FV101 干扰 给定值 LIC 101 LT 103 Qi R Qo H
控制逻辑如图所示，水流入量Qi通过改变控制阀FV101的开度加以控制（也可以通过控制连接到水泵上的变频器来控制），流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变，被控变量为水位H。在实验过程中，分别采用P、PI、PID等不同的控制策略，通过观察过渡过程的控制曲线来比较选择不同的P、I、D参数值时的控制效果。 2、控制系统接线表
表1. 控制系统接线表 测量或控制量 测量或控制量标号 使用ADAM端口 下水箱液位 控制阀 LT103 FV101 AI0 AO0 图3. 单容水箱液位定值控制实验结构图
（三）实验内容
1、系统连接与启动
（1）在现场系统（A3000-FS）上，打开手动控制阀JV201、JV206，调节下水箱闸板开
度(可以稍微大一些)，其余阀门关闭。
（2）在控制系统（A3000-CS）上，将流量计输出连接到AI0，AO0输出连到电动控制
阀上。
（3）打开A3000电源，在A3000-FS上启动右边水泵。
（4）启动A3000-CS计算机组态软件，进入实验系统选择相应的实验；启动控制器，设
置各项参数，可将控制器的手动控制切换到自动控制。 2、比例控制
（1）设置P参数，I参数设置到最大，D=0，观察计算机显示屏上的控制曲线，待被调
参数基本稳定于给定值后，可以开始施加干扰，进入实验。
（2）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。
（3）减小P重复步骤1，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 （4）增大P重复步骤5，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
（5）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：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。 3、PI控制
（1）在比例控制实验的基础上，加入积分作用，即把“I”(积分参数)由最大处设定到中
间某一个值，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
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动无余差存在。
（2）固定比例P值(中等大小)，改变PI控制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σp。
表2.不同Ti时的超调量σp 积分时间常数Ti 超调量σp 大 中 小
（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σp。
表3.不同δ值下的σp 比例P 超调量σp 大 中 小
（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。 4、PID控制
（1）在PI控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即设置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)。
（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。 5、控制参数的工程整定（临界比例度法）
(1) 在现实应用中，PID控制器的参数常用实验的方法来确定。其中，用临界比例度
法去整定PID控制器的参数既方便又实用。首先要在单纯的比例控制规律下，在推荐的范围内初步选定一个初始比例度；
(2) 待系统稳定后，逐步减小控制器的比例度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，则表示比例度控制得过小，应适当增大，使之出现等幅振荡。
C(t) Tk 0t 图4. 具有周期TK的等幅振荡 (3) 当被调量作等幅振荡时，如图4所示，此时的比例度δ就是临界比例度，用δk表
示之，相应的振荡周期就是临界周期Tk。据此，按下表可确定PID控制器的三个参数δ、Ti和Td。
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表4. 用临界比例度δk整定PID控制器的参数 控制参数 控制规律 P PI PID δk 2δk 2.2δk 1.6δk Ti(S) Tk/1.2 0.5Tk Td(S) 0.125Tk
(4) 必须指出，表格中给出的参数值是对控制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。若要获得更满意的动态过程(例如在阶跃作用下，被调参量作4：1地衰减振荡)，则要在表格给出参数的基础上，对δ、Ti(或Td)作适当的调整。 6、实验结束
关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。 五、实验报告内容
1、 通过抓图方法，提交获得的曲线。
2、 根据曲线，分析P，PI，PID控制大致具有哪些趋势特征。
3、 给出各个控制条件下的超调量σp，余差，以及控制稳定所需要的时间。 4、 根据这些数据，分析P、I、D各参数对控制系统的影响。 5、 思考并回答下列问题：
（1） 积分量I与被控系统的响应时间有什么关系。
（2） 如果减少单容系统的容积，那么对控制系统的I是应该增大还是减少。 6、 对本实验的改进意见
附注一：现场系统面板与支路分析
一、现场系统面板
1、左侧面板：
? 电源：220V AC单相电源开关，380V AC三相电源开关。
? 开关：三个旋钮开关，分别是1#、2#工频电源开关，以及变频器控制水泵的开关。可以拔出上面水泵的电力连线，连接到不同的位置，从而更改各个水泵的电力来源。可以是工频，也可以是变频器。如果用户不需要变频调速，则建议全部使用工频控制。按照设计，使用变频器控制的水泵，其面板对应的指示灯可能不工作，因为变频器可能输出0-50Hz，而继电器不能工作。
? 两个拨动开关，分别是现场系统照明用电源开关，以及变频器STF(正转)控制开关。注意在机柜上还有并联的一个STF控制端，如果要设置工作模式，请断开该控制端。为了避免控制逻辑太复杂，一般不连接机柜上的这个开关。
? 电压表：显示加在调压器上的电压值。
? 变频器：对于A3000FBS系统，则具有Profibus DP控制端子。 2、右侧面板
面板右侧是现场系统的模拟屏，安装有5个指示灯和滞后管系统的两手动调节阀。当两个水泵、两个电磁阀开启时，其状态指示灯分别点亮。当锅炉内水位超过低限液位开关时，液位开关闭合，联锁控制指示灯点亮，可以开始对锅炉加热。 二、支路分析
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现场系统包含两个支路。支路1有1#水泵，换热器，锅炉，还可以直接注水到三个水箱以及锅炉。支路2有2#水泵，压力变送器，电动调节阀，三个水箱，还有一路流入换热器进行冷却。
1、支路1分析
支路1包括左边水泵，1#流量计，电磁阀等组成，可以到达任何一个容器，锅炉以及换热器。水泵可以使用变频器控制流量，电磁阀可能没有。
由于支路1可以与锅炉形成循环水，可以做温度控制实验。为了保证加热均匀，应该使用动态水，本系统设计了一个水循环回路来达成此目的。即打开JV304、JV106、XV101，关闭其它阀门(注意JV104)，开启1#水泵，则锅炉内的水通过1#水泵循环起来。
锅炉内有高、低限两个液位开关，可以进行联锁保护。当锅炉内液位低于低限液位开关时，液位开关打开，加热器无法开启。当液位超过它时，液位开关合上，加热器信号连通，因此可以防止加热器干烧。
高限液位开关有两个作用：第一，当锅炉内水温超过温度上限时，通过联锁控制，打开2#电磁阀，注入冷水，使锅炉内温度快速下降；第二，当锅炉内水量超过液位上限时，高限液位开关闭合，通过联锁控制，关闭2#电磁阀，不再注入冷水。
支路1上有一个工业用板式换热器，其冷、热水出口各有一个温度传感器，可以做热量转换实验。
锅炉底部连接有滞后管系统。打开JV501、JV502，关闭JV503，锅炉内的水只流过第一段滞后管，进入储水箱。打开JV503，关闭JV502，水流过两段滞后管，即增加了滞后时间。 在滞后管出口装有一个温度传感器，可以做温度滞后实验。
2、支路2分析
支路2包括右边的水泵，2# 流量计，压力变送器，电动调节阀。可以到达任何一个容器，锅炉以及换热器。水泵可以使用变频器控制流量，也可以使用电动调节阀，对于小流量使用调节阀比较准确，对于要求快速控制的，则使用变频器比较方便。
支路2有一个电动调节阀，配合三个水箱(各装一个压力变送器)，可以做单容、双容、三容实验，以及液位串级实验、换热器温度串级实验，以及换热器解耦控制实验。水箱装有压力变送器，测得水箱的压力信号，之后转换为液位信号。
对于单容实验，我们配有一块反正切闸板、一个截面呈三角形的柱体。反正切闸板替换矩形闸板，用于不同阻力下液位数学模型的测定实验。三角形柱体放入水箱中，可以做非线性容积实验，以及单容水箱容积改变的液位数学模型测定实验。
对于流量控制实验，我们可以选择支路2，用电动调节阀作为执行器。
同时启动两个支路的水泵，可以做比值控制实验：将支路1流量固定(用涡轮流量计测量流量值)，设定一个比值系数，用PID控制支路2的流量与支路1成比例。
对于较复杂的前馈-反馈控制实验，设计使用两个支路的多个设备来完成。以换热器温度－流量前馈反馈实验为例，设备包括：锅炉、换热器、两个水泵、调节阀、涡轮流量计、电磁流量计。前馈控制部分，通过测量换热器热水入口温度及流量，控制调节阀开度，实现冷水流量控制；反馈控制部分，通过测量换热器热水出口温度，控制调节阀开度，实现冷水流量控制。
附注二：安全注意事项
在安装、操作、维护或检查A3000过程控制实验系统之前．一定仔细阅读以下安全注意事项。这里将安全注意事项等级分为“危险”和“注意”两个等级：（1）危险：不正确的操作造成的危险情况，将导致死亡或重伤的发生；（2）注意：不正确的操作造成的危险情况，将导致一般或轻微的伤害或造成物体的硬件损坏。根据情况的不同，“注意”等级的事项也可能
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造成严重后果，务请遵循。 1、防止触电
尽管系统经过多层保护，还是请用户注意以下安全事项。 ！危险
严格要求系统可靠接地，包括现场对象系统，控制系统，接地电阻不大于4欧姆。 当通电或正在运行时，请不要进行任何维护、维修操作，不要打开机柜后门，接线箱盖子，变频器前盖板，否则会发生触电的危险。
即使电源处于断开时，除维护、维修外，请不要接触任何具有超过安全电压的裸露端子，否则可能接触各种充电回路而造成触电事故。
请不要用湿手操作设定各种旋钮及按键，以防止触电。
对于电缆，请不要损伤它，不要对它加过重的应力，使它承载重物或对它钳压，否则可能会导致触电。
包括布线或检查在内的工作都应由专业技术人员进行；在开始布线或维修之前，请断开电源，经过10分钟以后，用万用表等检测剩余电压后进行。 2、防止烫伤 ！危险
不要接触热水管道，避免高温烫伤；在热水没有冷却时，不要打开锅炉，不要进行任何维修维护工作。 ！注意
请尽量控制水温在70度以下，以免高温烫伤，并提高产品寿命。 3、防止损坏 ！危险
在水泵运行状态，绝对禁止进行水泵切换控制操作，否则可能损坏变频器。 ！危险
尽管锅炉加热系统增加了硬件的连锁保护，但仍需注意在水箱水位没有达到一定高度时不要启动调压器输出，否则可能损坏加热器。 ！注意
系统应远离可燃物体；系统发生故障时，请断开电源，否则系统可能因电流过大导致火灾。
各个端子上加的电压只能是使用手册上所规定的电压，以防止爆裂、损坏等等。 确认电缆与正确的端子相连接，否则，可能会发生爆裂、损坏等等事故。 始终应保证正负极性的正确，以防止爆裂、损坏等。
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