計算機過程控制系統(tǒng)(DCS)課程實驗指導書

1、計算機過程控制系統(tǒng)（DCS）課程實驗指實驗一、單容水箱液位PID整定實驗1、2、3、一、實驗目的通過實驗熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理。分析分別用P、PI和PID調節(jié)時的過程圖形曲線。定性地研究P、PI和PID調節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。二、實驗設備AE2000A型過程控制實驗裝置、JX-300X DCS控制系統(tǒng)、萬用表、上位機軟件、計算機、RS232-485轉換器1只、串口線1根、網線1根、24芯通訊電纜1根。三、實驗原理單回路調節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調節(jié)對象上用一個調節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調節(jié) 器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構。本系統(tǒng)所要保持的參數(shù)是液位的給 定

2、高度，即控制的任務是控制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SUPCON JX-300X DC控制。當調節(jié)方案確定之后，接下來就是整定調節(jié)器的參數(shù)，一個單回路系統(tǒng)設計安裝就緒之后，控制質量的好壞與控制器參數(shù)選 擇有著很大的關系。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，則會使控制質量變壞，達不到預期效果。一個控制系統(tǒng)設計好以后，系統(tǒng)的投運和 參數(shù)整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）調節(jié)器的系統(tǒng)是一個 有差系統(tǒng)，比例度5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。比例積分（PI ）調節(jié)器，由

3、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)5, Ti調節(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）調節(jié)器是在 PI調節(jié)器的基礎上再引入微分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，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，反而使流量品質變壞。對于我們的實驗系統(tǒng)，在 單位階躍作用下，P、PI、PID調節(jié)系統(tǒng)的階躍響應分別如圖2-16中的曲線、所示。四、實驗內容和步驟1、設備的檢查和連接1）.關閉排水閥門，檢查 AE2000A型過程

4、控制對象的儲水箱水位是否達到總高度的以上，如不夠，灌水。2）.打開以循環(huán)泵為動力的支路至上水箱的所有閥門，關閉動力支路上通往其它對象的切換閥門。3）.打開上水箱泄水閥，開至適當?shù)拈_度。4）.檢查電源開關是否關閉。2、系統(tǒng)連線如圖2-17所示：DCS接線端子排HFHBDBGGAAD BF DH FE C5（I/O航空插座接線端子）單容水箱液位PID參數(shù)整定控制系統(tǒng)接線圖線，按圖2-17的連法，接到對應的 DCS接線端子排上。G EC4EC A65圖 2-171）.將24芯通訊電纜I/O將24芯通訊電纜 H-1端即上水箱液位+ （正極）接到DCS接線端子排的5-E端（即SP313 電流信號輸入板的

5、正極），將24芯通訊電纜H-4端上水箱液位（負極）接到DCS接線端子排的5-F端（即SP313電流信號輸入板的負極）。500 Q電阻。將DCS接線端子排的6-G端（即SP322模擬信號輸出板的正極），接至24芯通訊電纜H-19 端即調節(jié)閥的210V輸入端的+端（即正極），DCS接線端子排的6-H端（即SP322模擬信號輸 出板的負極），接至24芯通訊電纜H-20端即調節(jié)閥的210V輸入端的-端（即負極），并且在 DCS接線端子排的6-G端和6-H端間連接一2）.用網線將上位機與 DCS連接起來。3）.電源控制板上的電源空氣開關、單相泵電源開關打在關的位置。3、啟動DCS1）.將DCS控制柜的電

6、源插頭接到 220V的單相交流電源。2）.打開DCS控制柜后的兩個空氣開關，給控制柜散熱風扇、交換機和系統(tǒng)電源供電。3）.打開DCS控制柜前的兩個電源開關，啟動DCS系統(tǒng)。4、啟動實驗裝置1）.將實驗裝置電源插頭接到 220V的單相交流電源。2）.將電源控制板上的“漏電保護開關”打開。,給實驗裝置和控制柜供電。,給循環(huán)泵供電。,給電動調節(jié)閥供電。開關，給信號檢測儀表供電?！半娫纯傞_關”“單向泵”開關“調節(jié)閥”開關“ 24VDC電源”3）.打開4）.打開5）.打開6）.開啟5、比例調節(jié)控制1）.啟動“AdvanTrol-Pro 實時監(jiān)控”軟件，進入實驗系統(tǒng)選擇相應的實驗，如圖1所示：-濡EM t

7、tfl*)i n ikkJUi<$)ID EV 0$GflKfl4#:上水箱液位PTD參數(shù)整定控制實驗上水菊7 Cl 0 cm圖 1 Adva nTrol-Pro2）.點擊“液位控制”下方數(shù)字（文本框）“實時監(jiān)控一流程圖”畫面，彈出“顯示儀表（回路）”窗口。點擊“ 4#單回路”按鈕，進入 “ AdvanTrol-Pro 實時監(jiān)控軟件一調整畫面”M 粉蜀 jL& *1旦1縣yj|如圖2所示。創(chuàng)atI三J二一迂.AiIwstiItwI yriiS-U-J亙瞪AATH工琳卑樁：=冃鋼陸a軒島1I0XW0高;琳呼100100藺出上PR=u«.oo運吐帀IH.札W(1a祝HPir

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9、間0.66分，微分時間3秒，泄水閥半開。10cm比例系數(shù)20，積分時間0.33分，微分時間3秒，泄水閥全開。3）.設定給定值，按表1逐一調整比例度（P）。4).5) .6) .7).待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號（在純比例的基礎上加擾動，一般可通過改變設 定值實現(xiàn)）。記錄曲線在經過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差。按表1逐一調整比例度（繼續(xù)減小比例度重復步驟度和臨界振蕩周期值。選擇合適的比例系數(shù)（K）得到一條過渡過程曲線。注意：每當做完SV=10cm時，P）,重復步驟3,觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。3,觀察過渡過程曲線，直到出現(xiàn)等幅震蕩，并記臨界比例，可以得到較滿意的過渡過程曲線。改變

10、設定值，同樣可以P=（1/K）x100%次試驗后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次試驗。比例度（P）%6030105穩(wěn)態(tài)測量值PV余差(SV-PV)8）.當設定值表16、比例積分調節(jié)器（PI）控制1）.在比例調節(jié)實驗的基礎上，加入積分作用，觀察被控制量是否能回到設定值，以驗證2）.選擇合適的 K和Ti值（P=60%,Ti=0.66即在界面上設置積分時間（Ti ）不為0，PI控制下，系統(tǒng)對階躍擾動無余差存在。分），使系統(tǒng)對階躍輸入擾動的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線。此曲線可通過改變設定值（如設定值變化20%,SV由10cm變到12cm）來獲得。7、比例積分微分調節(jié)（PID）控制1）.在PI調節(jié)器

11、控制實驗的基礎上，再引入適量的微分作用，即把軟件界面上設置微分時間（Td）參數(shù)，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，由此可看到微分時間（Td）對系統(tǒng)性能的影響。2）.選擇合適的K、Ti和Td,使系統(tǒng)的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線（階躍輸入可由給定值突變 20%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行記錄。&用臨界比例度法整定調節(jié)器的參數(shù)在實現(xiàn)應用中，PID調節(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調節(jié)器的參數(shù)是既方便又實用的。它的具體做法是：1）.在只有比例調節(jié)作用下（將積

12、分時間放到最大，微分時間放到最?。?，先把比例系數(shù)K放在較小值上，然后逐步增加調節(jié)器的比例系數(shù)，并且每當增加一次比例系數(shù)，待 被調量回復到平衡狀態(tài)后，再手動給系統(tǒng)施加一個5%15喲階躍擾動，觀察被調量比例煎數(shù) 冇無討變化的動態(tài)過程。若被調量為衰減的振蕩曲線，則應繼續(xù)增加比例系數(shù)，直到輸出 響應曲線呈現(xiàn)等幅振蕩為止。如果響應曲線出現(xiàn)發(fā)散振蕩，則表示比例系數(shù)調節(jié)得 過大，應適當減少，使之出現(xiàn)等幅振蕩。圖2-19為它的實驗方塊圖。圖2-19具有比例調節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)2）.在圖2-20系統(tǒng)中，當被調量作等幅蕩時，此時的比例系數(shù)K就是臨界比例系數(shù)，用Km表示之，此時的臨界比例度為5k ,5 k= 1/Km，

13、相應的振蕩周期就是臨界周期Tm。4、PID調節(jié)器的三個參數(shù)5、Ti 和 Td。1、2、P調節(jié)器控制時，不同5值下的階躍響應曲線。PI調節(jié)器控制時，不同5和 Ti值時的階躍響應曲線。 PID控制時的階躍響應曲線，并分析微分 D的作用。P、PI和PID三種調節(jié)器對系統(tǒng)無差度和動態(tài)性能的影響。1、2、據(jù)此，按下表可確定表2-12用臨界比例度5 k整定PID調節(jié)器的參數(shù)節(jié)器參數(shù)調節(jié)器名稱7、比例度5(5=1/K)積分時間Ti（S）微分時間Td（S）P25 kPI2.2 5 k0.85T mPID1.7 5 k0.5Tm0.13Tm3）.必須指出，表格中給出的參數(shù)值是對調節(jié)器參數(shù)的一個初略設計，因為它是

14、根據(jù)大 量實驗而得出的結論。若要就得更滿意的動態(tài)過程（例如：在階躍作用下，被調參 量作4: 1的衰減振蕩），則要在表格給出參數(shù)的基礎上，對5、Ti （或Td）作適當調整。五、實驗報告要求畫出單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖。用接好線路的單回路系統(tǒng)進行投運練習，并敘述無擾動切換的方法。 用臨界比例度法整定調節(jié)器的參數(shù)，寫出三種調節(jié)器的余差和超調量。 作出 作出 畫出 比較八、注意事項1、實驗線路接好后，必須經指導老師檢查認可后方可接通電源。 七、思考題實驗系統(tǒng)在運行前應做好哪些準備工作？為什么要強調無擾動切換？試定性地分析三種調節(jié)器的參數(shù)K、（ K、Ti ）和（K Ti和Td）的變化對控制過程各產生

15、什么影響？如何實現(xiàn)減小或消除余差？純比例控制能否消除余差？上水箱中水箱液位串級控制實驗一、實驗目的1）、掌握串級控制系統(tǒng)的基本概念和組成。2）、掌握串級控制系統(tǒng)的投運與參數(shù)整定方法。3）、研究階躍擾動分別作用在副對象和主對象時對系統(tǒng)主被控量的影響。二、實驗設備AE2000A型過程控制實驗裝置、JX-300X DCS控制系統(tǒng)、萬用表、上位機軟件、計算機、RS232-485轉換器1只、串口線1根、網線1根、24芯通訊電纜1根。三、實驗原理上水箱液位作為副調節(jié)器調節(jié)對象，中水箱液位做為主調節(jié)器調節(jié)對象?？刂瓶驁D如圖12-1所示：擾動擾動主調節(jié)器副調節(jié)器調節(jié)閥1_*上水箱液位T1 丄*中水箱液位副回路

16、傳感器1!<主回路 丨液位傳感器212-1、上水箱、中水箱液位串級控制框圖四、實驗內容和步驟1、設備的連接和檢查：（1 ）、打開以循環(huán)泵、調節(jié)閥、渦輪流量計組成的動力支路至上水箱的出水閥門，關閉動力 支路上通往其他對象的切換閥門。中水箱的出水閥至全開。（2）、打開上水箱出水閥至半開，（3 ）、檢查電源開關是否關閉DCS接線端子排55（I/O航空插座接線端子）上水箱、中水箱液位串級控制系統(tǒng)接線圖 按圖2-17的連法，接到對應的 DCS接線端子排上。圖2-2I/O 線，H-1端即上水箱液位+ （正極）接到DCS接線端子排的5-E端（即SP313，將24芯通訊電纜H-2端即中水箱液位+ （正極

17、）接到DCS接線端子2、系統(tǒng)連線圖：HFDBHFDBHFDBH-201H-4 11Q 1H-191H-2H-111GEC.AGECAGECA64641）.24芯通訊電纜將24芯通訊電纜 電流信號輸入板的正極） 排的5-G端（即SP313電流信號輸入板的正極），將24芯通訊電纜 H-4端上、中水箱液位一（負極、接到 DCS接線端子排的5-F端（即SP313電流信號輸入板的負極）。將DCS接線端子排的6-G端（即SP322模擬信號輸出板的正極），接至24芯通訊電纜H-19 端即調節(jié)閥的210V輸入端的+端（即正極），DCS接線端子排的6-H端（即SP322模擬信號輸 出板的負極），接至24芯通訊電

18、纜H-20端即調節(jié)閥的210V輸入端的-端（即負極），并且在DCS接線端子排的6-G端和6-H端間連接-500 Q電阻。2) .用網線將上位機與 DCS連接起來。3) .源控制板上的電源空氣開關、單相泵電源開關打在關的位置。3、啟動DCS1) .將DCS控制柜的電源插頭接到 220V的單相交流電源。2) .打開DCS控制柜后的兩個空氣開關，給控制柜散熱風扇、交換機和系統(tǒng)電源供電。3) .打開DCS控制柜前的兩個電源開關，啟動DCS系統(tǒng)。4、啟動實驗裝置1) .將實驗裝置電源插頭接到 220V的單相交流電源。,給實驗裝置和控制柜供電。,給循環(huán)泵供電。,給電動調節(jié)閥供電。 開關，給信號檢測儀表供電

19、。2) .將電源控制板上的“漏電保護開關”打開。“電源總開關”“單向泵”開關“調節(jié)閥”開關“ 24VDC電源”3) .打開4) .打開5) .打開6) .開啟 5、上水箱、中水箱液位串級控制1).啟動“ AdvanTrol-Pro實時監(jiān)控”軟件，進入實驗系統(tǒng)選擇相應的實驗，如下圖所示:嚀I日遼 |寸一 硼世也2|灌.旦 2Lli<>Z+I123iq 75.曲陸4#：上、中水箱液位串級控制實齡rF r n吋 IS P1Q- II E，內環(huán)控制79.6外環(huán)控制10.0+4*圖3、“ AdvanTrol-Pro實時監(jiān)控”軟件界面2).點擊“內/外環(huán)控制”下方數(shù)字(文本框)，彈出“顯示儀表

20、(回路)”窗口。 點擊“4#串級”按鈕，進入 “ AdvanTrol-Pro 實時監(jiān)控軟件一調整畫面”如圖4/圖5所示。3).點擊工具欄上址可完成“串級內環(huán)”與“串級外環(huán)”調整畫面之間的切換。流程圖按鈕，返回圖3“AdvanTrol-Pro 實時監(jiān)控軟件一流程圖”*4* 丁 r .1 廿 W S WAte ttft I6惟1嗎© -沖端 世 *£瑪|竺bj|/疊 :師也W 彎丿LqrD：3IL23fifilSiifi工秤*c- afr i用; lTW： 陽區(qū)tv：匕 培定位刖= 攔鬼Lfin上 集 * ny=cm100. WO(I.HId0W(J-122目ft牡恚- 晡出上

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