1．通過實驗進一步了解雙容水箱液位的特性。
2．掌握雙容水箱液位控制系統調節器參數的整定方法。
3．研究調節器相關參數的改變對系統動態性能的影響。
4．研究P、PI、PD和PID四種調節器分別對液位系統的控制作用。
二、實驗設備及參考資料
1．過程控制綜合實驗裝置—儀表控制模塊
2．計算機及MCGS組態軟件—儀表控制實驗.MCG
3．實驗專用線若干及RS485轉232通訊線一根。
DB-CG22 四容水箱過程控制綜合實驗裝置
一、概述：過程控制綜合實驗裝置（Process Control System，簡稱PCS），是模仿現代工業生產過程中常見的物理量，諸如溫度、壓力、流量、液位等參數，對其進行測量、控制，分析過程參數變化特性，研究過程控制規律(如PID控制)的教學實驗設備，過程控制綜合實驗裝置選用智能化的工業用儀器儀表，接近工業實際，使用安全，運行穩定，維護簡單，性價比優越。四容水箱過程控制綜合實驗裝置集合多種控制方式，再現實際工業現場使用的控制手段，采用聲光報警系統，并提供用戶更友好的二次開發接口。
1、功能：
(1)、四容水箱過程控制綜合實驗裝置可滿足“自動調節原理”，“過程控制”，“控制儀表”，“自動檢測技術與傳感器”,“計算機”及相關課程的教學實驗需求；
(2)、四容水箱多變量系統；借助該多變量對象，能實現多回路控制、多變量解耦控制、多變量預測控制等多變量控制方案。需具有可變純滯后時間的可視純滯后對象；最長的純滯后時間可 達 10 min 以上，借助該純滯后對象，能實現 SMITH 補償、內模控制 等純滯后控制方案。
(3)、裝置對象組成
1.主-副管路流量子系統：一路由磁力泵、電動調節閥、電磁流量計 組成（主管路），由電動調節閥調節流量，電磁流量計檢測流量；另 一路由變頻器、磁力泵、渦輪流量計組成（副管路），由變頻器調節 流量，渦輪流量計檢測流量。
2.四容水箱液位多變量子系統：由四個有機玻璃水箱組成，每個水箱 均裝有液位變送器；通過閥門切換，任何兩組動力的水流可以到達任 何一個水箱。
3.加熱水箱-純滯后水箱溫度子系統：由一個加熱水箱和一個溫度純 滯后水箱組成，在加熱水箱出水口與純滯后水箱的不同位置安裝有多 個 Pt100 熱電阻檢測儀表。
二、產品結構與特點：
1、外形結構：
(參考圖)
（1）、分體式設計，模塊化組裝式結構，可以根據不同的需要選擇、PLC控制，多回路儀表控制,DDC控制無線網絡組成不同的控制系統。含有常規水箱檢測控制裝置、鍋爐加熱裝置。設備可以實現多臺電腦控制系統，進行遠程網絡控制.
（2）、水箱配置；雙路供水系統。
（3）、實驗柜完全敞開設計，內部器件全部可視，有利直觀教學和維護。
（4）、人性化設計，配有儲水箱，進排水自控裝置，減輕實驗人員勞動強度。為實驗文明操作提供條件。
（5）、裝置的儀表、部件均選用現代化技術工業級產品，智能化程度高。精度好，規格多樣。有利直觀教學和拓寬學生工業現場知識。為以后走上社會打好結實基礎。
（6）、安全度高，系統配有漏電保護，帶保護套的專用實驗電源連線，及溫控箱防止無水加溫自動控制等，力求保護人身、設備安全。
（7）、開放度好，在教師指導下，學生可觀察、可自己動手參與操作、可自行編程進行驗證、可根據記錄的實時曲線進行理論分析等。
（8）鍋爐加熱程控保護系統
A、加熱電路加有保險管進行過載保護；
B、鍋爐加熱內膽加由水位液位保護裝置，水位不達到一定的高度，控制系統不能控制可控硅調壓器工作。
（9）、電源保護措施
A、加有電流型漏電保護器，防止設備漏電短路造成的設備及人身傷害。
B、各控制電路加有保險管，有效保護器件因過載造成損壞。
（10）、電源啟停控制方式；采用啟停按鈕控制接觸器來控制電源的啟停。
（11）、漏電保護裝置及安全性和安全承諾；
A、各種電源及各種儀表的可靠的保護功能
B、各種電源及各種儀表的強電采用開關控制，學生不自行接線，不存在強弱電混插的問題。
C、實驗強電接線插頭采用封閉式結構，防止觸電事故的發生。
三、技術參數與要求:
1、供電電源
單相交流電源：220VAC±10%、50Hz±5%、16A，系統必需接地良好。
2、實驗室應有水源和進排水口。進排水口與設備間距離一般要求小于10米
3、系統儀表的輸入、輸出信號符合IEC標準
（1）變送器電流源信號：4-20mADC。
（2）儀表采樣：1-5V（250Ω）/0.2-1V（50Ω）
4、系統提供直流線性穩壓電源（朝陽電源產品） 24VDC/1A。
四、系統配置
| 執 行 機 構 | |||||
| 名稱 | 單位 | 數量 | 技術參數 | 型號 | 產地 |
| 智能電動調節閥 | 只 | 1 | 電動調節閥是新一代超小型電子式一體化直行程電動調節閥。采用精小型電動執行器伺服放大器，它以220V交流電源為驅動電源，輸入標準的4～20mADC控制信號，經伺服放大器控制，使電機帶動減速器運行而產生軸向推力，使閥芯移動，改變閥門的開度，達到對液位，流量等工藝參數的調節，從而實現自動控制的目的。超小型直行程單座電動調節閥。廣泛應用于電力、暖通中央空調、冶金、輕工等行業的自動化控制系統，更適用于高校教學和科研設備。 閥體為鑄鐵材質，閥芯為不銹鋼材質，國標法蘭安裝，DC4～20mA電流信號控制，工稱通徑DN15。該調節閥為直行程氣動控制調節閥，具有精度高、技術先進、體積小、重量輕、推動力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等優點。由控制器直接發送模擬信號控制閥門定位器，閥門定位器驅動執行機構動作，使用和校正都非常方便；進口閥門定位器帶通信功能。電源為單相220V，控制信號為4～20mADC或1～5VDC，輸出為4～20mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。 | XPSLP-16KDN20-10 | 杭州西也納 |
| 磁力泵 | 臺 | 1 | 本裝置采用磁力驅動是泵，流量為30升/分，揚程為8米，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料。本裝置采用兩只磁力驅動泵,一只為二相380V恒壓驅動，另一只為三相變頻220V輸出驅動。 |
上海西山MP-55R-220 上海西山MP-55R-380 |
上海 |
| 交流變頻控制 | 臺 | 1 |
1、交流變頻器電壓和功率范圍： 2、200-240 V，± 10%，單相交流，0.4KW； |
FR-D720S-0.4Kw-CHR | 三菱 |
| 單相可控硅裝置 | 套 | 1 |
1、輸入電壓為交流220V 50Hz，負載10A。 2、控制輸入信號為4-20mADC或0～5VDC可選。通過改變控制信號的輸入來控制強電的輸出，最終控制加熱管加熱。 3、移相角范圍 150°~0°。 |
DTY-220D25E | 杭州 |
| 加熱環 | 只 | 1 | 功率：1800W，220VAC。 | 定制 | 上海頂邦 |
| PT100溫度變送器 | 只 | 5 | 兩線制，輸出4-20MA, 精度為0.5級 | 定制 | 上海頂邦 |
| 傳 感 變 送 器 | |||||||||
| 擴散硅壓力（液位）變送器 | 只 | 5 | 4個液位變送器分別用來對四個水箱的液位進行檢測，其量程為0～3Kpa，精度為0.5級。工作電壓為DC24v，G1/2″外螺紋。采用工業用的擴散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。一個用來測量壓力管道壓力。 | DB801 | 上海頂邦 | ||||
| 渦輪流量計及流量變送器 | 套 | 1 | 渦輪流量計分別用來對由電動調節閥控制的動力支路、采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供DC24V直流電源。流量范圍：0～1.2m3/h；精度：1.0%；輸出：4～20mA。 | LMGY-10 | 合肥福斯達 | ||||
| 電磁流量計及變送器 | 套 | 1 | 由變頻器控制的動力支路及盤管出口處的流量進行檢測, （1）量程：選0-800L/h；（2）輸出信號：4-20mADC；（3）精度：0.5級。結構小巧精致,安裝方便,精度高。 | FMCLDE | 合肥福斯達 | ||||
| 控 制 單元 | |||||||||
| DDC | 臺 | 1 |
配置：8017模塊8路模擬量輸入, 8024模塊4路模擬量輸出. DDC網絡控制實驗要求 1、工程師站，可以操作網內所有的設備，可以直接監控和修改程序； 2、監控中心，可以監控網內所有設備的運行狀態和生產數據； 3、操作員站，可以操作現場設備，支持所有帶網口的觸摸屏； 4、客戶端，網內的所有客戶端都可以訪問監控中心的數據。） |
8017,8024 | 北京集知達 | ||||
| PLC-200SMART | 臺 | 1 | SMARTPLCSR20AC/DC/RLY，繼電器型,12輸入/8輸出，EM AM06，4入2出模擬量。 | PLC-200SMART | 臺 | ||||
| 智能儀表控制 | 臺 | 1 |
C3900作為過程控制器）系列產品之一，是一款可編程的多回路過程控制器。 C3900過程控制器（程序控制器）內部包含4個單回路PID控制模塊、3個程序控制模塊、6個ON/OFF控制模塊、RLZ溫度專用算法，可實現單回路控制、多回路控制，每個回路除可以作為普通的PID回路外還可以結合運算功能，設置成三沖量、串級、比率、分程、自動選擇、非線性控制、位式控制及用戶定制等多種復雜的控制方案，其控制輸出信號可以通過繼電器觸點、直流電流模擬信號輸出給執行器。 主要特點 ■ 強大的控制功能（串級、比值、前饋、分程、程序等控制方案） ■ 二次上電后即刻運行，無需等待 ■ 32MB內存 ■ *大支持2GB容量CF卡，兼容性強 ■ 全中文位號輸入 ■ RLZ溫度專用控制算法 ■ 運算編程簡便直觀 ■ 具有數據自動轉存功能 ■ 中/英文操作組態畫面 ■ 自定義標簽添加 ■ 段設置為工程量 ■ 組態操作簡單易用 ■ 強大易用的上位機組態軟件 ■ 支持MODBUS協議 ■ 優化設計的PID、ON/OFF控制組態菜單，組態更靈活；增加了上等選項，適用面更廣。 ■ 單個程序同步控制多個回路 ■ 多個程序同時控制多個回路 ■ 可以為專用行業定制流程圖畫面和功能。方便形成專用儀表。如減溫減壓裝置控制界面定制。 ■ 程序控制組態增加了程序段模擬運行功能，支持快進、全段瀏覽等功能，更加直觀和方便。并支持多種工藝的導入和在線修改編輯。 ■ 極其豐富的表達式編輯功能方便實現對儀表內部信號的各種算術和邏輯運算 。 |
C3900 | 浙大中控 | ||||
| 其 它 設 備 | ||||||
| 實驗用淡藍色透明有機玻璃水箱 | 只 | 4 |
1、采用淡藍色優質有機玻璃由幾部分組成，工作槽需要穩定； 2、水箱底部均接有擴散硅壓力變送器，對水箱的壓力和液位進行檢測和變送。水箱上部全部帶開口，方便清洗。上水箱半徑：11cm，高度30cm；下水箱半徑:12.5cm，高度30cm。 |
DBCD-1 | 上海頂邦 | |
| 不銹鋼溫控實驗箱 | 只 | 1 | 由加熱箱、加熱環、Pt100、溫度變送器組成，加熱箱內無水斷電保護裝置，也防止溫度干燒。 | DBCD-2 | 上海頂邦 | |
| 不銹鋼儲水箱 | 只 | 1 | 內有獨特的結構設計和不銹鋼過濾網，拆洗方便，采用1.5厚304不銹鋼板制成，容量為150L以上,儲水箱內部有過濾網罩，如果要清洗水箱內部的污垢可以把過濾網罩卸下來，以防雜物進入水泵和管道。水箱的上部和底部裝須有注水不銹鋼閥門和不銹鋼排水閥門，方便實驗用水的更換。 | DBCD-3 | 上海頂邦 | |
| 電磁閥 | 套 | 1 | 電磁閥安裝在電動調節閥的旁路，電磁閥工作壓力：最小壓力為0kg/cm2，最大壓力為10kg/cm2；工作溫度：－5～60℃。工作電壓交流220v。 | 2W系列 | 溫州德力西 | |
| 接觸器 | 只 | 2 | 220V交流接觸器 | CJX2-09 | 正泰 | |
| 盤管 | 只 | 1 | 模擬工業現場的管道輸送和滯后環節，在盤管上有三個不同的溫度檢測點，它們的滯后時間常數不同，在實驗過程中可根據不同的實驗需要選擇不同的溫度檢測點。盤管的長度為20米，直徑為DN15.盤管的出水通過手動閥門的切換既可以流入鍋爐內膽。 | DBCD-4 | 上海頂邦 | |
| 閥門 | 只 | 15 | 整個系統管道由敷塑不銹鋼管連接而成，其中儲水箱底部裝有出水閥，當水箱需要更換水時，把出水閥打開將水直接排出。 | DN15 | 永德信不銹鋼球閥 | |
| 實驗對象：不銹鋼支架 | 套 | 1 |
1、304不銹鋼管焊接而成； 2、尺寸：1.8×0.8×1.8（m），承重250kg，結構為全不銹鋼焊接框架結構。1800mm（高）×2000mm（長）×800mm（寬）；采用全開放式設計，美觀大方，操作維護方便。 |
DBCD-5 | 上海頂邦 | |
| 鍋爐 | 套 | 1 | 需有1800w二相電加熱管加熱的常壓加熱爐，容量為1升。包括加熱層（鍋爐內膽）和冷卻層（鍋爐夾套），均由304不銹鋼精制而成，主要完成相關的溫度實驗。做溫度實驗時，冷卻層的循環水可以使加熱層的熱量快速散發，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測其溫度，可完成溫度的定值控制、串級控制，前饋-反饋控制，解耦控制等實驗。控制精度在誤差5%以內。 | DBCD-6 | 上海頂邦 | |
| 控制系統實驗平臺 | 套 | 1 |
實訓操作臺架：外型尺寸為1730mm×730mm×1650mm（長*寬*高），實訓操作臺架為鐵質雙層亞光密紋噴塑結構，操作面具有防火、防水、耐磨高密度板, 尺寸為于1730×380mm（長*寬），結構堅固；臺架下半部設有兩個大抽屜、柜門。操作面中不低于1250mm×300mm（長*寬）面積用于安裝電源控制屏。臺架底部設有4—6個萬向輪。 （3）提供執行機構及I/O信號接口面板：所有信號采用國際標準的IEC信號。 |
DBCD-7 | 上海頂邦 | |
| 軟 件 系 統 | ||||
| MCGS組態軟件 | 只 | 1 | MCGS 通用版 | 昆侖通態 |
| DDC系統實驗軟件 | 套 | 1 | RemoDAQ-8000 Utility | 北京集智達 |
| PLC編程軟件 | 套 | 1 | PLC的編程環境軟件，通過通訊電纜線使PLC與計算機使用本軟件建立通訊關系后，使用本軟件可以對PLC的所有功能進行編程，對編寫好的程序進行下裝，對已運行程序進行在線編程或監控等。 | 西門子 |
| 儀表控制軟件 | 套 | 1 | ||
五、控制實驗
（一）過程控制系統組成認識實驗
過程控制及檢測裝置硬件結構組成認識、控制方案組成與控制系統連接。
傳感器的校正(零點遷移與量程調整)。
智能調節儀表、智能變送儀表的操作及參數設定。
（二）特性實驗
1、水箱單容特性實驗
2、水箱雙容特性實驗
3、上下水箱雙容特性實驗/
4、電動閥流量特性實驗
5、變頻器流量特性實驗
6、溫度特性實驗
7、壓力特性實驗
8、純滯后對象的特性測試
9、四容水箱液位的特性測試與多變量控制實驗
（三）單回路控制實驗
1、電動調節閥支路單容液位控制實驗
2、變頻器支路單容液位控制實驗
3、上水箱雙容液位控制實驗
4、上下水箱雙容液位控制實驗
5、四容液位控制實驗
6、電動調節閥支路流量控制實驗
7、變頻器支路流量控制實驗
8、鍋爐內膽溫度控制實驗
9、鍋爐內膽溫度位式控制
（四）串級控制實驗
1、上水箱雙容串級控制實驗
2、上水箱液位與電動閥支路流量串級控制實驗
3、上水箱液位與變頻器支路流量串級控制實驗
比值控制實驗
1、單閉環比值流量控制實驗
2、隨動流量比值控制實驗
（五）解耦控制實驗
1、下部兩水箱液位的多回路控制
2、下部水箱液位的前饋反饋控制
3、四容水箱液位的解耦控制
（六）多變量控制實驗
1、四容水箱控制實驗
（七）滯后控制實驗
1、純滯后對象出口溫度的SMITH補償控制
2、純滯后對象出口溫度的內模控制
四容水箱流程組態截圖控制界面圖
液位解耦控制實驗歷史曲線
純滯后實驗組態截圖
純滯后溫度歷史曲線
三、 實驗原理
本實驗采用智能儀表控制,將液位控制在設定高度。根據下水箱液位信號LT2輸出給智能儀表，智能儀表根據P、I、D參數進行PID運算，輸出信號給電動調節閥，然后由電動調節閥控制水泵1供水系統的進水流量，從而達到控制設定液位基本恒定的目的。
上下水箱雙容液位過程控制的方塊原理圖：如圖3-7所示
圖 3-7上下水箱雙容液位控制實驗方框圖
四、實驗內容與步驟
1．了解實驗裝置中的對象，流程圖如圖3-8所示。
圖3-8 上下水箱雙容液位控制實驗流程圖
2、按圖雙容液位控制實驗接線圖接好實驗導線。
在傳感器信號輸出區域，將下水箱液位信號LT2用實驗線連接到智能調節儀I（addr：1）的 輸入 1-5V 信號輸入端，正負一一對應。
將智能調節儀I的 輸出4-20mA 連接到執行器控制信號輸入區的電動閥輸入信號端口，正負一一對應。
3、使用485轉232通訊線將控制臺右側面的儀表通訊口 “COM2” 與上位機連接。
4、將手動閥門1V1、V3、V4打開，將閥門1V2關閉。
5、先打開控制臺左側的總電源開關，按“Start”按鈕啟動設備，再打開儀表電源。
6、運行計算機上儀表控制軟件，選擇系統管理菜單中的用戶登錄，登錄用戶。
7、選擇單回路控制實驗的上下水箱雙容液位控制實驗。
8、如選用儀表控制則點擊“儀表參數”，設置參數，
Addr=1 InP=33 OPt=4-20mA dPt=1
比例系數P=12 積分系數I=650 D=0 Ctl = 2
SCL=0 SCH=30
OPL=0 OPH=100
CF2=0
其余參數不變，參數設置完點擊退出。
10、選擇儀表控制，給定設定值8cm。
11、在控制臺上旋開電動調節閥電源開關、水泵電源開關。
12、待液位平衡后，通過以下方式加干擾：突增（或突減）設定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化。 擾動量為控制量的5％～15％，干擾過大可能造成水箱中水溢出或系統不穩定。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態，經過一段調節時間后，水箱液位穩定至新的設定值，記錄此時的液位設定值。
13．分別適量改變調節儀的P及I參數，重復步驟11，用計算機記錄不同參數時系統的階躍響應曲線。
14．分別用P、PD、PID三種控制規律重復步驟4～8，用計算機記錄不同控制規律下系統的階躍響應曲線。
五、實驗報告要求
1．畫出雙容水箱液位定值控制實驗的結構框圖。
2．用實驗方法確定調節器的相關參數，寫出整定過程。
3．根據實驗數據和曲線，分析系統在階躍擾動作用下的靜、動態性能。
4．比較不同PI參數對系統的性能產生的影響。
5．分析P、PI、PD、PID四種控制方式對本實驗系統的作用。
六、思考題
1．改變比例度δ和積分時間TI對系統的性能產生什么影響？
