过程控制系统实验指导书第二版
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式中：K——仪表常数。 由式（3）可知，当仪表常数 K 确定后，感应电动势 E 与流量 Q 成正比。 E 通常为流量信号，将流量信号输入转换计，经过处理，输出与流量成正比的 4～20mADC 信号， 可与单元组合仪表配套，对流量进行显示、记录、计算、调节等。 注意事项： 1、电磁流量计为贵重仪器，接线正式投入运行之前，应严格检查安装、接线是否正确。 2、将传感器前后阀门打开，让传感器测量管内冲满被测介质。 （二）对象特性测试 工业过程动态数学模型的表达方式很多，其复杂程度相差悬殊。对于数学模型，应根据实际应 用情况提出适当的要求。一般说来，用于控制的数学模型并不要求十分准确。闭环控制本身具有一 定的鲁棒性，模型本身的误差可视为干扰，而闭环控制在某种程度上具有自动消除干扰的能力。 实际生产过程的动态特性非常复杂，往往需要作很多近似处理。有些近似处理需要作线性化处 理、降阶处理等，但却能满足控制的要求。建立数学模型有两个基本方法，即机理法和实验法。实 验法一般只用于建立输入输出模型。它的特点是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外部 特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深入掌握其内部机理。 通过简单的测试获得被被控对象的阶跃响应，进一步把它拟合成近似的传递函数，是建立被控 对象数学模型简单有效的方法。用实验法建立被控对象的数学模型，首先要选定模型的结构。典型 的工业过程的传递函数可以取为各种形式，例如： 1、 一阶惯性环节加纯延迟 一阶惯性环节的传递函数：
过程控制系统实验指导书
引言
浙江求是科教设备有限公司生产的 PCT 系列过程控制实验系统装置，可以非常好地满足过程控制 课程实验的要求。在这套设备由被控对象和控制台组成，通过手动或计算机控制，可以将被控对象 转变成不同特性的过控对象，因此，在此基础上可以进行简单的温度、压力、流量、液位的单回路 控制，而且也可以进行一系例复杂控制系统实验如：变比值控制、Simth 预估控制、解耦控制、三容 液位控制、换热器温度控制等。 一、PCT 系列过程控制实验装置特点:
点迁移。
②调节器
调节器接线端子说明及调节器的主要性能技术指标：
1 —— 2 端 1～5V 电压输入端。
2 —— 3 端 0.2～1V 电压输入端。
4 —— 5 端 4～20mA 电流输出端。
输入信号：1～5V DC
外给定信号：0.2～1V
输出信号：4～20mA DC
负载电阻：250～750Ω
电 源：100 ～240V AC
控制时，dih=100；
dil 输入下限：一般 dil=0；
CF 系统功能选择：单回路控制 CF=2；需要外部给定时 CF=8。
Run 运行状态选择：run=0，手动调节状态；run=1，自动调节状态。
③电动执行器
基本允许误差
±4%
变差
1.0%
灵敏限
0.1%
输入信号
4～20mA
④流量计理工作的，当导电液体沿流量管在交变磁场中作与磁力线
A、过程控制仪表认识
一、实验目的： 1.了解压力、液位变送器的结构、明确各部件的作用，巩固和加深压力、液位变送器的工作原
理及其特性的理解，熟悉压力、液位变送器的安装及使用方法，通过实验，掌握压力、液位变送器 的零点、量程的调整方法，零点迁移方法和精度测试方法。
2.了解调节器的构造及各部件的作用、调节器的原理及工作特性，了解调节器的功能。掌握调 节器的操作方法，掌握调节器的主要技术性能的调校、测试方法。
def 输出量稳态值 K = 输入量
即：
K = ∆Y /(Y MAX − Y MIN ) ∆X /(∆X MAX − ∆X MIN )
式中 ΔX
调节器输出电流的变化量，单位 mA。
XMAX
调节器输出电流的上限值，单位 mA。
XMIN
调节器输出电流的下限值、mA。
ΔY
液位的变化量，单位 mm。
YMAX
液位的上限值，单位 mm。
YMIN
液位的下限值，单位 mm。
过程控制系统实验指导书
例 1．实验中调节器输出电流由 8mA 增加到 12mA，液位增高 0.4mm。求放大系数 K。 ΔX=12-8=4mA ΔX/(XMAX-XMIN)=4/(20-4)=0.25 ΔY/(YMAX-YMIN)=0.4 则：K=0.4/0.25=1.6 上述公式只适用于自衡过程。对于非自衡过程，其传递函数应含有一个积分环节。对于液位控 制系统，液位对象是自衡对象，单独的水箱是一阶对象，上水箱与中水箱可以组成二阶对象。
注意事项： （1）接线时注意电源的极性，严防正负反接、短路。 （2）通电前应请指导老师确认无误后方可通电。 （3）动手调校前，应学习掌握调节器各部件的作用，凡实验中未使用的元件和参数不能擅自调
整。 （4）调节器在调校前应预热 15 分钟（理论上）。
过程控制系统实验指导书
（5）实验前先准备好实验记录数据表 1-2，并预习数据处理的各项误差计算公式。
成垂直方向运动时，导电液体切割磁力线产生感应电势。在与测量管轴线和磁场磁力线相互垂直的
管壁上安装了一对检测电极，将这个感应电势检出。
若感应电势为 E，则有：
E=BVD …………………………..（1）
式中： B——磁感应强度。
D——电极间的距离，与测量管内径相等。
V——测量管内被测流体在截面上的平均流速。
过程控制系统实验指导书
2、提出实验方案。 3、画实验接线图。 4、进行实验操作，作好观测和记录，调整控制参数。 5、整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。 在进行本书中的综合实验时，上述程序应让学生独立完成，教师给予必要的指导，以培养学生的 动手能力。要做好各主要实验，就应做到：实验前做准备，实验中有条理，实验后勤分析。
A、过程控制仪表认识 ..................................................................................................... 7 B、单容对象特性测试（上水箱调节器控制）............................................................ 11 实验二、单回路控制系统实验 .............................................................................................. 15 实验三、串级控制系统实验 .................................................................................................. 19
源极性。接线完毕后，应检查接线是否正确，并请指导教师确认无误后，方能通电。
（2）没通电、不加压；先卸压、再断电。
（3）进行量程调整时，应注意调整电位器的调整方向。
（4）小心操作，切勿生扳硬拧，严防损坏仪表。
（5）一般仪表应通电预热 15 分钟后再进行校验，以保证校验的准确性。
（6）如果压力、液位变送器的安装位置与取压点不在一个水平位置上，应对压力变送器进行零
在确定传递函数的形式后，要对函数中的各个参数与测试的响应曲线进行拟合。如果阶跃响应 是如图 2-2 所示的 S 形单调曲线，就可以用一阶惯性加纯延迟对象的传递函数去拟合。增益 K 由输 入输出的稳态值直接算出，而τ和 T 则可以用作图法确定。
图 1-2 在曲线的拐点 p 作切线，它与时间轴交于 A 点，与曲线的稳态渐进线交于 B 点。0A 段的值即为 纯滞后时间τ，CB 段的值即为时间常数 T，这样就确定了τ和 T 的数值，如图 1-2 所示。 3、放大倍数 K 的求取 放大系数 K 的定义是：
1、装置由控制对象、控制屏、计算机三部分组 成，也可以把控制屏换成 DCS(分散控制系统)， 对象构布局合理，造型美观大方。
2、真实性、直观性、综合性强，控制对象元件全部来源于工业现场。控制屏正面有完整的系统 结构图案，便于学生系统接线。
3、参数全面，涵盖了液位、流量、压力、温度等典型的热工量参数。 4、PCT 系列过程控制实验装置具有控制参数和控制方案的多样化。该装置可通过对其管路上的
过程控制系统课程
——实验指导书(第二版)
刘丕亮 李仲德
内蒙古科技大学
信息工程学院自动化系
2015 年 3 月
过程控制系统实验指导书
目录
引 言 .......................................................................................................................................... 1 实验一、过程控制仪表认识及对象特性测试 ........................................................................ 3
Sn 输入规格：Sn=33，1-5V 电压输入， Sn=32，0.2-1V 电压输入，Sn=20，热电阻输入；
dip 小数位数：dip=0，小数点位数为 0；
op1 输出方式：op1=4，4～20 mA 线形电流输出；
dih 输出上限：做液位控制时，dih=450（两水箱）或 250（三水箱），做温度、流量、压力
（6）调节器的主要功能是接受变送器送来的测量信号 PV，并将它与给定信号 SV 进行比较得出
偏差ε，对偏差ε进行 PID 连续运算，输出控制信号 u(k)。通过改变 PID 参数，可改变
调节器控制作用的强弱。除此之外，调节器还具有测量信号、给定信号及输出信号的指示
功能。
调节器基本参数的介绍：
Ctrl 控制方式：Ctrl=2，启动自整定， Ctrl=3， 整定结束；
过程控制系统实验指导书
实验一、过程控制仪表认识及对象特性测试
一、实验预备知识要点
（一）过程仪表主要技术指标、注意事项及原理
①液位变送器
测量范围
0～６Kpa
输出电流
4～20mA
负载能力
250～300Ω
工作电源
24（1±5%）V DC
注意事项：
（1）本实验采用的压力、液位变送器是两线制仪表，应串入 24 伏直流电源。接线时，注意电
一阶加纯滞后对象的传递函数
G(s) = K Ts + 1
G(s) = Ke−τs Ts + 1
过程控制系统实验指导书
图 1-1 一阶惯性环节阶跃响应 对于有纯滞后的一阶对象，滞后时间还可直接由图 1-1 中测量出纯滞后时间τ。
2、二阶或高阶惯性环节加纯延迟 G(s) = Ke−τ s (Ts + 1)n
式（1）中磁场 B 是恒定不变值，D 是一个常数，则感应电动势 E 与被测流体流速 V 成正比。通
过测量管恒截面上的体积流量 Q 与流速 V 之间的关系为：
Q = πD2V ……………………………………..（2） 4
将（1）式带入（2）式得：
过程控制系统实验指导书
Q = πDVE = KE ……………………………..（3） 4B
阀门(电磁阀)切换和对模拟信号接线板上信号的连接组合，可构成数十种过程控制实验。 电磁阀可以手动和自动控制。 5、在 PCT 系列过程控制实验装置中充分考虑了工业自动化专业的大纲要求，完全能满足教学实 验、课程设计、毕业设计的需要，同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、创造性过 程控制系统实验的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的 能力。 6、可为学校教师和研究生进行复杂控制系统的计算机控制算法的研究工作提供一个实实在在的 物理模型。 二、本实验装置可以灵活搭配，进行多方面的实验，有利于学生掌握下列内容： 1、自动化仪表的初步使用，其中包括检测仪表、变送单元、执行单元和控制仪表。 2、测定控制对象特性的方法。 3、变频器的基本工作原理和初步使用。 4、单回路控制系统的参数整定。 5、复杂控制系统的参数整定。 6、控制参数对控制系统品质指标的影响。 7、控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力。 8、了解计算机控制系统的组成。 9、了解牛顿模块的分类、使用以及 RS-485 通讯原理。 10、学习组态王控制软件的功能、使用和编程。 三、实验的基本程序： 1、明确实验任务。
过程控制系统实验指导书
引言
浙江求是科教设备有限公司生产的 PCT 系列过程控制实验系统装置，可以非常好地满足过程控制 课程实验的要求。在这套设备由被控对象和控制台组成，通过手动或计算机控制，可以将被控对象 转变成不同特性的过控对象，因此，在此基础上可以进行简单的温度、压力、流量、液位的单回路 控制，而且也可以进行一系例复杂控制系统实验如：变比值控制、Simth 预估控制、解耦控制、三容 液位控制、换热器温度控制等。 一、PCT 系列过程控制实验装置特点:
点迁移。
②调节器
调节器接线端子说明及调节器的主要性能技术指标：
1 —— 2 端 1～5V 电压输入端。
2 —— 3 端 0.2～1V 电压输入端。
4 —— 5 端 4～20mA 电流输出端。
输入信号：1～5V DC
外给定信号：0.2～1V
输出信号：4～20mA DC
负载电阻：250～750Ω
电 源：100 ～240V AC
控制时，dih=100；
dil 输入下限：一般 dil=0；
CF 系统功能选择：单回路控制 CF=2；需要外部给定时 CF=8。
Run 运行状态选择：run=0，手动调节状态；run=1，自动调节状态。
③电动执行器
基本允许误差
±4%
变差
1.0%
灵敏限
0.1%
输入信号
4～20mA
④流量计理工作的，当导电液体沿流量管在交变磁场中作与磁力线
A、过程控制仪表认识
一、实验目的： 1.了解压力、液位变送器的结构、明确各部件的作用，巩固和加深压力、液位变送器的工作原
理及其特性的理解，熟悉压力、液位变送器的安装及使用方法，通过实验，掌握压力、液位变送器 的零点、量程的调整方法，零点迁移方法和精度测试方法。
2.了解调节器的构造及各部件的作用、调节器的原理及工作特性，了解调节器的功能。掌握调 节器的操作方法，掌握调节器的主要技术性能的调校、测试方法。
def 输出量稳态值 K = 输入量
即：
K = ∆Y /(Y MAX − Y MIN ) ∆X /(∆X MAX − ∆X MIN )
式中 ΔX
调节器输出电流的变化量，单位 mA。
XMAX
调节器输出电流的上限值，单位 mA。
XMIN
调节器输出电流的下限值、mA。
ΔY
液位的变化量，单位 mm。
YMAX
液位的上限值，单位 mm。
YMIN
液位的下限值，单位 mm。
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例 1．实验中调节器输出电流由 8mA 增加到 12mA，液位增高 0.4mm。求放大系数 K。 ΔX=12-8=4mA ΔX/(XMAX-XMIN)=4/(20-4)=0.25 ΔY/(YMAX-YMIN)=0.4 则：K=0.4/0.25=1.6 上述公式只适用于自衡过程。对于非自衡过程，其传递函数应含有一个积分环节。对于液位控 制系统，液位对象是自衡对象，单独的水箱是一阶对象，上水箱与中水箱可以组成二阶对象。
注意事项： （1）接线时注意电源的极性，严防正负反接、短路。 （2）通电前应请指导老师确认无误后方可通电。 （3）动手调校前，应学习掌握调节器各部件的作用，凡实验中未使用的元件和参数不能擅自调
整。 （4）调节器在调校前应预热 15 分钟（理论上）。
过程控制系统实验指导书
（5）实验前先准备好实验记录数据表 1-2，并预习数据处理的各项误差计算公式。
成垂直方向运动时，导电液体切割磁力线产生感应电势。在与测量管轴线和磁场磁力线相互垂直的
管壁上安装了一对检测电极，将这个感应电势检出。
若感应电势为 E，则有：
E=BVD …………………………..（1）
式中： B——磁感应强度。
D——电极间的距离，与测量管内径相等。
V——测量管内被测流体在截面上的平均流速。
过程控制系统实验指导书
2、提出实验方案。 3、画实验接线图。 4、进行实验操作，作好观测和记录，调整控制参数。 5、整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。 在进行本书中的综合实验时，上述程序应让学生独立完成，教师给予必要的指导，以培养学生的 动手能力。要做好各主要实验，就应做到：实验前做准备，实验中有条理，实验后勤分析。
A、过程控制仪表认识 ..................................................................................................... 7 B、单容对象特性测试（上水箱调节器控制）............................................................ 11 实验二、单回路控制系统实验 .............................................................................................. 15 实验三、串级控制系统实验 .................................................................................................. 19
源极性。接线完毕后，应检查接线是否正确，并请指导教师确认无误后，方能通电。
（2）没通电、不加压；先卸压、再断电。
（3）进行量程调整时，应注意调整电位器的调整方向。
（4）小心操作，切勿生扳硬拧，严防损坏仪表。
（5）一般仪表应通电预热 15 分钟后再进行校验，以保证校验的准确性。
（6）如果压力、液位变送器的安装位置与取压点不在一个水平位置上，应对压力变送器进行零
在确定传递函数的形式后，要对函数中的各个参数与测试的响应曲线进行拟合。如果阶跃响应 是如图 2-2 所示的 S 形单调曲线，就可以用一阶惯性加纯延迟对象的传递函数去拟合。增益 K 由输 入输出的稳态值直接算出，而τ和 T 则可以用作图法确定。
图 1-2 在曲线的拐点 p 作切线，它与时间轴交于 A 点，与曲线的稳态渐进线交于 B 点。0A 段的值即为 纯滞后时间τ，CB 段的值即为时间常数 T，这样就确定了τ和 T 的数值，如图 1-2 所示。 3、放大倍数 K 的求取 放大系数 K 的定义是：
1、装置由控制对象、控制屏、计算机三部分组 成，也可以把控制屏换成 DCS(分散控制系统)， 对象构布局合理，造型美观大方。
2、真实性、直观性、综合性强，控制对象元件全部来源于工业现场。控制屏正面有完整的系统 结构图案，便于学生系统接线。
3、参数全面，涵盖了液位、流量、压力、温度等典型的热工量参数。 4、PCT 系列过程控制实验装置具有控制参数和控制方案的多样化。该装置可通过对其管路上的
过程控制系统课程
——实验指导书(第二版)
刘丕亮 李仲德
内蒙古科技大学
信息工程学院自动化系
2015 年 3 月
过程控制系统实验指导书
目录
引 言 .......................................................................................................................................... 1 实验一、过程控制仪表认识及对象特性测试 ........................................................................ 3
Sn 输入规格：Sn=33，1-5V 电压输入， Sn=32，0.2-1V 电压输入，Sn=20，热电阻输入；
dip 小数位数：dip=0，小数点位数为 0；
op1 输出方式：op1=4，4～20 mA 线形电流输出；
dih 输出上限：做液位控制时，dih=450（两水箱）或 250（三水箱），做温度、流量、压力
（6）调节器的主要功能是接受变送器送来的测量信号 PV，并将它与给定信号 SV 进行比较得出
偏差ε，对偏差ε进行 PID 连续运算，输出控制信号 u(k)。通过改变 PID 参数，可改变
调节器控制作用的强弱。除此之外，调节器还具有测量信号、给定信号及输出信号的指示
功能。
调节器基本参数的介绍：
Ctrl 控制方式：Ctrl=2，启动自整定， Ctrl=3， 整定结束；
过程控制系统实验指导书
实验一、过程控制仪表认识及对象特性测试
一、实验预备知识要点
（一）过程仪表主要技术指标、注意事项及原理
①液位变送器
测量范围
0～６Kpa
输出电流
4～20mA
负载能力
250～300Ω
工作电源
24（1±5%）V DC
注意事项：
（1）本实验采用的压力、液位变送器是两线制仪表，应串入 24 伏直流电源。接线时，注意电
一阶加纯滞后对象的传递函数
G(s) = K Ts + 1
G(s) = Ke−τs Ts + 1
过程控制系统实验指导书
图 1-1 一阶惯性环节阶跃响应 对于有纯滞后的一阶对象，滞后时间还可直接由图 1-1 中测量出纯滞后时间τ。
2、二阶或高阶惯性环节加纯延迟 G(s) = Ke−τ s (Ts + 1)n
式（1）中磁场 B 是恒定不变值，D 是一个常数，则感应电动势 E 与被测流体流速 V 成正比。通
过测量管恒截面上的体积流量 Q 与流速 V 之间的关系为：
Q = πD2V ……………………………………..（2） 4
将（1）式带入（2）式得：
过程控制系统实验指导书
Q = πDVE = KE ……………………………..（3） 4B
阀门(电磁阀)切换和对模拟信号接线板上信号的连接组合，可构成数十种过程控制实验。 电磁阀可以手动和自动控制。 5、在 PCT 系列过程控制实验装置中充分考虑了工业自动化专业的大纲要求，完全能满足教学实 验、课程设计、毕业设计的需要，同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、创造性过 程控制系统实验的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的 能力。 6、可为学校教师和研究生进行复杂控制系统的计算机控制算法的研究工作提供一个实实在在的 物理模型。 二、本实验装置可以灵活搭配，进行多方面的实验，有利于学生掌握下列内容： 1、自动化仪表的初步使用，其中包括检测仪表、变送单元、执行单元和控制仪表。 2、测定控制对象特性的方法。 3、变频器的基本工作原理和初步使用。 4、单回路控制系统的参数整定。 5、复杂控制系统的参数整定。 6、控制参数对控制系统品质指标的影响。 7、控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力。 8、了解计算机控制系统的组成。 9、了解牛顿模块的分类、使用以及 RS-485 通讯原理。 10、学习组态王控制软件的功能、使用和编程。 三、实验的基本程序： 1、明确实验任务。