计算机过程控制系统(DCS)课程实验指导书

计算机过程控制系统(DCS)课程实验指导书实验一、单容水箱液位PID整定实验

一、实验目的

1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。

2、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。

3、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。

二、实验设备

AE2000A型过程控制实验装置、JX-300X DCS控制系统、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、网线1根、24芯通讯电缆1根。

三、实验原理

图2-15为单回路水箱液位控制系统

单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用SUPCON JX-300X DCS控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。

一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。对于我们的实验系统，在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2-16中的曲线①、②、③所示。

图2-16 P、PI和PID调节的阶跃响应曲线

四、实验内容和步骤

1、设备的检查和连接

1).关闭排水阀门，检查AE2000A型过程控制对象的储水箱水位是否达到总高度的50％

以上，如不够，灌水。

2).打开以循环泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的

切换阀门。

3).打开上水箱泄水阀，开至适当的开度。

4).检查电源开关是否关闭。

2、系统连线如图2-17所示：

DCS接线端子排

6 5 4

6 5 4

（I/O航空插座接线端子）

图2-17 单容水箱液位PID参数整定控制系统接线图

1).将24芯通讯电缆I/O线，按图2-17的连法，接到对应的DCS接线端子排上。

将24芯通讯电缆H-1端即上水箱液位+（正极）接到DCS接线端子排的5-E端（即SP313电流信号输入板的正极），将24芯通讯电缆H-4端上水箱液位－（负极）接到DCS接线端子排的5-F端（即SP313电流信号输入板的负极）。

将DCS接线端子排的6-G端（即SP322模拟信号输出板的正极），接至24芯通讯电缆H-19端即调节阀的2~10V输入端的+端（即正极），DCS接线端子排的6-H端（即SP322模拟信号输出板的负极），接至24芯通讯电缆H-20端即调节阀的2~10V输入端的-端（即负极），并且在DCS接线端子排的6-G端和6-H端间连接一500Ω电阻。

2).用网线将上位机与DCS连接起来。

3).电源控制板上的电源空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。

3、启动DCS

1).将DCS控制柜的电源插头接到220V的单相交流电源。

2).打开DCS控制柜后的两个空气开关，给控制柜散热风扇、交换机和系统电源供电。

3).打开DCS控制柜前的两个电源开关，启动DCS系统。

4、启动实验装置

1).将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。

2).将电源控制板上的“漏电保护开关”打开。

3).打开“电源总开关”, 给实验装置和控制柜供电。

4).打开“单向泵”开关, 给循环泵供电。

5).打开“调节阀”开关, 给电动调节阀供电。

6).开启“24VDC电源”开关，给信号检测仪表供电。

5、比例调节控制

1).启动“AdvanTrol-Pro实时监控”软件，进入实验系统选择相应的实验，如图1所示：

图1 AdvanTrol-Pro“实时监控—流程图”画面

2).点击“液位控制”下方数字（文本框），弹出“显示仪表（回路）”窗口。

点击“4#单回路”按钮，进入“AdvanTrol-Pro实时监控软件—调整画面”如图2所示。

图2 AdvanTrol-Pro实时监控软件—调整画面

注：图2中设定值10cm，比例系数40，积分时间0.66分，微分时间3秒，泄水阀半开。

或设定值10cm，比例系数20，积分时间0.33分，微分时间3秒，泄水阀全开。

3).设定给定值，按表1逐一调整比例度（P）。

4).待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设

定值实现）。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差。

5).按表1逐一调整比例度（P），重复步骤3，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

6).继续减小比例度重复步骤3，观察过渡过程曲线，直到出现等幅震荡，并记临界比例

度和临界振荡周期值。

7).选择合适的比例系数(K)，可以得到较满意的过渡过程曲线。改变设定值，同样可以

得到一条过渡过程曲线。P=(1/K)x100%

8).注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。

当设定值SV=10cm时，

比例度(P)% 60 30 10 5

稳态测量值PV

余差(SV-PV)

6、比例积分调节器（PI）控制

1).在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置积分时间（Ti）不为0，

观察被控制量是否能回到设定值，以验证PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。

2).选择合适的K和Ti值(P=60%,Ti=0.66分)，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一

条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值（如设定值变化20%,SV由10cm

变到12cm）来获得。

7、比例积分微分调节（PID）控制

1).在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把软件界面上设置微分

时间（Td）参数，然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响

应的动态曲线，并与PI控制下的曲线相比较，由此可看到微分时间（Td）对系统性

能的影响。

2).选择合适的K、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输

入可由给定值突变20%来实现）。

3).在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录。

8、用临界比例度法整定调节器的参数

在实现应用中，PID调节器的参数常用下述实验的方法来确定。用临界比例度法去整定PID调节器的参数是既方便又实用的。它的具体做法是：

1).在只有比例调节作用下（将积分时间放到最大，微分时间放到最小），先把比例系数

K放在较小值上，然后逐步增加调节器的比例系数，并且每当增加一次比例系数，待

被调量回复到平衡状态后，再手动给系统施加一个5%~15%的阶跃扰动，观察被调量

变化的动态过程。若被调量为衰减的振荡曲线，则应继续增加比例系数，直到输出

响应曲线呈现等幅振荡为止。如果响应曲线出现发散振荡，则表示比例系数调节得

过大，应适当减少，使之出现等幅振荡。图2-19为它的实验方块图。

图2-19 具有比例调节器的闭环系统

2).在图2-20系统中，当被调量作等幅荡时，此时的比例系数K就是临界比例系数，用

K m表示之，此时的临界比例度为δk，δk＝1/K m，相应的振荡周期就是临界周期T m。

据此，按下表可确定PID调节器的三个参数δ、Ti和Td。

图2-20 具有周期T m的等幅振荡

调节器参数调节器名称比例度δ（δ

＝1/K）

积分时间

Ti(S)

微分时间

Td(S)

P 2δk

PI 2.2δk 0.85T m

PID 1.7δk 0.5T m0.13T m

3).必须指出，表格中给出的参数值是对调节器参数的一个初略设计，因为它是根据大

量实验而得出的结论。若要就得更满意的动态过程（例如：在阶跃作用下，被调参

量作4：1的衰减振荡），则要在表格给出参数的基础上，对δ、Ti（或Td）作适当调整。

五、实验报告要求

1、画出单容水箱液位控制系统的方块图。

2、用接好线路的单回路系统进行投运练习，并叙述无扰动切换的方法。

3、用临界比例度法整定调节器的参数，写出三种调节器的余差和超调量。

4、作出P调节器控制时，不同δ值下的阶跃响应曲线。

5、作出PI调节器控制时，不同δ和Ti值时的阶跃响应曲线。

6、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。

7、比较P、PI和PID三种调节器对系统无差度和动态性能的影响。

六、注意事项

1、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。

七、思考题

1、实验系统在运行前应做好哪些准备工作？

2、为什么要强调无扰动切换？

3、试定性地分析三种调节器的参数K、（K、Ti）和（K、Ti和Td）的变化对控制过程各

产生什么影响？

4、如何实现减小或消除余差？纯比例控制能否消除余差？

实验二、上水箱中水箱液位串级控制实验

一、实验目的

1）、掌握串级控制系统的基本概念和组成。

2）、掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。

3）、研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。

二、实验设备

AE2000A型过程控制实验装置、JX-300X DCS控制系统、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、网线1根、24芯通讯电缆1根。

三、实验原理

上水箱液位作为副调节器调节对象，中水箱液位做为主调节器调节对象。控制框图如图12-1所示：

12-1、上水箱、中水箱液位串级控制框图

四、实验内容和步骤

1、设备的连接和检查：

（1）、打开以循环泵、调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。

（2）、打开上水箱出水阀至半开，中水箱的出水阀至全开。

（3）、检查电源开关是否关闭

2、系统连线图：

DCS接线端子排

6 5 4

H F D B H F D B H F D B

6 5 4

（I/O航空插座接线端子）

图2-2 上水箱、中水箱液位串级控制系统接线图

1).24芯通讯电缆I/O线，按图2-17的连法，接到对应的DCS接线端子排上。

将24芯通讯电缆H-1端即上水箱液位+（正极）接到DCS接线端子排的5-E端（即SP313电流信号输入板的正极），将24芯通讯电缆H-2端即中水箱液位+（正极）接到DCS接线端子排的5-G端（即SP313电流信号输入板的正极），将24芯通讯电缆H-4端上、中水箱液位－（负极）接到DCS接线端子排的5-F端（即SP313电流信号输入板的负极）。

将DCS接线端子排的6-G端（即SP322模拟信号输出板的正极），接至24芯通讯电缆H-19端即调节阀的2~10V输入端的+端（即正极），DCS接线端子排的6-H端（即SP322模拟信号输出板的负极），接至24芯通讯电缆H-20端即调节阀的2~10V输入端的-端（即负极），并且在

DCS接线端子排的6-G端和6-H端间连接一500Ω电阻。

2).用网线将上位机与DCS连接起来。

3).源控制板上的电源空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。

3、启动DCS

1).将DCS控制柜的电源插头接到220V的单相交流电源。

2).打开DCS控制柜后的两个空气开关，给控制柜散热风扇、交换机和系统电源供电。

3).打开DCS控制柜前的两个电源开关，启动DCS系统。

4、启动实验装置

1).将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。

2).将电源控制板上的“漏电保护开关”打开。

3).打开“电源总开关”, 给实验装置和控制柜供电。

4).打开“单向泵”开关, 给循环泵供电。

5).打开“调节阀”开关, 给电动调节阀供电。

6).开启“24VDC电源”开关，给信号检测仪表供电。

5、上水箱、中水箱液位串级控制

1).启动“AdvanTrol-Pro实时监控”软件，进入实验系统选择相应的实验，如下图所示：

图3、“AdvanTrol-Pro实时监控”软件界面

2).点击““内/外环控制””下方数字（文本框），弹出“显示仪表（回路）”窗口。

点击“4#串级”按钮，进入“AdvanTrol-Pro实时监控软件—调整画面”如图4/图5

所示。

3).点击工具栏上流程图按钮，返回图3“AdvanTrol-Pro实时监控软件—流程图”

可完成“串级内环”与“串级外环”调整画面之间的切换。

图4 AdvanTrol-Pro实时监控软件—调整画面（串级内环）

在调整画面中进行赋值操作, 整定副控（内环）参数(P=30%,Ti=0.00分)

图5 AdvanTrol-Pro实时监控软件—调整画面（串级外环）

设定给定值SV=10.00，整定主控（外环）参数(P=60%,Ti=0.66分)。

4).待系统稳定后，在中水箱水位设定值给一个阶跃信号，观察软件的实时曲线变化，并记录此曲线。

5).系统稳定后，在副回路上加干扰信号，观察主回路和副回路上的实时曲线的变化。记

录并保存曲线。

五、实验报告要求。

1）、画出串级控制系统的控制方块图。

2）、分析串级控制和单回路PID控制不同之处。

六、注意事项

1）、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。

2）、系统连接好以后，在老师的指导下，运行串级控制实验。

七、思考题

1）、串级控制控制相比于单回路控制有什么优点