过程控制课程设计
第二章 单回路控制系统设计
第一节 设计目的
1、 掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。 2、掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
第二节 设计原理
单回路由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。
如下图所示，被控量为中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。
第三节 设计内容与步骤
本实验选择中水箱作为被控对象。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度，其余阀门均关闭。 1、连接实验硬件电路。
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制系统”，进入实验三的监控
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界面。
4．在上位机监控界面中点击“启动仪表”。将智能仪表设置为“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。
5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使中水箱的液位平衡于设定值。
6．按经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。
7．待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：
（1）突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面三种仅供参考）
（2）将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度； （3）将下水箱进水阀F1-8开至适当开度；（改变负载）
（4）接上变频器电源，并将变频器输出接至磁力泵，然后打开阀门F2-1、F2-4，用变频器支路以较小频率给中水箱打水。
8．分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。
9．分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤4～8，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。
第四节 设计报告要求
1．画出单容水箱液位定值控制实验的结构框图。
2．用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。 根据实验图像得：P=2.64，T=172.5.
3．根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。 4．比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。
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比例调节可以始终存在稳态误差，PI调节可以实现消除静差的作用。PD调节的快速性比较好，但是不利于系统稳态的维持，PID可以实现系统稳态快速性的要求。
5．分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。
第五节 Simulink建模与仿真
仿真结果如下：
第一个图是在P（比例调节）下的输出；第二个图是在PI控制下的输出；第三个是在PD控制下的输出；第四个是在PID控制下的输出。
从仿真结果可以看书，比例调节可以始终存在稳态误差，PI调节可以实现消除静差的作用。PD调节的快速性比较好，但是不利于系统稳态的维持，PID可以实现系统稳态快速性的要求。
第六节 思考题
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1．如果采用下水箱做实验，其响应曲线与中水箱的曲线有什么异同？并分析差异原因。 答：曲线的响应滞后，因为水流从中水箱到下水箱存在时间的滞后，导致曲线的响应延后。
2．改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？
答：改变比例度和积分时间常数对于PID控制的快速性以及系统的稳态都有影响。
第七节 设计总结
通过单回路实验在P、PI、PD、PID整定下输出的图像对比，得出控制系统在不同控制结构下的效果。同时也更加熟悉对于试验中各种参数的整定方法。
第三章 串级控制系统实验
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第一节 设计目的
1．通过实验了解水箱液位串级控制系统组成原理。
2．掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。 3．了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。 4．掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。
第二节 设计原理
本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主控制量。副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，中水箱的液位为系统的副控制量。主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。副调节器的的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为PI或PID控制。由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P调节器。
第三节 设计内容与步骤
本实验选择中水箱和下水箱串联作为被控对象（也可选择上水箱和中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。
1．按照图5-3接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“OFF”的位置，将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表1及电动调节阀上电。
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