JX-300X集散控制系统实训实验.doc

JX-300X集散控制系统实训实验第一部分 JX-300X集散控制系统实训装置介绍JX-300X集散控制系统实训装置由浙大中控（SUPCON）技术有限公司生产的JX-300X集散控制系统和浙江省天煌科技实业有限公司研制的THJ-2型高级过程控制对象系统实验装置构成。一、JX-300X集散控制系统简介 JX-300X DCS的基本组成包括工程师站（ES）、操作站（OS）、控制站（CS）和通讯网络SCnetII。在通讯网络上挂接通信接口单元（CIU）可实现JX-300X DCS与PLC等数字设备的连接；通过多功能计算站（MFS）和相应的应用软件AdvanTrol-PIMS可实现与企业管理计算机网的信息交换，实现企业网络（Intranet）环境下的实时数据采集、实时流程查看、实时趋势浏览、报警记录与查看、开关量变位记录与查看、报表数据的存贮、历史趋势存贮与查看、生产过程报表生成与输出等功能，从而实现整个企业生产过程的管理、控制全集成综合自动化。JX-300X DCS覆盖了大型集散系统的安全性、冗余功能、网络扩展功能、集成的用户界面及信息存取功能,系统规模变换灵活，可以实现从一个单元的过程控制，到全厂范围的自动化集成。 工程师站（ES）是为专业工程技术人员设计的，内装有相应的组态平台和系统维护工具。通过系统组态平台生成适合于生产工艺要求的应用系统，具体功能包括：系统生成、数据库结构定义、操作组态、流程图画面组态、报表程序编制等；使用系统的维护工具软件实现过程控制网络调试、故障诊断、信号调校等。 操作站（OS）是由工业PC机、CRT、键盘、鼠标、打印机等组成的人机系统，是操作人员完成过程监控管理任务的环境。高性能工控机、卓越的流程图机能、多窗口画面显示功能可以方便地实现生产过程信息的集中显示、集中操作和集中管理。 控制站（CS）是JX-300X DCS中和现场数据直接打交道的单元，由主控制卡、数据转发卡、I/O卡件、供电单元等构成。控制站内部以机笼为单元。机笼固定在机柜的多层机架上，相应的各类卡件、供电单元都固定在对应的机笼中。控制站的内部采用SBUS网络连接，该网络为主控制卡指挥式令牌网，采用存储转发通信协议，是控制站各卡件之间进行信息交换的通道。 JX-300X DCS控制网络SCnet连接工程师站、操作站、控制站和通讯处理单元。通讯网络采用总线形或星形拓扑结构，曼彻斯特编码方式，遵循开放的TCP/IP协议和IEEE802.3标准。SCnet采用11冗余的工业以太网，TCP/IP的传输协议辅以实时的网络故障诊断。其特点是可靠性高、纠错能力强、通信效率高。SCnet真正实现了控制系统的开放性和互连性。通过配置交换器（SWITCH），操作站之间的网络速度达100Mbps，而且可以接多个SCnet子网，形成一种组合结构。 工程师站（ES）、操作站（OS）、控制站（CS）并不是相互孤立的，过程控制网SCnet实现了工程站、操作站、控制站的连接，完成信息、控制指令等传输。该网络采用双重化冗余设计，使得信息传输安全、高速。 JX-300X DCS可以通过挂接网桥的方法连接企业Ethernet，这样的一层网络被称为位于系统上层的信息管理网。信息管理网采用符合TCP/IP协议的以太网，连接了各个控制装置的网桥以及企业内各类管理计算机，用于工厂级的信息传送和管理，是实现全厂综合管理的信息通道。二、THJ-2型高级过程控制对象系统实验装置简介THJ-2型高级过程控制系统实验装置是基于工业过程物理模拟对象，它集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术为一体的各功能实验装置。系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制、前馈控制、比值控制等各种控制形式。本装置还可根据用户的需要设计构成DDC、DCS、PLC等各种控制系统。该实验装置既可作为本科、专科、高职过程控制课程的实验装置，也可作为研究生及科研人员在复杂控制系统、先进控制系统、智能化控制系统研究方面提供物理模拟对象和实现手段。THJ-2型高级过程控制系统实验装置是根据工业自动化专业及相关专业教学特点，吸取了国外同类实验装置的特点和长处，并与目前工业自动化现场紧密联系，采用了工业广泛上使用并处于领先地位的智能仪表，经过精心设计，多次实验和反复论证，向广大师生推出一套基于本科，着重于研究生教学、学科基地建设的实验设备。该设备可以满足过程控制、自动化仪表、工程检测、计算机控制系统等课程的教学实验与研究。整个系统美观实用，功能多样，使用方便，既能进行验证性、设计性实验，又能提供综合性实验，可以满足不同层次的教学和研究要求。 本实验装置的检测信号、控制信号及被控信号均采用ICE标准，即电压05V或15V，电流010m A或420mA。实验系统供电要求三相交流电：380V，外型尺寸：，重量：580Kg THJ2型高级过程控制系统实验装置集多参数闭环控制为一体，由过程控制对象、智能仪表模块、执行器模块、信号检测模块等组成，各个模块间可以灵活组合，融合了工业上的主要控制手段，涉及了温度、压力、流量和液位等重要的过程控制参数。（一）、过程控制实验对象系统：过程控制实验对象系统包含有：不锈钢储水箱、冷热水交换有机玻璃圆筒型大水箱、上下串接的有机玻璃双容上下小水箱、带有机玻璃冷却水循环夹套的小加温箱（内含800W单相电加热管）、三相4.5KW电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套组成）。系统动力支路分两路组成：一路由单相丹麦格兰富循环水泵、电动调节阀、涡轮流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成；另一路由小流量三相齿轮水泵、变频调速器、小流量电磁流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。（二）、对象系统中的各类检测变送及执行装置：四个扩散硅压力液位传感器分别用来检测大水箱、锅炉内胆、双容上小水箱、下小水箱液位。电磁流量和涡轮流量传感器，分别用来检测三相齿轮泵动力支路流量和单相格兰富水泵动力支路流量。四个Pt100热电阻温度传感器，分别用来检测小加温箱、锅炉内胆、锅炉夹套和换热管出口水温。单相可控移相调压装置一个、三相可控硅移相调压装置一个，电动调节阀一个，三菱变频器一个。（三）、仪表控制台：仪表控制台面板由三部分组成：1、电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。2、仪表面板：1块变频调速器面板、3块AI/818A智能调节仪面板、2块AI/708A智能变送仪面板、1块AI/708H智能流量积算仪组成，各装置外接线端子通过面板上自锁紧插孔引出。其中变频器模块如图所示，变频器型号为三菱FR-S520S-0.4K型变频调速器，具体使用说明、参数设置及操作请详见随附的产品使用手册。A、面板接线端子功能说明：为了保护变频器各接线端子不因实验时经常的装拆线而损坏或丢失，故将其常用的端子引到面板上。1、U1、V1、W1：变频器的三个输出端，（连接三相水泵电动机的接线端U1、V1、W1）。2、控制信号输入：可输入外部05V电压，或420mA电流控制信号。3、STF、STR：电机的正、反转控制端，SD与STF相连为正转，SD与STR相连时为反转。B、本装置变频器使用说明：本装置中使用变频器时，主要有两种输出方式：一种是直接调面板旋钮输出频率，另一种是用外部输入控制信号使变频器输出频率。两种输出方式具体接线方法如下：1、 变频器面板旋钮输出接线方法：SD与STF（或STR）短接，变频器输出端子U1、V1、W1依次接I/O信号接口面板上的三相水泵电动机的U1、V1、W1，打开变频器的电源开关即可输出，三位红色数码管显示当时输出的频率大小。当需要改变输出频率时，旋动面板上的旋钮，顺时针旋可增大输出频率，逆时针旋可减小输出频率。待旋至所需要的频率时，按变频器上白色的SET键，即可完成面板旋钮改变输出频率。2、 变频器外部控制信号控制输出接线方法：SD与STF（或STR）、RH两端都短接，在控制信号输入端接入控制信号（正极、负极应对应，不能接错）打开变频器的电源开关即可输出。通过改变控制信号的大小来改变输出的频率。3、I/O信号接口面板：该面板的作用主要是将各传感器检测及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，再通过航空插头同对象系统连接，便于学生自行连线组成不同的控制系统，进行几十种过程控制实验。（四）、上位监控PC机：JX-300X集散控制系统实训装置成套系统配置一台上位监控PC机，PC机安装有AdvanTrol-Pro实时监控软件实时监控软件和组态软件SCKey，既可作工程师站（ES），也可作操作站（OS）。一套JX-300X集散控制系统可作控制站（CS）。PC机通过网卡同DCS的交换机相连，过程控制网SCnet实现了工程站、操作站、控制站的连接。仪表控制台侧部的42芯航空插座同DCS的端子排相连，过程控制装置的输入、输出信号同DCS的控制站建立联系。学生可在PC机上，通过AdvanTrol-Pro实时监控软件对下位仪表各参数进行设定、修改PID控制参数，并能观察被控参数的实时曲线、历史曲线，SV设定值、PV测量值、OP输出值、各实验都设有动态变化趋势图显示。三、软件部分介绍JX-300X集散控制系统实时监控软件在进行系统实时监控过程中，要反复使用操作工具栏中的按钮，如图7.48所示。（1）系统 单击该按钮，用户将在“系统”对话框中获取实时监控软件版本、版权所有者、拥有本版本软件合法使用权的装置、相应的用户名称，组态文件信息等。（2）口令 实时监控软件启动并处于观察状态时，不能修改任何控制参数。只有通过单击“口令”按钮登录到一定权限的操作人员才能操作。实时监控软件提供32个其他人员（操作权限可任设）进行操作，操作权限分为观察、操作员、工程师和特权4级。（3）报警确认 该按钮只在报警一览画面中有效，用于对监控过程中出现的报警情况进行确认，表明操作者对系统运行状况的知晓和认定。出现报警的时间、位号、描述、类型、优先级、确认时间、消除时间等有关报警的信息，会自动记录在报警一览画面中。（4）消音 当操作者对监控过程出现的报警情况了解后，可以用“消音”按钮关闭当前的报警声音。AdvanTrol具有时钟同步和报警确认功能。（5）快速切换 鼠标左键单击该按钮，可在当前画面中的任意一页之间相互切换。鼠标右键单击，画面可在控制分组、系统总貌、趋势图、流程图、数据一览表中任意一页之间互相切换。（6）查找位号 单击该按钮可列出所有符合指定属性的位号并可选择其一，或用键盘直接输入位号后可显示该位号的实时信息。对于模入、回路和SC语言模拟量位号以调整画面显示，其他位号则以控制分组显示，如图7.49所示。（7）载入组态文件 如需调用新的组态，无需退出AdvanTrol，只要单击该按钮，弹出“载入组态文件”对话框，选择正确的组态文件和操作小组，单击“确定”按钮，新的组态文件即被重新载入。（8）操作记录 记录任何对控制站数据作了改变的操作。例如，手/自动切换、给定阀位的变化、下载组态、系统配置更改等。（9）退出系统 在工程师以上权限（包括工程师）时可退出实时监控软件。注意：退出实时监控软件则意味着本操作站将停止采集控制站的实时控制信息，并且不能对控制站进行监控，但对过程控制和其他操作站无影响。在退出实时监控软件时，要求输入当前操作人员的指定密码（即登录时的口令），输入正确密码后即退出实时监控软件。（10）报警一览画面 报警一览画面是主要监控画面之一，根据组态信息和工艺运行情况动态查找新产生的报警信息，并显示符合显示条件的信息，如图7.50所示。滚动显示最近产生的1000条报警信息，每条报警信息可显示报警时间、位号、描述、动态数据、类型、优先级、确认时间、消除时间；可以根据需要组合报警信息的显示内容，包括：报警时间、描述、动态数据、报警类型、优先级、确认时间、消除时间。在报警信息主画面区内单击鼠标右键，可进一步选择所需或不需选项。报警信息的颜色也表明报警状态。对于模入、回路的报警信息，用鼠标右键双击报警信息，可显示该位号的调整画面。（11）系统总貌画面 系统总貌画面是各个实时监控操作画面的总目录，也是主要监控画面之一，由用户在组态软件中生产，主要用于显示重要的过程信息，或作为索引画面用，可作为相应画面的操作入口，也可以根据需要设计成特殊菜单页，如图7.51所示。每页画面最多显示32块信息，操作组态时可将相关操作的信息放在同一显示画面上。每块信息可以为过程信号点（位号）、标准画面（系统总貌、控制分组、趋势图、流程图、数据一览等）或描述。过程信息点（位号）显示相应的信息、实时数据和状态。如控制回路位号显示描述、位号、反馈值、手/自动状态、报警状态与颜色等。当信息块显示的信息为模入量位号、自定义半浮点位号、回路及标准画面时，单击信息块可进入相应的画面。（12）内部仪表 在操作站画面中，许多位号的信息以模仿常规仪表的界面方式显示，这些仪表称为内部仪表。例如，图7.52所示内部仪表显示的是某单回路控制系统中控制器的控制面板。 在操作人员拥有操作某项数据的权限及该数据可被修改时，才能修改数据。此时数值项为白底，输入数值按回车确认修改；通过操作员键盘的增减键也可以修改数值项；使用鼠标左键可切换按钮，如回路仪表的手动/自动/串级状态；回路仪表的给定（SV）和输出（MV）及仪表的描述状态以滑动杆方式控制，按下鼠标左键（不释放）拖动滑块至修改的位置（数值），释放鼠标左键，按回车确认。单击内部仪表的“jinshui”处，可切换到相应的调整画面。（13）控制分组画面 控制分组画面可根据组态信息和工艺运行情况动态更新每个仪表的参数和状态。如图9.53所示。每页最多可显示8个位号的内部仪表；可修改内部仪表的数据或状态（键盘或鼠标）；用鼠标左键单击模入量位号、自定义半浮点位号、回路按钮的位号部分，则进入该位号的调整画面；通过键盘光标键移动选定的内部仪表，或功能键F1F8选择相应的仪表，然后按调整画面键也可显示该位号的调整画面。（14）趋势图画面 趋势图画面是主要监控画面之一，由用户在组态画面中产生。趋势图画面根据组态信息和工艺运行情况，以一定的时间间隔（组态软件中设定）记录一个数据点，动态更新历史趋势图，并显示时间轴所在时刻的数据（时间轴不会自动随着曲线的移动而移动），如图5.77示。每页最多显示8个位号的趋势曲线，在组态软件中进行操作组态时确定曲线的分组。（15）数据一览画面 数据一览画面根据组态信息和工艺运行情况，动态更新每个位号的实时数据值。每页画面最多显示32个位号，操作组态时确定数据的显示分组。每个位号显示：位号、描述、数据值、单位、报警状态等。双击模入量、自定义半浮点位号、回路数据点可调出相应位号的调整画面。（16）调整画面 调整画面是由实时监控软件根据相关组态信息自动产生的监控画面，以数值、趋势图和内部仪表图显示位号信息。如图7.54示。数值方式显示位号的所有信息，并可修改。显示位号的类型包括模入、自定义半浮点量、手操器、自定义回路、单回路、串级回路、前馈控制回路、串级前馈控制回路、比值控制回路、串级变比值控制回路、采样控制回路。显示最近132分钟的趋势，显示时间范围（1、2、4、8、16、32分）可改变；鼠标拖动时间轴可显示某一时刻的曲线数值。（17）流程图画面 流程图画面是工艺过程在实时监控画面上的仿真，是主要的监控画面之一。流程图画面根据组态信息和工艺运行情况，在实时监控过程中动态更新各个动态对象（如数据点、图形、趋势图等），因此大部分的过程监视和控制操作都可以在流程图画面上完成。图7.55显示了某工艺流程的监控画面。流程图可显示静态图形和动态参数（动态数据、开关、趋势图、动态液位）。单击动态参数和开关图形，可在流程图画面上弹出该信号点相应的内部仪表。在动态数据上单击鼠标右键，可进行多仪表操作，一张流程图上可同时观察最多5个内部仪表的状态。（18）故障诊断画面 故障诊断可对控制站的硬件和软件运行情况进行远程诊断，及时、准确地掌握控制站运行状况。实施步骤（1）系统按步骤安全上电后，双击桌面上实时监控软件的快捷图标，启动实时监控软件。输入或选择登录的文件名，并对登录权限和操作小组进行设置后，单击“确定”，进入实时监控软件的初始画面。（2）在打开的实时监控画面中，找到标题栏、操作工具栏、报警信息栏、综合信息栏及主画面区。单击操作工具栏上的相关按钮，熟悉按钮的功能及主画面区的变化和结构。（3）打开总貌画面，浏览总貌画面中显示的信息块，选择其中的模入量位号和控制回路，单击信息块进入相应调整画面进行观察。（4）对回路控制的调整画面，可小范围调整PID控制器的P、TI、TD参数，观察过程曲线的变化情况，以加深控制器参数的变化对对象动态过程影响的认识和理解。（5）对控制回路进行手动/自动切换，观察执行器的动作情况有哪些变化？（6）打开流程图画面，观察整个工艺的运行情况和其中的动态参数的变化，体会在进行操作组态时，设置动态参数的必要性与重要性。单击某动态参数，观察所弹出的内部仪表的组成和所显示的信息。（7）打开故障诊断画面，观察目前集散系统的控制站及通信状态是否正常。（8）退出实时监控。第二部分 实验项目部分基于DCS的 THJ-2型过程控制实验目录一电动调节阀控制阀门开度：实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验一、实验目的(1) 熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。(2) 根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。二、实验设备(1) THJ-2型高级过程控制系统实验装置(2) 计算机、实时监控软件、网线1根、万用表。 三、系统结构框图单容水箱控制系统结构图如图1(A)-1所示：图2-1、 单容大水箱控制系统结构图四、实验原理阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。 设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： 式中，T为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R2*C，K=R2为过程的放大倍数，R2为V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。令输入流量Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位的高度为：对上式取拉氏反变换,得h(t)=KR0(1-e-t/T) （1-1） 当t时，h（）=KR0，因而有K=h（）/R0=输出稳态值/阶跃输入当t=T时，则有h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h() 式（1-1）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1(A)-2所示。当由实验求得图1(A)2-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常图1(A)-2、 阶跃响应曲线数T.该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点 所对应的时间就是时间常数T，其理论依据是： 上式表示h（t）若以在原点时的速度h（）/T 恒速变化，即只要花T秒时间就可达到稳态值h（）。四、实验内容和步骤1、设备的连接和检查：(1) 关闭阀1，将THJ-2 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。(2) 打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的进水阀门：阀24、阀20、阀23，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门:阀22、阀8、阀9、阀11。(3) 打开上水箱的出水阀：阀15至适当开度。(4) 检查电源开关是否关闭2、系统连线(1) 将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到OFF位置。(2) 单相水泵电动机的1L端接TKJ-2电源控制屏上对应的单相（220V/5A）的1L端（或单相（220V/5A）的2L端），将1N端接至单相（220V/5A）的1N端（或单相（220V/5A）的2N端）。(3) 电动调节阀的220输入的L端接单相 （220V/5A）的3L端，N端接单相（220V/5A）的3N端 。(4) 三相电源、单相、单相、单相的空气开关打在关的位置3、启动实验装置(1) 将实验装置电源插头接到三相380V的三相交流电源。(2) 打开电源三相带漏电保护空气开关和总电源钥匙开关。(3) 按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源，电压表指示380V。4、实验步骤(1) 开启单相空气开关，根据仪表使用说明书和液位传感器使用说明调整好仪表各项参数和液位传感器的零位、增益，仪表输出方式设为手动输出，初始值为0。(2) 启动计算机实时监控软件，进入实验系统相应的实验。(3) 在仪表手动状态下，按住仪表的STOP键将仪表的输出值上升到一定的值，这个值根据阀门开度的大小来给定。开启单相（或）空气开关，启动动力支路。将被控参数液位高度控制在30%处（一般为10cm）。(4) 观察系统的被调量水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录调节仪输出值， 以及水箱水位的高度h1和智能仪表的测量显示值并填入下表。仪表输出值水箱水位高度h1仪表显示值0100cmcm(5) 迅速增加仪表手动输出值，增加10%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，均可在上位软件上获得，以此数据绘制变化曲线。t（秒）水箱水位h1(cm)仪表读数(cm)(6) 直到进入新的平衡状态。再次记录平衡时的下列数据，并填入下表：仪表输出值水箱水位高度h1仪表显示值0100cmcm(7) 将仪表输出值调回到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。填入下表：t（秒）水箱水位h1(cm)仪表读数(cm)(8) 重复上述实验步骤。五、实验报告要求(1) 绘制一阶环节的阶跃响应曲线。(2) 根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。 六、注意事项(1) 做本实验过程中，阀15不得任意改变开度大小。(2) 阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。一般阶跃信号取正常输入信号的5%15%。(3) 在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。七、思考题(1) 在做本实验时，为什么不能任意变化出水口阀15的开度大小？(2) 用两点法和用切线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点? 实验二、一阶单容大水箱对象特性测试实验同上。实验三、锅炉液位对象特性测试实验同上。实验四、二阶双容中水箱对象特性测试实验一、实验目的(1) 熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。(2) 根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的飞升特性。二、实验设备(1)、THJ-2型高级过程控制系统实验装置(2) 计算机、实时监控软件、网线1根、万用表。三、原理说明 图1(B)-1 双容水箱液位控制系统结构图如图1(B)-1所示：这是由两个一阶非周期惯性环节串联组成，被调量是下水箱的液位h2。当输入量有一个阶跃增量Q1时，被调量变化的反应曲线如图1(B)-2所示的h2曲线。这是呈S形的一条曲线。由于多了一个容器,从而使调节对象的飞升特性在时间上更加滞后。在图中S形曲线的拐点P上作切线，它在时间轴上截出一段时间OA。这段时间近似地描述由于多了一个容量而使响应过程向后延迟的量，因此称容量滞后，通常以C表示。设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度h2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：式中 K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分别为阀V2和V3的液阻，C1 和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。式中的K、T1和T2是从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。具体的做法是在图1(B)-3所示的阶跃响应曲线上求取：(1) h2（t）稳态值的渐近线h2()；(2) h2（t）|t=t1=0.4 h2()时曲线上的点A和对应的时间t1；(3) h2（t）|t=t2=0.8 h2()时曲线上的点B和对应的时间t2。 图3-2 双容液位阶跃响应曲线然后，利用下面的近似公式计算式 3-1中的参数K、T1和T2。其中： 图对于式（3-1）所示的二阶过程，应满足0.32t1/t20.46。 1(B)-3、阶跃响应曲线四、实验步骤1、设备的连接和检查：(1) 关闭阀1，将储水箱灌满水（至最高高度）。(2) 开通以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计以及上小水箱出水阀24、阀8所组成的水路系统;关闭通往其他对象的切换阀22、阀20、阀9、阀11。(3) 打开上小水箱的出水阀7；并将下小水箱的出水阀6开至适当开度。(4) 检查电源开关是否关闭。2、系统连线(1) 将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到OFF位置。(2) 将I/O信号接口板上的下水箱液位的钮子开关打到OFF位置。(3) 单相水泵电动机的1L端接TKJ-2电源控制屏上对应的单相（220V/5A）的1L端（或单相（220V/5A）的2L端），将1N端接至单相（220V/5A）的1N端（或单相（220V/5A）的2N端）。(4) 电动调节阀的220输入的L端接单相 （220V/5A）的3L端，N端接单相 （220V/5A）的3N端 。(6) 三相电源、单相、单相、单相的空气开关打在关的位置3、启动实验装置(1) 将实验装置电源插头接到三相380V的三相交流电源。(2) 打开电源三相带漏电保护空气开关和总电源钥匙开关。(3) 按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源，电压表指示380V。4、实验步骤(1) 开启单相空气开关，下小水箱液位传感器输出信号为05V电压信号，调整好仪表输入规格参数与其他各项参数，开始校准液位传感器的零位和增益，仪表输出方式设为手动输出，初始值为0。(2) 启动计算机实时监控软件，进入实验系统相应的实验。(3) 开启单相空气开关，启动动力支路，手动将仪表的输出值迅速上升到适当的值，将被控参数液位高度控制在30%处（一般为20cm）。(4) 观察系统的被调量水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录调节仪输出值， 以及水箱水位的高度h2和智能仪表的测量显示值并填入下表。仪表输出值水箱水位高度h2仪表显示值0100cmcm(5) 迅速增加仪表手动输出值，增加10%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，均可在上位软件上获得各项参数和数据，并绘制过程的变化曲线。t（秒）水箱水位h2(cm)仪表读数(cm)(6) 当进入新的平衡状态,再次记录测量数据，并填入下表：仪表输出值水箱水位高度h2仪表显示值0100cmcm(7) 将仪表输出值调回到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。填入下表：t（秒）水箱水位h2(cm)仪表读数(cm)(8) 重复上述实验步骤。五、注意事项(1) 做本实验过程中，阀V2不得任意改变开度大小。(2) 阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。一般阶跃信号取正常输入信号的5%15%。(3) 在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。六、实验报告要求(1) 绘制二阶环节的阶跃响应曲线。(2) 根据实验原理中所述的方法，求出二阶环节的相关参数。(3) 试比较二阶环节和一阶环节的不同之处。 七、思考题(1) 在做本实验时，为什么不能任意变化阀6的开度大小？(2) 用两点法和用切线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点？ 实验五、单容上水箱液位PID整定实验一、实验目的(1) 通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。(2) 分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。(3) 定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。二、实验设备(1) THJ-2型过程控制实验装置(2) 计算机、实时监控软件、网线1根、万用表。三、实验原理系统结构示意图：液位扰动给定+上水箱电动调节阀PID控制器液位变送器 图2-1、 单容上水箱控制系统方框图图2-1为单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来控制一个被控制量，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只能控制一个执行机构。本系统的被控制量是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。本实验采用的调节器为DCS。众所周知,系统控制质量的好坏与调节器的结构和参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以导致满意的控制效果。反之，控制器的结构和参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，甚至不能正常工作。因此，当一个单回路系统组成后，系统的投运和参数的整定是十分重要的工作。 图2-2、 单容上水箱控制系统结构一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数、Ti设置合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃信号作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2-3中的曲线、所示。 图2-3、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线四、实验内容和步骤1、设备的连接和检查：(1) 将THJ-2 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。(2) 打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至大水箱的进水阀门：阀24、阀20、阀23，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门:阀22、阀21、阀8、阀9、阀11。(3) 打开上水箱的出水阀：阀15至适当开度。(4) 检查电源开关是否关闭2、系统连线(1) 将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到OFF位置。(2) 单相水泵电动机的1L端接TKJ-2电源控制屏上对应的单相（220V/5A）的1L端（或单相（220V/5A）的2L端），将1N端接至单相（220V/5A）的1N端（或单相（220V/5A）的2N端）。(3) 电动调节阀的220输入的L端接单相 （220V/5A）的3L端，N端接单相 （220V/5A）的3N端 。(4) 智能调节仪的220V输入的L端（即9端）和N端（即10端）也分别接单相 （220V/5A）的3L端和3N端。(5) 三相电源、单相、单相、单相的空气开关打在关的位置3、启动实验装置(1) 将实验装置电源插头接到三相380V的三相交流电源。(2) 打开电源三相带漏电保护空气开关和总电源钥匙开关。(3) 按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源，电压表指示380V。(4) 开启单相空气开关，调整好仪表各项参数（仪表初始状态为手动且为0）和液位传感器的零位。（一）比例调节控制 启动计算机DCS实时监控软件，进入实时监控画面。点击工具栏上流程图按钮，从”DCS的 THJ-2型过程控制实验目录一”中选择实验五，点击“选择本实验” 按钮。 点击“液位控制”下方数字（文本框），弹出“显示仪表（回路）”窗口，启动DCS内部仪表，设置各项参数，同时把比例度设到适当的值，积分时间和微分时间均设为0，将调节器置于手动零，启动动力支路。然后在仪表手动状态下），改变MV值，使阀位输出上升到一定的值。 打开所有单相空气开关，开始实验。 观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，即可将调节器的“手动”开关拨到“自动”状态。系统即投入闭环运行。 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。