第 3 章
过程控制系统设计与实验
在化工、石油和军事等行业领域中，以温度、流量、物位、压力和 成分等为主要被控变量的控制系统都称为过程控制。过程控制技术手段 越来越丰富，有在工业领域有着广泛应用的智能数字仪表控制系统、计 算机 DDC 控制系统、PLC 控制系统、DCS 分布式集散控制系统、FCS 现场总线控制系统等。 本章在介绍仪表过程控制系统、计算机过程控制系统、可编程逻辑 控制器过程控制系统组成结构基础上，设计了 9 个典型实验内容，并以 MCGS 组态软件为例，介绍了过程控制系统监控软件的设计、编程方法。3.1 AE2000A 过程控制系统
AE2000A 型过程控制实验装置是根据自动化及相关专业教学特点，与目前过程控制现场紧密 联系的一套基于本科、研究生教学的实验设备。整个系统功能多样，使用方便，既能进行验证性、 设计性实验，又能提供综合性实验。 AE2000A 型过程控制系统实验装置包括：过程控制实验对象、仪表过程控制系统控制柜、计 算机过程控制系统控制柜、可编程逻辑控制器过程控制系统控制柜。 AE2000A 型系统主要特点： （1）被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数。 （2）执行器中既有电动调节阀、三相 SCR 移相调压等仪表类执行机构，又有变频器等电力拖 动类执行器。 （3）调节系统除了有调节器的设定值阶跃扰动外，还有在对象中通过另一动力支路或电磁阀 和手操作阀制造各种扰动。 （4）一个被调参数可在不同的动力源、不同的执行器、不同的工艺线路下演变成多种调节回 路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。 （5）某些检测信号、执行器在本对象中存在相互干扰，二者同时进行时要对原独立调节系统 的被调参数进行重新整定，还可对复杂调节系统比较优劣。 （6）各种控制算法和调节规律在开放的组态实验软件平台上都可以实现。 （7）实验数据及图表在上位机组态软件中永久存储可随时调用，以便实验者进行实验后的比 较和分析。 实验对象采用了很多工业现场常用检测控制装 置，仪表采用具有人工智能算法及通信接口的智能调 节仪，上位机监控软件采用 MCGS 工控组态软件。 扩展的信号接口用于控制系统二次开发。对象系统预 留有扩展连接口，进行 DCS 控制、计算机 DDC 控制、 PLC 控制开发。扩展控制系统为 DCS 分布式集散控 制系统，西门子 S7-300PLC 加上位 WinCC 组态软件。 3.1.1 AE2000A 系统实验对象组成结构 AE2000A 系统实验对象包括控制对象、检测及 执行装置，实验装置如图 3-1 所示。 3.1.1.1 AE2000A 系统控制对象 过程控制实验系统对象包含有：不锈钢储水箱 （长×宽×高：850mm×450mm×400mm）、强制对 流换热管系统、串接圆筒有机玻璃上水箱（250mm ×370mm）、下水箱（250mm×270mm）、三相 4.5kW 电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循 环不锈钢冷却锅炉夹套组成），纯滞后盘管实验装置。对象系统结构图中检测变送和执行元件包括 图 3-1 AE2000A 系统实验对象液位传感器、温度传感器、涡轮流量计、电磁流量计、压力表、电动调节阀、电磁阀等，结构如图 3-2 所示。 系统动力支路由两路组成：一路由单相丹麦格兰富循环水泵、电动调节阀、涡轮流量计、自锁 紧不锈钢水管及手动切换阀组成；另一路由小流量水泵、变频调速器、小流量电磁流量计、自锁紧 不锈钢水管及手动切换阀组成。 图 3-2 系统结构图 3.1.1.2 AE2000A 系统实验对象检测及执行装置 AE2000A 系统实验对象检测及执行装置包括检测装置和执行装置。检测装置有扩散硅压力液 位传感器、电磁流量传感器、涡轮流量传感器、Pt100 热电阻温度传感器。执行装置有三相可控硅 移相调压装置、电动调节阀、变频器。 1．液位传感器 当被测介质（液体）的压力作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经归一化 差分放大和输出放大器放大，最后经 V/A 电压电流转换器转换成与被测介质（液体）的液位压力 成线性对应关系的 4~20mA 标准电流输出信号。 接线如图 3-3 所示。传感器的端子位于中继箱内，电缆线从中继箱的引线口接入，直流电源 24V+接中继箱内正（+），中继箱内负（-）接负载电阻，负载电阻接 24V-，输出 4~20mA 电流信 号，通过负载电阻转换成电压信号，在负载电阻 250/50两端取信号电压，当负载电阻接 250时 信号电压为 1~5V，当负载电阻切换成 50时信号电压为 0.2~1V。
图3-3 液位传感器接线图 零点和量程调整电位器位于另一侧的中继箱内。校正时打开中继箱盖，即可进行调整，左边的 Z 钮调零电位器，右边的 R 钮调增益电位器。 2．温度传感器 温度传感器为 Pt100 热电阻。 连接两端元件热电阻采用的是三线制接法。采用三线制接法是为了减少测量误差。因为在多数 测量中，热电阻远离测量电桥，与热电阻相连接的导线长，当环境温度变化时，连接导线的电阻值 将有明显的变化，为了消除连接导线阻值的变化而产生的测量误差，就采用了三线制接法。即在两 端元件的两端分别引出两条导线，这两条导线（材料相同、长度、粗细相等）又分别加在电桥相邻 的两个桥臂上，经过温度变送器变送出 4~20mA 信号，如图 3-4 所示。 3．流量计 流量计包括涡轮流量计和电磁流量计。 涡轮流量计输出信号是 4~20mA，测量范围为 0~0.6m3 /h。 涡轮流量计接线如图 3-5 所示，传感器的端子位于中继箱内，电缆线从中继箱的引线口接入， 直流电源 24V+接中继箱内正（+），中继箱内负（-）接 24V-，中继箱内负（-）作为涡轮流量计 输出信号负端，中继箱内 A 为输出信号+（正）。负载电阻则把电流信号转换成电压信号。 图 3-4 温度传感器接线图 图 3-5 涡轮流量计接线图 电磁流量计输出信号是 4~20mA，测量范围为 0~0.4 m3 /h。 电磁流量计接线如图 3-6 所示，转换器为交流 220V 供电，X、Y 和 A、B、C 为传感器和转换 器之间的连线，输出信号线直接接控制台上的电磁流量计信号输出端。 4．压力表 压力表安装在单相泵之后，电动调节阀之前，测量范围为 0~0.25MPa。 5．电动调节阀 QSVP-16N 智能电动单座调节阀的主要技术参数如下。 4~20mA 250/50
图 3-6 电磁流量计接线图 执行机构形式：智能型直行程执行机构； 输入信号：0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC； 输入阻抗：250 /500； 输出信号：4~20mADC； 输出最大负载：<500； 断信号阀位置：可任意设置为保持/全开/全关/0~100％间的任意值； 电源：220V±10％/50Hz。 6．电磁阀 24V 直流电源供电，电磁阀共有两种状态：上电时电磁阀阀门开，掉电时电磁阀关。 7．三相可控硅移相调压器 通过 4~20mA 电流控制信号控制三相 380V 交流电源，输出在 0~380V 之间根据控制电流的大 小实现连续变化。 3.1.2 仪表过程控制系统组成结构 3.1.2.1 控制系统硬件组成结构和使用说明 仪表控制系统由调节器（仪表）、控制面板、变频器、监控计算机、三相可控硅移相调压器， 整流电源、开关连线等组成，系统整体安装在控制柜中。 1．智能调节仪 AI818A 智能调节仪型号为上海万迅仪表有限公司 AI818A，具备外给定、手动/自动切换操作、手动整 定及显示输出值等功能。能直接控制阀门的位置比例输出（伺服放大器），也可独立做手动操作器 或伺服放大器用，此外还具备可控硅移相触发输出功能，可节省可控硅移相触发器，能精确控制温 度、压力、流量、液位等各种物理量。 智能调节仪使用参数设置可以修改仪表的功能和参数。修改参数时，按住 键 3s，即可 调出表 3-1 第一个参数 HIAL，用 、 、 、修改参数的值。修改好第一个参数后，再按一 下 即可进入下一个参数的修改。根据不同的实验，表 3-1 中的参数有所改变，请参看实验 部分说明。
表 3-1 AI818A 智能调节仪主要参数表说明 参数代号 参数含义 说明 设置范围 HIAL 上限报警 测量值大于 HIAL+dF 时产生上限报警 999.9 LOAL 下限报警 测量值大于 LOAL-dF 时产生上限报警 -199.9 DHAL 正偏差报警 正偏差大于 DHAL+dF 产生正偏差报警 999.9 DLAL 负偏差报警 负偏差大于 DLAL-dF 产生负偏差报警 999.9 dF 回差 请参看使用说明书 0.3 CTrL 控制方式 请参看使用说明书 1 P 比例度 比例系数的倒数 4 I 积分时间 请参看使用说明书 100 D 微分时间 请参看使用说明书 0 sn 输入规格 请参表见 3-2 33 DIP 小数点位置 小数点位置，例如 DIP=1，小数点在十位 1 DIL 输入下限显 示值 用于定义线性输入信号下限刻度值 例如：液位传感器检测范围为 0~100cm，则 DIL=0，DIP=1 0 DIH 输入上限显 示值 用于定义线性输入信号上限刻度值 例如：液位传感器检测范围为 0~100cm，则 DIH=100，DIP=1 100 OP1 输出方式 op1=4，4~20mA 线性电流输出 4 OPL 输出下限 OPL=0 调节器输出最小值 0 OPH 输出上限 OPH=100 调节器输出最大值 100 CF 系统功能选择 CF=0 调节器为反作用 CF=1 调节器为正作用 0 Addr 通信地址 请参看使用说明书 1（或 2、3） bAud 通信波特率 请参看使用说明书 9600 dL 输入数字滤波 请参看使用说明书 run 运行状态 请参看使用说明书 1 根据实际所测的信号不同，表 3-1 中输入规格 sn 在 0~37 之间选择，输入规格说明见表 3-2。 表 3-2 AI818A 智能调节仪输入规格说明 sn 输入规格 sn 输入规格 0 K 1 S 2 R 3 T 4 E 5 J 6 B 7 N 8~9 备用 10 用户指定的扩充输入规格 11~19 备用 20 Cu50 21 Pt100 22~25 备用
续表 sn 输入规格 sn 输入规格 26 0~80电阻输入 27 0~400电阻输入 28 0~20mV 电压输入 29 0~100mV 电压输入 30 0~60mV 电压输入 31 0~1V（0~500mV） 32 0.2~1V（100~500MV） 33 1~5V 电压输入 34 0~5V 电压输入 35 -20~+20mV（0~10V） 36 -100~+100mV（2~10V） 37 -5V~+5V（0~50V） 2．变频器 装置中使用 FR-S520S-0.4K-CH 三菱变频调速器，变频器外部控制信号控制输出接线方法为 SD 与 STF（或 STR）、RH 两端都短接，在控制信号输入端接入控制信号 4~20mA（正极、负极应该对 应，不能接错），打开变频器的电源开关即可输出。通过改变控制信号的大小来改变输出的频率。 3．三相可控硅移相调压器 通过 4~20mA 电流控制信号控制三相 380V 交流电源在 0~380V 之间根据控制电流的大小实现 连续变化。 4．系统连接与使用 系统连接原理如图 3-7 所示。 图 3-7 仪表过程控制系统连接原理图 AE2000A 系统实验对象通过电缆插座与仪表控制柜连接，AE2000A 系统实验对象的各类测量 信号、控制量信号统一接到 I/O 信号接口板。 根据不同实验内容，利用实验连线将 I/O 信号接口板上相应传感器的测量信号接入仪表输入端 AE2000 系统实验对象 232/485 串口 + + - - 上水箱 下水箱 液位 液位 + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - SD STF RH 夹套 水温 锅炉 水温 后水温 纯滞 换热器 冷水出 口水温 换热器 热水出 口水温 涡轮 流量 电磁 流量 电加 热管 电动 调节阀 切换 R/L 4-20mA 输入信号 压力变送器 温度变送器 流量变送器 执行器控制 信号输入 变频器 I/O 信号接口
口。若传感器输出为 4~20mA 电流信号，仪表设定输入为电压信号时，将传感器输出的 4~20mA 电流信号接在仪表板的电阻两端，再将电阻两端的电压信号接入仪表输入端口。 计算机监控通过计算机串口（COM2）经 RS232/485 转换装置与所有的仪表进行通信。仪表通 信地址设定与监控软件通信设定一致。 3.1.2.2 仪表过程控制系统软件 监控计算机安装 AE2000AYB 组态软件，通过 RS232/485 转换装置同所有的仪表进行通信。可 对下位仪表各参数进行设定、修改 PID 控制参数，并能观察被控参数的实时曲线、历史曲线和 SV 设定值、PV 测量值、OP 输出值，各实验都设有动态流程图、被测参数动态显示及变化棒图显示 系统流程图。系统软件运行须在计算机并口接加密狗。 软件设计及使用方法见过程控制系统监控软件设计和过程控制系统设计与实验相关章节内容。 3.1.3 计算机过程控制系统组成结构 3.1.3.1 控制系统硬件组成结构和使用说明 计算机过程控制实验装置有 ICP7000 和 ADAM5000 两套系统，每套系统除有相应的控制模块 外，还包括控制接口面板、变频器、监控计算机、三相可控硅移相调压器、整流电源、开关连线等， 系统整体安装在控制柜中。 1．计算机控制模块 ICP7000 系列 ICP7017：8 通道模拟量输入模块； 工作电源：直流 24V； 输入类型：电压、电流； 输入范围：150~150mV、-500~500mV、-1~1V、-5~5V、-10~10V、-20~20mA； 通信方式：485 通信； ICP7024：4 路电压型模拟量输出、4 路电流型模拟量输出； 工作电源：直流 24V； 电流输出范围：0~20mA、4~20mA； 电压输出范围：-10~10V、0~10V、-5~5V、0~5V； 通信方式：485 通信。 2．计算机控制模块 ADAM5000 系列 ADAM5017：8 通道电压型模拟量输入模块； ADAM5024：8 通道电流型（4~20mA 等）输出模块； 工作电源：直流 24V； 输入类型：电压、电流； 通信方式：支持 485 通信、232 通信。 3．计算机控制 ICP7000 系统的连接 系统连接原理如图 3-8 所示。AE2000A 系统实验对象通过电缆插座与计算机控制柜连接， AE2000A 系统实验对象的各类测量信号、控制量信号统一接到对象检测信号输出、执行器控制信 号输入面板。检测信号有上水箱液位信号、下水箱液位信号、夹套水温信号、锅炉水温信号、纯滞 后水温信号、换热器冷水出口水温信号、换热器热水出口水温信号、涡轮流量信号、电磁流量信号。 执行器控制信号输入有电动调节阀控制信号、电加热管控制信号、变频器控制信号（注：执行器部
分的控制信号均为 4~20mA）。
图 3-8 计算机过程控制系统连接原理图
根据不同实验内容，利用实验连线将对象检测信号输出、执行器控制信号输入面板接入 I/O 信 号输入、输出面板端口。ICP7017AD 模块在面板上提供 8 路电压（±10V 等）型输入通道（AI0~AI7）， ICP7024DA 模块在面板上提供 4 路（4~20mA 等）电流型输出通道（AO0~AO3）。具体接入的通道 号根据组态软件所提供的每一实验输入输出所规定的通道号进行连接。
计算机监控通过计算机串口（COM2）经 RS232/485 转换装置与 ICP7017AD 模块和 ICP7024DA 模块进行通信。通信地址设定与监控软件通信设定一致。 4．计算机控制 ADAM5000 系统的连接 系统连接原理如图 3-9 所示。AE2000A 系统实验对象通过电缆插座与计算机控制柜连接， AE2000A 系统实验对象的各类测量信号、控制量信号统一接到对象检测信号输出、执行器控制信 号输入面板。检测信号有上水箱液位信号、下水箱液位信号、夹套水温信号、锅炉水温信号、纯滞 后水温信号、换热器冷水出口水温信号、换热器热水出口水温信号、涡轮流量信号、电磁流量信号。 执行器控制信号输入有电动调节阀控制信号、电加热管控制信号、变频器控制信号（注：执行器部 分的控制信号均为 4~20mA）。 根据不同实验内容，利用实验连线将对象检测信号输出、执行器控制信号输入面板接入 I/O 信 号输入、输出面板端口。ADAM5000 模块在面板上提供 8 路电压（±10V 等）型输入通道（AI0~AI7） AE2000A 系统实验对象 232/485 串口 检测信号输入接口 检测信号输出接口 + - A I 0 + - A I 1 + - A I 2 + - A I 3 + - A I 4 + - A I 5 + - A I 6 + - A I 7 + - A O 0 + - A O 1 + - A O 2 + - A O 3 I/O 信号接口 + + - - 上水箱 下水箱 液位 液位 + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - SD STF RH 夹套 水温 锅炉 水温 后水温 纯滞 换热器 冷水出 口水温 换热器 热水出 口水温 涡轮 流量 电磁 流量 电加 热管 电动 调节阀 切换 R/L 4-20mA 输入信号 压力变送器 温度变送器 流量变送器 执行器控制 信号输入 变频器 I/O 信号接口
和 4 路（4~20mA）电流型输出通道（AO0~AO3）。具体接入的通道号根据组态软件所提供的每一 实验输入输出所规定的通道号进行连接。 计算机监控通过计算机串口（COM2）RS232 与 ADAM5000 进行通信。 图 3-9 计算机过程控制系统连接原理图 3.1.3.2 计算机过程控制系统软件 1．7000Utility 软件的使用 7000Utility 软件主要为亚当模块提供以下功能：检测与主机相连的亚当 7000 模块、设置亚当 7000 的配置、对亚当 7000 各个模块执行数据输入或数据输出、保存检测到的亚当模块的信息（文 件格式为*.map）。 2．MCGS 组态软件 监控计算机安装 AE2000AYB 组态软件，通过 RS232 或 RS232/485 转换装置同 ADMA 模块进 行通信。可对计算机模块各参数进行设定、修改 PID 控制参数，并能观察被控参数的实时曲线、 历史曲线，SV 设定值、PV 测量值、OP 输出值，各实验都设有动态流程图及被测参数动态显示及 变化棒图显示系统流程图。系统软件运行须在计算机并口接加密狗。 各实验通道口设置如表 3-3 所示。 表 3-3 通道连接表
ICP7017 通道值（ADAM5017） ICP7024 通道值（ADAM5024） 实验名称
接入信号 数据对象 通道号 数据对象 通道号 一阶单容系统对象特性测试实验 上水箱液位 pv1 AD0 OP2 DA0 上水箱液位 PID 整定实验 上水箱液位 pv1 AD0 OP2 DA0
ADAM 5000 ADAM 5017 ADAM 5024 AE2000A 系统实验对象 RS232 检测信号输入接口 检测信号输出接口 + - A I 0 + - A I 1 + - A I 2 + - A I 3 + - A I 4 + - A I 5 + - A I 6 + - A I 7 + - A O 0 + - A O 1 + - A O 2 + - A O 3 I/O 信号接口 + + - - 上水箱 下水箱 液位 液位 + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - SD STF RH 夹套 水温 锅炉 水温 后水温 纯滞 换热器 冷水出 口水温 换热器 热水出 口水温 涡轮 流量 电磁流量 调节阀 电动 电加热管 4-20mA 输入信号切换 R/L 压力变送器 温度变送器 流量变送器 执行器控制 信号输入 变频器 I/O 信号接口 串口
续表 ICP7017 通道值（ADAM5017） ICP7024 通道值（ADAM5024） 实验名称
接入信号 数据对象 通道号 数据对象 通道号 锅炉内胆二位式控制实验 锅炉水温 pv1 AD0 OP2 DA0 锅炉内胆温度控制实验 锅炉水温 pv1 AD0 OP2 DA0 锅炉夹套温度控制实验 夹套水温 pv1 AD0 OP2 DA0 电磁流量计流量控制实验 电磁流量 pv1 AD0 OP2 DA0 涡轮流量与小流量比值控制实验 电磁流量
涡轮流量
pv1 pv2
AD0
AD1 OP2 DA0 上下水箱液位串级控制实验 下水箱液位
上水箱液位 pv1 pv2
AD0
AD1 OP4 DA1
软件设计及使用方法见过程控制系统监控软件设计和过程控制系统设计与实验相关章节内容。 3.1.4 可编程逻辑控制器过程控制系统组成结构 3.1.4.1 控制系统硬件组成结构和使用说明 可编程逻辑控制器过程控制系统由 SIEMENS S7-300PLC、控制面板、变频器、监控计算机、 三相可控硅移相调压器、整流电源、开关连线等组成。系统整体安装在控制柜中。 1．可编程逻辑控制器 S7-300 CPU315-2DP：中央处理器； SM331：8 通道 16 位模拟量输入模块； SM332：4 通道 16 位模拟量输出模块； 工作电源：直流 24V； 输入输出类型：电压、电流； 通信方式：支持 MPI 通信、PC/PPI 通信、现场总线通信。 2．系统连接与使用 系统连接原理如图 3-10 所示。AE2000A 系统实验对象通过电缆插座与 PLC 控制柜连接， AE2000A 系统实验对象的各类测量信号、控制量信号统一接到对象检测信号输出、执行器控制信 号输入面板。检测信号有上水箱液位信号、下水箱液位信号、夹套水温信号、锅炉水温信号、纯滞 后水温信号、换热器冷水出口水温信号、换热器热水出口水温信号、涡轮流量信号、电磁流量信号。 执行器控制信号输入有电动调节阀控制信号、电加热管控制信号、变频器控制信号（注：执行器部 分的控制信号均为 4~20mA）。 根据不同实验内容，利用实验连线将对象检测信号输出、执行器控制信号输入面板接入 I/O 信 号输入、输出面板端口。SM331 模块在面板上提供 8 路输入通道（AI0~AI7），SM332 模块在面板 上提供 4 路输出通道（AO0~AO3）。具体接入的通道号根据组态软件提供的每一实验输入输出所规 定的通道号进行连接。
监控计算机插入 5611 通信卡，通过电缆与 CPU315-2DP 的 MPI 口进行通信。CPU315-2DP 的 MPI 通信地址设定与监控软件通信地址设定一致。
图 3-10 可编程控制器过程控制系统连接原理图 3.1.4.2 可编程逻辑控制器过程控制系统软件 1．Step7 编程软件的使用 利用 Step7 编制系统控制软件，下载到 PLC 中，可编程逻辑控制器启动自动运行。Step7 使用、 编程方法见 Step7 使用编程手册。 2．WinCC 组态软件 监控计算机安装 WinCC 组态软件，通过 MPI 同 PLC 进行通信。可对 PLC 过程控制系统各参 数进行设定、修改 PID 控制参数，并能观察被控参数的实时曲线、历史曲线、SV 设定值、PV 测 量值、OP 输出值，各实验都设有动态流程图及被测参数动态显示及变化棒图显示系统流程图。 WinCC 组态软件使用、编程方法见 WinCC 编程手册。
3.2 过程控制系统设计与实验
3.2.1 一阶单容上水箱对象特性测试实验 3.2.1.1 实验目的 （1）熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。 （2）根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。 MPI 通信 CPU315-2DP SM331 8x16BIT SM332 4x12BIT 5611 通信卡 通信口 MPI AE2000A 系统实验对象 检测信号输入接口 检测信号输出接口 + - A I 0 + - A I 1 + - A I 2 + - A I 3 + - A I 4 + - A I 5 + - A I 6 + - A I 7 + - A O 0 + - A O 1 + - A O 2 + - A O 3 I/O 信号接口 + + - - 上水箱 下水箱 液位 液位 + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - SD STF RH 夹套 水温 锅炉 水温 后水温 纯滞 换热器 冷水出 口水温 换热器 热水出 口水温 涡轮 流量 电磁流量 调节阀 电动 电加热管 4-20mA 输入信号切换 R/L 压力变送器 温度变送器 流量变送器 执行器控制 信号输入 变频器 I/O 信号接口3.2.1.2 实验设备 AE2000A 型过程控制实验装置、仪表控制实验柜或计算机控制实验柜（ADAM5000 或 7000 模块）或 PLC 控制柜、RS232/485 转换器、串口线、上位机软件、计算机、实验连接线。 3.2.1.3 实验原理 单容水箱结构如图 3-11 所示。 图 3-11 单容水箱结构图 阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动 改变对象的输入信号（阶跃信号）。记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模 型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中的各参数。 图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。单容水箱对 象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。 设水箱的进水量为 Q1，出水量为 Q2，水箱的液面高度为 h，出水阀 V2固定于某一开度值。根 据物料动态平衡的关系，求得 2 2 2 d d h R C h R Q t （3-1） 在零初始条件下，对式 3-1 求拉氏变换得
2 2 2 1 1 H s R K G s Q s R Cs Ts （3-2） 式 3-2 中，T 为水箱的时间常数（注意：阀 V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R2C，K=R2 为过程的放大倍数，R2为 V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。令输入流量 Q1(s)=R0/s，R0为常量， 则输出液位的高度为
0 0 0 1 1 KR KR KR H s s Ts s s T （3-3） 当 t=T 时，则有
1
0 1 e 0.632 0 0.632 h T KR KR h ，即
0 1 e t T h t KR ； 当 t→ 时，h( ) KR0，因而有 K=h( ) /R0=输出稳态值/阶跃输入。 一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图 3-12 所示。当由实验求得阶跃响应 曲线后，该曲线上升到稳态值的 63％所对应时间，就是水箱的时间常数 T，该时间常数 T 也可以 通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数 T，其理论依据是 h V2 V1 Q 1 Q2
0 1 0
0 0 d e d t T t t h t KR KR h t T T T 上式表示 h(t)若以在原点时的速度 h ( ) /T 恒速变化，只要花 T 秒时间就可达到稳态值 h ( ) 。 3.2.1.4 实验内容和步骤 1．设备的连接和检查 （1）关闭阀 22，将 AE2000A 实验对象的储 水箱灌满水（至最高高度）。 （2）打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门（阀 1、 阀 4、阀 6），关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门（阀 2、阀 10、阀 17、阀 20）。 （3）打开上水箱的出水阀，阀 8 至适当开度。 2．系统连线 （1）关闭电源控制板上的所有电源开关。 （2）使用仪表控制实验柜时，将上水箱液位传感器（压力传感器）输出的 4~20mA 信号经 250Ω 电阻转换为 1~5V 电压信号，接入控制仪表输入端，控制仪表输出信号接电动调节阀。 （3）使用计算机控制柜和 PLC 控制柜时，用连接线将面板“上水箱液位”连接至 AI0，“电 动调节阀”连接至 AO0，注意极性相符。 3．启动实验装置 （1）将实验装置电源插头接到 380V 的三相交流电源。 （2）打开电源三相带漏电保护空气开关。 4．实验步骤 （1）打开控制器、电动调节阀、24VDC 电源开关。 （2）启动计算机组态软件，进入相应的实验，如图 3-13 所示。 图 3-13 计算机组态软件界面 （3）双击设定输出按钮，设定输出值的大小，这个值根据阀门开度的大小给定，一般初次设 定值<5。开启单相泵电源开关，启动动力支路。将被控参数液位高度控制在 20％处（一般为 5cm）。 h1(t) h1( ) 0 T 0.63h1( ) t 图 3-12 一阶惯性环节的响应曲线（4）观察系统的被调量，上水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录输出值，以及 水箱水位的高度 h1和测量显示值。 （5）迅速增加输出值，增加 5％的输出量，记录由此引起的阶跃响应的过程参数，均可在上 位软件上获得，以此数据绘制变化曲线。 3.2.1.5 注意事项 （1）做本实验过程中，阀 8 不得任意改变开度大小。 （2）阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行，也不能过小，以防止对象特性的不真实性。 一般阶跃信号取正常输入信号的 5％~15％。 （3）在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。 3.2.1.6 实验报告要求 （1）作出一阶环节的阶跃响应曲线。 （2）根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。 3.2.1.7 思考题 （1）在做本实验时，为什么不能任意变化阀 8 的开度大小？ （2）用两点法和用切线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点？ 3.2.2 二阶双容下水箱对象特性测试实验 3.2.2.1 实验目的 （1）熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。 （2）根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的特性。 3.2.2.2 实验设备 AE2000A 型过程控制实验装置、仪表控制实验柜或 PLC 控制柜、上位机软件、计算机、 RS232/485 转换器、串口线、实验连接线。 3.2.2.3 实验原理 双容水箱结构如图 3-14 所示。这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，被调量是第二水槽 的水位 h2。当输入量有一个阶跃增加ΔQ1时，被调量变化的反应曲线是如图 3-15 所示的Δh2曲线。 它不再是简单的指数曲线，而是呈 S 形的一条曲线。由于多了一个容器，就使调节对象的上升特 性在时间上更加落后一步。变化曲线称容量滞后，通常以 代表。 图 3-14 双容水箱结构图 Q3 Q2 Q1 V3 V2 V1 丹麦泵 电动调节阀 智能调节仪手动输出 h2 h1
图 3-15 双容水箱的响应曲线 设流量 Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度 h2为输出量，根据物料动态平衡关系，并 考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为 2 1 1 2 ( ) ( ) e ( ) ( 1)( 1) s H s K G s Q s T s T s （3-4） 式 3-4 中的 K、T1和 T2须由实验求得的阶跃响应曲线上求出。具体的做法是在阶跃响应曲线 上取 h2(t)稳态值的渐近线 h 2( ) ； 1 2( ) t t 0.4 2( ) h t h 时曲线上的点 A 和对应的时间 t1； 2 2( ) t t 0.8 2( ) h t h 时曲线上的点 B 和对应的时间 t2。然后利用近似公式 3-5、3-6、3-7 计算。 2 0 ( ) h K R （3-5） 1 2 1 2 2.16 t t T T （3-6） 1 2 1 2 2 1 2 (1.74 0.55) ( ) T T t t T T （3-7） 3.2.2.4 实验内容和步骤 1．设备的连接和检查 （1）开通以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计以及上水箱出水阀 1、阀 4、阀 6、阀 8 所组成 的水路系统，关闭通往其他对象的切换阀 10、阀 20、阀 17。 （2）将下水箱的出水阀 9 开至适当开度。 （3）使用仪表控制实验柜时，将下水箱液位传感器（压力传感器）输出的 4~20mA 信号经 250 电阻转换为 1~5V 电压信号，接入控制仪表输入端，控制仪表输出信号接电动调节阀。 （4）使用 PLC 控制柜时，用连接线将面板“下水箱液位”连接至 AI0，“电动调节阀”连接 至 AO0。 2．实验步骤 （1）开启电动调节阀电源、24V 电源、控制器电源。 （2）启动计算机组态软件，进入实验系统相应的实验，界面如图 3-16 所示。 t1 h2( ) t O t2 B A h2(t) 0.8h2( ) 0.4h2( )
图 3-16 计算机组态软件界面 （3）开启单相泵电源开关，启动动力支路，将输出值迅速上升到小于等于 10，将被控参数液 位高度控制在 30％处（一般为 5cm）。 （4）观察系统的被调量—水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录调节仪输出值， 以及水箱水位的高度 h2和测量显示值。 迅速增加输出值，增加 10％的输出量，记录由此引起的阶跃响应的过程参数，均可在上位软 件上获得各项参数和数据，并绘制过程变化曲线。 3.2.2.5 注意事项 （1）做本实验过程中，阀 V2不得任意改变开度大小。 （2）阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行，也不能过小，以防止对象特性的不真实性。 一般阶跃信号取正常输入信号的 5％~15％。 （3）在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。 3.2.2.6 实验报告要求 （1）作出二阶环节的阶跃响应曲线。 （2）根据实验原理中所述的方法，求出二阶环节的相关参数。 3.2.3 上水箱液位 PID 整定实验 3.2.3.1 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。 3.2.3.2 实验设备 AE2000A 型过程控制实验装置、仪表控制实验柜或计算机控制实验柜（ADAM5000 或 7000 模块）或 PLC 控制柜、RS232/485 转换器、串口线、上位机软件、计算机、实验连接线。 3.2.3.3 实验原理 图 3-17 为单回路上水箱液位控制系统，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 所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制任务是控制上小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。当调节方案确定之后，接下来就是整定调 节器的参数，合适地控制参数，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。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数 是一个很重要的实际问题。 图 3-17 单回路水箱控制框图 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）。在单位阶跃作用下，P、PI、PID 调节系统的阶跃响应分别如图 3-18 中的曲线①、②、③所示。 图 3-18 系统的阶跃响应曲线 3.2.3.4 实验内容和步骤 1．设备的连接和检查 （1）将 AE2000A 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。 （2）打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门（阀 1、 阀 4、阀 6），关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门（阀 2、阀 5、阀 10、阀 17、阀 20）。 （3）打开上水箱的出水阀 8 至适当开度。 （4）检查电源开关是否关闭。 （5）关闭电源控制板上的所有电源开关。 （6）使用仪表控制实验柜时，将上水箱液位传感器（压力传感器）输出的 4~20mA 信号经 250Ω 电阻转换为 1~5V 电压信号，接入控制仪表输入端，控制仪表输出信号接电动调节阀。 扰动 PID 控制器 电动调节阀 上小水箱 液位变送 给定 液位 eff t(s) T(c) + - ② ① ③ O 1
（7）使用计算机控制柜或 PLC 控制柜时，用连接线将面板“上水箱液位”连接至 AI0，“电 动调节阀”连接至 AO0。 2．实验步骤 （1）打开控制器、电动调节阀、24VDC 电源开关。 （2）启动计算机组态软件，进入实验系统相应的实验，如图 3-19 所示。 图 3-19 计算机组态软件界面 比例调节 1）打开单相电源泵开关，开始实验。 2）设定给定值，调整 P 参数。 3）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，并记录余差大小。 4）减小 P 重复上一项内容，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 5）增大 P 重复上一项内容，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 6）选择合适的 P，可以得到较满意的过渡过程曲线。改变设定值（如设定值由 50％变为 60％）， 同样可以得到一条过渡过程曲线。 注意：每做完一次实验后，必须待系统稳定后再做另一次实验。 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 I 参数不为 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）固定比例 P 值（中等大小），改变 PI 调节器的积分时间常数值 Ti，然后观察加阶跃扰动后 被调量的输出波形，并记录不同 Ti值时的超调量δp。 3）固定于某一中间值，然后改变 P 的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表 记录不同值 Ti下的超调量δp。 4）选择合适的 P 和 Ti值，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（如设定值由 50％变为 60％）来获得。 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，即软件界面上设置 D 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 控制下实验 的曲线相比较，由此可看到微分 D 对系统性能的影响。 2）选择合适的 P、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 给定值从 50％突变至 60％来实现）。 用临界比例度法整定调节器的参数。在实际应用中，PID 调节器的参数常用临界比例度实验的 方法来确定，用临界比例度法去整定 PID 调节器的参数既方便又实用。 待系统稳定后，逐步减小调节器的比例度δ（即 1/P），并且每当减小一次比例度δ，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，则应继续减小比例度δ，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，则表示比例度调节得过小，应适当增大，使之出现等幅振荡，如图 3-20 所示。 图 3-20 系统临界振荡曲线 当被调量作等幅荡时，此时的比例度 就是临界比例度，用 表示，相应的振荡周期就是临k 界周期 Tk。据此，按表 3-4 可确定 PID 调节器的三个参数 、Ti和 Td。 表 3-4 临界比例度法参数选择表 调节器参数 调节器规律 k Ti(s) Td(s) P 2 k PI 2.2 k Tk/1.2 PID 1.6 k 0.5Tk 0.125Tk 3.2.3.5 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。 （3）作出 P 调节器控制时，不同 值下的阶跃响应曲线。 （4）作出 PI 调节器控制时，不同 和 Ti值时的阶跃响应曲线。 （5）画出 PID 控制时的阶跃响应曲线，并分析微分 D 的作用。 （6）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。 C(t) t O Tk
3.2.4 锅炉内胆温度二位式控制实验 3.2.4.1 实验目的 （1）熟悉二位式温度控制系统的组成。 （2）掌握位式控制系统的工作原理、控制过程和控制特性。 3.2.4.2 实验设备 AE2000A 型过程控制实验装置、仪表控制实验柜或计算机控制实验柜（ADAM5000 或 7000 模块）或 PLC 控制柜、RS232/485 转换器、串口线、上位机软件、计算机、实验连接线。 3.2.4.3 实验原理 二位控制是位式控制规律中最简单的一种。本实验的被控对象是 1kW 电加热管，被控制量是 复合小加温箱中内套水箱的水温 T，位式控制系统控制规律在一定的范围内不仅有死区存在，而且 还有回环。执行器只有“开”或“关”两种极限工作状态，故称这种控制器为两位调节器。 该系统的工作原理是当被控制的水温 T 小于给定值时，即给定值大于测量值，且当 e=Vs-Vp≥ dF 时，调节器的继电器线圈接通，常开触点变成常闭，电加热管接通 380V 电源而加热。随着水 温 T 的升高，Vp也不断增大，e 相应变小。若 T 高于给定值，即 Vs<Vp，e=Vg-Vi为负值。若 e≤-dF 时，则二位调节器的继电器线圈断开，常闭触点变成常开，切断电加热管的供电。 由过程控制原理可知，双位控制系统的输出是一个断续控制作用下的等幅振荡过程，因此不能 用连续控制作用下的衰减振荡过程的温度品质指标来衡量，而用振幅和周期作为品质指标。一般要 求振幅小，周期长，然而对同一双位控制系统来说，若要振幅小，则周期必然短；若要周期长，则 振幅必然大。因此通过合理选择中间区以使振幅在限定范围内，而又尽可能获得较长的周期。 3.2.4.4 实验内容和步骤 1．设备的连接和检查 （1）关闭阀 13，开通以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计以及锅炉内胆进水阀 1、阀 4、阀 10、阀 14 所组成的水路，关闭通往其他对象的切换阀 6、阀 20、阀 17。 （2）将锅炉内胆的出水阀 14 全开。 （3）检查电源开关是否关闭。 （4）关闭电源控制板上的所有电源开关。 （5）使用仪表控制实验柜时，将内套水箱温度传感器输出的信号接入控制仪表输入端，控制 仪表输出信号接电加热管。 （6）使用计算机控制柜时，用连接线将面板内套水箱温度传感器输出连接至 AI0，电加热管 连接至 AO0。 2．实验步骤 （1）利用 AE2000A 型实验装置组成控制系统。 （2）把锅炉里的水加满至溢流口。 （3）启动电源，在软件里调节好各项参数以及设定值和回差 dF 的值。 （4）在锅炉内胆中给恒定的进水用于冷却。变频器开在 27Hz，恒定进水到锅炉内胆。 （5）启动计算机，进入 MCGS 组态环境运行软件，进入相应的实验，如图 3-21 所示。 （6）系统运行后，组态软件自动记录控制过程曲线。待稳定振荡 2~3 个周期后，观察位式控 制过程曲线的振荡周期和振幅大小，记录实验曲线。
图 3-21 计算机组态软件界面 （7）适量改变给定值的大小，重复上述的实验步骤。 （8）把动力水路切换到锅炉夹套，启动实验装置的供水系统，给锅炉的外套加流动冷却水， 重复上述的实验步骤。 3.2.4.5 注意事项 （1）实验前，锅炉内胆的水位必须高于热电阻的测温点。 （2）给定值必须要大于常温。 （3）实验线路全部接好后，必须经指导老师检查认可后，方可接通电源开始实验。 3.2.4.6 实验报告要求 （1）画出不同 dF 时的系统被控制量的过渡过程曲线，记录相应的振荡周期和振荡幅度大小。 （2）画出加冷却水时，被控量的过程曲线，并比较振荡周期和振荡幅度大小。 （3）综合分析位式控制特点。 3.2.4.7 思考题 （1）为什么缩小 dF 值，能改善双位控制系统的性能？ （2）为什么实际的双位控制特性与理想的双位控制特性有着明显的差异？ 3.2.5 锅炉内胆温度 PID 控制实验（动态） 3.2.5.1 实验目的 （1）了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。 （2）研究 P、PI、PD 和 PID 四种调节器分别对温度系统的控制作用。 （3）了解 PID 参数自整定的方法及参数整定在整个系统中的作用。 3.2.5.2 实验设备 AE2000A 型过程控制实验装置、仪表控制实验柜或计算机控制实验柜（ADAM5000 或 7000 模块）或 PLC 控制柜、RS232/485 转换器、串口线、上位机软件、计算机、实验连接线。
3.2.5.3 实验内容和步骤 1．设备的连接和检查 按要求接成实验系统。打开阀 1、阀 2、阀 3、阀 10，关闭阀 5、阀 6、阀 17、阀 20、阀 12、 阀 13、阀 15，启动丹麦泵往锅炉进水，经 1~2 分钟，关闭丹麦泵。 2．实验步骤 （1）打开控制器、电动调节阀、24VDC 电源开关。 （2）给锅炉内胆以 28Hz 恒定的进水，溢流口打开，进行循环冷却。 （3）开启相关仪器和计算机软件，进入相应的实验，如图 3-22 所示。 图 3-22 计算机组态软件界面 比例调节（P）控制 1）把温度设定于某给定值（如：将水温控制在 40oC），设置各项参数，使调节器工作在比例 （P）调节器状态。 2）加入阶跃扰动（可通过改变设定值来实现）。观察并记录在当前比例 P 时的余差和超调量。 每当改变值 P 后，再加同样大小的阶跃信号，比较不同 P 时的 ess和δp。 3）记录实验过程各项数据绘成过渡过程曲线。 比例积分调节（PI）控制 1）在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，加入积分作用，观察被控制量能否回 到原设定值的位置，以验证系统在 PI 调节器控制下没有余差。 2）固定比例 P 值（中等大小），然后改变积分时间常数 I 值，观察加入扰动后被调量的动态曲 线，并记录不同 I 值时的超调量δp。 3）固定 I 于某一中间值，然后改变比例 P 的大小，观察加扰动后被调量的动态曲线，并记下 相应的超调量δp。 4）选择合适的 P 和 I 值，使系统瞬态响应曲线为一条令人满意的曲线，此曲线可通过改变设 定值（如把设定值由 50％增加到 60％）来实现。 比例微分调节器（PD）控制
1）在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，引入微分作用 D。固定比例 P 值（中 间值），改变微分时间常数 D 的大小，观察系统在阶跃输入作用下相应的动态响应曲线。 2）选择合适的 P 和 D 值，使系统的瞬态响应为一条令人满意的动态曲线。 比例积分微分（PID）调节器控制 1）在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，引入积分作用，使被调量回复到原设 定值。减小 P，并同时增大 I，观察加扰动信号后的被调量的动态曲线，验证在 PI 调节器作用下， 系统的余差为零。 2）在 PI 控制的基础上加上适量的微分作用 D，然后再对系统加扰动，比较所得的动态曲线与 用 PI 控制时的不同处。 3）选择合适的 P、I 和 D，以获得一条较满意的动态曲线。 用临界比例度法整定 PID 调节器的参数 在实际应用中，PID 调节器的参数常用临界比例度法的方法来确定，逐步减小调节器的比例度 δ（1/P），直到系统的被调量出现等到幅振荡。按表 3-4 确定 PID 调节器的参数，表中给出的参数 仅是对调节器参数的一个初步整定。使用上述参数的调节器很可能使系统在阶跃信号作用下，达不 到 4︰1 的衰减振荡。若获得理想的动态过程，应在此基础上，对表中给出的参数稍作调整，并记 下此时的δ、Ti和 Td。 3.2.5.4 注意事项 系统连接好以后，须在老师的指导下，运行温度控制实验。 3.2.5.5 实验报告要求 （1）画出温度控制系统的方块图。 （2）作出比例调节器控制时，不同 值时的阶跃响应曲线，分析结论。 （3）分析 PI 调节控制时，不同 P 和 I 值对系统性能的影响。 （4）绘制用 PD 调节控制时系统的动态波形。 （5）绘制用 PID 调节控制时系统的动态波形。 （6）用临界比例度法整定三种调节器的参数，并分别作出系统在这三种调节器控制下的阶跃 响应曲线。 3.2.5.6 思考题 （1）在阶跃扰动作用下，用 PD 调节器控制时，系统有没有余差？为什么？ （2）连续温控与断续温控有何区别？ 3.2.6 流量 PID 整定实验 3.2.6.1 实验目的 （1）了解流量计的结构及其使用方法。 （2）熟悉单回路流量控制系统的组成。 （3）试比较电磁流量计和涡轮流量计之间的不同之处。 3.2.6.2 实验设备 AE2000A 型过程控制实验装置、仪表控制实验柜或计算机控制实验柜（ADAM5000 或 7000 模块）或 PLC 控制柜、RS232/485 转换器、串口线、上位机软件、计算机、实验连接线。
3.2.6.3 实验原理 流量控制系统如图 3-23 所示。 3.2.6.4 实验内容和步骤 1．比例调节（P）控制 （1）利用实验装置信号接口面板上流量计的测量信号组成单回路流量控制系统。 图 3-23 流量控制系统框图 （2）运行 MCGS 组态软件，进入实验系统相关的实验，如图 3-24 所示。设置相关的参数， 运行实验。 图 3-24 计算机组态软件界面 （3）观察计算机显示屏上实时的响应曲线，待流量基本稳定于给定值后，加入阶跃信号（一 般可通过改变设定值的大小来实现）。经过一段时间运行后，系统进入新的平稳状态。由记录曲线 观察并记录在不同的比例 P 下系统的余差和超调量。 2．比例积分调节（PI）控制 （1）在比例调节控制实验的基础上，加上积分作用 I，即把积分设置为一参数，根据不同的 情况，设置不同的大小。观察被控制量能否回到原设定值的位置，以验证系统在 PI 调节器控制下， 系统的阶跃扰动无余差产生。 （2）固定比例 P 值（中等大小），然后改变调节器的积分时间常数 I 值，观察加入阶跃扰动后 被调量的输出波形，并记录不同 I 值时的超调量δp。 （3）固定 I 于某一中等大小的值，然后改变比例 P 的大小，观察加阶跃扰动后被调量的动态 调节器 电动调节阀 管道流量 流量检测 + 给定 流量 -
波形，并列表记录不同值的超调量。 （4）选择合适的 P 和 I 值，使系统对阶跃输入（包括阶跃扰动）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（如把设定值由 50％变为 60％）来获得。 3.2.6.5 实验报告要求 （1）画出流量控制系统的实验线路图。 （2）作出 P、PI 调节器控制时的阶跃响应曲线。 3.2.6.6 思考题 消除系统的余差为什么采用 PI 调节器，而不采用纯积分器？ 3.2.7 电磁和涡轮流量计流量比值控制实验 3.2.7.1 实验目的 （1）熟悉两种流量计的结构及其使用方法。 （2）了解比值控制在工业上的应用。 3.2.7.2 实验设备 AE2000A 型过程控制实验装置、仪表控制实验柜或计算机控制实验柜（ADAM5000 或 7000 模块）或 PLC 控制柜、RS232/485 转换器、串口线、上位机软件、计算机、实验连接线。 3.2.7.3 实验原理 在各种生产过程中，需要使两种物料的流量保持严格的比例关系，例如在锅炉的燃烧系统中， 要保持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。而且往往其中一个流量随外界负荷需要而 变，另一个流量则应由调节器控制，使之成比例地改变，保证二者的比值不变。本实验比值调节系 统的组成原理如图 3-25 所示。 图 3-25 流量比值控制结构图 3.2.7.4 实验内容和步骤 （1）连接好比值调节实验硬件连线。 （2）启动工艺流程并开启相关仪器和计算机系统。 调节仪 变送器 比值器 变送器 F2 F1 ΔPB A B 0~162L/h 电磁流量计 涡轮流量计 电动调节阀 QA ΔPA 0~600L/h FA FIT 1 FIT 2 QB
（3）设定好各项控制参数，参数设置和常规的 PID 调节参数设置相同。 （4）运行组态软件，进入实验系统相关的实验，如图 3-26 所示。 图 3-26 计算机组态软件界面 （5）调节比值器的放大系数。 （6）观察计算机显示屏上实时的响应曲线，改变放大系数。 （7）待系统稳定后记录过渡过程曲线，记录各项参数。 3.2.7.5 注意事项 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。 3.2.7.6 实验报告要求 （1）画出比值控制系统的方块图。 （2）作出比值器控制时，不同 Kc值时的阶跃响应曲线，分析结论。 （3）分析 PI 调节器控制时，不同 P 和 I 值对系统性能的影响。 3.2.7.7 思考题 比值器在实验中起什么作用？ 3.2.8 上水箱下水箱液位串级控制实验 3.2.8.1 实验目的 （1）掌握串级控制系统的原理和组成。 （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。 3.2.8.2 实验设备 AE2000A 型过程控制实验装置、仪表控制实验柜或计算机控制实验柜（ADAM5000 或 7000 模块）或 PLC 控制柜、RS232/485 转换器、串口线、上位机软件、计算机、实验连接线。 3.2.8.3 实验原理 上水箱液位作为副调节器调节对象，下水箱液位作为主调节器调节对象。控制框图如图 3-27 所示。
图 3-27 液位串级控制系统框图 3.2.8.4 实验内容和步骤 1．设备的连接和检查 （1）关闭阀 1、阀 22 将 AE2000A 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。 （2）打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门（阀 1、 阀 4、阀 6），关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门（阀 2、阀 10、阀 17、阀 20），打开上水箱 的出水阀（阀 8）至适当开度。 （3）使用仪表控制实验柜时，将主调节仪的 4~20mA 输出接至 I/O 信号面板的转换电阻上， 转换成 1~5V 电压信号，再将此转换信号接至另一调节仪（副调节器）输入端作为外部给定，上水 箱液位信号转换为电压信号后接入副调节器的输入端。调节器输出的 4~20mA 接电动调节阀的 4~20mA 控制信号两端。 （4）使用计算机控制柜和 PLC 控制柜时，用连接线将面板“上水箱液位”连接至 AI0，“下 水箱液位”连接至 AI1，“电动调节阀”连接至 AO0，注意极性相符。 2．实验步骤 （1）打开控制器、电动调节阀、24VDC 电源开关。 （2）启动计算机组态软件，进入实验系统相应的实验，如图 3-28 所示。 图 3-28 计算机组态软件界面 主调节器 电动调节阀 液位传感器 1 + - 给定值 干扰 副调节器 上水箱液位 下水箱液位 液位传感器 2 干扰 副回路 主回路 -
（3）待系统稳定后，在上水箱给一个阶跃信号，观察软件的实时曲线的变化，并记录此曲线。 （4）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。 3.2.8.5 注意事项 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。 3.2.8.6 实验报告要求 （1）画出串级控制系统的控制方块图。 （1）分析串级控制和单回路 PID 控制的不同之处。 3.2.8.7 思考题 串级控制相比于单回路控制有什么优点？ 3.2.9 串接双容下水箱液位 PID 整定实验 3.2.9.1 实验目的 （1）熟悉单回路双容液位控制系统的组成和工作原理。 （2）研究系统分别用 P、PI 和 PID 调节器时的控制性能。 3.2.9.2 实验设备 AE2000A 型过程控制实验装置、仪表控制实验柜或计算机控制实验柜（ADAM5000 或 7000 模块）或 PLC 控制柜、RS232/485 转换器、串口线、上位机软件、计算机、实验连接线。 3.2.9.3 实验原理 双容下水箱液位控制系统框图如图 3-29 所示。双容水箱液位控制系统也是一个单回路控制系 统，但是有两个水箱相串联，双容水箱的数学模型是二阶的，控制的目的是使下水箱的液位高度等 于给定值所期望的高度，具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的能力。 图 3-29 双容下水箱液位控制系统结构图 3.2.9.4 实验内容和步骤 1．设备的连接和检查 （1）将 AE2000A 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。 （2）打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门（阀 1、 阀 4、阀 6），关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门（阀 2、阀 10、阀 17、阀 20）。 （3）打开上水箱的出水阀（阀 8）至适当开度。 （4）使用仪表控制实验柜时，将下水箱液位传感器（压力传感器）输出的 4~20mA 信号经 250Ω 电阻转换为 1~5V 电压信号，接入控制仪表输入端，控制仪表输出信号接电动调节阀。 给定 扰动 调节器 电动阀 下水箱 液位变送器 - 液位 上水箱 扰动 +
使用 PLC 控制柜时，用连接线将面板“下水箱液位”连接至 AI1，“电动调节阀”连接至 AO0， 注意极性相符。 2．实验步骤 （1）打开控制柜中丹麦泵、控制器、电动调节阀、24VDC 电源开关电源。 （2）启动计算机组态软件，进入实验系统相应的实验，如图 3-30 所示。 图 3-30 计算机组态软件界面 （3）根据测量值情况，反复调整 P、I、D 三个参数值，直至达到满意的控制效果。 （4）根据测量数据，绘制实验曲线。 3.2.9.5 注意事项 水泵启动前，出水阀门应关闭，待水泵启动后，再逐渐开启出水阀，直至适当开度。 3.2.9.6 实验报告要求 （1）画出双容水箱液位控制实验系统的结构图。 （2）画出 PID 控制时的阶跃响应曲线，并分析微分 D 对系统性能的影响。 3.2.9.7 思考题 （1）为什么双容液位控制系统比单容液位控制系统难于稳定？ （2）试用控制原理的相关理论分析 PID 调节器的微分作用为什么不能太大？ （3）为什么微分作用的引入必须缓慢进行？这时的比例度 是否要改变？ （4）调节器参数（ 、Ti和 Td）的改变对整个控制过程有什么影响？
3.3 过程控制系统监控软件设计
计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展空间，用户可以方便快捷 地组建优质高效的监控系统，并且通过采用远程监控及诊断、双机热备等先进技术，使系统更加安 全可靠，在这方面，MCGS 工控组态软件将为您提供强有力的软件支持。算机监控系统的组态软件，它能够在基于 Microsoft 的各种 32 位 Windows 平台上运行，通过对现 场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际 工程问题的方案，在工业控制领域有着广泛的应用。 3.3.1 MCGS 组态软件的功能和系统构成 3.3.1.1 MCGS 工控组态软件的功能和特点 MCGS 是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作 简便、可视性好、可维护性强的突出特点。 （1）概念简单，易于理解和使用。用户可避开复杂的计算机软硬件问题，集中精力解决工程 本身的问题，按照系统的规定，组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的上位机监控系统。 （2）功能齐全，便于方案设计。MCGS 为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段，从设备 驱动（数据采集）到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环节， 均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用，用户只需根据工程作业的需要和特点，进行方案设计 和组态配置，即可生成用户应用软件系统。 （3）实时性与并行处理。MCGS 充分利用了 Windows 操作平台的多任务、按优先级分时操作 的功能，使 PC 机广泛应用于工程测控领域。 （4）建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行。MCGS 组态软件由主控 窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成。其中的“实时数据库”是整个系 统的核心。实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数据区。 各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。 （5）“设备工具箱”功能。针对外部设备的特征，用户从中选择某种“构件”，设置于设备窗 口内，赋予相关的属性，建立系统与外部设备的连接关系，即可实现对该种设备的驱动和控制。不 同的设备对应于不同的构件，所有的设备构件均通过实时数据库建立联系，而建立时又是相互独立 的，即对某一构件的操作或改动，不影响其他构件和整个系统的结构。 （6）“面向窗口”的设计方法，增加了可视性和可操作性。以窗口为单位，构造用户运行系统 的图形界面，使得 MCGS 的组态工作既简单直观，又灵活多变。 （7）利用丰富的“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动的动态画面。 （8）引入“运行策略”的概念。 （9）MCGS 系统由五大功能部件组成，主要的功能部件以构件的形式来构造。不同的构件有 着不同的功能，且各自独立。三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了 MCGS 系统三大部分（设备驱动、动画显示和流程控制）的所有工作。用户也可以根据需要，定制特定类 型构件，使 MCGS 系统的功能得到扩充。这种充分利用“面向对象”的技术，大大提高了系统的 可维护性和可扩充性。
（10）支持 OLE Automation 技术。MCGS 允许用户在 Visual Basic 中操作 MCGS 中的对象， 提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的需要用 VB 编制特定的功能构件来扩充系统 的功能。
（11）MCGS 中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理一切。组态时，系统 生成的组态结果是一个数据库；运行时，数据对象、报警信息的存储也是一个数据库。利用数据库 来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率，同时，也使其他应用软件系统能直接处
理数据库中的存盘数据。 （12）设立“对象元件库”，解决了组态结果的积累和重新利用问题。 （13）提供对网络的支持。 3.3.1.2 MCGS 组态软件的系统构成 MCGS 组态软件由“MCGS 组态环境”和“MCGS 运行环境”两个系统组成。两部分互相独 立，又紧密相关，如图 3-31 所示。 图 3-31 MCGS 组态软件的系统构成 MCGS 组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序 McgsSet.exe 支持，其存放于 MCGS 目录的 Program 子目录中。用户在 MCGS 组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制 流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg 的工程文件，又称为组态结果数 据库，其与 MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。 MCGS 运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序 McgsRun.exe 支持，其存放于 MCGS 目录的 Program 子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。 MCGS 组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五 部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。 3.3.2 MCGS 组态软件的安装运行 MCGS 组态软件是专为标准 Microsoft Windows 系统设计的 32 位应用软件。因此，它必须运 行在 Microsoft Windows 95、Windows NT 4.0或以上版本的 32 位操作系统中。推荐使用中文 Windows 98、中文 Windows NT 4.0 或以上版本的操作系统。 3.3.2.1 MCGS 组态软件的安装 MCGS 组态软件的安装盘只有一张光盘。具体安装步骤如下： （1）在相应的驱动器中插入光盘。 （2）插入光盘后会自动弹出 MCGS 安装程序窗口（如没有窗口弹出，则从 Windows 的“开始” 构建动画 流程控制 报警组态 设计报表 连接设备 动画显示 现场控制 报警输出 报表打印 设备输出 实 时 数 据 库 组 态 软 件 核 心 实 时 数 据 库 多任务 多线程 组态环境 运行环境
菜单中，选择“运行”命令，运行光盘中的 AutoRun.exe 文件），MCGS 安装程序窗口如图 3-32 所示。 图 3-32 MCGS 安装程序窗口 （3）在安装程序窗口中选择“安装 MCGS 组态软件通用版”，启动安装程序。 （4）安装程序将提示指定安装目录，用户不指定时，系统默认安装到 D:\MCGS 目录下。 （5）MCGS 系统文件安装完成后，安装程序要建立象标群组和安装数据库引擎。 （6）安装过程完成后，安装程序将弹出“安装完成”对话框，上面有两个复选框，重新启动 计算机和不启动计算机。一般在计算机上初次安装时需要选择重新启动计算机。单击“完成”按钮， 将结束安装程序的运行。 （7）安装完成后，Windows 操作系统的桌面上添加如图 3-33 所示的两个图标，分别用于启动 MCGS 组态环境和运行环境。 （8）同时，Windows 开始菜单中也添加了相应的 MCGS 程序组，如图 3-34 所示。MCGS 程 序组包括五项：MCGS 组态环境、MCGS 运行环境、MCGS 电子文档、MCGS 自述文件以及卸载 MCGS 组态软件。运行环境和组态环境为软件的主体程序，自述文件描述了软件发行时的最后信 息，MCGS 电子文档则包含有关 MCGS 的最新帮助信息。 图 3-33 MCGS 桌面图标 图 3-34 MCGS 程序组 3.3.2.2 MCGS 组态软件的运行 MCGS 系统分为组态环境和运行环境两个部分。文件 McgsSet.exe 对应于 MCGS 系统的组态 环境，文件 McgsRun.exe 对应于 MCGS 系统的运行环境。此外，系统还提供了几个组态完好的样
例工程文件，用于演示系统的基本功能。 MCGS 系统安装完成后，在用户指定的目录（或系统缺省目录 D:\MCGS）下创建有三个子目 录：Program、Samples 和 Work。组态环境和运行环境对应的两个执行文件以及 MCGS 中用到的设 备驱动、动画构件及策略构件存放在子目录 Program 中，样例工程文件存放在 Samples 目录下， Work 子目录则是用户的默认工作目录。 分别运行执行程序 McgsSet.exe 和 McgsRun.exe，就能进入 MCGS 的组态环境和运行环境。安 装完毕后，运行环境能自动加载并运行样例工程。用户可根据需要创建和运行自己的新工程。 3.3.3 MCGS 组态软件的组态过程 3.3.3.1 组建工程的一般过程 （1）工程项目系统分析。分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制 流程和测控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件 中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递 数据及动画显示的。 （2）工程立项搭建框架。MCGS 称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口 名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数 据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，就在 MCGS 组态环境中建立了由五部分组成的工程 结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。 （3）设计菜单基本体系。为了对系统运行的状态及工作流程进行有效的调度和控制，通常要 在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单 命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完 善工程的菜单。 （4）制作动画显示画面。动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类 似于“画画”，用户通过 MCGS 组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内“组 合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性 的连接关系，作为动画图形的驱动源。 （5）编写控制流程程序。在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构 成各种功能模块（称为策略块），由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS 还为用户提供了编程 用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件），使用简单的编程语言，编写工程控制程序。 （6）完善菜单按钮功能。包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、 实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。 （7）编写程序调试工程。利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。 （8）连接设备驱动程序。选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数 据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。 （9）工程完工综合测试。最后测试工程各部分的工作情况，完成整个工程的组态工作。 3.3.3.2 样例工程 通过介绍一个水位控制系统的组态过程，详细讲解如何应用 MCGS 组态软件完成一个工程。 本样例工程中涉及到动画制作、控制流程的编写、模拟设备的连接、报警输出、报表曲线显示等多 项组态操作。工程最终效果图如图 3-35 所示。
图 3-35 水位控制系统效果图 在开始组态工程之前，先对该工程进行剖析，以便从整体上把握工程的结构、流程、需实现的 功能及如何实现这些功能。 1．工程框架 2 个用户窗口：水位控制、数据显示。 4 个主菜单：系统管理、数据显示、历史数据、报警数据。 4 个子菜单：登录用户、退出登录、用户管理、修改密码。 5 个策略：启动策略、退出策略、循环策略、报警数据、历史数据。 2．数据对象 水泵、调节阀、出水阀、液位 1、液位 2、液位 1 上限、液位 1 下限、液位 2 上限、液位 2 下 限、液位组。 3．图形制作 水位控制窗口：水泵、调节阀、出水阀、水罐、报警指示灯，由对象元件库引入。 管道：通过流动块构件实现。 水罐水量控制：通过滑动输入器实现。 水量的显示：通过旋转仪表、标签构件实现。 报警实时显示：通过报警显示构件实现。 动态修改报警限值：通过输入框构件实现。 数据显示窗口：实时数据通过自由表格构件实现，历史数据通过历史表格构件实现，实时曲线 通过实时曲线构件实现，历史曲线通过历史曲线构件实现。 4．流程控制 通过循环策略中的脚本程序策略块实现。 5．安全机制 通过用户权限管理、工程安全管理、脚本程序实现。 3.3.4 制作工程画面 3.3.4.1 工程建立 按如下步骤建立样例工程：
