頭與對象系統(tǒng)連接，便于自行連線組成不同的控制系統(tǒng)，進(jìn)行各種過程控制實驗。

2.電源控制屏

如圖9－7所示，電源控制屏包括總電源漏電保護(hù)器、系統(tǒng)總電源開關(guān)、單相電源開關(guān)、三相電源指示燈、電源總開關(guān)、電源保險絲座、動力機(jī)直流電源控制、啟動/停止按鈕等。圖9－7電源控制屏

(1)電源控制屏可為實驗提供三相380V交流電源和單相220V交流電源。三相電源主電路中設(shè)有10A帶燈熔斷器。

(2)電源控制屏的啟動方法如下：

①關(guān)閉所有的電源開關(guān)。

②接好機(jī)殼的接地線，插好三相四芯電纜線插頭，接通三相380V/50Hz的交流市電。

③開啟總電源漏電保護(hù)器開關(guān)，三只黃、綠、紅三相電源接通，指示燈亮，開啟總電源開關(guān)，紅色按鈕燈亮，同時可聽到屏內(nèi)交流接觸器瞬間吸合聲。

④打開單相電源開關(guān)，單相(220V/5A)有電壓輸出，電源控制屏啟動完畢。

⑤實驗完畢，關(guān)閉總電源開關(guān)，紅色指示燈滅，然后關(guān)閉系統(tǒng)總電源，最后再檢查一下各開關(guān)是否都恢復(fù)到“關(guān)”的位置。

3.I/O信號接口面板

I/O信號接口面板如圖9－8所示。

該面板可分為九大模塊，從左往右依次如下：

(1)電源開關(guān)：提供220V交流電壓，正常供電時電壓指示燈亮。

(2)三相SCR可控調(diào)壓裝置：三相電加熱管0V～380V連續(xù)可調(diào)交流電壓提供裝置，可調(diào)電壓由4mA～20mA模擬量輸出信號控制。

(3)單相SCR可控調(diào)壓裝置：單相電加熱管0V～220V連續(xù)可調(diào)交流電壓提供裝置，可調(diào)電壓由4mA～20mA模擬量輸出信號控制。

(4)變頻器控制信號：控制信號為4mA～20mA電流輸入，接調(diào)節(jié)器4mA～20mA電流輸出。

(5)電動調(diào)節(jié)閥控制信號：控制信號為4mA～20mA電流輸入，接調(diào)節(jié)器4mA～20mA電流輸出。

(6)轉(zhuǎn)速信號：接至AI701,可顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。(7)溫度變送器：為各個電流信號轉(zhuǎn)化成(1V～5V、0.2V～1V等)標(biāo)準(zhǔn)電壓信號提供轉(zhuǎn)換電路(串聯(lián)50Ω和250Ω電阻實現(xiàn)分壓，得到0.2V～1V和1V～5V電壓信號)。

(8)壓力變送器：引出上水箱液位、中水箱液位、下水箱液位、反應(yīng)釜液位和2#泵出口壓力(1V～5V或0.2V～1V)的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(串聯(lián)50Ω和250Ω電阻實現(xiàn)分壓，得到0.2V～1V和1V～5V電壓信號)。

(9)流量變送器：可分為渦輪流量計和電磁流量計。電磁流量計流量輸出為1V～5V或0.2V～1V電壓信號，渦輪流量計輸出頻率信號，分別從+、-兩端輸出。圖9－8

I/O信號接口面板

4.變頻器

變頻器型號為施耐德(0.37kW)型變頻調(diào)速器，具體參數(shù)設(shè)置如表9－1所示。表9－1變頻器參數(shù)

(1)面板接線端子功能說明。

①為了保護(hù)變頻器各接線端子不因?qū)嶒灂r經(jīng)常裝、拆線而損壞或丟失，故將其常用的端子引到面板上。

②控制信號輸入：可輸入外部0V～5V電壓或4mA～20mA電流控制信號。

③將LI1和+24V端連接。

(2)變頻器使用說明。

本裝置中使用變頻器時，主要有兩種輸出方式：一種是直接調(diào)面板旋鈕輸出頻率，另一種是用外部輸入控制信號改變變頻器輸出頻率。兩種輸出方式的具體接線方法如下：

①變頻器面板旋鈕輸出接線方法：將LI1和+24V端接線拆除，當(dāng)需要改變輸出頻率時，旋動面板上的旋鈕，順時針旋可增大輸出頻率，逆時針旋可減小輸出頻率。待旋至所需要的頻率時，按變頻器上白色的SET鍵，即可選定所需的輸出頻率。

②變頻器外部控制信號控制輸出接線方法：將LI1和+24V端連接，在控制信號輸入端接入控制信號(正極、負(fù)極應(yīng)一一對應(yīng)，不能接錯)，打開變頻器的電源開關(guān)即可輸出。通過改變控制信號的大小來改變輸出頻率。

5.智能調(diào)節(jié)儀

如圖9－9所示，智能調(diào)節(jié)儀的型號為上海萬迅儀表AI818A，具備外給定、手動/自動切換操作、手動整定及顯示輸出值等功能，并具備直接控制閥門的位置比例輸出(伺服放大器)功能，也可獨(dú)立做手動操作器或伺服放大器用。此外，AI818A還具備可控硅移相觸發(fā)輸出功能，可節(jié)省可控硅移相觸發(fā)器，能精確控制溫度、壓力、流量、液位等多種物理量。圖9－9智能調(diào)節(jié)儀面板

(1)面板接線端子功能說明：

1、2端子：1V~5V、0V~5V信號輸入端(1端為+極，2端為-極)。

2、3、4端子：2、3為0.2V~1V信號輸入端(注：0.2V~1V信號必須從2、3端子輸入，2端為-極，3端為+極)；2、3、4為熱電阻，熱電偶信號輸入端。

RSV(I/V轉(zhuǎn)換)：將測量或外部輸入電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號后輸入到1、2端或2、3端。

7、8端子：測量或控制電流信號輸出端。

9、10端子：220V交流供電電源輸入端。RS485通信口：與上位機(jī)的通信接口。

(2)智能調(diào)節(jié)儀使用參數(shù)設(shè)置。

修改參數(shù)時，按住鍵3s，即可調(diào)出表9－2所示的第一個參數(shù)HIAL，用＜、∨、∧、修改參數(shù)的值。修改好第一個參數(shù)后，再按一下即可進(jìn)入下一個參數(shù)的修改。表9－2智能調(diào)節(jié)儀參數(shù)表9－3

SN對應(yīng)的輸入規(guī)格

6.智能流量積算儀

智能流量積算儀面板如圖9－10所示。圖9－10智能流量積算儀面板智能流量積算儀的主要功能是將渦輪流量計輸出的流量頻率信號轉(zhuǎn)換為4mA~20mA的電流信號輸出，并獲得流量的積算值。智能流量積算儀面板設(shè)有頻率信號輸入接口、變送信號輸出接口、輸出電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號電阻接口(250Ω和50Ω)。智能流量積算儀參數(shù)設(shè)置表如表9－4所示。表9－4智能流量積算儀

9.3.4系統(tǒng)控制組態(tài)軟件

組態(tài)軟件的具體安裝步驟如下：(1)啟動Windows，在相應(yīng)的驅(qū)動器中插入光盤,會自動彈出MCGS安裝程序窗口(如沒有窗口彈出，則從Windows的“開始”菜單中選擇“運(yùn)行...”命令，再運(yùn)行光盤中的AutoRun.exe文件)。安裝程序窗口如圖9－11所示。圖9－11安裝程序窗口

(2)在安裝程序窗口中選擇“安裝MCGS組態(tài)軟件通用版”，啟動安裝程序開始安裝。

(3)安裝程序提示指定安裝目錄，用戶不指定時，系統(tǒng)缺省安裝到D：＼MCGS目錄下，如圖9－12所示。

(4)安裝過程要持續(xù)數(shù)分鐘；MCGS系統(tǒng)文件安裝完成后，安裝程序要建立象標(biāo)群組和安裝數(shù)據(jù)庫引擎，這一過程可能持續(xù)幾分鐘，請耐心等待。

(5)安裝過程完成后，安裝程序?qū)棾觥霸O(shè)置完成”對話框，上面有兩個復(fù)選框，重新啟動計算機(jī)和不啟動計算機(jī)。一般在計算機(jī)上初次安裝時需要選擇重新啟動計算機(jī)。點(diǎn)擊“完成”按鈕，將結(jié)束安裝程序的運(yùn)行，如圖9－13所示。圖9－12安裝目錄圖9－13完成安裝

(6)安裝完成后，Windows操作系統(tǒng)的桌面上添加了如圖9－14所示的兩個圖標(biāo)，分別用于啟動MCGS組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境。圖9－14桌面圖標(biāo)

(7)同時，Windows開始菜單中也添加了相應(yīng)的MCGS程序組，如圖9－15所示。MCGS程序組包括五項：MCGS電子文檔、MCGS運(yùn)行環(huán)境、MCGS自述文件、MCGS組態(tài)環(huán)境以及卸載MCGS組態(tài)軟件。運(yùn)行環(huán)境和組態(tài)環(huán)境為軟件的主體程序，自述文件描述了軟件發(fā)行時的最后信息，MCGS電子文檔則包含了有關(guān)MCGS最新的幫助信息。圖9－15添加MCGS程序組

MCGS系統(tǒng)分為組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個部分。文件McgsSet.exe對應(yīng)于MCGS系統(tǒng)的組態(tài)環(huán)境，文件McgsRun.exe對應(yīng)于MCGS系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。

此外，系統(tǒng)還提供了幾個組態(tài)完好的樣例工程文件，用于演示系統(tǒng)的基本功能。

MCGS系統(tǒng)安裝完成后，在用戶指定的目錄(或系統(tǒng)缺省目錄D：＼MCGS)下創(chuàng)建有三個子目錄：Program、Samples和Work。組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境對應(yīng)的兩個執(zhí)行文件以及MCGS中用到的設(shè)備驅(qū)動、動畫構(gòu)件及策略構(gòu)件存放在子目錄Program中，樣例工程文件存放在Samples目錄下，Work子目錄則是用戶的缺省工作目錄。

分別運(yùn)行執(zhí)行程序McgsSet.exe和McgsRun.exe，就能進(jìn)入MCGS的組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境。安裝完畢后，運(yùn)行環(huán)境能自動加載并運(yùn)行樣例工程，用戶可根據(jù)需要創(chuàng)建和運(yùn)行自己的新工程。

在PC上安裝HDU3000－4YB組態(tài)軟件后，可實現(xiàn)通過RS232－485轉(zhuǎn)換裝置同儀表控制臺側(cè)部的RS485串行接口同所有的儀表及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行通信。學(xué)生可對下位儀表各參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，修改PID控制參數(shù)，并能觀察被控參數(shù)的實時曲線、歷史曲線，SV設(shè)定值、PV測量值、OP輸出值。各實驗都設(shè)有動態(tài)流程圖，被測參數(shù)動態(tài)顯示，動態(tài)棒圖顯示系統(tǒng)流程圖。9.3.5實訓(xùn)裝置的安全保護(hù)體系

實訓(xùn)裝置具有以下安全保護(hù)體系：

(1)三相四線制總電源輸入經(jīng)帶漏電保護(hù)器裝置的三相四線制斷路器進(jìn)入系統(tǒng)電源后又分為三相電源支路和一個不同相的單相支路，每一支路都帶有各自三相、單相斷路器。總電源設(shè)有三相通電指示燈。

(2)控制屏電源由接觸器通過啟動、停止按鈕進(jìn)行控制。

(3)各種電源及各種儀表均有可靠的保護(hù)功能。

(4)實驗裝置強(qiáng)電系統(tǒng)采用鑰匙開關(guān)控制，便于管理和防止觸電事故的發(fā)生。

(5)實驗裝置和控制臺均設(shè)有接地螺絲，要求可靠接地?？刂婆_背部有警告標(biāo)志，提醒實驗人員在開門前必須斷開電源。

9.3.6智能儀表參數(shù)設(shè)置

(1)智能調(diào)節(jié)儀(AI818)控制液位(壓力變送器)的參數(shù)設(shè)置見表9－5。表9－5

AI818參數(shù)設(shè)置(2)智能流量積算儀顯示流量的參數(shù)設(shè)置見表9－6。表9－6

AI708參數(shù)設(shè)置

9.4實訓(xùn)內(nèi)容

9.4.1實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和液位傳感器校準(zhǔn)實驗

1.實驗?zāi)康?/p>

(1)了解實驗裝置結(jié)構(gòu)和組成。(2)了解信號的傳輸方式和路徑。(3)掌握實驗裝置的基本操作。(4)掌握液位傳感器調(diào)節(jié)零位和增益的方法。

2.實驗設(shè)備

實驗設(shè)備即實驗對象、萬用表。

3.實驗內(nèi)容

(1)設(shè)備狀態(tài)檢查。

①將實驗對象的儲水箱灌滿水(至最高高度)。

②打開以1#泵、電動閥、渦輪流量計組成的動力支路至上水箱的出水閥F1－1、閥F1－2、閥F1－3、閥F1－4,關(guān)閉動力支路上通往其他對象的切換閥。

③關(guān)閉上水箱出水閥F1－7。

④檢查電源開關(guān)是否關(guān)閉。

(2)系統(tǒng)連線。將I/O信號面上壓力變送器上水箱液位接到1V～5V位置。

(3)啟動實驗裝置。

①將實驗裝置電源插頭接到三相380V的三相交流電源。

②打開總電源漏電保護(hù)空氣開關(guān)，三相電源指示燈亮。

③打開電源總鑰匙開關(guān)，開啟1#泵電源開關(guān)。

(4)上、中水箱液位傳感器的校準(zhǔn)(下水箱)。

上水箱液位傳感器測量范圍：0kPa～5kPa；水箱液位傳感器測量范圍：0kPa～5kPa；24V直流電源供電:4mA～20mA電流輸出，采用兩線制接法。

(5)校準(zhǔn)步驟。

①打開三相電源空氣開關(guān)、單相(220V/5A)空氣開關(guān)。

②零位校準(zhǔn)(即1V～5V對應(yīng)液位0cm～50cm)。

·打開閥F1－7，排空上水箱中的水后，關(guān)閉閥F1－7。

·用萬用表20V直流電壓擋測量I/O信號面板上的壓力變送器模塊的上水箱液位的電壓值，此時上水箱液位為零，調(diào)節(jié)上水箱液位傳感器的Z(Zero)電位器，使測量的電壓值為1V。

③增益校準(zhǔn)。

·打開1#泵電源開關(guān)，給上水箱開始打水。

·用卷尺測量上水箱液位達(dá)到溢流口時的值，關(guān)閉單相水泵開關(guān)。

·看萬用表20V直流電壓擋測量的大水箱液位的電壓值，卷尺測量值=(電壓值-1)×25cm，若不是，則調(diào)節(jié)上水箱液位傳感器的R(增益)電位器，使電壓值經(jīng)過換算后和卷尺的測量值吻合。

④重復(fù)步驟(3)、(4)，復(fù)調(diào)零位和增益,直到液位為零時電壓顯示為1V，液位最大值時電壓與實際測量值吻合。注：調(diào)好以后就不必再調(diào)。

⑤調(diào)節(jié)下水箱液位傳感器與調(diào)節(jié)上水箱液位傳感器的方法一致。

4.實驗預(yù)習(xí)要求

詳細(xì)閱讀過程控制系統(tǒng)實驗裝置的產(chǎn)品使用說明，重點(diǎn)熟悉對象系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和液位傳感器的校準(zhǔn)。9.4.2智能儀表認(rèn)知實驗

1.實驗?zāi)康?/p>

(1)了解實驗裝置結(jié)構(gòu)和組成。

(2)了解信號的傳輸方式和路徑。

(3)掌握實驗裝置的基本操作。

(4)熟悉智能儀表的使用。

2.實驗設(shè)備

實驗設(shè)備即實驗對象、萬用表、實驗連接線。

3.實驗內(nèi)容

(1)設(shè)備狀態(tài)檢查。

①將實驗對象的儲水箱灌滿水(至最高高度)。

②打開以1#泵、電動閥、渦輪流量計組成的動力支路至上水箱的出水閥F1－1、閥

F1－2、閥F1－3、閥F1－4,關(guān)閉動力支路上通往其他對象的切換閥。

③關(guān)閉上水箱出水閥F1－7。

④檢查電源開關(guān)是否關(guān)閉。

(2)系統(tǒng)連線。

①將上水箱液位+端(正極)接到任意一個智能調(diào)節(jié)儀的1端(即RSV的+極)，上水箱液位

-端(負(fù)極)接到智能調(diào)節(jié)儀的2端(即RSV的負(fù)極)。

②將智能調(diào)節(jié)儀的4mA～20mA輸出端的7端(即正極)接至電動調(diào)節(jié)閥的4mA～20mA輸入端的+

端，將智能調(diào)節(jié)儀的4mA～20mA輸出端的5端接至電動調(diào)節(jié)閥的4mA～20mA輸入端的-端。

③三相電源、單相的空氣開關(guān)打在關(guān)的位置。

(3)啟動實驗裝置。

①打開總電源三相漏電保護(hù)開關(guān)和單相開關(guān)，三相電源指示燈亮。

②打開電源總鑰匙開關(guān)，電源指示燈亮。

(4)實驗步驟。

①開啟所有空氣開關(guān)。

②打開空氣開關(guān)，接通智能調(diào)節(jié)儀，按照調(diào)節(jié)儀設(shè)置使用說明，設(shè)置比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)、輸入規(guī)格、輸入范圍、輸出規(guī)格、通信地址、通信波特率、自/手動輸出等參數(shù)。

③手動輸出一定的值，觀察電動調(diào)節(jié)閥的動作和閥位。

4.實驗預(yù)習(xí)要求

詳細(xì)閱讀過程控制系統(tǒng)實驗裝置的產(chǎn)品使用說明；掌握人工智能儀表的使用方法。9.4.3組態(tài)軟件認(rèn)知實驗

1.實驗?zāi)康?/p>

(1)了解組態(tài)軟件的組成和使用。

(2)熟悉實驗軟件的操作。

(3)了解上位機(jī)通信的一般知識。

2.實驗設(shè)備

過程控制實驗裝置、計算機(jī)、RS232－485轉(zhuǎn)換器。

3.實驗內(nèi)容

(1)設(shè)備連接。

將RS232－485轉(zhuǎn)換器的RS232端接到計算機(jī)的串口2(COM2)，RS485端通過串口線連接到過程控制實驗裝置的串口端。給任意一個智能調(diào)節(jié)儀上電，參照表9－5、表9－6設(shè)置參數(shù)。

(2)實驗內(nèi)容與步驟。

①啟動計算機(jī)。

②按照說明書接好上水箱的供水管路，將上水箱液位信號送至調(diào)節(jié)儀，調(diào)節(jié)儀的控制信號送往電動調(diào)節(jié)閥，即組成一個單閉環(huán)的控制回路。

③在顯示桌面雙擊“MCGS組態(tài)環(huán)境”圖標(biāo)，啟動MCGS組態(tài)軟件，打開過程控制系統(tǒng)實驗裝置的組態(tài)軟件，觀察并熟悉組態(tài)方法，熟悉實驗內(nèi)容及掌握組態(tài)軟件與智能儀表之間通訊的組態(tài)步驟與要求。④操作組態(tài)軟件中各個工具，學(xué)習(xí)并熟悉組態(tài)軟件的基本應(yīng)用。

(3)進(jìn)入實驗系統(tǒng)操作監(jiān)控實驗程序。

①在文件菜單中選擇打開工程選項，再打開已經(jīng)組態(tài)好的實驗系統(tǒng)工程軟件。

②按F5鍵進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境，點(diǎn)擊進(jìn)入儀表過程控制實驗系統(tǒng)，熟悉實驗內(nèi)容，進(jìn)入每個實驗，觀看各項功能。

4.實驗預(yù)習(xí)

預(yù)習(xí)MCGS組態(tài)軟件的基本使用方法(可通過上網(wǎng)瀏覽)。9.4.4一階單容上水箱對象特性測試實驗

1.實驗?zāi)康?/p>

(1)熟悉單容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線。

(2)根據(jù)由實際測得的單容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法分別確定它們的參數(shù)。

2.實驗設(shè)備

過程控制實驗裝置。

配置：萬用表、上位機(jī)軟件、計算機(jī)、RS232－485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根、實驗連接線。

3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

單容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖9－16所示。圖9－16單容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.實驗原理

階躍響應(yīng)測試法是系統(tǒng)在開環(huán)運(yùn)行條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過調(diào)節(jié)器或其他操作器，手動改變對象的輸入信號(階躍信號)，同時記錄對象的輸出數(shù)據(jù)或階躍響應(yīng)曲線。然后根據(jù)已給定對象模型的結(jié)構(gòu)形式，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定模型中的各個參數(shù)。圖解法是確定模型參數(shù)的一種實用方法。不同的模型結(jié)構(gòu)，有不同的圖解方法。單容水

箱對象模型用一階加時滯環(huán)節(jié)來近似描述時，常可用兩點(diǎn)法直接求取對象參數(shù)。

如圖9－16所示，設(shè)水箱的進(jìn)水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開度值。根據(jù)物料動態(tài)平衡的關(guān)系，求得在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得式中，T為水箱的時間常數(shù)(注意：閥V2的開度大小會影響到水箱的時間常數(shù))，T=R2·C，K=R2為單容對象的放大倍數(shù)，R1、R2分別為V1、V2閥的液阻，C為水箱的容量系數(shù)。令輸入流量Q1的階躍變化量為R0，其拉氏變換式為Q1(s)=R0/s，R0為常量，則輸出液位高度的拉氏變換式為當(dāng)t=T時，則有h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞)即當(dāng)t→∞時，h(∞)=KR0，因而有上式表示一階慣性環(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9－17所示。當(dāng)由實驗求得圖示的階躍響應(yīng)

曲線后，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，該時間常數(shù)T也可以通過坐標(biāo)原點(diǎn)對響應(yīng)曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn)所對應(yīng)的時間就是時間常

數(shù)T，其理論依據(jù)如下：上式表示h(t)若以在原點(diǎn)時的速度h(∞)/T恒速變化，即只要花T秒時間就可達(dá)到穩(wěn)態(tài)值h(∞)。圖9－17階躍響應(yīng)曲線

5.實驗內(nèi)容和步驟

(1)設(shè)備狀態(tài)檢查。

①關(guān)閉閥F1－14，將實驗對象的儲水箱灌滿水(至最高高度)。

②打開由1#泵、電動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計組成的動力支路至上水箱的出水閥門：閥F1－1、閥F1－2、閥F1－4，關(guān)閉動力支路上通往其他對象的切換閥門。

③打開上水箱的出水閥：閥F1－7調(diào)至適當(dāng)開度。

④檢查電源開關(guān)是否關(guān)閉。

(2)系統(tǒng)連線。

①如圖9－18所示,將上水箱液位+端(1V~5V正極)接到智能調(diào)節(jié)儀的1端(即RSV的正極)，上水箱液位-端(1V~5V負(fù)極)接到智能調(diào)節(jié)儀的2端(即RSV的負(fù)極)。

②將智能調(diào)節(jié)儀的4mA～20mA輸出端的7端(即正極)接至電動調(diào)節(jié)閥的4mA～20mA輸入端的+端(即正極)，將智能調(diào)節(jié)儀的4mA～20mA輸出端的5端(即負(fù)極)接至電動調(diào)節(jié)閥的4mA～20mA輸入端的－端(即負(fù)極)。

③電源控制板上的三相電源空氣開關(guān)、單相空氣開關(guān)、1#泵電源開關(guān)打在關(guān)的位置。

④電動調(diào)節(jié)閥的～220V電源開關(guān)打在關(guān)的位置。

⑤智能調(diào)節(jié)儀的～220V電源開關(guān)打在關(guān)的位置。圖9－18實驗接線圖

(3)啟動實驗裝置。

①將實驗裝置電源插頭接到380V的三相交流電源。

②打開電源三相帶漏電保護(hù)空氣開關(guān)，三相電源指示燈亮。

③打開總電源鑰匙開關(guān)，即可開啟電源。

(4)實驗步驟。

①開啟單相空氣開關(guān)，根據(jù)儀表使用說明書和液位傳感器使用說明調(diào)整好儀表各項參數(shù)和液位傳感器的零位、增益，儀表輸出方式設(shè)為手動輸出，初始值為0。

②啟動計算機(jī)MCGS組態(tài)軟件，進(jìn)入實驗系統(tǒng)相應(yīng)的界面，如圖9－19所示。圖9－19實驗軟件界面③單擊設(shè)定輸出按鈕，設(shè)定輸出值的大小，或者在儀表手動狀態(tài)下，按住儀表的STOP鍵將儀表的輸出值上升到所想設(shè)定的值，這個值根據(jù)閥門開度的大小來給定，一般初次設(shè)定值小于25。開啟單相泵電源開關(guān)，啟動動力支路。將被控參數(shù)液位高度控制在20%處(一般為10cm)。

④觀察系統(tǒng)的被調(diào)量：上水箱的水位是否趨于平衡狀態(tài)。若已平衡，則記錄調(diào)節(jié)儀輸出值，以及水箱水位的高度h1和智能儀表的測量顯示值,將數(shù)據(jù)填入下表:表表表表表⑤迅速增加儀表手動輸出值，增加5%的輸出量，記錄此引起的階躍響應(yīng)的過程參數(shù)(均可在上位軟件上獲得)以所獲得的數(shù)據(jù)繪制變化曲線。將數(shù)據(jù)填入下表：表表表表表⑥直到進(jìn)入新的平衡狀態(tài),再次記錄平衡時的下列數(shù)據(jù)，并填入下表：表表表表表⑦將儀表輸出值調(diào)回到步驟⑤前的位置，再用秒表和數(shù)字表記錄由此引起的階躍響應(yīng)過程參數(shù)與曲線。將數(shù)據(jù)填入下表：表表表表表

6.實驗報告要求

(1)做出一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。

(2)根據(jù)實驗原理中所述的方法，求出一階環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)。

7.注意事項

(1)本實驗過程中，閥11不得任意改變開度大小。

(2)階躍信號不能取得太大，以免影響正常運(yùn)行；但也不能過小，以防止因讀數(shù)誤差和其

他隨機(jī)干擾影響對象特性參數(shù)的精確度。一般階躍信號取正常輸入信號的5%～15%。

(3)在輸入階躍信號前，過程必須處于平衡狀態(tài)。

8.思考題

(1)在做本實驗時，為什么不能任意改變上水箱出水閥的開度大??？

(2)用兩點(diǎn)法和用切線對同一對象進(jìn)行參數(shù)測試，它們各有什么特點(diǎn)?

9.4.5二階雙容對象特性測試實驗

1.實驗?zāi)康?/p>

(1)熟悉雙容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線。

(2)根據(jù)由實際測得的雙容液位階躍響應(yīng)曲線，分析雙容系統(tǒng)的飛升特性。

2.實驗設(shè)備

過程控制實驗裝置。配置：上位機(jī)軟件、計算機(jī)、RS232－485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根、實驗連接線。

3.原理說明

如圖9－20所示,這是由兩個一階非周期慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)起來的，輸出量是下水箱的水位h2。當(dāng)輸入量有一個階躍增加ΔQ1時，輸出量變化的反應(yīng)曲線如圖9－21所示的Δh2曲線。它不再是簡單的指數(shù)曲線，而是使調(diào)節(jié)對象的飛升特性在時間上更加落后一步。在圖中S形曲線的拐點(diǎn)P上作切線，它在時間軸上截出一段時間OA。這段時間可以近似地衡量由于多了一個容量而使飛升過程向后推遲的程度，因此，稱容量滯后，通常以τC來表示。圖9－20雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖9－21變化曲線設(shè)流量Q1為雙容水箱的輸入量，下水箱的液位高度h2為輸出量，根據(jù)物料動態(tài)平衡關(guān)系，并考慮到液體傳輸過程中的時延，其傳遞函數(shù)為(9－1)

(1)h2(t)穩(wěn)態(tài)值的漸近線h2(∞)。

(2)h2(t)|t=t1=0.4h2(∞)時曲線上的點(diǎn)A和對應(yīng)的時間t1。

(3)h2(t)|t=t2=0.8h2(∞)時曲線上的點(diǎn)B和對應(yīng)的時間t2。圖9-22階躍響應(yīng)曲線然后，利用下面的近似公式計算式(9－1)中的

參數(shù)K、T1和T2,其中：對于式(9－1)所示的二階過程，0.32<t1/t2<0.46。當(dāng)t1/t2=0.32時，可近似為一階環(huán)節(jié)；當(dāng)時，過程的傳遞函數(shù)(此時

4.實驗步驟

(1)設(shè)備的連接和檢查。

①打開1#泵、電動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計組成的動力支路至上水箱的出水閥門：閥F1－1、閥F1－2、閥F1－4，關(guān)閉動力支路上通往其他對象的切換閥門。

②將中水箱的出水閥F1－8調(diào)至適當(dāng)開度。

③檢查電源開關(guān)是否關(guān)閉。圖9－23實驗接線圖②將智能調(diào)節(jié)儀的4mA～20mA輸出端的7端(即正極)接至電動調(diào)節(jié)閥的4mA～20mA輸入端的+端(即正極)，將智能調(diào)節(jié)儀的4mA～20mA輸出端的5端(即負(fù)極)接至電動調(diào)節(jié)閥的4mA～20mA輸入端的-端(負(fù)極)。

③將電源控制板上的三相電源、單相的空氣開關(guān)和單相泵電源開關(guān)置于“關(guān)”的位置。

④電動調(diào)節(jié)閥的～220V電源開關(guān)置于“關(guān)”的位置。

⑤智能調(diào)節(jié)儀的～220V電源開關(guān)置于“關(guān)”的位置。

(3)啟動實驗裝置。

①將實驗裝置電源插頭接到380V的三相交流電源。

②打開電源三相帶漏電保護(hù)空氣開關(guān)，電源指示燈亮。

③打開總電源鑰匙開關(guān)，即可開啟電源。

(4)實驗內(nèi)容與步驟。

①開啟單相空氣開關(guān)，中水箱液位傳感器輸出信號為1V～5V電壓信號，調(diào)整好儀表輸入規(guī)格參數(shù)與其他各項參數(shù)，開始校準(zhǔn)液位傳感器的零位和增益，儀表輸出方式設(shè)為手動輸出，初始值為0。

②啟動計算機(jī)MCGS組態(tài)軟件，進(jìn)入實驗系統(tǒng)相應(yīng)的界面由如圖9－24所示。圖9－24實驗軟件界面③開啟單相泵電源開關(guān)，啟動動力支路，手動將儀表的輸出值迅速上升到小于等于10，將被控參數(shù)液位高度控制在10%處(一般為5cm)。

④觀察系統(tǒng)的被調(diào)量——水箱的水位是否趨于平衡狀態(tài)。若已平衡，應(yīng)記錄調(diào)節(jié)儀輸出值，以及水箱水位的高度h2和智能儀表的測量顯示值，將數(shù)據(jù)填入下表：表表表表表⑤迅速增加儀表手動輸出值，增加10%的輸出量，記錄此引起的階躍響應(yīng)的過程參數(shù)，均可在上位軟件上獲得各項參數(shù)和數(shù)據(jù)，并繪制過程變化曲線。將數(shù)據(jù)填入下表:表表表表表⑥直到進(jìn)入新的平衡狀態(tài)。再次記錄測量數(shù)據(jù)，并填入下表：表表表表表⑦將儀表輸出值調(diào)回到步驟⑤前的位置，再用秒表和數(shù)字表記錄由此引起的階躍響應(yīng)過程

參數(shù)與曲線。將數(shù)據(jù)填入下表：表表表表表

5.注意事項

(1)在本實驗過程中，不得任意改變閥F1－8的開度大小。

(2)階躍信號不能取得太大，以免影響正常運(yùn)行；但也不能過小，以防止影響對象特性參

數(shù)的精確性。一般階躍信號取正常輸入信號的5%～15%。

(3)在輸入階躍信號前，過程必須處于平衡狀態(tài)。

6.實驗報告要求

(1)做出二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。

(2)根據(jù)實驗原理中所述的方法，求出二階環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)。

(3)試比較二階環(huán)節(jié)和一階環(huán)節(jié)的不同之處。

7.思考題

(1)在做本實驗時，為什么不能任意改變中水箱出水閥F1－8的開度大??？

(2)用兩點(diǎn)法和用切線法對同一對象進(jìn)行參數(shù)測試，它們各有什么特點(diǎn)？9.4.6釜內(nèi)膽溫度二位式控制實驗

1.實驗?zāi)康?/p>

(1)熟悉實驗裝置，了解二位式溫度控制系統(tǒng)的組成。

(2)掌握位式控制系統(tǒng)的工作原理、控制過程和控制特性。

2.實驗設(shè)備

過程控制實驗裝置。配置：上位機(jī)軟件、計算機(jī)、RS232－485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根、實驗連接線。

3.實驗原理

(1)溫度傳感器。

溫度測量通常采用熱電阻元件(感溫元件)。它是利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性來進(jìn)行溫度測量的。其電阻值與溫度關(guān)系式如下：Rt＝Rt0［1+α(t-t0)］式中,Rt表示溫度為t(如室溫20℃)時的電阻值；Rt0表示溫度為t0(通常為0℃)時的電阻值；α表示電阻的溫度系數(shù)?？梢姡捎跍囟鹊淖兓?，導(dǎo)致了金屬導(dǎo)體電阻的變化。這樣只要設(shè)法測出電阻值的變化，就可達(dá)到溫度測量的目的。雖然大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化，但是它們并不能都作為測溫用的熱電阻。作為熱電阻的材料一般要求是：電阻溫度系數(shù)小、電阻率要大、熱容量要?。辉?/p>

整個測溫范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理、化學(xué)性質(zhì)和良好的重復(fù)性；電阻值隨溫度的變化呈線性關(guān)系。但是，要完全符合上述要求的熱電阻材料實際上是有困難的。根據(jù)具體情況，目前應(yīng)用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅。本裝置使用的是鉑電阻元件Pt100，并通過溫度變送器(測量電橋或分壓采樣電路或者AI人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器)將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號。

鉑電阻元件是采用特殊的工藝和材料制成，具有很高的穩(wěn)定性和耐震動等特點(diǎn)，還具有較強(qiáng)的抗氧化能力。在0℃～650℃的溫度范圍內(nèi)，鉑電阻與溫度的關(guān)系為式中,A、B、C是常數(shù)，一般A=3.90802×10-3/℃，B=-5.802×10-7/℃，C=-4.2735×10-12/℃。

Rt－t的關(guān)系稱為分度表。不同的測溫元件用分度號來區(qū)別，如Pt100、Cu50等。圖9－25位式調(diào)節(jié)器的工作特性圖

(2)二位式溫度控制系統(tǒng)。

二位控制是位式控制規(guī)律中最簡單的一種。本實驗的被控對象是6kW電加熱管，被控制量是反應(yīng)釜內(nèi)膽的水溫T，智能調(diào)節(jié)儀內(nèi)置繼電器線圈控制的常開觸點(diǎn)開關(guān)控制電加熱管的通斷，圖9－25為位式調(diào)節(jié)器的工作特性圖，圖9－26為位式控制系統(tǒng)的方塊圖。由圖9－25可見，在一定的范圍內(nèi)不僅有死區(qū)存在，而且還有回環(huán)。因而圖9－26所示的系統(tǒng)實質(zhì)上是一個典型的非線性控制系統(tǒng)。執(zhí)行器只有“開”或“關(guān)”兩種極限輸出狀態(tài)，故稱這種控制器為二位調(diào)節(jié)器。圖9－26位式控制系統(tǒng)的方框圖該系統(tǒng)的工作原理是當(dāng)被控制的水溫測量值Vp小于給定值Vs時，調(diào)節(jié)器的繼電器線圈接通，常開觸點(diǎn)變成常閉，電加熱管接通380V電源而加熱。隨著水溫升高，Vp也不斷增大，e相應(yīng)變小。若Vp>Vs,則兩位調(diào)節(jié)器的繼電器線圈斷開，常開觸點(diǎn)復(fù)位斷開，切斷電加熱管的供電。由于這種

控制方式具有沖擊性，易損壞元器件，只是在對控制質(zhì)量要求不高的系統(tǒng)才使用。圖9－27雙位控系統(tǒng)的過程曲線如圖9－26所示，溫度給定值在智能儀表上通過設(shè)定獲得。被控對象為釜內(nèi)膽，被控制量為內(nèi)膽水溫。它由鉑電阻PT100測定，輸入到智能調(diào)節(jié)儀上。根據(jù)給定值加上回差dF與測量的溫度相比較向繼電器線圈發(fā)出控制信號，從而達(dá)到控制水箱溫度的目的。由過程控制原理可知，雙位控制系統(tǒng)的輸出是一個斷續(xù)控制作用下的等幅振蕩過程，如圖

9－27所示。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品質(zhì)指標(biāo)。一般要求振幅小，周期長，然而對同一雙位控制系統(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。因此通過合理選擇中間區(qū)以使振幅在限定范圍內(nèi)，而又盡可能獲得較長的周期。

4.實驗內(nèi)容與步驟

(1)設(shè)備狀態(tài)檢查。

①開通由1#泵、電動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計以及釜內(nèi)膽進(jìn)水閥F1－1、閥F1－2、閥F1－3、閥F1－10所組成的水路系統(tǒng)，關(guān)閉通往其他對象的切換閥。

②將釜內(nèi)膽的出水閥17調(diào)至適當(dāng)開度。

③檢查電源開關(guān)是否關(guān)閉。

(2)系統(tǒng)連線。

如圖9－28所示，利用HDU3000－4型過程控制實訓(xùn)裝置組成控制系統(tǒng)。調(diào)節(jié)儀4mA～20mA信號+端經(jīng)過調(diào)節(jié)儀的繼電器常開觸點(diǎn)RSV(I/V轉(zhuǎn)換)-端，從+端引出的另一端接三相電加熱管控制信號輸入正極(+)。4mA～20mA信號負(fù)端接三相電加熱管控制信號輸入負(fù)極(－)。熱電阻信號接調(diào)節(jié)儀的熱電阻輸入端。①啟動電源，在儀表或上位機(jī)調(diào)節(jié)好各項參數(shù)以及設(shè)定值和回差dF的值。

②啟動計算機(jī)，進(jìn)入MCGS組態(tài)環(huán)境運(yùn)行軟件，進(jìn)入相應(yīng)的實驗界面，如圖9－29所示。

③系統(tǒng)運(yùn)行后，組態(tài)軟件自動記錄控制過程曲線。待穩(wěn)定振蕩2～3個周期后，觀察位式控制過程曲線的振蕩周期和振幅大小，記錄實驗曲線。圖9－28實驗接線圖圖9-29實驗軟件界面實驗數(shù)據(jù)記錄如下：表表表表④適量改變給定值的大小，重復(fù)實驗步驟④。⑤把動力水路切換到釜夾套，啟動實驗裝置的供水系統(tǒng)，給釜的外套加流動冷卻水。⑥重復(fù)上述的實驗步驟。

5.注意事項

(1)實驗前，釜內(nèi)膽的水位必須高于熱電阻的測溫點(diǎn)。

(2)給定值必須要大于常溫。

(3)實驗線路全部接好后，必須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查認(rèn)可后，方可接通電源開始實驗。

(4)須在老師指導(dǎo)下將計算機(jī)接入系統(tǒng)，利用計算機(jī)顯示屏作記錄儀使用，保存每次實驗記錄的數(shù)據(jù)和曲線。

6.實驗報告

(1)畫出不同dF時系統(tǒng)被控制量的過渡過程曲線，記錄相應(yīng)的振蕩周期和振蕩幅度大小。

(2)畫出加冷卻水時被控量的過程曲線，并比較振蕩周期和振蕩幅度的大小。

(3)綜合分析位式控制的特點(diǎn)。

7.思考題

(1)為什么縮小dF值時能改善雙位控制系統(tǒng)的性能？dF值過小有什么影響？

(2)為什么實際的雙位控制特性與理想的雙位控制特性有著明顯的差異？9.4.7上水箱液位PID整定實驗

1.實驗?zāi)康?/p>

(1)通過實驗熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理。

(2)分析分別用P、PI和PID調(diào)節(jié)時的過程圖形曲線。

(3)定性地研究P、PI和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

2.實驗設(shè)備

過程控制實驗裝置、上位機(jī)軟件、計算機(jī)、RS232－485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根、萬用表一只。

3.實驗原理

圖9－30為單回路上水箱液位控制系統(tǒng)框圖。單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個調(diào)節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制上水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用工業(yè)智能儀表控制。當(dāng)調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，一個單回路系統(tǒng)設(shè)計安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果;反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會使控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期效果。一個控制系統(tǒng)設(shè)計好以后，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定是十分重要的工作。圖9－30單回路上水箱液位控制系統(tǒng)框圖

一般言之，用比例(P)調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比例度δ的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分(PI)調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)δ、Ti調(diào)節(jié)合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能(快速性、穩(wěn)定性等)。但是，并不是所有單回路控制系統(tǒng)在加入微分作用后都能改善系統(tǒng)品質(zhì)，對于容量滯后不大、微分作用的效果并不明顯，而對噪聲敏感的流量系統(tǒng)，加入微分作用后，反而使流量品質(zhì)變壞。對于的實驗系統(tǒng)，在單位階躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖9－31中的曲線①、②、③所示。圖9－31

P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線

4.實驗內(nèi)容和步驟

(1)設(shè)備狀態(tài)檢查。

①將實驗對象的儲水箱灌滿水(至最高高度)。

②打開由1#泵、電動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計組成的動力支路至上水箱的出水閥門：閥F1－1、閥F1－2、閥F1－4，關(guān)閉動力支路上通往其他對象的切換閥門。

③將上水箱的出水閥F1－7調(diào)至適當(dāng)開度。

④檢查電源開關(guān)是否關(guān)閉。

(2)系統(tǒng)連線。

①如圖9－32所示,將上水箱液位+端(正極)接到任意一個智能調(diào)節(jié)儀的1端(即RSV的正極)，將上水箱液位-端(負(fù)極)接到智能調(diào)節(jié)儀的2端(即RSV的負(fù)極)。

②將智能調(diào)節(jié)儀的4mA～20mA輸出端的7端(即正極)接至電動調(diào)節(jié)閥的4mA～20mA輸入端的+端(即正極)，將智能調(diào)節(jié)儀的4mA～20mA輸出端的5端(即負(fù)極)接至電動調(diào)節(jié)閥的4mA～20mA輸入端的-端(負(fù)極)。

③智能調(diào)節(jié)儀的～220V的電源開關(guān)打在“關(guān)”的位置。

④三相電源、單相空氣開關(guān)打在“關(guān)”的位置。圖9－32實驗接線圖

(3)啟動實驗裝置。

①將實驗裝置電源插頭接到380V的三相交流電源。

②打開電源三相帶漏電保護(hù)空氣開關(guān)，電源指示燈亮。

③打開總電源鑰匙開關(guān)，即可開啟電源。

④開啟單相，調(diào)整好儀表各項參數(shù)(儀表初始狀態(tài)為手動輸出且初始值為0)和液位傳感器的零位。⑤啟動智能儀表，設(shè)置好儀表參數(shù)(建議P、I、D設(shè)為87、22、22.5)。(4)比例調(diào)節(jié)控制實驗。

①啟動計算機(jī)MCGS組態(tài)軟件，進(jìn)入實驗系統(tǒng)相應(yīng)的界面，如圖9－33所示。圖9－33實驗軟件界面②打開電動調(diào)節(jié)閥和單相電源泵開關(guān)，開始實驗。

③設(shè)定給定值，調(diào)整參數(shù)P。

④待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號(在純比例的基礎(chǔ)上加擾動，一般可通過改變設(shè)定值實現(xiàn))。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。⑤減小參數(shù)P重復(fù)步驟(4)，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。⑥增大參數(shù)P重復(fù)步驟(4)，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。⑦選擇合適的參數(shù)P，可以得到較滿意的過渡過程曲線。改變設(shè)定值(如設(shè)定值由50％變?yōu)?0％)，同樣可以得到一條過渡過程曲線。⑧注意：每當(dāng)做完一次試驗后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次試驗。(5)比例積分調(diào)節(jié)器(PI)控制。

①在比例調(diào)節(jié)實驗的基礎(chǔ)上，加入積分作用，即在界面上設(shè)置參數(shù)I不為0，觀察被控制量是否能回到設(shè)定值，以驗證PI控制下，系統(tǒng)對階躍擾動無余差存在。

②固定比例P值(中等大小)，改變PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)值Ti，然后觀察加階躍擾動后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同Ti值時的超調(diào)量σp。將數(shù)據(jù)填入下表：表表表表表③固定I于某一中間值，然后改變P的大小，觀察加擾動后被調(diào)量輸出的動態(tài)波形，據(jù)此列表記錄不同值Ti下的超調(diào)量σp。將數(shù)據(jù)填入下表：表表表表表④選擇合適的P和Ti值，使系統(tǒng)對階躍輸入擾動的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線。此曲線可通過改變設(shè)定值(如設(shè)定值由50%變?yōu)?0%)來獲得。

(6)比例積分微分調(diào)節(jié)(PID)控制

①在PI調(diào)節(jié)器控制實驗的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即在軟件界面上設(shè)置參數(shù)D，然后加上與前面實驗幅值完全相等的擾動，記錄系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動態(tài)曲線，并與

PI控制下的曲線相比較，由此可看到微分參數(shù)D對系統(tǒng)性能的影響。

②選擇合適的P、Ti和Td，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線(階躍輸入可由給定值從50%突變至60%來實現(xiàn))。

③在歷史曲線中選擇一條較滿意的過渡過程曲線進(jìn)行記錄。

(7)用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。

在實現(xiàn)應(yīng)用中，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)常用下述實驗的方法來確定。用臨界比例度法去整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)是既方便又實用的。它的具體做法是：①待系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步減小調(diào)節(jié)器的比例度δ(即1/P)，并且每當(dāng)減小一次比例度δ，待被調(diào)量回復(fù)到平衡狀態(tài)后，再手動給系統(tǒng)施加一個5%～15%的階躍擾動，觀察被調(diào)量變化的動態(tài)過程。若被調(diào)量為衰減的振蕩曲線，則應(yīng)繼續(xù)減小比例度δ，直到輸出響應(yīng)曲線呈現(xiàn)等幅振蕩為止。如果響應(yīng)曲線出現(xiàn)發(fā)散振蕩，則表示比例度調(diào)節(jié)得過小，應(yīng)適當(dāng)增大，使之出現(xiàn)等幅振蕩，圖9－34為具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)框。圖9－34具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)框圖圖9－35具有周期Tk的等幅振蕩②在圖9－35系統(tǒng)中，當(dāng)被調(diào)量作等幅振蕩時，此時的比例度δ就是臨界比例度，用δk表示之，相應(yīng)的振蕩周期就是臨界周期Tk。據(jù)此，按下表可確定PID調(diào)節(jié)器的三個

參數(shù)δ、Ti和Td：表表表表表③必須指出，表格中給出的參數(shù)值是對調(diào)節(jié)器參數(shù)的一個初略設(shè)計，因為它是根據(jù)大量實驗而得出的結(jié)論。若要獲得更滿意的動態(tài)過程(例如,在階躍作用下，被調(diào)參量作4∶1

地衰減振蕩)，則要在表格給出參數(shù)的基礎(chǔ)上，對δ、Ti(或Td)作適當(dāng)調(diào)整。

5.實驗報告要求

(1)畫出單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖。

(2)用接好線路的單回路系統(tǒng)進(jìn)行投運(yùn)練習(xí)，并敘述無擾動切換的方法。

(3)用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，寫出三種調(diào)節(jié)器的余差和超調(diào)量。

(4)作出P調(diào)節(jié)器控制時，不同δ值下的階躍響應(yīng)曲線。

(5)作出PI調(diào)節(jié)器控制時，不同δ和Ti值下的階躍響應(yīng)曲線。

(6)畫出PID控制時的階躍響應(yīng)曲線，并分析微分參數(shù)D的作用。

(7)比較P、PI和PID三種調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)無差度和動態(tài)性能的影響。

6.注意事項

實驗線路接好后，必須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查認(rèn)可后方可接通電源。

7.思考題

(1)實驗系統(tǒng)在運(yùn)行前應(yīng)做好哪些準(zhǔn)備工作？

(2)為什么要強(qiáng)調(diào)無擾動切換？

(3)試定性地分析三種調(diào)節(jié)器的參數(shù)δ、(δ、Ti)和(δ、Ti和Td)的變化對控制過程各產(chǎn)什么影響。

(4)如何實現(xiàn)減小或消除余差？純比例控制能否消除余差？

9.4.8串接雙容中水箱液位PID整定實驗

1.實驗?zāi)康?/p>

(1)熟悉單回路雙容液位控制系統(tǒng)的組成和工作原理。

(2)研究系統(tǒng)分別用P、PI和PID調(diào)節(jié)器時的控制性能。

(3)定性地分析P、PI和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

2.實驗設(shè)備

過程控制實驗裝置,配置：上位機(jī)軟件、計算機(jī)、RS232－485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根;萬用表一只。

3.實驗原理

圖9－36為雙容水箱液位控制系統(tǒng)框圖。

這是一個單回路控制系統(tǒng)，它與一階單容上水箱對象特性測試實驗不同的是有兩個水箱相串聯(lián)，控制的目的是使中水箱的液位高度等于給定值所期望的高度，具有減少或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動的影響功能。顯然，這種反饋控制系統(tǒng)的性能完全取決于調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的合理選擇。

由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型是二階的，故其穩(wěn)定性不如單容液位控制系統(tǒng)。圖9－36雙容水箱液位控制系統(tǒng)框圖對于階躍輸入(包括階躍擾動)，這種系統(tǒng)采用比例(P)調(diào)節(jié)器去控制，系統(tǒng)有余差，且與比例度成正比，若用比例積分(PI)調(diào)節(jié)器去控制，不僅可實現(xiàn)無余差，而且只要調(diào)節(jié)器的參數(shù)δ和Ti調(diào)節(jié)得合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分參數(shù)D的控制作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又使其動態(tài)性能得到進(jìn)一步改善。

4.實驗內(nèi)容與步驟

(1)設(shè)備狀態(tài)檢查。

①將實驗對象的儲水箱灌滿水(至最高高度)。

②打開由1#泵、電動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計組成的動力支路至上水箱的出水閥門：閥F1－1、閥F1－2、閥F1－4，關(guān)閉動力支路上通往其他對象的切換閥門。

③打開中水箱的出水閥：閥F1－8調(diào)至適當(dāng)開度。

④檢查電源開關(guān)是否關(guān)閉。

(2)系統(tǒng)連線。

圖9－37實驗接線圖①如圖9－37所示，將中水箱液位+端(正極)接到任意一個智能調(diào)節(jié)儀的1端(即RSV的正極)，將中水箱液位

-端(負(fù)極)接到智能調(diào)節(jié)儀的2端(即RSV的負(fù)極)。

②將智能調(diào)節(jié)儀的4mA～20mA輸出端的7端(即正極)接至電動調(diào)節(jié)閥的4mA～20mA輸入端的+端(即正極)，將智能調(diào)節(jié)儀的4mA～20mA輸出端的5端(即負(fù)極)接至電動調(diào)節(jié)閥的4mA～20mA輸入端的-端(即負(fù)極)。

③智能調(diào)節(jié)儀的～220V的電源開關(guān)打在關(guān)的位置。

④三相電源、單相空氣開關(guān)打在關(guān)的位置。

(3)啟動實驗裝置。

①將實驗裝置電源插頭接到380V的三相交流電源。

②打開電源三相帶漏電保護(hù)空氣開關(guān)，電源指示燈亮。

③打開總電源鑰匙開關(guān)，即可開啟電源。

④開啟單相，調(diào)整好儀表各項參數(shù)(儀表初始狀態(tài)為手動輸出且初始值為0)和液位傳感器的零位。

(4)調(diào)節(jié)器控制。

①按圖9－37所示接成單回路的實驗系統(tǒng)。其中被控對象是兩個水箱，被控制量是中水箱的液位高度。

②把調(diào)節(jié)器置于“手動”狀態(tài)，其智能儀表的積分時間常數(shù)置于0，微分時間常數(shù)置于0，比例設(shè)置于最大值處，即此時的調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)(P)。

③開啟相關(guān)儀器和計算機(jī)軟件，進(jìn)入相應(yīng)的實驗界面，如圖9－38所示。圖9－38軟件界面圖④在開環(huán)狀態(tài)下，利用調(diào)節(jié)器的手動操作開關(guān)把被調(diào)量調(diào)到給定值(一般把液面高度控制在水箱高度的50%處)。

⑤觀察計算機(jī)顯示屏的曲線，待被調(diào)量基本穩(wěn)定于給定值后，即可將調(diào)節(jié)器由“手動”位置切換到到“自動”狀態(tài)，使系統(tǒng)變?yōu)殚]環(huán)控制運(yùn)行。

⑥待系統(tǒng)的輸出趨于平衡不變后，加入階躍擾動信號(一般可通過改變設(shè)定值的大小來實現(xiàn))。

5.實驗報告要求

①畫出雙容水箱液位控制實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

②按圖9－37的要求接好實驗線路，經(jīng)老師檢查無誤后投入運(yùn)行。

③畫出PID控制時的階躍響應(yīng)曲線，并分析微分參數(shù)D對系統(tǒng)性能的影響。

6.注意事項

①實驗線路接好后，必須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查認(rèn)可后方可接通電源。

②水泵啟動前，出水閥門應(yīng)關(guān)閉，待水泵啟動后，再逐漸開啟出水閥，直至適當(dāng)開度。

③須在老師的指導(dǎo)下開啟計算機(jī)系統(tǒng)。

7.思考題

①實驗系統(tǒng)在運(yùn)行前應(yīng)做好哪些準(zhǔn)備工作？

②為什么雙容液位控制系統(tǒng)比單容液位控制系統(tǒng)難于穩(wěn)定？

③試用控制原理的相關(guān)理論分析PID調(diào)節(jié)器的微分作用為什么不能太大。

④為什么微分作用的引入必須緩慢進(jìn)行？這時的比例度δ是否要改變？為什么？

⑤調(diào)節(jié)器參數(shù)(δ、Ti和Td)的改變對整個控制過程有什么影響？9.4.9釜內(nèi)膽水溫PID整定實驗(動態(tài))

1.實驗?zāi)康?/p>

(1)了解單回路溫度控制系統(tǒng)的組成與工作原理。

(2)研究P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對溫度系統(tǒng)的控制作用。

(3)改變P、PI、PD和PID的相關(guān)參數(shù)，觀察它們對系統(tǒng)性能的影響。

(4)了解PID參數(shù)自整定的方法及參數(shù)整定在整個系統(tǒng)中的重要性。

2.實驗設(shè)備

(1)過程控制實驗裝置，配置：計算機(jī)、RS232－485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根。

(2)計算機(jī)軟件系統(tǒng)。

3.實驗原理

本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是釜內(nèi)膽溫度給定值，即控制的任務(wù)是控制釜內(nèi)膽溫度等于給定值。根據(jù)控制框圖，實驗采用工業(yè)智能PID調(diào)節(jié)。

4.實驗內(nèi)容與步驟

(1)設(shè)備狀態(tài)檢查。

①按圖9－39所示框圖的要求連接實驗系統(tǒng)，連線圖如圖9－40所示。

②將三相電源、單相空氣開關(guān)打在“關(guān)”的位置。

③將釜內(nèi)膽水溫+端(正極)接到任意一個智能調(diào)節(jié)儀的1端(即RSV的正極)，將釜內(nèi)膽水溫－端(負(fù)極)接到智能調(diào)節(jié)儀的2端(即RSV的負(fù)極)。

④將智能調(diào)節(jié)儀的4mA～20mA輸出端的7端(即正極)接至三相SCR移相調(diào)壓裝置的4mA～20mA輸入端的+端(即正極)，將智能調(diào)節(jié)儀的4mA～20mA輸出端的5端(即負(fù)極)接至三相SCR移相調(diào)壓裝置的4mA～20mA輸入端的－端(即負(fù)極)。圖9-39溫度控制系統(tǒng)原理圖圖9-40實驗接線圖

(2)啟動實驗裝置。

①將實驗裝置電源插頭接到380V的三相交流電源。

②打開電源三相帶漏電保護(hù)空氣開關(guān)，電源指示燈亮。

③打開總電源鑰匙開關(guān)，即可開啟電源。

④開啟單相，調(diào)整好儀表各項參數(shù)(儀表初始狀態(tài)為手動輸出且初始值為0)和液位傳感器的零位。⑤開通由1#泵、電動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計以及釜內(nèi)膽進(jìn)水閥F1－1、閥F1－2、閥F1－3、閥F1－10所組成的水路系統(tǒng)，關(guān)閉通往其他對象的切換閥。⑥開啟相關(guān)儀器和計算機(jī)軟件，進(jìn)入相應(yīng)的實驗界面，如圖9－41所示。圖9－41實驗軟件界面⑦把智能調(diào)節(jié)器置于“手動”，輸出值為小于等于10，把溫度設(shè)定于某給定值(如將水溫控制在40℃)，設(shè)置各項參數(shù)，使調(diào)節(jié)器工作在比例(P)調(diào)節(jié)器狀態(tài)，此時系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)。

⑧運(yùn)行組態(tài)軟件，進(jìn)入相應(yīng)的實驗，觀察實時或歷史曲線，待水溫(由智能調(diào)節(jié)器的溫度顯示器指示)基本穩(wěn)定于給定值后，將調(diào)節(jié)器的開關(guān)由“手動”位置拔至“自動”位置，使系統(tǒng)變?yōu)殚]環(huán)控制運(yùn)行。待基本不再變化時，加入階躍擾動(可通過改變智能調(diào)節(jié)器的設(shè)定值來實現(xiàn))。觀察并記錄在當(dāng)前比例P時的余差和超調(diào)量。每當(dāng)改變值P后，再加同樣大小的階躍信號，比較不同P時的ess和σp，并把數(shù)據(jù)填入下表:表表表表表

(3)比例積分(PI)調(diào)節(jié)器控制。

①在比例調(diào)節(jié)器控制實驗的基礎(chǔ)上，待被調(diào)量平穩(wěn)后，加入積分作用(I)，觀察被控制量能否回到原設(shè)定值的位置，以驗證系統(tǒng)在PI調(diào)節(jié)器控制下沒有余差。

②固定比例P值(中等大小)，然后改變積分時間常數(shù)I值，觀察加入擾動后被調(diào)量的動態(tài)曲線，并記錄不同I值時的超調(diào)量σp。將數(shù)據(jù)填入下表:表表表表表③固定I于某一中間值，然后改變比例P的大小，觀察加擾動后被調(diào)量的動態(tài)曲線，并記下相應(yīng)的超調(diào)量σp。將數(shù)據(jù)填入下表：表表表表表④選擇合適的P和I值，使系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)曲線為一條令人滿意的曲線。此曲線可通過改變設(shè)定值(如把設(shè)定值由50%增加到60%)來實現(xiàn)。

(4)比例微分調(diào)節(jié)器(PD)控制。

①在比例調(diào)節(jié)器控制實驗的基礎(chǔ)上，待被調(diào)量平穩(wěn)后，引入微分作用(D)。固定比例P值(中間值)，改變微分時間常數(shù)D的大小，觀察系統(tǒng)在階躍輸入作用下相應(yīng)的動態(tài)響應(yīng)曲線。將數(shù)據(jù)填入下表：表表表表表②選擇合適的P和D值，使系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)為一條令人滿意的動態(tài)曲線。

(5)比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器控制。

①在比例調(diào)節(jié)器控制實驗的基礎(chǔ)上，待被調(diào)量平穩(wěn)后，引入積分作用(I)，使被調(diào)量回復(fù)到原設(shè)定值。減小P，并同時增大I，觀察加擾動信號后的被調(diào)量的動態(tài)曲線，驗證在

PI調(diào)節(jié)器作用下，系統(tǒng)的余差為零。

②在PI控制的基礎(chǔ)上加上適量的微分作用(D)，然后再對系統(tǒng)加擾動(擾動幅值與前面的實驗相同)，比較所得的動態(tài)曲線與用PI控制時的不同處。

③選擇合適的P、I和D，以獲得一條較滿意的動態(tài)曲線。

(6)用臨界比例度法整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)。

在實際應(yīng)用中，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)常用下述實驗的方法來確定，這種方法既簡單又較實用，它的具體做法如下：

①按圖9－42所示接好實驗系統(tǒng)，逐步減小調(diào)節(jié)器的比例度δ(1/P)，直到系統(tǒng)的被調(diào)量出現(xiàn)等幅振蕩為止。如果響應(yīng)曲線發(fā)散，則表示比例度δ調(diào)得過小，應(yīng)適當(dāng)增大之，

使曲線出現(xiàn)等幅振蕩為止。圖9－42具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)②圖9－43為被調(diào)量作等幅振蕩時的曲線。此時對應(yīng)的比例度δ就是臨界比例度，用δk表示；相應(yīng)的振蕩周期就是臨界振蕩周期Tk據(jù)此按下表確定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)。圖9－43具有周期Tk等幅振蕩表表表表表③必須指出，表格中給出的參數(shù)僅是對調(diào)節(jié)器參數(shù)的一個初步整定。使用上述參數(shù)的調(diào)節(jié)器很可能使系統(tǒng)在階躍信號作用下，達(dá)不到4∶1的衰減振蕩。因此,若要獲得理想的動態(tài)過程，應(yīng)在此基礎(chǔ)上，對表中給出的參數(shù)稍作調(diào)整，并記下此時的δ、Ti和Td。

(7)P、I、D參數(shù)自整定