过程控制实验报告
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控制面板的连线如图 2.1。P909 的(OUT，4-20mA)接电动阀的接口，（PV，4-20mA）接电 动阀开度变送器的接口。手动调节输出值 OUTL 来控制电动阀开度。
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图 2.1 建模连线图
在实验中，电磁阀的开度由 30%增大到 50%，平衡点的液位高度由 58.4mm 增高到 64.8mm。 飞升曲线如图 2.2。
外给定校正：主控制器的输出值即电动阀开度的给定值，所以外给定校正的连线图如图 5.2。先将主控制器调到手动模式，手动设置 OUTL 为 0，使副控制器进入到 level3，在 ANL2 中调节 SV 的大小使 PV 值为 0。再先将主控制器手动设置 OUTL 为 100，使副控制器进入到 level3，在 ANH2 中调节 SV 的大小使 PV 值为 100。通过以上两步，完成高点和低点的外给 定校正。
在本地计算机安装文件夹下找到 IO Severs，将 P909 驱动程序文件夹拷贝到力控安装目 录下的“IO Servers”文件夹下
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然后把力控教学平台复制到 Project 文件夹下
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2.2.2 程序运行及配置 打开软件点击搜索，选择力控教学平台
单击开发进入，点击忽略后软件主界面
图 4.2 单回路 PV 校正
4.3 实验过程
·Step1：控制面板连线。按照单回路方框图，P909 的（PV，4-20mA）接到液位变送器， 接口，（OUT，4-10mA）接到电磁阀接口。如图 4.3。
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图 4.3 单回路控制面板连线图
·Step2：由于在实际的过程控制中被控量是不可能大幅度变化的，所以在对控制的效果进 行评判时是观察在给定值附近的控制效果是否理想。例如，实验时设定液位从 100mm 升到 200mm，而为了模拟实际情况，我们应该观察从 180mm 到液位稳定这段时间的控制效果。基 于以上的分析，在实验中我们分两步进行，手动与自动相结合。首先，当液位低于 180mm 时，手动设置 OUTL 为 100（即电动阀开度最大），使液位快速上升。当液位达到 180mm 时， 切换到自动调节，根据设定的参数进行 PID 调节，使液位最终稳定。
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一、 系统概论
1.1 实验设备
1.1.1 组成器件
图 1.1 实验设备正面图
图 1.2 实验设备背面图
本实验设备包含水箱、加热器、变频器、泵、电动阀、电磁阀、进水阀、出水阀、增压器、
流量计、压力传感器、温度传感器、操作面板等。
1.1.2 铭牌
·加热控制器：
功率 1500w，电源 220V（单相输入）
·压力传感器
YMC303P-1-A-3
RANGE 0-6kPa，OUT 4-20mADC，SUPPLY 24VDC，IP67，RED SUP+，BLUE OUT+/V-
·SBWZ 温度传感器 PT100
量程 0-100℃，精度 0.5%Fs，输出 4-20mADC，电源 24VDC
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·智能电动调节阀 型号 2DYP-16P 压力 1.6MPa，输入信号 4-20mA， 口径 2.5mm，电源 220V， 反馈信号 4-20mA，阀门控制精度 0.1%-8%可调
见最后一页
1.3 操作面板图
控制面板中有 4 个 P909 仪表，以及执行机构和变送器的接口。 每个 P909 有 4 组接口，分别为（PV，4-20mA），（外给定，4-20mA），（OUT，4-20mA）， （报警）。PV 为测量值的输入口，即在闭环回路中为反馈值的输入口，该接口一般与变送器 相连。外给定为该 P909 的给定值是由其他仪器给定，而非手动人为调节，在串级控制中为 外环的输出口与环给定的接口。OUT 为该 P909 的输出值。 实验中用到的执行机构和变送器为电动阀、电动阀开度变送器、液位变送器。
·泵：
Q40-150L/min，H2.5-7m，Hmax2.5m，380V，VL450V，
IP44，50Hz，2550rpm，1.1kw，HP1.5，In2.8A，ICL B
·全自动微型家用增压器：
型号 15WZ-10，单相电容运转马达
最高扬程 10m，最大流量 20L/min，级数 2，转速 2800rmp，电压 220V，
图 2.2 飞升曲线
由图 2.2 可以看出水箱的模型为一节惯性系统，其传递函数为
,
其中，K =
wk.baidu.com
0.32mm/%，T = 4.6min = 276s
所以水箱的传递函数为
三、 执行机构
本实验的执行机构为电动阀。下面的工作是探究电动阀的传递函数。将 P909 的（PV， 4-20mA）接到电动阀开度变送器的接口，（OUT，4-20mA）接到电动阀的接口，连线如图 3.1。
二、 对象的认识
2.1 对液位系统的认识
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本系统的是由水箱、进水阀、出水阀、泵、压力表、电动阀等组成。
2.2 实验软件
2.2.1 程序安装 打开安装包
选择安装力控 ForceControl 6.1 进入安装向导
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根据向导提示进行安装直到结束，点击完成
同理安装驱动程序直至完成
图 6.1 串级控制连线图
·Step2：串级控制系统中有两个 PID 控制器，在调节参数时不应该同时调节，而是应该先 调节副控制器再调节主控制器。对于副控制器的要响应速度快，电磁阀的开度要能跟得上给 定值，所以副控制器的 PID 参数要求为放大倍数比较大，积分时间比较小。对于主控制器的 要输出的开度调节幅度不能太大，反应速度应该比副控制器慢，所以主控制器的 PID 参数要 放大倍数比较小，积分时间比较大。（注：P909 中的 P 为比例度，为放大倍数的倒数，所以 在调节参数时应该是主控制器的 P 比较大，副控制器的 P 比较小。） ·Step3：与单回路调节系统相同，由于在实际的过程控制中被控量是不可能大幅度变化的， 所以在对控制的效果进行评判时是观察在给定值附近的控制效果是否理想。（本实验为 300mm）
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在 IO 设备组态中配置设备参数
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完成所有设备配置后，全部编译并运行
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登陆
2.3 P909 的认识和应用
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与本实验有关的一些功能操作： ·设定 SV 值
·各阶层参数说明
·PV 高点和低点校正 Level3 层中
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·外给定高点和低点校正 Level3 层中
四、 单回路调节系统
4.1 单回路调节系统方框图
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图 4.1 单回路调节方框图
4.2 PV 校正
通过测量知：低水位 10mm，对应的液位变送器值为 7mA；高水位 510mm，对应的液位变 送器值为 20mA。由于此处需要有一个量程的变换，即 4-20mA→0-100，所以 7mA→20,20mA →100。在校正 PV 时，需要两个 P909（A 和 B），连线如图 4.2。先将 A 调到手动模式，手动 设置 OUTL 为 20，使 B 进入到 level3，在 ANL1 中调节 SV 的大小使 PV 值为 10。再先将 A 手 动设置 OUTL 为 100，使 B 进入到 level3，在 ANH1 中调节 SV 的大小使 PV 值为 510。通过以 上两步，完成高点和低点的 PV 校正。
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图 3.1 电动阀连线图
在软件平台上观察电动阀开度从 0%-100%以及不同开度的变化曲线（图 3.2），从而得出 传递函数。
图 3.2 电动阀开度调节曲线
从图 3.2 可以得出，电动阀的开度变化和时间是线性关系，设为 开度=kt，进一步分析 曲线知 k=100/(0.8×60)=2.1，所以开度（%）= 2.1t，传递函数为
·故障与排除
2.4 对象建模
为了实现对水箱的建模，应该在断开所有的控制器的情况下让水箱获得自然平衡点。利 用 P909 手动控制电动阀的开度，保持出水阀的开度不变，手动调节进水阀的开度，使得液 位逐渐达到平衡点。在液位到达第一个平衡点之后保持进水阀和出水阀的开度不变，通过 P909 手动增大电动阀的开度。（这里之所以实用电动阀来控制输入量是因为电动阀的是线性 的，而进水阀是非线性的，从而电动阀的开度该变量是可以量化的）由于开度的增大，进水 量必然会增大，但是由于液位不断升高，出水量也会随之增大，最终进水量与出水量相等从 而液位重新达到平衡点。这个过程的液位-时间曲线称为飞升曲线。通过飞升曲线可以估计 出水箱的模型结构，并且通过分析该曲线的数据可以得到模型的相关参数。
4.4 实验结果
经过不断的 PID 参数调整，最终我们获得如下的 PID 参数：P=8.5，I=43，D=0。调节效 果如图 4.4 所示。
图 4.4 单回路 PID 调节
从上图可以看出效果还是不错的，有一个超调，之后就进入稳态，超调量为
如果忽略扰动（电流波动，液位晃动等），基本上是没有静差的。
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PV 校正：副控制器的 PV 校正的连线和单回路 PV 校正相同，先将主控制器调到手动模 式，手动设置 OUTL 为 0，使副控制器进入到 level3，在 ANL1 中调节 SV 的大小使 SV 值为 0。 再先将主控制器手动设置 OUTL 为 100，使副控制器进入到 level3，在 ANH1 中调节 SV 的大 小使 SV 值为 100。通过以上两步，完成高点和低点的 PV 校正。
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五、 串级调节系统Ⅰ
5.1 串级调节系统方框图
图 5.1 串级调节方框图
5.2 PV 校正
5.1.1 主控制器的 PV 校正 主控制器的测量值为液位，所以它的 PV 校正和单回路 PV 校正相同，控制面板连线见图
4.2。 5.1.2 副控制器的 PV 及外给定校正
串级控制系统比单级控制系统多一个控制器，即副控制器。副控制器的给定值是主控制 器的输出值，反馈值是电磁阀开度，所以副控制器需要 PV 校正和外给定校正。
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东南大学自动化学院
实验报告
课程名称：
过程控制实验
实验名称： 院 （系）： 姓 名： 实 验 室： 同组人员： 实验时间： 评定成绩：
水箱液位控制系统
自动化
专 业：
学 号：
实验组别：
自动化
审阅教师：
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目
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录
一、系统概论 ............................................................ 3 二、对象的认识 .......................................................... 4 三、执行机构 .......................................................... 14 四、单回路调节系统................................................... 15 五、串级调节系统Ⅰ................................................... 18 六、串级调节系统Ⅱ................................................... 19 七、前馈控制 .......................................................... 21 八、软件平台的开发................................................... 21
电流 0.36A，频率 50Hz，电容 3.5µ F，功率 80w，绝缘等级 E
·LWY-C 型涡轮流量计：
口径 4-200mm，介质温度-20—+100℃，环境温度-20—+45℃，供电电源+24V，
标准信号输出 4-20mA，负载 0-750Ω，精确度±0.5%Fs ±1.0%Fs，外壳防护等级 IP65
图 5.2 外给定校正
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六、 串级调节系统Ⅱ
6.1 实验过程
·Step1：控制面板连线。按照单回路方框图，主控制器的（PV，4-20mA）接到液位变送器， 接口，（OUT，4-10mA）接到副控制器的（外给定，4-20mA）；副控制器的（PV，4-20mA） 接到电磁阀开度变送器，（OUT，4-10mA）接到电磁阀接口。如图 6.1。
·电磁阀
MODEL UW-15，VOLTS 220V，ORIFICE 15，CYCLES 60Hz，PIPESIZE 1/ ，
OFERATING PRESSURE MINI 0kg/ —MAX 8kg/
·交流变频器 功率 1500w，电源 220V（单相输入） 380V（三相输入）
1.2 电气接线图
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图 2.1 建模连线图
在实验中，电磁阀的开度由 30%增大到 50%，平衡点的液位高度由 58.4mm 增高到 64.8mm。 飞升曲线如图 2.2。
外给定校正：主控制器的输出值即电动阀开度的给定值，所以外给定校正的连线图如图 5.2。先将主控制器调到手动模式，手动设置 OUTL 为 0，使副控制器进入到 level3，在 ANL2 中调节 SV 的大小使 PV 值为 0。再先将主控制器手动设置 OUTL 为 100，使副控制器进入到 level3，在 ANH2 中调节 SV 的大小使 PV 值为 100。通过以上两步，完成高点和低点的外给 定校正。
在本地计算机安装文件夹下找到 IO Severs，将 P909 驱动程序文件夹拷贝到力控安装目 录下的“IO Servers”文件夹下
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然后把力控教学平台复制到 Project 文件夹下
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2.2.2 程序运行及配置 打开软件点击搜索，选择力控教学平台
单击开发进入，点击忽略后软件主界面
图 4.2 单回路 PV 校正
4.3 实验过程
·Step1：控制面板连线。按照单回路方框图，P909 的（PV，4-20mA）接到液位变送器， 接口，（OUT，4-10mA）接到电磁阀接口。如图 4.3。
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图 4.3 单回路控制面板连线图
·Step2：由于在实际的过程控制中被控量是不可能大幅度变化的，所以在对控制的效果进 行评判时是观察在给定值附近的控制效果是否理想。例如，实验时设定液位从 100mm 升到 200mm，而为了模拟实际情况，我们应该观察从 180mm 到液位稳定这段时间的控制效果。基 于以上的分析，在实验中我们分两步进行，手动与自动相结合。首先，当液位低于 180mm 时，手动设置 OUTL 为 100（即电动阀开度最大），使液位快速上升。当液位达到 180mm 时， 切换到自动调节，根据设定的参数进行 PID 调节，使液位最终稳定。
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一、 系统概论
1.1 实验设备
1.1.1 组成器件
图 1.1 实验设备正面图
图 1.2 实验设备背面图
本实验设备包含水箱、加热器、变频器、泵、电动阀、电磁阀、进水阀、出水阀、增压器、
流量计、压力传感器、温度传感器、操作面板等。
1.1.2 铭牌
·加热控制器：
功率 1500w，电源 220V（单相输入）
·压力传感器
YMC303P-1-A-3
RANGE 0-6kPa，OUT 4-20mADC，SUPPLY 24VDC，IP67，RED SUP+，BLUE OUT+/V-
·SBWZ 温度传感器 PT100
量程 0-100℃，精度 0.5%Fs，输出 4-20mADC，电源 24VDC
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·智能电动调节阀 型号 2DYP-16P 压力 1.6MPa，输入信号 4-20mA， 口径 2.5mm，电源 220V， 反馈信号 4-20mA，阀门控制精度 0.1%-8%可调
见最后一页
1.3 操作面板图
控制面板中有 4 个 P909 仪表，以及执行机构和变送器的接口。 每个 P909 有 4 组接口，分别为（PV，4-20mA），（外给定，4-20mA），（OUT，4-20mA）， （报警）。PV 为测量值的输入口，即在闭环回路中为反馈值的输入口，该接口一般与变送器 相连。外给定为该 P909 的给定值是由其他仪器给定，而非手动人为调节，在串级控制中为 外环的输出口与环给定的接口。OUT 为该 P909 的输出值。 实验中用到的执行机构和变送器为电动阀、电动阀开度变送器、液位变送器。
·泵：
Q40-150L/min，H2.5-7m，Hmax2.5m，380V，VL450V，
IP44，50Hz，2550rpm，1.1kw，HP1.5，In2.8A，ICL B
·全自动微型家用增压器：
型号 15WZ-10，单相电容运转马达
最高扬程 10m，最大流量 20L/min，级数 2，转速 2800rmp，电压 220V，
图 2.2 飞升曲线
由图 2.2 可以看出水箱的模型为一节惯性系统，其传递函数为
,
其中，K =
wk.baidu.com
0.32mm/%，T = 4.6min = 276s
所以水箱的传递函数为
三、 执行机构
本实验的执行机构为电动阀。下面的工作是探究电动阀的传递函数。将 P909 的（PV， 4-20mA）接到电动阀开度变送器的接口，（OUT，4-20mA）接到电动阀的接口，连线如图 3.1。
二、 对象的认识
2.1 对液位系统的认识
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本系统的是由水箱、进水阀、出水阀、泵、压力表、电动阀等组成。
2.2 实验软件
2.2.1 程序安装 打开安装包
选择安装力控 ForceControl 6.1 进入安装向导
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根据向导提示进行安装直到结束，点击完成
同理安装驱动程序直至完成
图 6.1 串级控制连线图
·Step2：串级控制系统中有两个 PID 控制器，在调节参数时不应该同时调节，而是应该先 调节副控制器再调节主控制器。对于副控制器的要响应速度快，电磁阀的开度要能跟得上给 定值，所以副控制器的 PID 参数要求为放大倍数比较大，积分时间比较小。对于主控制器的 要输出的开度调节幅度不能太大，反应速度应该比副控制器慢，所以主控制器的 PID 参数要 放大倍数比较小，积分时间比较大。（注：P909 中的 P 为比例度，为放大倍数的倒数，所以 在调节参数时应该是主控制器的 P 比较大，副控制器的 P 比较小。） ·Step3：与单回路调节系统相同，由于在实际的过程控制中被控量是不可能大幅度变化的， 所以在对控制的效果进行评判时是观察在给定值附近的控制效果是否理想。（本实验为 300mm）
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在 IO 设备组态中配置设备参数
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完成所有设备配置后，全部编译并运行
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2.3 P909 的认识和应用
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与本实验有关的一些功能操作： ·设定 SV 值
·各阶层参数说明
·PV 高点和低点校正 Level3 层中
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·外给定高点和低点校正 Level3 层中
四、 单回路调节系统
4.1 单回路调节系统方框图
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图 4.1 单回路调节方框图
4.2 PV 校正
通过测量知：低水位 10mm，对应的液位变送器值为 7mA；高水位 510mm，对应的液位变 送器值为 20mA。由于此处需要有一个量程的变换，即 4-20mA→0-100，所以 7mA→20,20mA →100。在校正 PV 时，需要两个 P909（A 和 B），连线如图 4.2。先将 A 调到手动模式，手动 设置 OUTL 为 20，使 B 进入到 level3，在 ANL1 中调节 SV 的大小使 PV 值为 10。再先将 A 手 动设置 OUTL 为 100，使 B 进入到 level3，在 ANH1 中调节 SV 的大小使 PV 值为 510。通过以 上两步，完成高点和低点的 PV 校正。
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图 3.1 电动阀连线图
在软件平台上观察电动阀开度从 0%-100%以及不同开度的变化曲线（图 3.2），从而得出 传递函数。
图 3.2 电动阀开度调节曲线
从图 3.2 可以得出，电动阀的开度变化和时间是线性关系，设为 开度=kt，进一步分析 曲线知 k=100/(0.8×60)=2.1，所以开度（%）= 2.1t，传递函数为
·故障与排除
2.4 对象建模
为了实现对水箱的建模，应该在断开所有的控制器的情况下让水箱获得自然平衡点。利 用 P909 手动控制电动阀的开度，保持出水阀的开度不变，手动调节进水阀的开度，使得液 位逐渐达到平衡点。在液位到达第一个平衡点之后保持进水阀和出水阀的开度不变，通过 P909 手动增大电动阀的开度。（这里之所以实用电动阀来控制输入量是因为电动阀的是线性 的，而进水阀是非线性的，从而电动阀的开度该变量是可以量化的）由于开度的增大，进水 量必然会增大，但是由于液位不断升高，出水量也会随之增大，最终进水量与出水量相等从 而液位重新达到平衡点。这个过程的液位-时间曲线称为飞升曲线。通过飞升曲线可以估计 出水箱的模型结构，并且通过分析该曲线的数据可以得到模型的相关参数。
4.4 实验结果
经过不断的 PID 参数调整，最终我们获得如下的 PID 参数：P=8.5，I=43，D=0。调节效 果如图 4.4 所示。
图 4.4 单回路 PID 调节
从上图可以看出效果还是不错的，有一个超调，之后就进入稳态，超调量为
如果忽略扰动（电流波动，液位晃动等），基本上是没有静差的。
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PV 校正：副控制器的 PV 校正的连线和单回路 PV 校正相同，先将主控制器调到手动模 式，手动设置 OUTL 为 0，使副控制器进入到 level3，在 ANL1 中调节 SV 的大小使 SV 值为 0。 再先将主控制器手动设置 OUTL 为 100，使副控制器进入到 level3，在 ANH1 中调节 SV 的大 小使 SV 值为 100。通过以上两步，完成高点和低点的 PV 校正。
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五、 串级调节系统Ⅰ
5.1 串级调节系统方框图
图 5.1 串级调节方框图
5.2 PV 校正
5.1.1 主控制器的 PV 校正 主控制器的测量值为液位，所以它的 PV 校正和单回路 PV 校正相同，控制面板连线见图
4.2。 5.1.2 副控制器的 PV 及外给定校正
串级控制系统比单级控制系统多一个控制器，即副控制器。副控制器的给定值是主控制 器的输出值，反馈值是电磁阀开度，所以副控制器需要 PV 校正和外给定校正。
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东南大学自动化学院
实验报告
课程名称：
过程控制实验
实验名称： 院 （系）： 姓 名： 实 验 室： 同组人员： 实验时间： 评定成绩：
水箱液位控制系统
自动化
专 业：
学 号：
实验组别：
自动化
审阅教师：
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录
一、系统概论 ............................................................ 3 二、对象的认识 .......................................................... 4 三、执行机构 .......................................................... 14 四、单回路调节系统................................................... 15 五、串级调节系统Ⅰ................................................... 18 六、串级调节系统Ⅱ................................................... 19 七、前馈控制 .......................................................... 21 八、软件平台的开发................................................... 21
电流 0.36A，频率 50Hz，电容 3.5µ F，功率 80w，绝缘等级 E
·LWY-C 型涡轮流量计：
口径 4-200mm，介质温度-20—+100℃，环境温度-20—+45℃，供电电源+24V，
标准信号输出 4-20mA，负载 0-750Ω，精确度±0.5%Fs ±1.0%Fs，外壳防护等级 IP65
图 5.2 外给定校正
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六、 串级调节系统Ⅱ
6.1 实验过程
·Step1：控制面板连线。按照单回路方框图，主控制器的（PV，4-20mA）接到液位变送器， 接口，（OUT，4-10mA）接到副控制器的（外给定，4-20mA）；副控制器的（PV，4-20mA） 接到电磁阀开度变送器，（OUT，4-10mA）接到电磁阀接口。如图 6.1。
·电磁阀
MODEL UW-15，VOLTS 220V，ORIFICE 15，CYCLES 60Hz，PIPESIZE 1/ ，
OFERATING PRESSURE MINI 0kg/ —MAX 8kg/
·交流变频器 功率 1500w，电源 220V（单相输入） 380V（三相输入）
1.2 电气接线图