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A3000高级过程控制系统实验指导书V

来源：六九路网

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HUATEC

A3000过程控制实验系统

实验指导书

V3.0

北京华晟高科教学仪器有限公司编制

第一章安全注意事项与设备使用 ........................................................................ - 1 -

1.1防止触电 ........................................................................................................................ - 1 - 1.2防止烫伤 ........................................................................................................................ - 2 - 1.3防止损坏 ........................................................................................................................ - 2 - 1.4现场系统组成 ................................................................................................................ - 2 - 1.5控制系统组成 ................................................................................................................ - 2 - 第二章计算机测控系统实验 ................................................................................ - 5 -

实验1 实验系统认知 ......................................................................................................... - 5 - 实验2 ADAM4000模块的通讯和使用 ........................................................................... - 10 - 实验3 组态软件编程和数据获取 ................................................................................... - 18 - 实验4 PLC系统通讯和使用 ........................................................................................... - 21 - 实验5 PLC Step7编程 .................................................................................................. - 28 - 实验6 现场总线技术与DCS实验 ................................................................................. - 33 - 第三章工艺设备和仪器仪表实验 ...................................................................... - 41 -

实验1 温度、压力、液位和流量测量实验 ................................................................... - 41 - 实验2 水泵负载特性测量实验 ....................................................................................... - 45 - 实验3 管道压力和流量耦合特性测量实验 ................................................................... - 47 - 实验4 电动调节阀特性测量实验 ................................................................................... - 50 - 实验5 调压器特性测量实验 ........................................................................................... - 53 - 实验6 变频器水泵控制特性测量实验 ........................................................................... - 55 - 第四章工业系统对象特性的测定研究 .............................................................. - 59 -

实验1 单容水箱液位数学模型的测定实验 ................................................................... - 59 - 实验2 双容水箱液位数学模型的测定实验 ................................................................... - 62 - 实验3 非线性容积水箱液位数学模型的测定实验 ....................................................... - - 实验4 测定不同阻力下单容水箱液位数学模型实验 ................................................... - 67 - 实验5 锅炉与加热器对象数学模型实验 ....................................................................... - 69 - 实验6 滞后管数学模型实验 ........................................................................................... - 72 - 实验7 换热机组数学模型实验 ....................................................................................... - 75 - 第五章简单设计型控制实验 .............................................................................. - 79 -

实验1 单闭环流量控制实验 ........................................................................................... - 79 - 实验2 单容水箱液位定值控制实验 ............................................................................... - 82 - 实验3 双容水箱液位定值控制实验 ............................................................................... - 88 - 实验4 三容水箱液位定值控制实验 ............................................................................... - 91 - 实验5 锅炉水温定值位式控制实验 ............................................................................... - 94 - 实验6 锅炉水温定值控制实验 ....................................................................................... - 98 - 实验7 换热器水温单回路控制实验 ............................................................................. - 101 - 实验8 联锁控制系统实验 ............................................................................................. - 104 - 实验9 单闭环压力控制实验 ......................................................................................... - 107 - 第六章复杂设计型控制系统 ............................................................................ - 110 -

实验1下水箱液位和进口流量串级控制实验 .............................................................. - 110 - 实验2 闭环双水箱液位串级控制实验 ......................................................................... - 119 - 实验3 换热器热水出口温度和冷水流量串级控制实验 ............................................. - 123 - 实验4 单闭环流量比值控制系统实验 ......................................................................... - 127 - 实验5 下水箱液位前馈反馈控制系统实验 ................................................................. - 129 - 实验6 锅炉温度和换热器前馈反馈控制系统实验 ..................................................... - 133 - 实验7 管道压力和流量解耦控制系统实验 ................................................................. - 136 - 实验8 换热器出口温度与流量解耦控制系统实验 ..................................................... - 140 -

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第七章创新型设计与研究 ................................................................................ - 144 -

实验1 大延迟系统补偿控制的研究 ............................................................................. - 144 - 实验2 单神经元自适应PID算法的研究 .................................................................... - 147 - 实验3 模糊控制算法的研究 ......................................................................................... - 1 - 实验4 现场总线系统控制研究 ..................................................................................... - 156 - 第八章工程应用型设计 .................................................................................... - 1 -

实验1 工业项目设计 ..................................................................................................... - 1 - 实验2 报警系统设计 ..................................................................................................... - 168 - 实验3 关键事件处理和记录设计 ................................................................................. - 175 - 实验4 系统趋势和历史存储设计 ................................................................................. - 178 - 实验5 系统登录和安全性设计 ..................................................................................... - 180 - 实验6 网络化控制系统的研究 ..................................................................................... - 185 -

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第一章安全注意事项与设备使用

安全注意事项：

在安装、操作、维护或检查本系统之前．一定仔细阅读以下安全注意事项。在熟悉设备的知识、安全信息及全部有关注意事项以后使用。在本使用说明书中，将安全注意事项等级分为“危险”和“注意”。

！危险：不正确的操作造成的危险情况，将导致死亡或重伤的发生。！注意：不正确的操作造成的危险情况，将导致一般或轻微的伤害或造成物体的硬件损坏。

注意：根据情况的不同，“注意”等级的事项也可能造成严重后果。请遵循两个等级的注意事项，因为它们对于个人安全都是重要的。

1.1防止触电

尽管系统经过多层保护，还是请用户注意以下安全事项。！危险

严格要求系统可靠接地，包括现场对象系统，控制系统，接地电阻不大于4欧姆。

当通电或正在运行时，请不要进行任何维护、维修操作，不要打开机柜后门，接线箱盖子，变频器前盖板，否则会发生触电的危险。

即使电源处于断开时，除维护、维修外，请不要接触任何具有超过安全电压的裸露端子，否则接触各种充电回路可能造成触电事故。

请不要用湿手操作设定各种旋钮及按键，以防止触电。

对于电缆，请不要损伤它，不要对它加过重的应力，使它承载重物或对它钳压。否则可能会导致触电。

包括布线或检查在内的工作都应由专业技术人员进行。

在开始布线或维修之前，请断开电源，经过10分钟以后，用万用表等检测剩余电压后进行。

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1.2防止烫伤

！危险

不要接触热水管道，避免高温烫伤。在热水没有冷却时，不要打开锅炉，不要进行任何维修维护工作。

！注意

请尽量控制水温在70度以下，以免高温烫伤，提高产品寿命。

1.3防止损坏

！危险

在水泵运行状态，绝对禁止进行水泵切换控制操作，否则可能损坏变频器。！危险

在水箱水位没有达到一定高度，不能启动调压器输出，否则可能损坏加热器。该系统增加了硬件的连锁保护，但是也要在操作时注意。

！注意

系统应远离可燃物体。系统发生故障时，请断开电源。否则系统可能因电流过大导致火灾。

各个端子上加的电压只能是使用手册上所规定的电压，以防止爆裂、损坏等等。

确认电缆与正确的端子相连接，否则，可能会发生爆裂、损坏等等事故。始终应保证正负极性的正确，以防止爆裂、损坏等。

1.4现场系统组成

A3000现场系统(A3000-FS和A3000-FBS)包括三水箱，一个锅炉，一个强制换热器，两个水泵，两个流量计，一个电动调节阀。其他还包括加热管，大水箱。图见1-1。

1.5控制系统组成

A3000控制系统(A3000-CS)包括了传感器执行器I/O连接板、三个可换的子控制系统板，第三方控制系统接口板。

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标准机柜传感、执行器连接板 5# 锅炉 2# 水箱换热器 3# 水箱滞后管 4# 水箱 1# 储水箱图1-1 系统结构图控制系统结构举例常规仪表，DDC，或PLC RS485到以太网网络接入设备第一控制系统第二控制系统实验接口第三控制系统过程级网关系统管理级图1-2 控制系统结构

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整个部分设计在一个工业机柜中，开放性极强。一个前门，保证了设备防尘、散热等需要。

内部结构设计合理，布线完全按照工业要求，整齐、可靠。

系统结构如图所示。左边是机柜布置简图，右边是各个控制系统的半模拟屏简图。

控制系统结构图1-2：内部包括一个接线盒，两块安装板。

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第二章计算机测控系统实验

本章为后续实验打下基础。内容包括实验系统认知，认识各种工业设备，仪器仪表，以及不同的控制系统。

开始学习控制系统软件编程，以及上位机组态软件编程。

实验1 实验系统认知

一、实验目的

1、了解实验装置结构和组成。 2、了解信号的传输方式和路径。 3、掌握实验装置的基本操作。 4、了解DDC控制系统的使用二、实验设备

A3000-FS常规现场系统、万用表，AS3020 DDC控制系统。三、实验原理与介绍

A3000高级过程控制实验系创现场系统概念，而不是对象系统。现场系统包括了实验对象单元、供电系统、传感器、执行器(包括电动调节阀、变频器及调压器)、以及半模拟屏，从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整、的现场环境。

1、A3000特点

(1)现场系统通过一个现场控制箱，集成供电系统、变频器、移相调压器、以及现场继电器，所有驱动电力由现场系统提供。它仅需通过标准接线端子接收标准控制信号即能完成所有实验功能。从而实现了现场系统与控制系统完全的模块化设计。

(2)现场控制箱侧面是工业标准接线端子盒。这种标准信号接口可以使现场系统与用户自行选定的DCS系统、PLC系统、DDC系统方便连接，甚至用户自己用单片机组成的系统都可以对现场系统进行控制。

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(3)现场系统的设计另外的优势是保证动力线与控制线的电磁干扰隔离。 (4)现场系统的设计保证了控制系统只需要直流低压就可以了，使得系统设计更模块化，更安全、具有更大的扩展性。

A3000-FS系统结构原理图如图2-1所示。

图2-1 A3000现场系统结构图

现场系统包括三个水箱，一个大储水箱，一个锅炉，一个工业用板式换热器，两个水泵，大功率加热管，滞后时间可以调整的滞后系统，一个硬件联锁保护系统。传感器和执行器系统包括5个温度、3个液位、1个压力，1个电磁流量计，1个涡轮流量计，1个电动调节阀，两个电磁阀，2个液位开关。

2、现场系统面板左侧设置：

Ø 电源：220V AC单相电源开关，380V AC三相电源开关。

Ø 开关：三个旋钮开关，分别是1#、2#工频电源开关，以及变频器控制水泵的开关。可以拔出上面水泵的电力连线，连接到不同的位置，从而更改各个水泵的电力来源。可以是工频，也可以是变频器。如果用户不需要变频调速，则建议全部使用工频控制。按照设计，使用变频器控制的水泵，其面板对应的指示灯可能不工作，因为变频器可能输出0-50Hz，而继电器不能工作。

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Ø 两个拨动开关，分别是现场系统照明用电源开关，以及变频器STF(正转)控制开关。注意在机柜上还有并联的一个STF控制端，如果要设置工作模式，请断开该控制端。为了避免控制逻辑太复杂，我们一般不连接机柜上的这个开关。

Ø 电压表：显示加在调压器上的电压值。

Ø 变频器：对于A3000FBS系统，则具有Profibus DP控制端子。面板右侧是现场系统的模拟屏，安装有5个指示灯和滞后管系统的两手动调节阀。当两个水泵、两个电磁阀开启时，其状态指示灯分别点亮。当锅炉内水位超过低限液位开关时，液位开关闭合，联锁控制指示灯点亮，可以开始对锅炉加热。

3、支路分析

现场系统包含两个支路。支路1有1#水泵，换热器，锅炉，还可以直接注水到三个水箱以及锅炉。支路2有2#水泵，压力变送器，电动调节阀，三个水箱，还有一路流入换热器进行冷却。

(1)支路1分析

支路1包括左边水泵，1#流量计，电磁阀等组成，可以到达任何一个容器，锅炉以及换热器。水泵可以使用变频器控制流量，电磁阀可能没有。

由于支路1可以与锅炉形成循环水，可以做温度控制实验。为了保证加热均匀，应该使用动态水，本系统设计了一个水循环回路来达成此目的。即打开JV304、JV106、XV101，关闭其它阀门(注意JV104)，开启1#水泵，则锅炉内的水通过1#水泵循环起来。

锅炉内有高、低限两个液位开关，可以进行联锁保护。当锅炉内液位低于低限液位开关时，液位开关打开，加热器无法开启。当液位超过它时，液位开关合上，加热器信号连通，因此可以防止加热器干烧。

高限液位开关有两个作用：第一，当锅炉内水温超过温度上限时，通过联锁控制，打开2#电磁阀，注入冷水，使锅炉内温度快速下降；第二，当锅炉内水量超过液位上限时，高限液位开关闭合，通过联锁控制，关闭2#电磁阀，不再注入冷水。

支路1上有一个工业用板式换热器，其冷、热水出口各有一个温度传感器，可以做热量转换实验。

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锅炉底部连接有滞后管系统。打开JV501、JV502，关闭JV503，锅炉内的水只流过第一段滞后管，进入储水箱。打开JV503，关闭JV502，水流过两段滞后管，即增加了滞后时间。在滞后管出口装有一个温度传感器，可以做温度滞后实验。

(2)支路2分析

支路2包括右边的水泵，2# 流量计，压力变送器，电动调节阀。可以到达任何一个容器，锅炉以及换热器。水泵可以使用变频器控制流量，也可以使用电动调节阀，对于小流量使用调节阀比较准确，对于要求快速控制的，则使用变频器比较方便。

支路2有一个电动调节阀，配合三个水箱(各装一个压力变送器)，可以做单容、双容、三容实验，以及液位串级实验、换热器温度串级实验，以及换热器解耦控制实验。水箱装有压力变送器，测得水箱的压力信号，之后转换为液位信号。

对于单容实验，我们配有一块反正切闸板、一个截面呈三角形的柱体。反正切闸板替换矩形闸板，用于不同阻力下液位数学模型的测定实验。三角形柱体放入水箱中，可以做非线性容积实验，以及单容水箱容积改变的液位数学模型测定实验。

对于流量控制实验，我们可以选择支路2，用电动调节阀作为执行器。同时启动两个支路的水泵，可以做比值控制实验：将支路1流量固定(用涡轮流量计测量流量值)，设定一个比值系数，用PID控制支路2的流量与支路1成比例。

对于较复杂的前馈-反馈控制实验，设计使用两个支路的多个设备来完成。以换热器温度－流量前馈反馈实验为例，设备包括：锅炉、换热器、两个水泵、调节阀、涡轮流量计、电磁流量计。前馈控制部分，通过测量换热器热水入口温度及流量，控制调节阀开度，实现冷水流量控制；反馈控制部分，通过测量换热器热水出口温度，控制调节阀开度，实现冷水流量控制。四、实验要求

1、了解整个现场系统的结构。

2、学会进行液位实验时整个系统操作。 3、学会进行温度实验时整个系统操作。

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4、学习控制系统的IO连线。五、实验内容与步骤

1、设备组装与检查

(1)将A3000-FS现场系统的大储水箱灌满水(至最高高度)。

(2)打开1# 电磁阀，阀门JV104，JV103，其他阀门关闭，特别是JV304要关闭。左边水泵和涡轮流量计组成的动力支路至下水箱，下水箱的出水闸板。

2、系统连线

(1)将I/O信号接口板上下水箱液位变送器信号连接到DDC控制系统的模拟量输入端AI0。

(2)24V输出”+”接到1#电磁阀的左端，直接打开电磁阀。 3、启动实验装置

(1)将实验装置电源插头接到单相交流电源。

(2)打开现场系统电源漏电保护空气开关。此时1#电磁阀已经动作。否则检查线路。

(3)打开控制机柜电源漏电保护空气开关，指示灯亮起。

(4)打开AS3020 DDC控制子系统电源，各个ADAM4000模块指示灯亮起。 4、打开水泵，看整个液位实验回路工作是否正常。请老师打开ADAM_Utility进行直接的操作，演示一个液位测量过程。

5、关闭水泵，打开1#电磁阀，阀门JV104，JV106，其他阀门关闭，特别是JV103和JV305要关闭。左边水泵和涡轮流量计组成的动力支路至锅炉。

6、打开水泵，开始向锅炉注水。观察什么时候联锁指示灯亮起。表示水已经超过加热管高度。再上升一定高度后，关闭水泵。

7、把DDC控制系统的AO0端子连接到调压模块的输入端子上。打开ADAM_Utility进行直接的操作，直接从AO0输出10-20毫安信号，观察输出电压是否改变。一定时间后，观察锅炉上的水温表是否上升。

8、关闭阀门JV104，打开JV304，开启水泵，从而形成循环水，观察温度表的变化。

9、实验结束后，关闭阀门JV304，打开JV104，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。

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六、思考问题

如果要通过调节阀控制液位，请描述开关那些阀门，启动那些信号。分析为什么加热时最好让水循环起来。七、实验结果提交

1、绘制一个通过支路1到下水箱，进行液位实验的系统通道图。 2、绘制一个通过支路1到锅炉，进行液位实验的系统通道图。

实验2 ADAM4000模块的通讯和使用

一、实验目的

1、基本了解数据采集AI，数据输出AO，DI, DO概念。 2、了解RS485通讯所需要的设置内容。 3、学习各种标准信号的不同接法二、实验设备

A3000-FS常规现场系统，AS3020 DDC控制系统，万用电表可选。三、实验原理与介绍

研华是将PC技术引入自动化市场的领先厂商之一，特别是ADAM-4000系列远程DA&C系统已被广泛应用于各种工业应用。ADAM-4000系列提供两类产品：通信和I/O，通信模块提供各种借口，包括以太网、串行、光纤和无线端口等；I/O模块在主机PC和现场信号之间提供完整的信号调理和通信解决方案，例如模拟量I/O、数字量I/O和计数器。

AS3020子系统包括研华的ADAM4017、ADAM4024、ADAM4050三个I/O模块。该系统由24V直流电驱动，通过RS485转换网络的网关ADAM457/4570到以太网，再将数据传到上位机。

下面介绍一下各个模块： 1、ADAM4017

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ADAM4017是一个16位，8通道模拟量输入模块，它对每个通道输入量程提供多种范围，可以自行选择设定。这个模块用于工业测量和监测，其性价比很高。通过光隔离输入方式对输入信号与模块之间提供3000V DC隔离，而且具有过压保护功能。其结构图2-2所示。

图2-2 ADAM4017模拟量输入模块

ADAM4017提供信号输入，A/D转换，RS485数据通讯功能。使用一个16位微处理器控制的A/D转换器将传感器的电压或电流信号转换成数字量数据，然后转换为工程单位量。当上位机采集数据时，该模块就通过RS-485数据线传送到上位机。

输入信号：

 电压输入：±150 mV，±500 mV，±1V，±5V，±10 V

 电流输入：±20 mA，需要串接一个125Ω精密电阻。一般只有250欧姆

的精密电阻，则两个可以并联在一起。 ADAM4017应用连线图，如图2-3和图2-4所示。

图2-3 ADAM4017差分输入通道0～5

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图2-4 ADAM4017单端输入通道6～7

2、ADAM4024

ADAM4024是一个4通道模拟量输出混合模块。在某些情况下，需要多路模拟量输出来完成特殊的功能，但是却没有足够的模拟量输出通道。而ADAM4024正是为了解决这一问题而设计的，它包括了4通道模拟量输出，以及4通道数字量隔离输入。这4路数字量通道作为紧急联锁控制输入。

ADAM4024的4路模拟量输出通道支持同时工作在不同的输出范围，例如4～20mA与±10V。ADAM4024允许初始值代替默认值，用户很容易对模块进行设置。

ADAM4024技术规范：  输出类型：mA，V

 输出范围：0～20 mA，4～20 mA，±10V  隔离电压：3000V DC  负载：0～500Ω(有源)  隔离的数字量输入：

 逻辑“0”：＋1V max  逻辑“1”：＋10～30V DC 3、ADAM4050

ADAM4050有7通道数字量输入，8通道数字量输出。它的输出可以由上位机给定，并且可以控制固态继电器以达到对加热、水泵、电力设备的控制。上位机能通过它的数字量输入来确定状态、安全开关，以及远距离数字量信号。

其示意图如图2-5：

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图2-5 ADAM4050数字量输入/出模块

数字量输入：  逻辑“0”：1Vmax  逻辑“1”：+3.5V~+30V

ADAM4050输入连接如图2-6和2-7所示。

图2-6 ADAM4050TEL输入

图2-7 ADAM4050开集电极输入

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我们所提供液位开关信号都是不带电的干节点信号，如果带电就是湿节点了。注意如果使用了光电隔离输入，那么就需要湿节点，从而为隔离发光管提供电源。

数字量输出：

开集电极30V，负载30mA max

一般机械继电器初始驱动电流比较大，所以不要直接使用该输出驱动继电器，我们提供了一个驱动板，增加电流驱动能力，并增加了保护续流二极管。电路连接如图2-8所示。

图2-8 ADAM4050驱动电路

ADAM4050 DO0 ULA2003 驱动 24V 继电器线圈数字量实验接线：高限液位开关左端接到控制系统的DI0，DO0接到2#电磁阀左端。

4、ADAM4571/4570

ADAM4571/4570相当于一个透明网关，起到将现场检测到的数据通过以太网传送到上位机，且可以实现多机访问。

ADAM4571/4570由24V直流供电，通过EDG Comport可配置。首先要对其进行设置，用Configuration Utility可扫描到4571/4570，在Device Properties中可查看到设备名。如图2-9所示。

图2-9 Configuration Utility配置

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设置其IP地址与上位机处于同一网络段。如图2-10所示。

图2-10 ADAM4571/4570 IP地址设置

选择串口参数：COM1, RS485,波特率为9600bps，无校验位，数据8位，停止位1，如图2-11所示。

图2-11 ADAM4571/4570串行口模式设置

在Security中设置任意IP访问。每一项设置好之后：确定->应用，所有项设好后Reset，如图2-12所示。

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图2-12 ADAM4571/4570安全项设置

在DOS环境中PING 4571/4570的IP，可以验证系统是否设置好了IP。进入Port Mapping Utility对上位机使用串口进行设置。选中Unused Ports，之后选择Device，IP，Port1，无密码，然后点ADD。如图2-13所示。

图2-13 EDG COMPort Mapping Utility设置

我们的默认配置为串口3。

在Ports On My Computer 中选择4571/4570 Ports，确定设置好点击Apply，Exit，重启计算机。然后通过ADAM4000 Utility可扫描到虚拟的串口。

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四、实验要求

1、学会配置ADAM4571。

2、学会使用ADAM UTINITY程序。

3、学会使用ADAM UTINITY程序获取温度，液位信号。 4、学会使用ADAM UTINITY程序控制电动调节阀。五、实验内容与步骤

1、将I/O信号接口板上下水箱液位变送器信号连接到DDC控制系统的模拟量输入端AI0。把DDC控制系统的AO0端子连接到调节阀的输入端子上。

2、打开1#电磁阀，阀门JV104，JV106，其他阀门关闭，特别是JV103和JV305要关闭。左边水泵和涡轮流量计组成的动力支路至锅炉。

3、打开水泵，开始向下水箱注水。 4、系统上电，具体步骤参考实验1。

5、计算机上运行Configuration Utility，搜索到ADAM4571或ADAM4570，然后按照介绍进行配置。并使用PING的方法验证。使用PORT MAPPING工具进行虚拟串行通讯口的设置。

6、打开调节阀电源，电磁流量计电源，开启水泵右边水泵。

7、ADAM_Utility进行直接的操作，选中直接从ADAM4024的通道1输出10-20毫安信号，观察电磁流量计纪录的流量是否变化，可以从调节阀的阀柱可以看到是否拔起。

关小下水箱闸板，使得下水箱液位逐步升高，在ADAM_Utility中观察ADAM4017通道1，看得到的电流是否逐步升高，可以进行简单的计算，获得高度h=25cm*(电流-4)/16。

8、实验结束后，关闭阀门JV304，打开JV104，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题

分析使用ADAM4017测量电流时需要串联电阻。

如果一个执行机构是0-10控制的，请问ADAM4024如何设置，需要增加什么电路。

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七、实验结果提交

不需要提交，但是需要老师检查系统是否配置正确。

实验3 组态软件编程和数据获取

一、实验目的

1、了解一般组态软件的设计架构。

2、学习组态软件，为后续数据获取打下基础。二、实验设备

组态王组态软件，计算机，A3000-FS常规现场系统，AS3020 DDC控制系统。万用电表可选。三、实验原理与介绍

北京亚控公司是一个自动化软件平台服务商，其拳头产品组态王6.5具有很好的软件易用性、稳定性，并不断改善和新增功能，使得该产品在工业领域中获得了大量的应用。成为国内流行的HMI软件系统。

组态王系统要求

 硬件：奔腾PIII 500以上IBM PC 或兼容机

 操作系统：Win2000/WinNT4.0(补丁6)/Win XP简体中文版。

国内流行的或者国外的HMI软件基本功能和操作是一样的。下面以组态王为例简单介绍。

1、认识组态王程序组成员

安装完“组态王”之后，在系统“开始”菜单“程序”中生成名称为“组态王6.5”的程序组。该程序组中包括三个文件夹和四个文件的快捷方式，内容如下：

 组态王6.5：组态王工程管理器程序(ProjManager)的快捷方式，用于新建

工程、工程管理等；

 工程浏览器：组态王单个工程管理程序的快捷方式，内嵌组态王画面开

发系统(TouchExplorer)，即组态王开发系统；

 运行系统：组态王运行系统程序(TouchView)的快捷方式。工程浏览器

(TouchExplorer)和运行系统(TouchView)是各自的Windows应用程

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序，均可单独使用；两者又相互依存，在工程浏览器的画面开发系统中设计开发的画面应用程序必须在画面运行系统(TouchView)运行环境中才能运行；

 信息窗口：组态王信息窗口程序(KingMess)的快捷方式；  安装工具\\安装新驱动：安装新驱动工具文件的快捷方式；  组态王文档：包括以下几种文档的快捷方式

 组态王帮助：组态王帮助文件快捷方式；

 组态王IO驱动帮助：组态王IO驱动程序帮助文件快捷方式；  使用手册电子版：组态王使用手册电子版文件快捷方式；  函数手册电子版：组态王函数手册电子版文件快捷方式；

除了从程序组中可以打开组态王程序，安装完组态王中后，在系统桌面上也会生成组态王工程管理器的快捷方式，名称为“组态王6.5”。

2、制作一个工程的一般过程建立新组态王工程的一般过程是： (1)设计图形界面(定义画面)

(2)定义设备，也就是组态硬件，以便可以构造数据库。

(3)构造数据库(定义变量)，就是建立上位计算机和下位控制器或DA&C模块的通讯。

(4)建立动画连接，就是让获得的数据在屏幕上形象生动地显示出来。 (5)运行和调试

需要说明的是，这五个步骤并不是完全的，事实上，这四个部分常常是交错进行的。在用组态王画面开发系统编制工程时，要依照此过程考虑三个方面：

 图形

用户希望怎样的图形画面？也就是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。  数据

怎样用数据来描述工控对象的各种属性？也就是创建一个具体的数据库，此数据库中的变量反映了工控对象的各种属性，比如温度，压力等。  连接

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数据和图形画面中的图素的连接关系是什么？也就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。

四、实验要求

1、学会组态软件的安装 2、学会组态软件初步编程 3、学会连结组态软件到硬件。五、实验内容与步骤

1、安装组态软件，如果已经安装，则卸载。

2、进行软件组态组态。对ADAM4017，ADAM4024，ADAM4050硬件组态。

3、按照上一实验进行设备连接和准备。

4、打开AS3020 DDC控制子系统电源，其他水泵等设备不需要打开。在组态软件中进行测试，观察是否连接好。注意串行口指向ADAM4571或ADAM4570建立的虚拟串行口。如果没有配置好ADAM4571或ADAM4570，则按照上一实验进行配置。

5、组态软件中建立一个输入，一个输出IO变量，对应到ADAM4017通道1，ADAM4024通道1。

6、打开调节阀电源，电磁流量计电源，开启右边水泵。

7、通过组态软件修改输出值，观察电磁流量计纪录的流量是否变化，记录几组数据。(可以使用万用表测量ADAM4024的通道1的输出电压，一般调节阀负载电阻是125Ω或250Ω，从电压基本可以得到电流，直接测量电流也可以。)

8、关小下水箱闸板，使得下水箱液位逐步升高，在组态软件中观察的得到的值，看得到的电流是否逐步升高，可以进行工程量转换，获得高度h=25.0*(测量值-4.0)/16.0，单位厘米。该公式可以写在组态王的画面属性页中。在开发系统中，打开对应的画面，鼠标右击，选择画面属性，然后再选择命令语言，就可以编写脚本程序了。如图2-14所示。

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图2-14 组态王脚本程序设置

9、实验结束后，关闭阀门JV304，打开JV104，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题

如果要通过调节阀控制液位，请描述开关那些阀门，启动那些信号。分析为什么加热时最好让水循环起来。七、实验结果提交

1、提交组态软件电子文件。 2、填写以下表格序号 1 2 3 ADAM4024输出的电流电磁流量计的显示实验4 PLC系统通讯和使用

一、实验目的

1、初步学习PLC的基本知识 2、了解PLC项目的开发过程。

3、学习PLC的模拟输入输出，数字输入输出特点和工程设计。 4、初步使用STEP 7编程软件。

5、学习使用STEP7直接操作PLC的寄存器。

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二、实验设备

A3000-FS常规现场系统，AS3040 PLC控制系统，万用电表可选，STEP 7软件。

三、实验原理与介绍

1、概述

现代可编程序控制器不仅能实现对数字量的逻辑控制，还具有数算、数据处理、运动控制、模拟PID运算控制、通信联网等功能。PLC(Programmable Logic Controller)具有以下优点：编程方法简单易学；功能强，性价比高；硬件配套齐全，用户使用方便，适用性强；可靠性高，抗干扰能力强；系统设计、安装、调试工作量少；维修工作量少，维修方便；体积小能耗。因而PLC在中小系统中的应用越来越广，成为中小系统的主流控制器。

西门子PLC产品在国内市场推广较早，是国内应用最广泛的PLC产品之一。SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业各种场合中的检测监测及控制的自动化S7-200系列的强大功能使其无论在运行中或相连成网络皆能实现复杂控制功能因此S7-200系列具有极高的性能/价格比S7-200 系列出色表现在以下几个方面：

 极高的可靠性  极丰富的指令集  易于掌握  便捷的操作  丰富的内置集成功能  实时特性  强劲的通讯能力  丰富的扩展模块

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制应用领域极为广泛覆盖所有与自动检测自动化控制有关的工业及民用领域包括各种机床机械电力设施民用设施环境保护设备等等，如：冲压机床、磨床、印刷机械、橡胶化工机械、空调、电梯控制、运动系统

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2、硬件介绍

(1)PLC硬件配置如下：

CPU：S7－200 CPU 222 (120～240V电源供电，本机8×24VDC 数字量输入/6×继电器输出)

扩展模块：EM235(模拟量4模拟量输入/1模拟量输出) (2)S7-200 CPU 222技术指标：

程序存储区 2048字，数据存储区1024字，掉电保护时间50小时。本机I/O 8×24VDC 数字量输入/6×继电器输出，扩展模块数量 2。通讯口1个RS－485，具有浮点运算和256个定时器，位操作指令执行时间 0.37µs；扫描时间监控 300ms(可重启动)。

(3)S7-200模拟量输入输出模块EM235 DIP开关设置(已设置好，不用修改。具体内容请参考使用说明书)。

3、S7-200硬件接线

CPU222硬件接线如图2-15所示。

图2-15 S7-200接线原理图

注：CPU222 自带24V电源，“L＋”、“M”端分别接到EM235模块的“L＋”、“M”端，给EM235提供24V的工作电源。

注意：不能把这里的L+提供的24V电和机柜的24V电连接在一起！。模拟量输入输出模块EM235接线，如图2-16所示。

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图2-16 EM235接线原理图

4、A3000－CS面板PLC控制系统输入输出端子介绍

面板上选用了PLC的3路数字量输入(DI0、DI1、DI2)，5路数字量输出(DO0、DO1、DO2、DO3、DO4)，4路模拟量输入(AI0、AI1、AI2、AI3)，1路模拟量输出(AO0)。“DICOM”为数字量输入公共端，机柜内连着CPU222“24V+”端，“DOCOM”为数字量输出公共端，机柜内连着“24V+”。如图2-17所示。

DI0 DI1 GP24 负载负载 GP24 24V DICOM DOCOM

M0 DO 0 DO1 L0 图2-17 S7-200数字量输入输出连接示意图

5、实验接线举例说明 (1)模拟量接线举例说明

如单容水箱液位控制实验。本实验涉及下水箱液位测量信号AI0和PID输出控制电动调节阀的模拟信号AO0。因此，在A3000-CS上把下水箱液位变送器输出4～20mA“＋”“－”端分别接到PLC的“AI0＋”端和“AI－”端；PLC“AO＋”“AO－”分别接电动调节阀控制信号4～20mA“＋”“－”端。

(2)数字量接线举例说明

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如联锁控制系统实验。本实验涉及液位开关2的开关状态DI0、PLC输出控制1＃冷水电磁阀的开关状态DO0、PLC输出控制调压器输入电流的模拟信号AO0。因此在A3000 PLC控制系统上把液位开关2的左端接“DI0”；把PLC“DO0”接电磁阀1的左端；PLC“AO0＋”“AO0－”分别接调压器电流信号4～20mA“＋”“－”端。

6、S7-200和STEP 7通讯

在计算机和S7-200之间连上PC/PPI编程电缆。打开STEP7 Micro/WIN编程软件，点击通讯参数图标Communications，打开通讯对话框，进行通讯参数设置(PC/PPI编程电缆的通讯地址设为2，接口设为COM1，如果通过ADAM4571/4570则可能是com3或者其它端口，传输波特率为9.6Kbps)。在通讯对话框右侧双击刷新图标，即可建立与S7－200的通讯。如图2-18所示。

图2-18 S7-200和STEP 7通讯

我们可以使用串口线连结到PPI电缆，如果要求每个计算机都能访问，则需要经过ADAM4571或ADAM4570，设置的通讯模式是RS232，而不是RS485，这点要注意。

7、直接操作操作PLC的寄存器

选择菜单view>component>status chart，然后在address栏中输入地址。如图2-19所示。

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图2-19 status chart设置界面

然后选择debug>force 命令，就可以强制控制该寄存器。例如设定新的Q0.0，那么就可以看到S7-200上的指示灯亮起。

选择single read命令，则可以观察当前寄存器值。 8、S7-200与组态王的通讯设备连接：

(1)单击COM 1新建设备：西门子S7-200 PPI COM1 地址：2

(2) 双击COM 1设置串口COM1：波特率 9600bps；偶校验；数据位8；停止位1；通讯方式RS-485。四、实验要求

1、学会安装STEP 7软件 2、学会STEP 7和PLC通讯

3、学会STEP 7直接监控，改写PLC寄存器数值。五、实验内容与步骤

1、安装STEP 7软件，如果已经安装，可以先卸载。

2、首先给CPU供电，本套AS3040 PLC控制系统选用的PLC控制器CPU222采用交流电220V供电；所以要注意安全。

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3、在计算机和S7-200之间连上PC/PPI编程电缆。打开STEP7 Micro/WIN编程软件，点击通讯参数图标Communications，打开通讯对话框，进行通讯参数设置。在通讯对话框右侧双击刷新图标，即可建立与S7-200的通讯。

4、创建一个程序，例如就是置Q0.0为1。

5、下载例子程序。点击菜单File>Download，下载过程中，置S7-200 Stop 状态，下载成功后点击菜单PLC>RUN，即可运行PLC程序。

6、直接操作S7-200寄存器中的内容。把液位变送器信号连接到AS3040控制系统的AI0，然后在Status Chart窗口，写入地址AIW0，Debug>Single Read 命令，就可以获得该寄存器的数据。S7-200获得的数值为双整数，范围0mA对应0，20mA对应32000。

7、打开1#电磁阀，阀门JV104，JV103。打开左边水泵。

8、关小下水箱闸板，使得下水箱液位逐步升高，在STEP 7软件中观察的得到的值，看得到的数值是否随液位的升高而逐步升高。六、思考问题

分析，在测量电流时需要连结RA，RB等端口，那么你估计RA等端口内部的连接关系如何。

分析在PLC中对于4-20毫安标准信号测量时，如何把原始量转换成工程量。分析，如何利用AS3020 的ADAM4024，测定S7-200测量模拟量时4毫安对应的数值是多少，20毫安时对应的数值是多少。七、实验结果提交

1、提交程序。

2、给出计算液位工程量的公式。 3、填写以下表格序号 1 2 3 获得的数值计算后得到的真实值(单位厘米) word范文

实验5 PLC Step7编程

一、实验目的

1、深入学习PLC的的工程设计。

2、深入学习使用STEP7 学习编程软件，掌握模拟量转换技术。 3、学习编写PID控制算法。二、实验设备

A3000-FS常规现场系统，AS3040 PLC控制系统，万用电表可选，STEP 7软件。

三、实验原理与介绍

STEP 7是用于SIMATIC S7-200, S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件。它可以运行在Windows 98、Windows 2000、Windows Me、Windows XP操作系统上。

我们所采用的通讯方式为PC/PPI编程电缆，用于S7-200编程口RS-485与PC机RS-232端口的连接。

编程语言可以使用梯形图(Ladder Diagram)、功能块图(Function Block Diagram)、语句表(Statement List，也称指令表)。

1、程序的一般结构

S7-200 CPU的控制程序由主程序、子程序和中断程序组成。例如我们编写一个最简单的启动停止操作，这个程序是电力设备控制中最经典的“起保停”电路。

下面是用指令表编写的单回路PID的程序示例：

鼠标双击左边视图中的Program Block主程序MAIN，增击如下代码： LD SM0.1 CALL SBR_0

在菜单View>stl或者ladder中选择一种方式。

然后双击左边视图中的Program Block的SBR_0。增加代码如下。 LDN I0.0 LD I0.1

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O Q0.0 ALD = Q0.0

或者梯形图形式，如图2-20所示。

图2-20 梯形图

可能梯形图是最直观的。描述的过程如下：停止按钮通过I0.0端口，求反后一直是连通的，而I0.1是启动按钮，Q0.0接控制输出，平时关闭，当I0.1是1时，则Q0.0=1，启动设备。

当按钮I0.1放开时，由于并联了Q0.0，所以起到保持的作用，保持Q0.0=1。直到I0.0被按下，则Q0.0=0，设备停止。

这就是所谓的“起保停”电路。 2、模拟采集量转换

S7-200测量模拟量时可以设置为0-20毫安，不能设置成标准信号4-20毫安，具体接线参考上一实验。

那么就有一个转换的问题，如图所示：

100度,25cm,3m3/h

0度,0cm,0m3/h

4mA 00

20mA 32000

一个工程量可以是0-100℃，也可以是0-25厘米水柱。如果求温度，那么转换公式就是：

当前温度=100*(测量数-00)/25600 当然也可以有其他的计算公式。

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PID运算时需要的是0-1之间的实数，那么不需要乘以100，而且需要把测量的得到的整数转换成双整数，然后再转换成实数再运行。

同样对于PID的输出也要转换成整型数据。范例代码如下： LD SM0.0 MOVR #IN, AC0 *R 25600.0, AC0 ROUND AC0, AC0 DTI AC0, AC0 +I +00, AC0 MOVW AC0, #OUT 3、PID控制

在PLC S7-200中已经固定了PID算法，但是一个PID有很多参数，又是如何输入输出呢。如果大家有单片机8031/8051的经验，那么可以容易的理解。你只要向特殊寄存器中写入一些数据，就可以启动单片机中的定时器，计数器等。这里也类似，S7-200中两个PID的“特殊寄存器”定义如表2-5-1和表2-5-2。变量名 PV SP MV PIDP PIDI PIDD 手自动切换表2-5-1 PID控制回路一数据词典定义变量类寄存数据类读写数据范围描述型器型属性 I/O实数 V100 Float 只读 0～1 测量值 I/O实数 V104 Float 读写 0～1 设定值 I/O实数 V108 Float 读写 0～1 输出值 I/O实数 V112 Float 读写 -1000~1000 增益Kp，负数为副作用，正数为正作用 I/O实数 V120 Float 读写 0～10000 积分时间Ti，单位为分钟 I/O实数 V124 Float 读写 0～10000 微分时间Td，单位为分钟 I/O实数 V136 Float 读写 0～1 为0时自动，1时手动表2-5-2 PID控制回路二数据词典定义变量名变量类寄存数据类读写数据范围描述型器型属性 PV1 I/O实V200 Float 只读 0～1 测量值数 SP1 I/O实V204 Float 读写 0～1 设定值 word范文

数 MV1 I/O实V208 Float 读写 0～1 数 PIDP1 I/O实V212 Float 读写 -1000~1000 数 PIDI1 I/O实V220 Float 读写 0～10000 数 PIDD1 I/O实V224 Float 读写 0～10000 数手自动I/O实V136 Float 读写 0～1 切换数其中V100等等都是S7-200中的一个存储器地址。输出值增益Kp，负数为副作用，正数为正作用积分时间Ti，单位为分钟微分时间Td，单位为分钟为0时自动，1时手动注：鉴于习惯问题，我们把0~1之间的PV、MV、SP值转换成实际的工程值，便以观察，下面为这些参数的数据词典定义，如表2-5-3。变量名表2-5-3 参数的数据词典定义变量类型寄存器数据类型读写属性数据范围 Float 实际测量值 I/O实数 V1000 只读 0～1000 Float 实际测量值1 I/O实数 V2000 只读 0～1000 Float 实际设定值 I/O实数 V1004 读写 0～1000 Float 实际设定值1 I/O实数 V2004 读写 0～1000 Float 实际输出值 I/O实数 V1008 读写 0～20 Float 实际输出值1 I/O实数 V2008 读写 0～20 编程如下，首先初始化PID的一些参数。ATCH INT_0,10表示调用中断，一个数字PID有固定的运算周期，例如1秒运算一次，或者2秒运算一次。

中断程序：

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四、实验要求

1、学会初步编写STEP 7软件 2、熟练掌握PLC的通讯、运行等操作 3、学会PLC的数字和模拟量数据获取。五、实验内容与步骤

1、编写STEP 7启动停止软件。

2、在计算机和S7-200之间连上PC/PPI编程电缆。建立与S7-200的通讯。 3、下载例子程序。点击菜单File>Download，下载过程中，置S7-200 Stop 状态，下载成功后点击菜单PLC>RUN，即可运行PLC程序。

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4、在AS3040控制子系统中，使用实验连结线把DICOM和DI1连接起来。看Q0.0的发光管是否被点亮。放开，看是否继续亮。使用实验连结线把DICOM和DI0连接起来。看Q0.0的发光管是否熄灭。

5、编写模拟转换程序。直接读取AIW0的数值，进行转换，下载程序，点击菜单PLC>RUN。使用STEP 7观察你所定义的转换后的存储器地址，看转换是否正确。六、思考问题

分析如果标准信号是0-10V，那么把原始量转换成工程量的转换公式又如何。

分析为什么输入DI时，只需要使用实验连结线把DICOM和DI1连接起来就可以，解释原因。七、实验结果提交

1、提交实现 “起保停”电路的STEP 7程序。 2、提交进行工程量转换的STEP 7程序。 3、提交进行PID控制的STEP 7程序。

实验6 现场总线技术与DCS实验

一、实验目的

1、了解工业技术的发展，国内外知名自动化公司，以及其产品特色。 2、了解现场总线技术，熟悉Profibus现场总线特色。 3、编写Conmaker程序获取Profibus现场总线的模块的信号。二、实验设备

A3000-FBS现场总线现场系统，AS3110 DCS控制系统, Conmaker软件。万用表可选。

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三、实验原理与介绍

和利时股份有限公司是国内最大的自动化工程设备公司，其拳头产品MACS DCS系统广泛应用于我们电力、化工、机械等行业。产品成熟可靠，技术含量高，全部使用Profibus总线技术。

1、系统介绍

和利时DCS的使用请严格按照和利时DCS所提供的硬件手册进行操作和连线。这里只介绍与A3000现场系统相关的内容。

和利时DCS前面板包括了两组电源，当前第一组有效。可以通过关闭其开关，从而关闭整个系统的电源。主控单元请设置到BATEERY电池后备状态。

主控站地址10，IP 128.0.0.10，255.255.0.0。主控851，逻辑名：FM121

注意你所使用的电脑需要配置到同一个网段。例如128.0.0.50，255.255.0.0。128.0.0.51，255.255.0.0，等等。

2、单元接线

(1)FM148A 8AI SLAVE 对应的现场系统输入：

1CH -TE101锅炉温度，两线制 2CH -TE102滞后管温度，两线制 3CH -TE104换热器冷水出口，两线制 4CH -TE105储水箱温度，两线制 5CH -LT101上水箱液位，两线制 6CH -LT103下水箱液位，两线制 7CH -PT101水泵压力，两线制

8CH -FT102 电磁流量计，四线制，注意连线方法不同。 (2)FM151 8AO SLAVE 对应的现场系统输入： 1CH -FV101—调节阀 2CH -BS101—调压器 3CH -TR101—变频器 (3)FM161D 16隔离DI

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1CH LS101 1#液位开关 2CH LS102 2#液位开关 3CH FV101S 调节阀状态 4CH FT102S 电磁流量计状态 5CH XV101S 1#电磁阀状态 6CH XV102S 2#电磁阀状态 7CH P101S 左边水泵状态 8CH P102S 右边水泵状态 (4)FM171

1CH XV101 1#电磁阀启动 2CH XV102 2#电磁阀启动 3CH FV101P 调节阀启动 4CH FT102P 电磁流量计启动 4CH CWSTART 变频器正转启动 (5)ET200S IM151  2 AI

 CH1 LT102 中水箱液位  CH2 FT101 涡轮流量计  2TC

CH1 TE103 换热器热水出口温度

(6)MM4变频器 PPO1设置

参数控制区域PZD。控制字

频率设置字 SET 3、ConMaker安装

(1)可以覆盖安装，注意只能使用V3.0.3，要求和SmartPro主控器的软件版本总体上保持一致。除非主控器的软件版本进行了升级，由于软件升级比较快，具体版本请询问老师。

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(2)在工控机上仅安装中文Windows NT4，安装NT的补丁5。新的版本可能支持中文Windows 2000。

系统具有200MB以上硬盘空间，128M内存，建议256M。安装显卡驱动。最好能够支持1280x1024分辨率。安装网卡驱动。

安装Microsoft Office 97 的word、excel。或者Microsoft Office 2000 的word、excel。如果使用Microsoft Office 2000，则宏安全性定义为中级。

强烈建议其它无用的软件不要安装！

(3)光盘可以自动执行，如果不能自动执行，则进入安装文件auto\\setup.exe。显示如图2-21所示。

图2-21 SmartPro安装

(4)执行ConMaker Installation 以安装ConMaker，安装目录为缺省的d:\\ SmartPro\\ConMaker，你也可以单独到光盘或者备份的安装文件中直接找到ConMaker的setup.exe文件进行安装。建议安装到c:\\ SmartPro\\ConMaker

3、执行配置Conmaker

在NT的StartUp 菜单Hollysys SmartPro 程序组中执行安装目标，点击打开(P) 后在打开的窗口中双击 hollysys.tnf ,关闭此窗口，在原窗口中的左侧窗口选中Hollysys CoDeSys SP for QNX , 点击安装(I) ,直到窗口右侧的安装目标

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中出现 Hollysys Beijing 为止。关闭此窗口，从而可以添加硬件设备。如图2-22所示。

图2-22 目标安装

把我们提供的gsd文件夹中文件复制到C:\\TARGET\\Hollysys\\PCBasedIO。从而可以安装西门子MicroMaster 440变频器和西门子ET200S。

运行smartpro的安装目标，open，选择hollysys.tnf，然后选择左边的项目，install。

4、运行Conmaker

运行程序组中的smartpro>控制方案生成系统，然后运行新建。如图2-23所示，从列表中选择hollysys codesys sp for qnx。

图2-23 运行Conmaker

文件>保存，保存工程到指定的位置。

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选择“资源”，MACS配置，然后选择：输入>Append > Sub element>Dp Master，选择FM121。

选择FM121，鼠标右击，选择属性，然后设置站地址0，最大站地址6。如图2-24所示：

图2-24 选择FM121设置

再次选择：输入>Insert Dp Slave，选择FM141。也可以选择ET200S，如果没有ET200S，则需要把siem80f3gai.gsd或者siem80f3.gsd复制到C:\\TARGET\\HollySys\\PCBasedIO中。重新启动conmaker。

选择FM141，在属性页中设置站地址1。这个地址在模块硬件上已经设置好，如果要改变，请参考硬件手册。

然后打开FM141通道，把第六个通道，双击AT字符，然后输入_LT103。选择菜单：在线>通讯参数，如图2-25所示。

图2-25 通讯设置

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可以按按钮new增加一个，名字随意，可以取名为128.10，表示指向128.0.0.10，然后在Value栏修改为128.0.0.10。这个地址和主控单元的拨码开关设置对应的。

如果主控单元此时已经开启，可以登录，然后运行。观察获得的_LT103数据。

对于输出，你可以直接修改，然后选择“输入”命令就可以修改，如果程序也控制该输出，那么你可以选择：“强制”命令。四、实验要求

1、学会安装配置Conmaker软件。 2、掌握与DCS的通讯。

3、掌握编写、下载、调试、运行控制策略。五、实验内容与步骤

1、安装Conmaker软件，如果已经安装，可以覆盖。 2、配置安装目标，配置Conmaker。 3、Conmaker新建项目，新建硬件组态。 4、启动A3000-FBS和DCS。 5、通讯设置，登录。 6、下载策略程序，运行。

7、打开1#电磁阀，阀门JV104，JV103。打开左边水泵。

8、关小下水箱闸板，使得下水箱液位逐步升高，在Conmaker软件中观察的得到的值，纪录得到的数值，看是否随液位的升高而逐步升高。

9、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题

如果允许，可以拆开线路，加入万用表测量电流，看万用表测量的电流和DCS得到的数据的比例关系，这个比例是固定的。然后分析在DCS中对于4-20毫安标准信号测量时，如何把原始量转换成工程量。

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对于FM141A，可以使用和利时提供的工程量转换函数H_E，增益WG设置为4，最大量程25，最小为0。

如果使用ET200S，那么0毫安对应0，20毫安对应32767，你可以提供一个工程量转换公式。七、实验结果提交

1、提交程序。

2、给出计算液位工程量的公式。 3、填写以下表格序号 1 2 3 获得的数值计算后得到的真实值(单位厘米) word范文

第三章工艺设备和仪器仪表实验

本类实验用于了解工艺设备和仪器仪表的特性，可以使用不同的控制系统来获取数据。包括ADAM4000、PLC、DCS等等。

实验1 温度、压力、液位和流量测量实验

一、实验目的

1、学习温度、压力、液位和流量变送器变送器 2、了解信号的传输方式和路径。 3、熟悉各种线制的连接。二、实验设备

A3000-FS常规现场系统，AS3020 DDC控制系统，万用表。

三、实验原理与介绍

1、Pt100热电阻

由于我们的系统被测介质不会超过100度，所以一般采用Pt100热电阻，以便获得比较高的精度。当然也可能使用热电偶，以便让学生学会更多的温度测量方案。

Pt100使用两线制或三线制接法，采用三线制接法是为了减少测量误差。因为在多数测量中，热电阻远离测量电桥，因此与热电阻相连接的导线长，当环境温度变化时，连接导线的电阻值将有明显的变化，为了消除连接导线阻值的变化而产生的测量误差，就采用了三线制接法。即在两端元件的两端分别引出两条导线，这两条导线(材料相同、长度、粗细相等)又分别加在电桥相邻的两个桥臂上，如图所示。

Pt100电阻在零度时为100欧姆，温度每升高一度，电阻增加大约0.4欧姆，但是不是非常线性的。使用万用表就可以测量温度。

温度变送器为两线制，24V直流电驱动。如图3-1所示：

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图3-1 温度变送器接线原理图

现场系统的温度传感器为Pt100热电阻，量程为0～100℃，采用导线补偿，即将A、C短接。输出信号为4～20mA电流信号。温度变送器零点、量程调节方式：将Pt100热电阻换成100Ω标准电阻，调整零点调节螺钉，当测量仪表显示4.00mA时，零点已调好。将Pt100热电阻换成125Ω标准电阻，调整量程调节螺钉，当测量仪表显示14.17～14.18mA时，量程已调好。一般情况下，温度变送器在出厂时已校好，不需用户调整。

温度的范围在当前温度到80℃之间，最好不要超过80℃。按照学校要求，可能有热电偶，一般使用康-铜热电偶。 2、液位压力传感器

液位压力传感器是两线制接法，输出信号为4～20mA电流信号。如图3-2所示：

图3-2 压力传感器接线原理图

端口ab之间接负载(250～500Ω)。检验压力传感器信号时，在ab之间串一个标准电阻，然后测其上的压降，可以算出ab间的电流。无水时应显示3.85～4.00mA，吹入空气，电流值增大。

液位传感器实际是一个压力传感器。当水箱中没有水时，ab间的电流应当为4.00mA(标准状态)，但由于安装位置原因，ab间的电流约为3.8～4.0mA(百特仪表量程范围设为4～20mA)。如果误差比较大，则可以在控制系统中进行校正。例如如果测量值低于4毫安，则直接显示0。然后测量值上加上一定高度，从而获得比较准确的液位高度。一般过程控制不要求这个绝对高度。

注意：加电几分钟后才能获得准确数值。

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液位的控制范围在0%--85%之间，而电流范围在4-17.5mA之间。压力的控制范围在35%--70%之间，而电流范围10-15.5mA之间。

3、涡轮流量计

涡轮流量计有两种，一种是直接脉冲输出，然后连接到流量积算仪，或者脉冲计数器，例如ADAM4080，采集卡的计数器端等；一种是带4-20毫安标准两线制信号输出。

脉冲输出型涡轮流量计采用三线制接法，如图3-3：

图3-3 涡轮流量计接线原理图

涡轮流量计输出脉冲信号，具有一个流量系数(例如LWGY-15型号为760~780立方米/小时，LWGY-10型号为1550~1570Hz/立方米/小时)。需要经过流量积算仪或其他频率计数器才能获得4-20毫安的数据。

如果发现有涡轮流量计的水泵支路水流量不够，请确认JV104打开，JV304关闭。否则就需要拆下涡轮流量计滤网进行清洗。

采用4-20毫安标准两线制的涡轮流量计则直接按照如图3-4接法：

图3-4 涡轮变送器接线原理图

注意：

LWGYA-15型号的量程范围0-5立方/小时。该型号测量小流量(<0.6立方/小时)信号下精度不足。流量控制范围可以0%-32%。

为了保证低流量下的精度，我们可以使用满量程1.2立方/小时的涡轮流量计LWGYA-10，所以如果超过量程，则可以关闭少一些阀门。流量控制范围可以0%-100%。

4、电磁流量计

电磁流量计采用四线制接法，如图3-5所示：

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图3-5 电磁流量计接线原理图

一般不要在没有水的情况下给电磁流量计加电。使用前请仔细阅读产品说明书。开启水泵，将电磁流量计信号输入百特仪表(量程设为0～3立方/小时)，会看见流量值。电磁流量计液晶屏上会显示瞬时流量与累积流量值。

注意：不要在没有水的情况下给电磁流量计加电。加电几分钟后才能获得准确数值。

为了保证低流量下的精度，我们使用了满量程3立方/小时的电磁流量计，依据水泵的最大流量。流量控制范围可以0%-55%。四、实验要求

1、熟悉四大热工参量的传感器变送器信号与接线。

2、了解系统的温度、压力、液位和流量设备在本系统中的功能。 3、学会通过采集模块测量这些信号。 4、了解一些信号的零点和满度调节。五、实验内容与步骤

1、将I/O信号接口板上下水箱液位变送器信号连接到DDC控制系统的模拟量输入端AI0。把DDC控制系统的AO0端子连接到调节阀的输入端子上。

2、打开1#电磁阀，阀门JV104，JV106，其他阀门关闭，特别是JV103和JV305要关闭。左边水泵和涡轮流量计组成的动力支路至锅炉。

3、系统上电，具体步骤参考实验1。

4、打开1#电磁阀，阀门JV104，JV103。打开左边水泵。开始向下水箱注水。

5、关小下水箱闸板，使得下水箱液位逐步升高，打开提供的组态软件范例，运行单容水箱液位特性测定实验。系统自动纪录数据，并显示成波形，如果时间太快或太慢，可以修改趋势表的时间。

通过按“印屏幕”键，拷贝屏幕，粘贴到WINDOWS的画图软件中，拖动图形，以及绘图边界，从而裁减图片。保存文件。

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6、关闭水泵，关闭阀门JV103，打开阀门JV106，其他阀门关闭，特别是JV103和JV305要关闭。启动左边水泵向锅炉注水。

7、打开水泵，开始向锅炉注水。观察什么时候连锁指示灯亮起，表示水已经超过加热管高度。再上升一定高度后，关闭水泵。

8、把DDC控制系统的AO0端子连接到调压模块的输入端子上。 9、打开提供的组态软件范例，运行“锅炉和加热管特性测定实验”。给出一定的加热控制值，例如80%。

10、记录观察测量得到的数值。按照步骤5抓图。

11、实验结束后，关闭水泵，关闭阀门。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题

分析两线制变送器有什么优点和缺点。你认为为什么电磁流量计不设计成两线制。为什么信号和电源可以同时加在两个线上。

如果你对霍尔效应比较了解，请分析涡轮流量计工作原理。七、实验结果提交

1、绘制ADAM4017测量液位的接线逻辑图。 2、给出液位测量曲线图。 3、给出温度测量曲线图。

实验2 水泵负载特性测量实验

一、实验目的

1、学习压力变送器测量方法。 2、学习操作电动调节阀。

3、学习测量水泵出口流量和出口压力的关系曲线。二、实验设备

A3000-FS常规现场系统，AS3020 DDC控制系统。

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三、实验原理与介绍

A3000控制系统采用了单相热水循环泵。该水泵为屏蔽泵，噪声很低。每个水泵都有额定扬程和额定流量两个关键数据。这个数据并不是准确的，各个水泵有一定的随机性。特性曲线如图3-6所示。

流量

额定位置额定位置扬程

图3-6 水泵特性曲线

扬程

后面的特性曲线表示水泵特性很“软”。随着扬程的升高，流量很快减少到零。我们通过调解调解阀的开度来模拟扬程，测量压力就可以得到等效的扬程的数值。通过电磁流量计测量流量。测量或控制量系统接线表：测量或控制量压力变送器电磁流量计调节阀控制四、实验要求

1、熟悉掌握调节阀和压力变送器的测量。 2、学会测量水泵特性，并记录分析数据。 3、理解水泵特性曲线。五、实验内容与步骤

1、编写“水泵负载特性测量实验”的组态软件。

2、将I/O信号接口板压力变送器连接到DDC控制系统的模拟量输入端AI0。流量变送器连接到DDC控制系统的模拟量输入端AI1。把电动调节阀控制信号连接到DDC控制系统的AO0。

3、打开阀门JV201，JV206，其他阀门关闭。

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测量或控制量标号 PT101 FT102 FV101 使用PLC端口使用ADAM端口 AI0 AI1 AO0 AI0 AI1 AO0 .

4、系统上电，具体步骤参考实验1。 5、打开调节阀电源。运行组态程序。

6、开启右边水泵，运行后，再打开电磁流量计电源(无水时打开电磁流量计也不会损坏，但是说明书中建议有水后再开启)。电磁流量计运行一定时间后再开始测量。

注意下水箱闸板拉开些，避免溢出。

7、修改调节阀输出值，等调节阀稳定之后，记录得到流量，以及当前水泵出口压力。一直到调节阀完全打开。

8、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题

按照水泵的负载特性曲线，扬程越低，则流量越大，如果在水泵出口处增加一个节流阀，使得流量变小，分析这样改装后的水泵是否扬程就高了呢？七、实验结果提交

1、给出实验组态软件。 2、填写以下表格。

序号调节阀开度水泵出口压力 1 2 3、绘制水泵特性曲线图。转换成扬程水泵流量实验3 管道压力和流量耦合特性测量实验

一、实验目的

1、深入学习压力变送器测量方法和电动调节阀操作。 2、了解所谓耦合系统多变量系统的概念。 3、提出解决耦合控制系统的方案二、实验设备

A3000-FS常规现场系统，AS3020 DDC控制系统或PLC控制系统。

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三、实验原理与介绍

管道中流量压力控制系统是相互耦合的系统。A3000系统的管道压力和流量结构如图3-7所示。(图中电磁流量计可能为涡轮流量计)

电动调节阀压力变送器电磁流量计水泵泵图3-7 管道压力流量结构图

变频器如果水泵不使用变频器控制，如果要开大调节阀，那么压力就会减少，流量就会增大。保持电动调节阀开度，如果增大变频器频率，则可以增大管道压力，同时增大流量。这两个量总是同时改变的。这就是非常典型的耦合系统。两个输入量，调节阀开度，变频器频率，两个输出：管道压力，管道流量。

一个PID控制只有一个过程值输入一个输出。要解决两输入两输出的问题，需要设计解耦器，使用两个PID控制器。解耦器的设计是比较困难的，而两个输入和输出组合一个PID调解器也是设计中的难题。

控制阀和变频器对系统压力的影响程度同样强烈，对流量的影响程度也相同。本次实验测量这个关联系统的一些参数，由于调节阀和变频器的控制非线性非常强烈，所以导致整个解耦控制更加困难，我们本次实验只是测量参数，不涉及设计问题。

测量或控制量系统接线表：测量或控制量压力变送器电磁流量计调节阀控制参考结果：测量或控制量标号 PT101 FT102 FV101 使用PLC端口使用ADAM端口 AI0 AI1 AO0 AI0 AI1 AO0 两执行器控制下的阶跃响应曲线，如图3-8，3-9所示：

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图3-8 变频器控制下流量，压力(调节阀全开)

图3-9 调节阀控制下流量，压力

四、实验要求

1、熟悉操作调节阀，对压力进行测量。 2、学会操作变频器

3、测量数据，并记录分析数据。 4、分析关联数据。五、实验内容与步骤

1、编写“管道压力和流量耦合特性测量实验”的组态软件。

2、将I/O信号接口板压力变送器连接到DDC控制系统的模拟量输入端AI0。流量变送器连接到DDC控制系统的模拟量输入端AI1。把电动调节阀控制信号连接到DDC控制系统的AO0。把变频器控制信号连接到DDC控制系统的AO1。

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3、打开阀门JV201，JV206，其他阀门关闭。

4、把右边水泵连接到变频器上，系统上电，具体步骤参考实验1。 5、打开调节阀电源。打开变频器，设置为外部4-20毫安电流控制。STF启动信号放到开位置。

6、运行组态程序。

7、开启右边水泵，运行后，再打开电磁流量计电源。注意下水箱闸板拉开些，避免溢出。电磁流量计运行一定时间后再开始测量。

8、AI0定在10%，30%，50%，70%，90%，100%的某个电流值下，控制调节阀在一定开度。然后把控制变频器的电流设置到10%，30%，50%，70%，90%，100%数值下。记录每个改变后的电流和压力数值。可以统一为百分比表示。注意设定新的调节阀控制量后，一定要等足够长的时间。

9、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。水泵的电力线返回到工频控制。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题

学习参考书《过程控制》中的理论，分析这里的系统和书上介绍的系统的差异，分析解耦设计还需要哪些数据。七、实验结果提交

1、给出实验组态软件。

2、填写以下表格。共36组数据。序号调节阀控制量变频器控制量 1 2 3、定性分析系统关联特性。管道压力管道流量实验4 电动调节阀特性测量实验

一、实验目的

1、深入学习电动调节阀特性。 2、测量其动态特性。

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3、分析其流量控制特性。二、实验设备

A3000-FS/FBS常规现场系统，AS3020 DDC控制系统或PLC控制系统。三、实验原理与介绍

实验所使用的智能电动单座调节阀，主要由阀座和执行机构组成。等百分比特性。

输入信号：4~20mADC，输入阻抗：250Ω/500Ω。正作用，也就是随着输入的电流加大，开度加大。

阀位反馈信号：4~20mADC，输出最大负载：<500Ω

断信号阀位置：可任意设置为保持/全开/全关。出厂设置为保持原来状态。电源：220V±10%/50Hz，温度0-50度，相对湿度<85%。死区0.5-5%连续可调，出厂设置为1.5%。

电动调节阀阀座具有一些关键的数据，包括口径，阀芯直径，阀的移动行程。阀芯特性，包括线性特性、等百分比特性、快开特性等。如果要求小流量控制准确，就选择等百分比特性。

执行机构的特性包括死区，灵敏度，上限，下限，等等数据。

通过测量调节阀两端的压力，流量，调节阀的控制电流，从而得到调节阀的开度曲线。

Q=u(P1-P2)，Q是流量，u是开度，P1、P2是两端压力。其中P2就是调节阀到JV206出口的水柱高度，可以使用皮尺测量。

而u=f(I)，I是控制电流，而这个函数就是等百分比特性函数。测量或控制量系统接线表：测量或控制量测量或控制量标号压力变送器流量变送器调节阀控制四、实验要求

1、熟悉操作调节阀。

2、掌握调节阀特性测量的方法。

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使用PLC端口使用ADAM端口 AI0 AI1 AO0 AI0 AI1 AO0 LT103 TR101 FV101 .

3、测量数据，并记录分析数据。 4、分析调节阀特性数据，绘制曲线。五、实验内容与步骤

1、编写“电动调节阀特性测量实验”的组态软件。

3、打开阀门JV201，JV206，其他阀门关闭。

4、把右边水泵连接到变频器上，系统上电，具体步骤参考实验1。 5、打开调节阀电源。 6、运行组态程序。

7、开启右边水泵，注意是工频控制。运行后，再打开电磁流量计电源。注意下水箱闸板拉开些，避免溢出。电磁流量计运行一定时间后再开始测量。

8、AO0定在5%，10%，一直到100%电流值下，记录每次改变后的电流和压力数值。可以统一为百分比表示。注意设定新的调节阀控制量后，一定要等足够长的时间。这些数据用于计算调节阀等百分比特性数据。

9、测量调节阀的动态特性，将电动调节阀阀位信号连接到DDC控制系统的模拟量输入端AI0。把电动调节阀控制信号连接到DDC控制系统的AO0。

10、在调节阀完全关闭后，把控制信号突然给定为20毫安，然后观察阀位信号的输出。通过抓图获得曲线。这个曲线反映了调节阀控制的滞后。相比之下变频器控制则快速得多。

11、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题

分析如何测量调节阀的灵敏度，死区。在征求老师同意后，可以打开调节阀盖子进行观察。

分析为什么要设置死区。

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七、实验结果提交

1、给出实验组态软件。

2、填写以下表格。共20组数据。

序号调节阀控制量计算开度管道压力 1 2 3、根据以上数据，绘制曲线，分析等百分比含义。管道流量 4、给出调节阀控制的滞后曲线。计算调节阀完成整个行程操作，需要多少时间。

实验5 调压器特性测量实验

一、实验目的

1、掌握锅炉加热操作。 2、学习调压器工作原理。 3、测量调压器控制特性。二、实验设备

A3000-FS/FBS常规现场系统，任意控制系统。三、实验原理与介绍

一般温度控制可以使用位式控制，如果温度高了，则关断加热电源，低了则打开，而我们采用了连续可调的移相固态继电器调压模块。

把4-20毫安控制转换成控制脉冲，同步于输入的三相电相位角，并移动一定相位发出导通触发脉冲，从而控制平均电压。不过这样方法导致电磁干扰比较大，发出大量的高次谐波。控制系统接线表测量或控制量调压器控制四、实验要求

1、熟悉操作锅炉加热过程。

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测量或控制量标号 BS101 使用PLC端口使用ADAM端口 AO0 AO0 .

2、掌握移相调压器调压特性测量的方法。 3、测量数据，并记录分析数据。

4、分析移相调压器特性数据，绘制曲线。五、实验内容与步骤

1、编写“调压器特性测量实验”的组态软件。

2、关闭水泵，打开1#电磁阀，阀门JV104，JV106，其他阀门关闭，特别是JV103和JV305要关闭。左边水泵和涡轮流量计组成的动力支路至锅炉。

3、打开水泵，开始向锅炉注水。观察什么时候连锁指示灯亮起。表示水已经超过加热管高度。再上升一定高度后，关闭水泵。

4、把DDC控制系统的AO0端子连接到调压模块的输入端子上。 5、AO0定在5%，10%，一直到100%电流值下，记录每次改变后的电压表显示的电压值。记录这些数据用于计算调压器控制特性数据。

6、实验结束后，关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题

分析如果使用0-10V控制，那么如何修改电路，从而让输出4-20毫安的模块能够控制。

该模块有个特性，就是如果电流少于4毫安，或者超过20毫安，则关断整个输出。如果在19毫安时发生了关断，那么如何处理可以满足输入20毫安而不关断。

七、实验结果提交

1、给出实验组态软件。

2、填写以下表格。共20组数据。

序号输入电流输出电压 1 2 3、根据以上数据，绘制曲线，分析系统线性度。 4、分析如何要使得可控范围更大，如何通过增加电阻改善。

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实验6 变频器水泵控制特性测量实验

一、实验目的

1、掌握变频器操作方法。 2、了解变频器调速原理和意义。

3、测量输入电流和变频器输出速度特性。 4、测量变频器输出速度和水泵流量特性二、实验设备

A3000-FS常规现场系统，AS3020 DDC控制系统或PLC控制系统。三、实验原理与介绍

我们提供了三菱变频器和西门子变频器控制。三菱变频器相对简单，所以本实验选择使用三菱变频器。

1、三菱变频器

变频器可以面板控制，也可以4-20毫安控制，为了方便控制，我们已经把变频器设定为电流控制状态，即工作模式3。把RM端定义为AU，并连接到SD端。启动变频器后，打开变频器STF开关，变频器就开始按照给定的电流输出，而不是等待按RUN键，关闭变频器STF开关可以关闭输出。按STOP键也可以关闭输出，但此时只能关闭变频器，断开后再启动才能继续工作。

即使变频器不处于运行状态，其电源输入线，直流回路端子和电动机端子上仍然可能带有危险电压。因此，断开开关以后还必须等待5 分钟，保证变频器放电完毕，再开始安装工作。

如果要学习其它操作模式，可以把P79模式设置为0，进行面板控制。 2、西门子变频器

西门子变频器可以BOP面板操作，可以4-20毫安控制，可以使用PROFIBUS-DP总线控制。

西门子变频器是带PROFIBUS-DP总线的，通过PROFIBUS-DP总线与控制器连接。可以由单相/三相230V直流供电，本系统采用220V单相交流电。单相电源接线方式如下图3-10所示：

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图3-10 单相电源接线方式

本系统使用了变频器的STF功能，其控制线接端子5和8，速度调节控制线接端子3和4。

3、三菱变频器面板操作

通过面板设置操作。按mode键，然后转动旋钮，出现P79，然后按SET键，此时进入工作模式设置。

再次转动旋钮，那么出现0，1，2，3，4等。例如你要进行面板控制，例如频率修改，则选择模式0，按SET键。如果要选择4-20毫安控制，则选择模式3。按SET键。

如果是模式0，首先按PU键，进入PU模式，按RUN则运行。

通过旋钮选择一个频率，按SET键。屏幕闪动显示F和设置频率，表示开始设置，变频器逐步变动频率到目标位置，最后稳定在目标位置。

如果在运行时不是显示频率，则可以多次按MODE键。 4、控制系统接线表测量或控制量测量或控制量标号使用PLC端口使用ADAM端口 AI0 AO0 AO1 AI0 AO0 AO1 LT103 电磁流量计 TR101 变频器控制 FV101 调节阀控制 (注意：流量计可能为涡轮流量计) 四、实验要求

1、熟悉操作变频器，进行面板操作。

2、使用面板操作，控制水泵，测量变频器水泵控制特性曲线。 3、使用外部4-20毫安控制，测量控制特性曲线。

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4、测量数据，并记录分析数据。五、实验内容与步骤

1、编写“变频器水泵控制特性测量实验”的组态软件。

2、把电磁流量计信号连接到AI0。把变频器控制信号连接到DDC控制系统的AO0。把电动调节阀控制信号连接到DDC控制系统的AO1。

3、打开阀门JV201，JV206，其他阀门关闭。

4、把右边水泵连接到变频器上，系统上电，具体步骤参考实验1。 5、打开调节阀电源。把AO1的输出到最大值，让调节阀全开。 6、运行组态程序。

7、打开电磁流量计电源。注意下水箱闸板拉开些，避免溢出。电磁流量计运行一定时间后再开始测量。

8、变频器设置到面板控制，STF打到ON位置，设定频率在5Hz，10Hz，一直到50Hz。记录此时电磁流量计的输出值。注意设定新的调节阀控制量后，一定要等2秒的时间再记录。

9、变频器设置为外部，设定AO0定在5%，10%，一直到100%电流值下，记录每次改变后的变频器频率数值。

10、在变频器频率等于0时，把控制信号突然给定为20毫安，然后观察变频器的频率输出。通过抓图获得电磁流量计曲线。这个曲线反映了变频器控制的滞后。相比之下变频器控制比调节阀快速得多。变频器逐步变化特性保护了水泵。

11、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题

如果要通过外部电位器调节来调节变频器的频率，请问如何设计。七、实验结果提交

1、给出实验组态软件。

2、填写以下表格。共20组数据。序号 1 word范文

变频器频率流量 .

2 3、根据以上数据，绘制曲线，分析变频器负载特性。 4、填写以下表格。共20组数据。

序号输入电流输出频率 1 2 5、根据以上数据，绘制曲线，分析变频器系统线性度。

word范文

第四章工业系统对象特性的测定研究

本章主要对工业系统对象特性的进行测定，熟悉各种受控对象的特性。为将来的设计打下基础。

实验1 单容水箱液位数学模型的测定实验

一、实验目的

1、熟练掌握液位测量方法。 2、熟练掌握调节阀流量调节特性。 3、获得单容水箱液位数学模型。二、实验设备

A3000-FS/FBS常规现场系统，任意控制系统。三、实验原理与介绍

1、实验结构介绍

水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板开度来改变。被调量为水位H。分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。

直接在调节阀上加定值电流，从而使得调节阀具有固定的开度。(可以通过智能调节仪手动给定，或者AO模块直接输出电流。)

调整水箱出口到一定的开度。

突然加大调节阀上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型。

给定值

FV101

Qo LT

103

图4-1单容水箱液位数学模型的测定实验

通过物料平衡推导出的公式：

h word范文

QOkH,Qik

dH1那么 (kkH)，

dtF其中，F是水槽横截面积。在一定液位下，考虑稳态起算点，公式可以转换成RCdHHkR。 dt2H0公式等价于一个RC电路的响应函数，C=F就是水容，R就是水阻。 k如果通过对纯延迟惯性系统进行分析，则单容水箱液位数学模型可以使用以下S函数表示：

KR0。

S(TS1)相关理论计算可以参考清华大学出版社1993年出版的《过程控制》，金以G(S)慧编著。

2、控制系统接线表

测量或控制测量或控制量标使用PLC端口使用ADAM端口量号 AI0 AI0 下水箱液位 LT103 调节阀

3参考结果

单容水箱水位阶跃响应曲线，如图4-2所示：

FV101 AO0 AO0

图4-2 单容水箱液位飞升特性

word范文

此时液位测量高度184.5 mm，实际高度184.5 mm -3.5 mm =181 mm。实际开口面积5.5x49.5=272.25 mm²。此时负载阀开度系数：

kQ/Hmax6.68x104m2.5/s。水槽横截面积：0.206m²。

那么得到非线性微分方程为(标准量纲):：

dH/dt(0.0002840.000668H)/0.2060.001380.00324H

进行线性简化，可以认为它是一阶惯性环节加纯延迟的系统

G(s)Kes/(Ts1)。

四、实验要求

1、要求使用不同的给定值获得不同的曲线。 2、给出数学模型。五、实验内容与步骤

1、在现场系统A3000-FS上，将手动调节阀JV201、JV206完全打开，使下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。

2、在控制系统A3000-CS上，将下水箱液位(LT103)连到内给定调节仪输入端，调节仪输出端连到电动调节阀(FV101)控制信号端。

3、打开A3000-CS电源，调节阀通电。打开A3000-FS电源。 4、在A3000-FS上，启动右边水泵(P102)，给下水箱注水。

5、调节内给定调节仪设定值，从而改变输出到调节阀(FV101)的电流，然后调节JV303开度，使得在低水位时达到平衡。

6、改变设定值，记录水位随时间的曲线。

7、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题

依据QOkH,Qik。分析如何测量系统的流出系数。分析，如果提供一个下水箱出口流量计，你能增加怎样的实验。

word范文

七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。 2、根据曲线，计算数学模型。

实验2 双容水箱液位数学模型的测定实验

一、实验目的

1、获得双容水箱液位数学模型。二、实验设备

A3000-FS/FBS常规现场系统，任意控制系统。三、实验原理与介绍

1、系统介绍

水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板开度来改变。被调量为下水箱水位H。分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。

直接在调节阀上加定值电流，从而使得调节阀具有固定的开度。(可以通过智能调节仪手动给定，或者AO模块直接输出电流。)

调整水箱出口到一定的开度。

突然加大调节阀上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型。逻辑结构如图4-3所示。

word范文

FV101 定值 Qi 记录 LT 103 Qo H 图4-3双容水箱液位数学模型的测定实验

通过物料平衡推导出的公式：

dHdHH1kuR1,T2H2rH10， dtdt其中R1、R2为线性化水阻。

RRR2T1F1R1,T2F212,r。

R1R2R1R2T1d2HdH(TT)T2H2rkR1。那么： T1T212dtdt23、控制系统接线表测量或控制测量或控制量标使用PLC端使用ADAM端量号口口 AI0 AI0 下水箱液位 LT103 调节阀 4、参考结果 FV101 AO0 AO0 双容水箱水位阶跃响应曲线，如图4-5所示：

图4-5 双容水箱液位飞升特性

平衡时液位测量高度215 mm，实际高度215 mm -3.5 mm =211.5mm。对比单容实验，双容系统上升时间长，明显慢多了。但是在上升末端，还是具有近似于指数上升的特点。按照理论有一个拐点。四、实验要求

1、要求使用不同的给定值获得不同的曲线。 2、给出双容水箱液位数学模型。

word范文

五、实验内容与步骤

1、在A3000-FS上，将手动调节阀JV205、JV201完全打开，并使中水箱、下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。

2、在A3000-CS上，将下水箱液位(LT103)连到内给定调节仪输入端，调节仪输出端连到电动调节阀(FV101)控制信号端。

3、打开A3000电源，调节阀(FV101)通电。

4、在A3000-FS上，启动右边水泵，给中水箱注水。下水箱由中水箱注水。 5、调节内给定调节仪设定值，从而调节输出到FV101的电流，然后调节下水箱闸板开度，使得在低水位达到平衡。

6、改变设定值，记录水位随时间的曲线。

7、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题

任何一个系统的都有一个响应时间t或为延迟时间，例如一阶惯性系统时间常数t。分析A3000双容系统的时间常数。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

2、根据曲线，给出一个近似的数学模型。如果没有直接的方程，则给出一个折线函数或一些关键参数。

实验3 非线性容积水箱液位数学模型的测定实验

一、实验目的

1、获得非线性容积水箱液位数学模型。二、实验设备

A3000-FS/FBS常规现场系统，任意控制系统。。

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三、实验原理与介绍

1、系统介绍

由于非线性容积水箱液位数学模型具有更高阶导数，比较复杂，所以本实验为复杂控制系统以及高级算法研究提供了条件。

水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变。被调量为水位H。分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。

直接在调节阀上加定值电流，从而使得调节阀具有固定的开度。(可以通过智能调节仪手动给定，或者AO模块直接输出电流。)

调整水箱出口到一定的开度。

突然加大调节阀上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型。控制逻辑如图4-6所示。

测量或控制量下水箱液位调节阀

系统比较复杂，无法提供简单的公式。 3、参考结果

非线性容积水箱水位阶跃响应曲线，如图4-7所示：

定值 FV101 Qi LT 103 Qo h 图4-6 非线性容积水箱液位数学模型的测定实验

2、控制系统接线表

测量或控制量标使用PLC端口号 LT103 AI0 FV101 AO0 使用ADAM端口 AI0 AO0 word范文

图4-7 柱体倒放单容水箱液位飞升特性

柱体倒放后使得整个水箱的容积具有部分非线性，由于非线性容积占小部分，所以曲线差别不是非常明显，但是增加了控制难度。四、实验要求

1、要求使用不同的给定值获得不同的曲线。 2、给出非线性水箱液位数学模型。五、实验内容与步骤

1、在A3000-FS上，将手动调节阀JV206、JV201完全打开，并调节下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭；

2、在A3000-CS上，将下水箱液位(LT103)连到内给定调节仪输入端，调节仪输出端连到电动调节阀(FV101)控制信号端。

3、打开A3000电源，调节阀FV101通电。

4、在A3000-FS上，启动右边水泵，给下水箱注水，把三角柱体放在下水箱内。

5、调节设定值，从而调节输出到FV101的电流，然后调节下水箱闸板开度，使得在低水位段达到平衡。

6、改变柱体的放置方式，记录水位随时间的曲线。

7、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。

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六、思考问题

分析：通过把斜方块转90度放置，则还是线性容积，只是容积大小改变了，那么如何能够通过单容水箱液位模型，来计算变容后的数学模型。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

2、根据曲线，给出一个近似的数学模型。如果没有直接的方程，则给出一个折线函数或一些关键参数。

实验4 测定不同阻力下单容水箱液位数学模型实验

一、实验目的

1、测定不同阻力下单容水箱液位数学模型实验。二、实验设备

A3000-FS/FBS常规现场系统，任意控制系统。三、实验原理与介绍

1、系统介绍

实验方法与单容水箱液位数学模型的测定实验一样。单容水箱液位数学模型：QOkH,Qik 那么：

dH1(kkH)， dtF其中，F是水槽横截面积。这不是一个线性微分方程，因为流出的水的流量不是与高度成正比。

当然，如果在一定高度下，小范围的液位变动，并按照一个阻容系统近似，则可以近似为如下方程：

RCdHHkR。 dt2H0k式中，C=F是水容，R是水阻。

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从公式可以看出不同水容就可以得到不同的方程，但是系统的定性理论趋势是一样的。

A3000提供两种不同的闸板，包括矩形闸板，一个是反正切闸板。具体的出口阻力请参考有关文档。反正切闸板的目的是使得流出的流量QOkH，使得单容水箱等同于一个阻容系统。输出手动给定。

2、控制系统接线表测量或控制量下水箱液位调节阀 3、参考结果测量或控制量标号 LT103 FV101 使用PLC端口使用ADAM端口 AI0 AO0 AI0 AO0 在细长槽闸板下液位飞升特性如图4-8所示：

图4-8 细长槽闸板下液位飞升特性

在反正切线闸板下液位飞升特性如图4-9所示：

图4-9 反正切线闸板下液位飞升特性

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四、实验要求

1、要求使用不同的给定值获得不同的曲线。 2、给出不同出口闸板单容水箱液位数学模型。五、实验内容与步骤

1、在A3000-FS上，将手动调节阀JV206、JV201完全打开，并调节下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。

2、将下水箱液位(LT103)连到内给定调节仪输入端，调节仪输出端连到电动调节阀(FV101)控制信号端。

3、打开A3000电源，调节阀FV101通电。

4、在A3000-FS上，启动右边水泵，给下水箱注水。

5、调节设定值，从而改变输出到FV101电流，记录液位变化曲线。 6、换反正切闸板，再记录下液位曲线变化。观察比较与插矩形闸板时的异同。

7、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题

分析：是否能够建立细长槽闸板下单容液位水箱数学模型。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

2、根据曲线，给出一个近似的数学模型。如果没有直接的方程，则给出一个折线函数。

实验5 锅炉与加热器对象数学模型实验

一、实验目的

1、测定锅炉与加热器对象数学模型实验。

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二、实验设备

A3000-FS/FBS常规现场系统，任意控制系统。三、实验原理与介绍

1、系统原理

由于静止水加热时冷热不均匀，所以使用动态水进行实验。控制工艺流程图如图4-10所示。

图4-10 锅炉与加热器对象数学模型实验

记录定值调压器 TT 101 5# 锅炉通过热平衡推导出简单的关系：

PCmTkT，

公式与水的比热，质量，散热系数等有关。可以看成一阶惯性系统。在加热功率与散热功率相等时，温度不会再升高。

简化公式： Ik(1eTt)a

我们的目的就是求出在一定质量下(例如液位管内水距离下面的高度20cm)，上面公式中的k、T值。

2、控制系统接线表测量或控制量锅炉温度调压器 3、参考结果锅炉加热阶跃响应曲线，如图4-11所示。可以从50℃作为时间开始，12mA下，近似：

T10(1et/660)50。

测量或控制量标号使用PLC端口使用ADAM端口 TE101 BS101 AI0 AO0 AI0 AO0 从30℃开始，则近似：

T3.75(1et/660)。

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传递函数为： H(s)2475

s(s660)

图4-11 锅炉温度飞升特性曲线

四、实验要求

1、要求使用不同的给定值获得不同的曲线。 2、给出锅炉与加热器对象数学模型。五、实验内容与步骤

1、在A3000-FS上，将手动调节阀JV104、JV106，以及电磁阀XV101完全打开，其余阀门关闭。

2、按照测量列表连线：在A3000-CS上，将锅炉温度输出端连到内给定调节仪，调节仪输出端连到调压器。

3、在A3000-CS上，打开调压器开关。 4、打开A3000电源。

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5、在A3000-FS上，启动左边水泵，给锅炉注水到20cm高度(液位计中水位高度)。关闭水泵，关闭手阀JV104。

注意：注水高度一定要超过下面的液位开关高度，否则由于连锁保护，将无法启动加热器。

6、调节仪置手动，设定12mA。(由于系统保温效果很好，所以这个数值要小一些。否则如果很大，就会在很高温度下才能平衡，甚至到水沸腾才行。)

7、为使温度保持均匀，在加热时可打开手阀JV304、JV106，启动左边水泵，形成热水循环回路。

8、启动上位机，记录温度与控制量随时间的曲线。

9、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题

分析：锅炉中的水的多少，可能对系统数学模型有何影响。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

2、根据曲线，给出对象的定性分析，或一些关键参数。

实验6 滞后管数学模型实验

一、实验目的

1、测定锅炉与加热器对象数学模型试验。二、实验设备

A3000-FS/FBS常规现场系统，任意控制系统。三、实验原理与介绍

1、系统介绍

根据滞后管特性，滞后管出口温度将跟踪锅炉内温度，延迟一定的时间，这个时间可以认为与温度值无关。但是由于滞后管经过了散热，温度会降低一定的

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数值。这数值是温度的函数，可以认为是线性函数，通过测量确定系数。如图4-12。

5# 锅炉定值调压器滞后管记录 TT 102 图4-12 滞后管数学模型实验我们的目的是测量出滞后管的滞后时间，以及滞后管的温度与锅炉内温度的幅度变化。在一个温度小范围变化的情况下，这种滞后可以认为是一个延迟一定时间，波形幅度等比例减少了的模型：TkTg(t)Tk，K少于1。

2、控制系统接线表

测量或控制测量或控制量标使用PLC端口使用ADAM端量号口 TE101 AI1 AI1 锅炉温度调压器 3、参考结果以下是其他A3000早期版本的结果，可以作为参考。

锅炉加热与滞后管一段(最小延迟时间)特性测量曲线，如图4-13所示。

BS101 AO0 AI0 AO0 AI0 滞后管温度 TE102 图4-13 锅炉加热与一段滞后管特性测量曲线

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从曲线可以得到T0Tg(t)Tk0.9T(t.5)。

锅炉加热与滞后管两段(最大延迟时间)特性测量曲线，如图4-14所示。

图4-14 锅炉加热与两段滞后管特性测量曲线

从曲线可以得到。尽管两段滞后管是一段的两倍长，但是延迟时间增大很多倍，而且温度下降更多。延迟时间119.2s，衰减到0.885，T滞后=0.885T(t-119.2)。四、实验要求

1、滞后管数学模型实验。 2、给出准确的滞后时间参数。五、实验内容与步骤

1、在A3000-FS上，将手阀JV104、JV106、JV501、JV503以及电磁阀XV101完全打开，其余阀门关闭。

2、按照测量列表连线：在A3000-CS上，将锅炉温度输出端连到内给定调节仪，调节仪输出端连接到调压器；滞后管水温连接到外给定调节仪。

3、在A3000-CS上，打开调压器开关，选择输入模式为电流。打开A3000电源。

4、在A3000-FS上，启动左边水泵，给锅炉注水到30cm高度(液位计水位高度)。关闭水泵，关闭手阀JV104。

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注意：往锅炉内注水时应多一些，以免滞后管流出水后会使锅炉水位低于下液位高度。

启动上位机，开始记录温度曲线。

5、设定内给定调节仪的设定值，给调压器加给定电流，开始加热。当加热到70℃左右，将调压器的控制电流设置为4mA。

6、为使温度保持均匀，在加热过程中可打开手阀JV304、JV106，启动左边水泵，形成水循环回路。

7、在A3000-FS上，打开手阀JV201，以及2#电磁阀(XV102)，启动右边水泵，向锅炉注入冷水，使得锅炉内温度快速降低5-10℃，然后关闭右边水泵。

8、关闭手阀JV503，打开手阀JV502，重复实验步骤6到8。

9、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题

分析：为什么同样长度的两段管道，串起来比不串起来导致的滞后时间长得多。

七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

2、根据曲线，给出对象的定性分析，或一些关键参数。

实验7 换热机组数学模型实验

一、实验目的

1、了解换热机组的特性参数

2、测量一些有关换热器的参数，例如换热系数。二、实验设备

A3000-FS常规现场系统，AS3020 DDC控制系统或PLC控制系统。

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三、实验原理与介绍

1、换热器介绍

我们所采用的工业板式换热器换热效率非常高，它在一块不锈钢板上压出很多的沟道，然后多块钢板叠压在一起，在这些钢板中流过冷水和热水。就可以很好地交换热量。该产品大量应用于宾馆、学校、大厦、工厂中的供热和供热水系统中。

该产品设计参数为北京化晟高科设计提供，并把厂家的产品小型化，以便把工业大型产品应用到我们的系统中。

产品重量10公斤，设计压力0.6Mpa，设计最大温度150度。设计额定工作状态热水1立方/小时，入口5度差，出口5度差。在非最佳效率下，最大温度差可达40度。

2、控制回路

换热器热水入口在下面，其温度等于锅炉内的温度。换热器热水出口在热水入口的上面，温度传感器TE103。该支路由左边水泵，涡轮流量计，1#电磁阀，阀JV104，换热器热水入口，换热器热水出口，锅炉热水入口，锅炉热水出口，JV304阀，组成一个热水循环通道。

换热器冷水入口在上面，其温度等于储水箱温度。换热器冷水出口在冷水入口的下面，温度传感器TE104。该支路由JV201，右边水泵，电磁流量计(或涡轮流量计)，压力变送器，电动调节阀，JV207阀，换热器冷水入口，冷水出口，大储水箱组成一个冷水循环通道。

注意：热水不要超过70度，注意安全，防止烫伤。热水循环时，关闭JV104。热水流量*热水温度差=冷水流量*冷水温度差+热量损失

使用PLC进行温度测量。使用ADAM4000模块控制电动调节阀，给出一定的流量，而调压器控制信号保持20毫安。

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热水出口换热器冷水入口热水入口冷水出口图4-15 换热器系统结构

3、控制系统接线表

测量或控制量标号 TE101 锅炉温度换热器热水出口TE103 温度 TE105 储水箱温度换热器冷水出口TE104 温度 BS101 调压器 FV101 电动调节阀涡轮流量计电磁流量计变频器面板操作。测量或控制量使用PLC端使用ADAM端口口 AI0 AI1 AI2 AI3 AO0 AO1 AI0 AI1 由于温度实验容易导致锅炉温度很快下降，而大储水箱温度很快升高，所以可能导致实验无法进行。要仔细调节流量等参数。四、实验要求

1、测量换热器的效率特性。 2、给出在一定条件下的换热效率。五、实验内容与步骤

1、编写

1、按照实验原理接线要求接线。 2、打开A3000电源。

3、在A3000-FS上，启动左边水泵，打开1#电磁阀，阀门JV104,JV106，给锅炉注水到30cm高度(液位计水位高度)。关闭水泵，关闭手阀JV104，JV106。

4、启动上位机，全功率加热到60-70度。

5、阀JV304、JV104、JV201、JV207以及电磁阀XV101完全打开，其余阀门关闭。

6、开启左右水泵，将变频器频率调整到30Hz左右，调节阀控制量8毫安左右。要形成热水和冷水循环回路。

7、开始调整变频器和调节阀给定值，记录数据。

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8、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题

分析在那个流量温度条件下，换热器实验具有很好的效果。

考虑到热水冷水都是循环的，如何设置参数，才能尽可能延长实验时间。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

2、根据曲线，给出对象的定性分析，或一些关键参数。

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第五章简单设计型控制实验

本章开始进行控制系统设计。主要是单回路PID设计，其中PID参数的调整是一个非常麻烦的工作，同学们需要不断总结经验。

实验1 单闭环流量控制实验

一、实验目的

1、掌握单回路控制的特点

2、了解PI控制特点，以及对控制效果的评价。 3、掌握通过调节阀控制流量的原理和操作。二、实验设备

A3000现场系统，任何一个控制系统。三、实验原理与介绍

1、单回路控制逻辑

调节阀流量控制实验逻辑关系如图5-1所示。FIC指用于流量的调节器，这个调节器可能是智能仪表，也可以是计算机上的PID调节器，也可以是PLC中的PID调节器。类似的TIC就是用于温度控制的调节器。

FV101 FIC 101 定值 FT 102 图5-1 流量计流量定值控制实验

该控制逻辑是一个经典的单回路流量控制系统。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保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是管道流量，即控制的任务是控制流量等于给定值所要求的大小。根据控制框图，这是一个闭环

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反馈型单回路流量控制，采用PID控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。

一般言之，用比例(P)调节器的系统是一个有差系统，比例度δ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δ，Ti调节合理，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)。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图5-2中的曲线①、②、③所示。

1.T( c)32ess1 t(s)0图5-2 P、PI和PID调节的阶跃响应曲线

本实验暂时对PID控制的调节问题不涉及更多。 2、控制系统接线表测量或控制量流量调节阀 3、实验方案被调量为调节阀开度，控制目标是水流量，通过测量水流量，控制器与给定值进行比较，然后输出控制值到调节阀。

首先进行比例控制，看控制效果，进行比较。

测量或控制量标号 FT102 FV101 使用控制器端口 AI0 AO0 word范文

然后进行积分控制，看控制效果，进行比较。

最后在比例控制中加入积分控制，看控制效果，进行比较。 4、参考结果

PI参数设定如下P=40，I=100，小数值D的影响不大。控制曲线如图5-3所示。

图5-3 调节阀流量控制曲线

四、实验要求

1、使用比例控制进行流量控制，要求能够得到稳定曲线，以及震荡曲线。 2、使用积分控制进行流量控制，要求能够得到稳定曲线。设定不同的积分参数，进行比较。五、实验内容与步骤

1、在A3000-FS上，打开手动调节阀JV201、JV206，调节下水箱闸板开度(可以稍微大一些)，其余阀门关闭。

2、在A3000-CS上，将电磁流量计输出连接到AI0，AO0输出连到电动调节阀上。

3、打开A3000电源。在A3000-FS上，启动右边水泵。

4、对控制器或调节器进行工作量设定(设定SP、P、I、D值)，并记录控制曲线。暂时设定积分参数I=999999(一个很大的值，表示取消积分),D=0。注意，对于DCS，常规仪表等控制系统，比例系数指的是0%-100%的比例带。与课本上的比例系数成反比例关系。

5、改变给定值和PID参数，再次记录控制曲线。

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6、对控制器或调节器进行工作量设定，把比例控制，微分控制取消，直接积分控制。

7、改变给定值和PID参数，再次记录控制曲线。

8、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题

分析对于流量和压力这样的快速系统，使用ADAM4000来控制是否合适。系统的响应时间和控制器的采样计算时间是否有一个满足的条件。

分析如果使用变频器控制流量，如何设计控制流程。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

2、根据曲线，分析P，PI控制大致具有哪些趋势特征。

实验2 单容水箱液位定值控制实验

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

A3000现场系统，任何一个控制系统，万用表三、实验原理

1、控制系统结构

单容水箱液位定值(随动)控制实验，定性分析P, PI，PD控制器特性。控制逻辑如图5-4所示：

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FV101 给定值干扰 LIC 101 LT 103 Qi Qo h 图5-4 单容下水箱液位定值控制实验

水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变。被调量为水位H。使用P,PI , PID控制，看控制效果，进行比较。

控制策略使用PI、PD、PID调节。

实际上，可以通过控制连接到水泵上的变频器来控制压力，效果可能更好。 2、控制系统接线表

测量或控制测量或控制量标使用PLC端使用ADAM端量号口口 AI0 AI0 下水箱液位 LT103 调节阀 3、参考结果下闸板顶到铁槽顶距离(开度)5-6mm。比例控制器控制曲线如图所示。多个P值的控制曲线绘制在同一个图5-5上：

FV101 AO0 AO0 图5-5 比例控制器控制曲线

从图可见P=16时，有振荡趋势，P=24比较好。残差大约是8%。

PI控制器控制曲线如图5-6所示。选择P=24，然后把I从1800逐步减少。

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图 5-6 PI控制器控制曲线

如图5-6所示，在这里I的大小对控制速度影响已经不大。从I=5时出现振荡，并且难以稳定了。I的选择很大，8-100都具有比较好的控制特性，这里从临界条件，选择I=8到20之间。

PID控制器控制曲线如图5-7所示：

图5-7 PID控制器控制曲线

P=24,I=20,D=2或4都具有比较好的效果。从控制量来看，P=24,I=8,D=2比较好。

ADAM4000模块控制的结果如图5-8所示。

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图5-8 ADAM4000模块控制效果

从图可见，P=4，I=8000，D=2000控制效果是最好的。四、实验要求

1、使用比例控制进行单溶液位进行控制，要求能够得到稳定曲线，以及震荡曲线。

2、使用比例积分控制进行流量控制，要求能够得到稳定曲线。设定不同的积分参数，进行比较。

3、使用比例积分微分控制进行流量控制，要求能够得到稳定曲线。设定不同的积分参数，进行比较。五、实验内容与步骤

1、系统连接

(1)在A3000-FS上，打开手动调节阀JV201、JV206，调节下水箱闸板开度(可以稍微大一些)，其余阀门关闭。

(2)在A3000-CS上，将电磁流量计输出连接到AI0，AO0输出连到电动调节阀上。

(3)打开A3000电源。在A3000-FS上，启动右边水泵。

(4)启动计算机组态软件，进入实验系统选择相应的实验。启动调节器，设置各项参数，可将调节器的手动控制切换到自动控制。

2、比例调节控制。

(1)设置P参数，I参数设置到最大，D=0。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，可以开始加干扰实验。

(2)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。

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(3)减小P重复步骤1，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 (4)增大P重复步骤5，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

(5)选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。改变设定值(如设定值由50％变为60％)，同样可以得到一条过渡过程曲线。

注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。 3、比例积分调节器(PI)控制

(1)在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即把“I”(积分器)由最大处设定到中间某一个值，观察被控制量是否能回到设定值，以验证PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。

(2)固定比例P值(中等大小)，改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp。

表二、不同Ti时的超调量σp 积分时间常数Ti 大中小超调量σp (3)固定于某一中间值，然后改变P的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同值Ti下的超调量σp。

表三、不同δ值下的σp 比例P 超调量σp 大中小 (4)选择合适的P和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值(如设定值由50%变为60%)来获得。

4、比例积分微分调节(PID)控制

(1)在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把在仪表上设置D参数，然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与实验(二)PI控制下的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。

(2)选择合适的P、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线(阶跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现)。

(3)在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录。 5、用临界比例度法整定调节器的参数

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(1)在实现应用中，PID调节器的参数常用下述实验的方法来确定。用临界比例度法去整定PID调节器的参数是既方便又实用的。它的具体做法是：

(2)待系统稳定后，逐步减小调节器的比例度δ(即1/P)，并且每当减小一次比例度δ，待被调量回复到平衡状态后，再手动给系统施加一个5%~15%的阶跃扰动，观察被调量变化的动态过程。若被调量为衰减的振荡曲线，则应继续减小比例度δ，直到输出响应曲线呈现等幅振荡为止。如果响应曲线出现发散振荡，则表示比例度调节得过小，应适当增大，使之出现等幅振荡。图5-9为它的实验方块图。

r (t)¸¶ø¨Á¿+e-ÈÀ±ý¶È÷½µÚÆ÷´ÐÔÖª¼þ»¿±Ø¹ý³ÌC(t)ä³ÊöÁ¿ì²¼âÔª¼þ图5-9 具有比例调节器的闭环系统

(3)在图5-10所示的系统中，当被调量作等幅荡时，此时的比例度δ就是临界比例度，用δk表示之，相应的振荡周期就是临界周期Tk。据此，按下表可确定PID调节器的三个参数δ、Ti和Td。

0 C(t)Tk

图5-10 具有周期TK的等幅振荡

t 表5-2-1 用临界比例度δk整定PID调节器的参数 δk Ti(S) Td(S) 调节器参数调节器名称 P PI PID 2δk 2.2δk 1.6δk Tk/1.2 0.5Tk 0.125Tk (4)必须指出，表格中给出的参数值是对调节器参数的一个初略设计，因为它是根据大量实验而得出的结论。若要就得更满意的动态过程(例如：在阶跃作用下，被调参量作4：1地衰减振荡)，则要在表格给出参数的基础上，对δ、Ti(或Td)作适当调整。

word范文

实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题

分析积分量I与被控系统的响应时间有什么关系。如果减少单容系统的容积，那么对控制系统的I是应该增大还是减少。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

2、根据曲线，分析P，PI，PID控制大致具有哪些趋势特征。

3、给出各个控制条件下的超调量σp，残差，以及控制稳定所需要的时间。 4、根据这些数据，分析P、I、D参数对控制系统的影响。

实验3 双容水箱液位定值控制实验

一、实验目的

1、掌握多容系统单回路控制的特点 2、深入了解PID控制特点。

3、深入研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。二、实验设备

A3000现场系统，任何一个控制系统。三、实验原理与介绍

1、系统结构

水从中水箱进入，中水箱闸板开度8毫米，进入下水箱，下水箱闸板开度5-6毫米。要保证中水箱闸板开度大约下水箱闸板开度，这样控制效果好些。水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板来改变。被调量为下水位H。如图5-11所示。

word范文

给定值 LIC 101 FV101 干扰 Qi LT 103 Qo h 图5-11 双容水箱液位定值控制实验

实际上，可以通过控制连接到水泵上的变频器来控制压力，效果可能更好。 2、控制逻辑结构

双容水箱液位控制系统如图5-12所示。扰动给定+ 扰动液位下水箱

调节器 ─ 电动阀中水箱液位变送器图5-12 双容水箱液位定值控制实验逻辑图

这也是一个单回路控制系统，它与上一个实验不同的是有两个水箱相串联，控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度；具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于调节器Gc(S)的结构和参数的合理选择。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。

对于阶跃输入(包括阶跃扰动)，这种系统用比例(P)调节器去控制，系统有余差，且与比例度成正比，若用比例积分(PI)调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数δ和Ti调节得合理，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的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。

3、控制系统接线表

测量或控制测量或控制量标使用PLC端口量号 AI0 下水箱液位 LT103 word范文

使用ADAM端口 AI0 .

调节阀 4、参考结果 FV101 AO0 AO0 双容水箱液位控制实验

PI控制器控制曲线如图5-13所示：

图5-13 PI控制器控制曲线

PID控制的曲线具有两个波，然后逐步趋于稳定。由于系统延迟很大，这个稳定时间非常长。比较好的效果是P=24, I=200，D=2。如图5-14所示：

图5-14 PID控制曲线图5-15 ADAM模块控制曲线图 ADAM模块曲线图：SP=25, P=2, I=200000, D=0，如图5-15。

从图可见，增加微分项之后，系统在有10%的扰动下，很快就进入稳定状态。

四、实验要求

1、使用比例控制进行双容液位进行控制，要求能够得到稳定曲线，以及震荡曲线。

2、使用比例积分控制进行流量控制，要求能够得到稳定曲线。设定不同的积分参数，进行比较。

3、使用比例积分微分控制进行流量控制，要求能够得到稳定曲线。设定不同的积分参数，进行比较。

word范文

五、实验内容与步骤

1、使用组态软件进行组态。注意实时曲线时间要设定大些，例如15分钟。因为多容积导致的延迟比较大。

2、在A3000-FS上，打开手阀JV205、JV201，调节中水箱、下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。

3、连线：下水箱液位连接到内给定调节仪输入。内给定调节仪的输出连接到调节阀的控制端。

4、打开A3000电源。在A3000-FS上，启动右边水泵，给中水箱注水。 5、按所学理论操作调节器，进行PID设定。首先还是使用P比例调节，单容实验的P值可以参考。然后再加I值。参见上一实验。六、思考问题

分析，比较双容系统的最佳积分量I，以及上一实验中的最佳I参数，再次分析I与被控系统的响应时间有什么关系。

完全是一样的两个容器，那么单容响应时间也一样，但是两个串联后难控制多了，请分析原因。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

2、根据曲线，分析P，PI，PID控制大致具有哪些趋势特征。

3、给出各个控制条件下的超调量σp，残差，以及控制稳定所需要的时间。 4、根据这些数据，分析P、I、D参数对控制系统的影响。

实验4 三容水箱液位定值控制实验

一、实验目的

1、掌握多容系统单回路控制的特点 2、了解多容系统难以控制的原因。二、实验设备

A3000现场系统，任何一个控制系统。

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三、实验原理与介绍

1、系统结构

水从上水箱进入，上水箱开度11毫米，中水箱闸板开度10毫米，进入下水箱，下水箱闸板开度7毫米。要保证上、中水箱、下水箱闸板开度逐步变小，这样控制效果好些。水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板来改变。被调量为下水位H。

2、控制逻辑结构

三容水箱液位控制系统如图5-16所示。给定扰动调节器 ─ 电动阀上水箱扰动中水箱扰动液位下水箱 + 液位变送器图5-16 双容水箱液位定值控制实验逻辑图

这也是一个单回路控制系统，它与上一个实验不同的是有三个水箱相串联，控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度；具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于调节器Gc(S)的结构和参数的合理选择。由于双容水箱稳定性不如单容液位控制系统，难以控制，那么三容系统更加难以控制，而且系统的响应时间非常漫长。

与双容水箱液位定值(随动)控制实验全部测量点，算法组态一样，不同的是设定值和结果。

实际上，可以通过控制连接到水泵上的变频器来控制压力，效果可能更好。 3、系统测量和控制接线

测量或控制测量或控制量标使用控制系统端口量号 AI0 下水箱液位 LT103 调节阀

4、参考结果

三容水箱液位控制实验

下闸板顶到铁槽顶距离(开度): 卡尺直接量7 mm,。中闸板顶到铁槽顶距离(开度): 卡尺直接量11 mm。

word范文

FV101 AO0 .

上闸板顶到铁槽顶距离(开度): 卡尺直接量11 mm。

ADAM4000开始，P=2, I=1000秒，D=2秒，PID控制曲线如图5-17所示。

图5-17三容控制曲线图

从图上可见，该系统的稳定时间非常长，大约1小时。四、实验要求

使用比例控制进行三容液位进行控制，要求能够得到稳定的液位。误差不超过5%。不要求得到最好的控制效果。五、实验内容与步骤

1、使用组态软件进行组态。注意实时曲线时间要设定大些，例如15分钟。因为多容积导致的延迟比较大。

2、按照系统测量和控制接线表连线。

3、在A3000-FS上，打开手动调节阀JV204、JV201，调节上、中、下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。

4、打开A3000电源。打开电动调节阀开关。

5、在A3000-FS上，启动右边水泵，给上水箱注水，同时中水箱、下水箱分别由上、中水箱注水。

LT103→控制器→FV101单回路定值以及数学模型的实验。

6、按所学理论操作调节器，进行PID设定。首先还是使用P比例调节，单容实验的P值可以参考。然后再加I值。六、思考问题

分析，如果每个容器的截面积大小，是否更容易控制。三个容器的截面积和高度如何设计更好控制。

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七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

2、根据单容、双容、三溶液位控制特性，分析多容系统对调节器PID参数有什么要求。

实验5 锅炉水温定值位式控制实验

一、实验目的

1、掌握位式控制的原理。 2、掌握位式控制的特性。二、实验设备

A3000现场系统，任何一个控制系统。三、实验原理

1、控制工艺流程

由于静止水加热时冷热不均匀，所以我们使用动态水进行试验。控制工艺流程图如图5-18所示：

TC 101 TT 101 5# 锅炉换热器

供电

图5-18 锅炉温度位式控制

二位控制是位式控制规律中最简单的一种。本实验的被控对象是6KW电加热管，被控制量是锅炉中的水温T。一般位式控制通过开关控制电加热管的通断，我们使用0毫安，20毫安两个电流量来控制通断。图5-19为位式控制系统的方块图。

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图5-19 位式调节器的特性图

由图5-19可见，在一定的范围内不仅有死区存在，而且还有回环。因而图5-18所示的系统实质上是一个典型的非线性控制系统。执行器只有“开”或“关”两种极限工作状态，故称这种控制器为两位调节器。

该系统的工作原理是当被控制的水温T小于给定值时，即给定值>测量值，且当e=VS-VP≥dF时，调压模块的控制信号为20毫安，电加热管接通。随着水温T的升高，Vp也不断增大，e相应变小。若T高于给定值，即Vs〈Vp，e=Vg-Vi=负值，若e≤-dF时，则调压模块的控制信号为4毫安，切断电热丝的供电。

真实工业现场一般使用继电器的通断来控制，那么这种控制方式具有冲击性，易损坏元器件，只是在对控制质量要求不高的系统才使用。

如图位式控制系统的方框图所示，温度给定值在调节器上通过设定获得。被控对象为锅炉中的电热管，被控制量为锅炉水温。它由铂电阻PT100测定，输入到调节器上。根据给定值加上dF与测量的温度相比较向调压器发出控制信号，从而达到控制锅炉温度的目的。

由过程控制原理可知，双位控制系统的输出是一个断续控制作用下的等幅振荡过程，如图5-20所示。因此不能用连续控制作用下的衰减振荡过程的温度品质指标来衡量，而用振幅和周期作为品质指标。一般要求振幅小，周期长，然而对同一双位控制系统来说，若要振幅小，则周期必然短；若要周期长，则振幅必然大。因此通过合理选择中间区以使振幅在限定范围内，而又尽可能获得较长的周期。

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T( c).10t(s)

图5-20 双位控系统的过程曲线

2、系统测量和控制接线

测量或控制测量或控制量标控制系统端口量号 TE101 AI0 锅炉温度调压器 3、控制策略

AI获取TE101和TE101测量来的数据，然后进行简单计算。设定目标温度度，dF=1度。那么控制策略：如果当前输出20mA，而且温度超过65℃，则调压器控制电流4 mA。如果当前输出4 mA，而且温度少于63℃，则调压器控制电流20 mA。

4、参考结果

设定温度在63℃到65℃之间，由于温度变化非常缓慢，所以需要大约50分钟的实验时间。温度随时间的数据曲线如图5-21所示。

BS101 AO0 图5-21 锅炉温度位式控制曲线

四、实验要求

1、给出位式控制结果曲线。

word范文

2、分析位式控制的特点。五、实验内容与步骤

1、使用组态软件进行组态。最好一次包括多个模拟量输入/输出，数值定义为0～100。无论是温度还是液位，使用实时曲线。可以按Pr Screen键抓图，然后粘贴到绘图工具中。

如果使用PID调节仪，为了通过调节仪和调压器获得位式控制的效果，需要设置为手动模式。如果不设置为手动模式，可以在组态软件的界面属性中增加以下代码：

if(\\\\本站点\\PV>65) {\\\\本站点\\MV=100;} if(\\\\本站点\\ PV<63) {\\\\本站点\\MV=0;}

这样就可以达到位式控制的目的。

2、在A3000-FS上，将手阀JV104、JV106及1#电磁阀(XV101)完全打开，其余阀门关闭。

3、在A3000-CS上，将锅炉水温(TE101)连到AI0端，将AO0输出端连到调压器输入端。

4、打开A3000电源。打开调压器开关，调压器输入模式选择为电流。 5、在A3000-FS上，启动左边水泵，给锅炉注水到一半高度。

注意：一定要超过下面的液位开关高度，否则由于连锁保护，无法启动加热器。

6、关闭水泵，关闭JV104。为避免不必要的干扰，所以建议尽量不要启动变频器来控制水泵。

7、为使温度保持均匀，打开阀JV304、 JV106，1#电磁阀，启动左边水泵。 8、启动上位机，开始控制运行，记录温度与调压器控制电流随时间的曲线。六、思考问题

在工业应用环境中，还有不是两值控制的位式控制，而是多值控制，只不过给出的控制量不是连续的。分析如何使用使用调压器模拟一个折线方式的位式控

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制。通过给出一个些控制策略，例如模糊控制，或者简单的专家控制，以便获得更好的效果效果。如图5-22所示。

图5-22 多值位式控制控制量温度七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

2、根据曲线，分析控制效果，以及PID调节器的调节经验。

实验6 锅炉水温定值控制实验

一、实验目的

1、掌握温度单回路控制的原理。 2、掌握温度单回路控制的特性。二、实验设备

A3000现场系统，任何一个控制系统。三、实验原理

1、控制工艺流程

由于静止水加热时冷热不均匀，所以我们使用动态水进行试验。控制工艺流程图如图5-23所示。

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定值 TC 101 TE 101 调压器 5# 锅炉换热器图5-23 锅炉温度定值控制

图5-23为一个闭环单回路的锅炉温度控制系统的结构框图，锅炉为动态循环水，变频器、齿轮泵、锅炉组成循环供水系统。实验之前，左边水泵供水系统在通过阀J、JV106，电磁阀1#将锅炉的水装至适当高度。阀J关闭，打开JV304，JV105实验投入运行以后，锅炉的水处于循环状态。

为了加热均匀，我们使用了动态循环水，把锅炉的水搅动起来。另外三相电加热管功率为6KW，加热过程相对快速，散热过程相对比较缓慢，所以我们让循环水经过了换热器，目的就是让整个系统的散热过程快一些。如果还是太慢，建议在换热器冷水侧加入非常少量的水。把热量带走一部分，让系统加热还是很快，同时散热也快。以便提高系统精确度和稳定性。

本系统所要保持的恒定参数是锅炉温度给定值，即控制的任务是控制锅炉温度等于给定值，采用工业智能PID调节。

控制逻辑结构框图如图5-24所示。被调量为锅炉水温，通过测量水温，控制器与给定值进行比较，然后输出控制值到调压器。使用P,PI , PID控制，看控制效果，进行比较。

调节仪电加热管温度传感器图5-24 控制逻辑结构框图

2、系统测量和控制接线

测量或控制测量或控制量标使用PLC端使用ADAM端量号口口 TE101 AI0 AI0 锅炉水温调压器 3、参考结果

PID控制器选择的范例参数为：P=3，I=100S，D=0，控制曲线如图5-25所示：

BS101 AO0 AO0 word范文

图5-25 温度控制曲线

四、实验要求

1、给出温度单回路控制结果曲线。

2、分析使用PID单回路控制温度的控制器的特点。五、实验内容与步骤

1、在A3000-FS上，将手动调节阀JV104、JV106，及电磁阀XV101完全打开，其余阀门关闭。

2、在A3000-CS上，将锅炉水温(TE101)连到AI0端，将AO0输出端连到调压器输入。

3、打开调压器开关，选择输入模式为电流。打开A3000电源。

4、在A3000-FS上，启动左边水泵，给锅炉注水到一半高度。关闭水泵，关闭手阀JV104。

注意：锅炉水位一定要超过下面的液位开关高度，否则由于连锁保护，无法启动加热器；为避免不必要的强烈干扰，所以建议尽量不要启动变频器，直接220V驱动水泵。

5、为使温度保持均匀，在加热过程中可打开手动调节阀JV304、JV106，启动左边水泵，形成水循环回路。

6、启动上位机，进行PID设定，记录温度与控制量随时间的曲线。在设定阶跃温度时，最好3～5℃，不要太大，避免整个水箱温度过高。

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六、思考问题

分析，如果加热管最大功率6KW，那么如何要得到方便的控制，散热功率应该多大最好。对A3000设计，你能提出怎样的改进方案。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

2、根据曲线，分析控制效果，以及PID调节器的调节经验。

实验7 换热器水温单回路控制实验

一、实验目的

1、了解换热器工作原理。 2、掌握换热器单回路控制的原理。 3、掌握换热器单回路控制的特性。二、实验设备

A3000现场系统，任何一个控制系统。三、实验原理

1、控制结构

换热器水温单回路控制实验的逻辑图如图5-26示。

锅炉 TE 104 给定值 FV101 104 换热器调节阀左边水泵

储水箱右边水泵 TIC 图5-26 换热器水温单回路控制实验的逻辑图

word范文

被调量为进入换热器的冷水流量，控制目标是冷水出口温度，通过测量水温，控制器与给定值进行比较，然后输出控制值到调节阀。此实验也可以改为控制热水出口温度。

通过PID控制，看控制效果，进行比较。注意的问题是：储水箱中的水尽量多，热水流量尽量少，温度设定值阶跃要少，否则可能使得所有的水都变热，难以控制。如果能够通过自来水循环，或使用大的水池则可以解决这个问题。

如果你使用PLC控制，则可以使用ADAM模块监控锅炉内温度与储水箱温度，以便设定合适的控制目标给定值。使用ADAM模块来控制，也可以使用PLC来监控。注意单位转换，可以把PID调节仪的工程范围定义为最小值4，最大值20，从而与ADAM模块保持一致。

例如监控到锅炉内温度11毫安，储水箱温度9毫安，那么你的给定值就最好在10毫安左右。

实际上，可以通过控制连接到水泵上的变频器来控制压力，效果可能更好。 2、系统测量和控制接线测量或控制量测量或控制量标使用PLC端使用ADAM端号口口 AI0 AI0 换热器冷水出口TE104 温度 FV101 AO0 AO0 调节阀 3、参考结果比例控制曲线如图5-27所示。

图5-27 比例控制实验

残差1.1℃。

使用PID控制，P=100,I=80S，D=0S控制曲线如图5-28所示。

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图5-28 单回路控制曲线

四、实验要求

1、给出换热器控制曲线。

2、分析使用PID单回路控制换热器温度的控制器的特点。五、实验内容与步骤

1、在A3000-FS上，打开手动调节阀JV201、JV207、JV104和JV106。使用DO0数字输出端口，或接地直接打开1#电磁阀(XV101)。其余阀门关闭。

2、按照测量和控制接线表连结实验连结线。 3、打开A3000电源。

4、在A3000-FS上，打开手动调节阀JV104，启动右边水泵，给锅炉注水到20cm高度(液位计水位高度)，关闭水泵，关闭阀JV106。

5、在A3000-FS上，启动调压器BS101，调节仪手动给出20mA电流加热。当加热到70度左右，适当减少手动给出的控制调压器的电流。

6、在A3000-FS上，启动右边水泵(形成冷水回路，平衡锅炉水温)，关闭手阀JV104，打开阀JV304。

为避免不必要的强烈干扰，所以建议尽量不要启动变频器，直接220V驱动水泵。

7、调节手阀JV105开度，使热水流量到某合适数值，要足够小(大约0.3m³/h)，以避免很快加热了整个储水箱。

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8、对控制器或调节器进行工作量设定。

9、改变给定值，记录控制曲线。或者少量改变热水流量，从而增加干扰，记录控制曲线。六、思考问题

分析，本控制器控制电动调节阀，从而控制冷水流量来控制换热器的冷水侧出口温度。如果我们还可以控制热水侧的流量，或者控制锅炉加热功率。那么就有两个控值量，一个输出量。这也是一个耦合的系统。如果还要求控制热水出口侧温度，则是双输入双输出的耦合系统。分析这种耦合的关系。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

2、根据曲线，分析控制效果，以及PID调节器的调节经验。

实验8 联锁控制系统实验

一、实验目的

1、了解换热器工作原理。 2、掌握换热器单回路控制的原理。 3、掌握换热器单回路控制的特性。二、实验设备

A3000现场系统，任何一个控制系统。三、实验原理

在一个真实运行的锅炉系统中，控制联锁与安全联锁都是设计所必需的。包括电梯这样安全性要求很高的系统中，控制联锁与安全联锁也是必须的。

1、系统结构

A3000的安全联锁设计如图5-29所示。

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LC XV102 TC TE 101 LS102 锅炉 LS101 其它控制支路

调压器接触器图5-29 联锁控制系统

其中液位1是防止干烧的液位开关，控制电路实际是继电器硬件电路，当液位不能到达防止干烧的最低液位，则断开其它控制支路的输入，而直接输入关断调压器的信号，从而防止干烧。

液位1控制的联锁是不能让学生修改的，以避免损坏加热器。

由液位2，锅炉温度传感器，温度控制器组成的控制联锁系统是学生可以自己修改的。典型应用的范例如下：

当锅炉内温度小于设定值时，调压器输入20mA，当温度升高到达高限时(水位未超过液位2时)，强制打开电磁阀XV102，加入冷水，但是冷水不能超过液位2；如果温度到达高限且水位到达液位2，则立即关闭加热器(调压器的输出)。从而形成联锁控制。

2、实验方案

AO0输出20mA。被调量为锅炉水温，通过测量水温，如果发现温度超过温度上限温度，则DO0输出1，打开XV102，如果水温低于下限温度，则关闭XV102；当水位超过第二个液位开关或温度超过上限温度，则让AO0输出4 mA或低于4 mA，从而关闭加热管。(上、下限温度差最好在0.1℃以内)

3、系统测量和控制接线

其中电动调节阀全开就可以了，不做任何控制。我们标准配置的系统使用智能PID调节仪，通过手动给定来打开电动调节阀。

测量或控制量锅炉水温 word范文

测量或控制量标号 TE101 使用PLC端口 AI0 使用ADAM端口 AI0 .

调压器液位开关2 电磁阀电动调节阀 3、参考结果 BS101 LS102 XV102 FV101 AO0 DI0 DO0 AO1 AO0 DI0 DO0 AO1 加水，以及AO0，温度等控制曲线如图5-30所示。

四、实验要求

1、给出联锁控制曲线。

图5-30 联锁控制曲线

2、分析联锁控制的意义。五、实验内容与步骤

1、在 A3000-FS上，将手动调节阀JV201、JV104、JV106和电磁阀XV101完全打开，其余阀门关闭。

2、在A3000-CS上，将锅炉温度(TE101)连到AI0端，将AO0连到调压器输入端，将液位开关LS102连接到DI0，DO0连接到2#电磁阀(XV102)。

3、打开调压器开关。A3000通电。

4、在A3000-FS上，启动左边水泵，给锅炉注水到20cm高度。(一定要超过下面的液位开关高度，否则由于联锁保护，无法启动加热器。)

word范文

5、在A3000-FS上，打开手动调节阀JV304，关闭手阀JV104。

6、将外给定智能仪表输出端连到电动调节阀输入，选择输入模式为电流，用智能仪表手动打开电动调节阀。开启右边水泵。

7、设定工作量。(上、下限温度差最好在0.1度以内。)

8、启动上位机，AO0输出20mA，开始加热。当电磁阀(XV102)动作时，锅炉水位达到上限，这是一种类似于位式控制的方法。当AO0输出20毫安时，纪录加到什么温度时候关闭锅炉加热器。六、思考问题

分析，如果把锅炉当成一个容器来使用，使用2#电磁阀来控制进入的水量。部分打开JV305，让水出去一部分。如果要求控制液位在第一个和第二液位开关之间，请问如何设计这个控制器。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。 2、根据曲线，分析控制效果。

实验9 单闭环压力控制实验

一、实验目的

1、掌握单回路控制的特点。

2、了解PI控制特点，以及对控制效果的评价。 3、掌握通过调节阀控制压力的原理和操作。二、实验设备

A3000-FS/FBS现场系统，任何一个控制系统。三、实验原理与介绍

1、单回路控制逻辑

word范文

调节阀压力控制实验逻辑关系如图5-31所示。PIC指用于压力的调节器，这个调节器可能是智能仪表，也可以是计算机上的PID调节器，也可以是PLC中的PID调节器。

PIC 101 定值 PT 101 FV101 图5-31 调节阀压力定值控制实验

实际上，可以通过控制连接到水泵上的变频器来控制压力，效果可能更好。 2、控制系统接线表

测量或控制测量或控制量标使用控制器端口量号 PT101 AI0 压力调节阀 FV101 AO0

注意：通过计算和测量，压力控制的范围33%-70%的压力变送器量程范围

内。

3、实验方案

被调量为调节阀开度，控制目标是管道压力，通过测量管道压力，控制器与给定值进行比较，然后输出控制值到调节阀。

首先进行比例控制，看控制效果，进行比较。然后进行积分控制，看控制效果，进行比较。

最后在比例控制中加入积分控制，看控制效果，进行比较。四、实验要求

1、使用比例控制进行管道压力控制，要求能够得到稳定曲线，以及震荡曲线。

2、使用积分控制进行管道压力控制，要求能够得到稳定曲线。设定不同的积分参数，进行比较。

word范文

五、实验内容与步骤

1、在A3000-FS上，打开手动调节阀JV201、JV206，下水箱闸板开大些，其余阀门关闭。

2、在A3000-CS上，将管道压力变送器输出连接到AI0，AO0输出连到电动调节阀上。

3、打开A3000电源。在A3000-FS上，启动右边水泵。

5、改变给定值和PID参数，再次记录控制曲线。

6、对控制器或调节器进行工作量设定，把比例控制，微分控制取消，直接积分控制。

7、改变给定值和PID参数，再次记录控制曲线。

8、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题

分析对于流量和压力这样的快速系统，使用ADAM4000来控制是否合适。系统的响应时间和控制器的采样计算时间是否有一个满足的条件。

分析如果使用变频器控制管道压力，如何设计控制流程。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

2、根据曲线，分析P，PI控制大致具有哪些趋势特征。

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第六章复杂设计型控制系统

本章介绍复杂控制器的设计，包括串级控制，比值控制，前馈反馈控制、解耦控制等等。这些实验难度比较高，每次实验需要的时间非常长。可以作为本科毕业设计课题，或者研究生研究课题。

实验1下水箱液位和进口流量串级控制实验

一、实验目的

1、学习闭环串级控制的原理。 2、了解闭环串级控制的特点。 3、掌握闭环串级控制的设计。

4、初步掌握闭环串级控制器参数调整。二、实验设备

A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。(该实验要求中、下水箱均配置液位传感器) 三、实验原理

单回路控制系统解决了工艺生产过程自动化中大量的参数定值问题。但是，随着现代工业生产的迅速发展，工艺操作条件的要求更加严格，对安全运行和经济性及对控制质量的要求也更高。但回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求，在这样的情况下，串级控制系统就应运而生。

1、串级控制系统的结构

串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到广泛地应用，串级控制系统是指不止采用一个控制器，而是将两个或几个控制器相串级，是将一个控制器的输入作为下一个控制器设定值的控制系统。

2、串级控制系统的名词术语

主被控参数：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。

副被控参数：在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引入的中间辅助变

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量。

主被控过程：由主参数表征其特性的生产过程，主回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。

副被控过程：由副被控参数为输出的生产过程，副回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为控制参数。

主调节器：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。

副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制调节阀动作。

副回路：由副调节器、副被控过程、副测量变送器等组成的闭合回路。主回路：由主调节器、副回路、主被控过程及主测量变送器等组成的闭合回路。

一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。当生产过程处于稳定状态时，它的控制量与被控量都稳定在某一定值。当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同扰动，分为三种情况：

(1)在副对象上的扰动

副对象加上扰动后，副调节就立即发出校正信号，控制执行对象(工程上一般是调节阀的开度，而本实验装置中是泵电机的转速)动作，以克服扰动对主被控参数的影响。如果扰动量不大，经过副回路的及时控制一般不影响被控量，如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正，但还将影响被控量；此时再有主回路的进一步调节，从而使被控量回到平衡时的值。

(2)主对象上的扰动

主对象加上扰动后，主回路产生校正作用，由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对被控量的影响比单回路系统时要小。

(3)一次扰动和二次扰动同时存在

如果一、二次扰动的作用使主，副被控参数同时增大或减少时，主、副调节器对调节阀(或泵电机转速)的控制方向一致的，即大幅度关小或开大阀门(或大幅度地使泵电机加速或减速)，加强控制作用，使主被控量很快地回到给定值上。

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如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大，另一个减少，此时主、副调节器控制调节阀的方向是相反的，调节阀的开度只要作较小变动即满足控制要求。

3、串级控制系统的特点

综上分析可知，串级控制系统副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使控制品质得到进一步提高。

串级控制系统是改善和提高控制品质的一种极为有效的控制方案。它与单回路反馈控制系统比较，由于在系统结构上多了一个副回路，所以具有以下一些特点：

(1)改善了过程的动态特性

串级控制系统比单回路控制系统在结构上多了一个副回路。它的容量滞后减少了，过程的动态特性得到改善，使系统的响应加快，控制更为及时。

(2)提高了系统工作频率

串级系统由于存在一个副回路，改善了过程特性，等效过程的时间常数减小了，从而提高了系统的工作频率，使振荡周期缩短，改善了系统的控制质量。

(3)具有较强的抗扰动能力

在串级控制系统中，主、副调节器放大系数的乘积愈大，则系统的抗扰动能力愈强，控制质量愈好。串级控制系统由于存在副回路，只要扰动由副回路引入，不等它影响到主参数，副回路立即进行调节，这样，该扰动对主参数的影响就会大大地减小，从而提高了主参数控制质量，所以说串级控制系统具有较强抗扰动能力。

(4)具有一定的自适应能力

串级控制系统，就其主回路来看是一个定值控制系统，而副回路则是一个随动系统，主调节器的输出能按照负荷和操作条件的变化而变化，从而不断改变副调节器的给定值，使副回路调节器的给定值适应负荷并随操作条件而变化，即具有一定的自适应能力。

正确合理地设计一个串级控制系统是要其能充分发挥如上所述系统的各种特点。在系统设计时应包括主、副回路的设计，主、副调节器控制规律的选择及正、反作用方式的确定。

4、主、副回路的设计

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串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路关系的考虑。下面介绍设计原则。

(1)主参数的选择和主回路的设计

串级控制系统由主回路和副回路组成。主回路是一个定值控制系统。对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。否则应选用一个与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性。

(2)副参数的选择和副回路的设计副参数的选择

副参数的选择应使副回路的时间常数小，时延小，控制通道短，这样可使等效过程的时间常数大大减小，从而加快需要的工作频率，提高响应速度，缩短过渡过程时间，改善系统的控制品质。总之，为了充分发挥副回路的超前、快速作用，在扰动影响主参数之前就加以克服，必须设法选择一个可测的、反映灵敏的参数作为副参数。

副回路应包括生产过程中变化剧烈、频繁而且幅度大的主要扰动，并尽可能多地包括一些扰动。

由上所述，串级控制系统副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强的特点。在副回路设计时，要充分发挥这一特点，把生产过程中的主要扰动(并可能多的把其它一些扰动)包括在副回路中，以尽量减少对主参数的影响，提高主参数的控制质量。如此次实验就是以下水箱的水位为主参数与上水箱的水位为副参数的串级控制系统。

在选择副参数进行副回路设计时，必须注意主、副过程时间常数的匹配问题。因为它是串级控制系统正常运行的主要条件，是保证安全生产、防止共振的根本措施。

如果副过程的时间常数比主过程小得多，这时副回路反应灵敏，控制作用快，但此时副回路包含的扰动少，对于过程特性的改善也就少了；相反，如果副过程的时间常数大于或接近于主过程的时间常数，这时副回路对于改善过程特性的效果较明显。但是，副回路反应较迟钝，不能及时有效地克服扰动，并将明显地影

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响参数。如果主、副过程的时间常数较接近，这时主副回路间的动态联系十分密切，当一个参数发生振荡时，会使另一个参数也发生振荡，这就是所谓的“共振”，它不利于生产的正常进行。串级控制系统主、副过程时间常数的匹配是一个比较复杂的问题。原则上，主副过程时间常数之比应是3到10范围内。在工程上，应根据具体过程的实际情况与控制要求来定。若设置串级控制系统主要是利用副回路能迅速克服主要扰动的话，则副回路的时间常数以小一点为好，只要将主要扰动包括在副回路中即可，若设置串级控制系统，是由于副回路过程时间常数过大，为了改善过程特性，则副过程时间常数可以适当取大一些。但是，副过程的时间常数均不宜过大和过小。

(3)副回路设计应考虑工艺上的合理性：

过程控制系统是为工业生产服务的，设计串级控制系统，应考虑和满足生产工艺要求，注意系统的控制参数必定是先影响副参数，再去影响主参数的这种串联对应关系，然后再考虑其它因素。

副回路的设计还应考虑经济性的原则。 (4)串级控制系统参数的选择对控制参数的选择，一般可考虑：

 

1)、选择可控性良好的参数作为控制参数。

2)、所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的系数，并应保

证大于主要扰动通道的放大系数，以实现对主要扰动进行有效控制并提高控制质量。



3)、所选控制参数应同时考虑经济性与工艺上的合理性。

5、主、副调节器控制规律的选择

在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控制规律的基本出发点。

主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无余差，因此，主调节器应选PI或PID控制规律。副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就可以了。一般不引入积分控制规律。因为副参数允许有余差，而且副调节器的放大系数较大，控制作用强，余差小，若采用积分规律，会延长控制过程，减弱副

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回路的快速作用。一般也不引入微分控制规律，因为副回路本身起着快速作用，再引入微分规律会使调节阀动作过大，对控制不利。

6、主、副调节器正、反作用方式的选择

为了满足生产工艺的要求，确保串级控制系统正常运行，主、副调节器正、反作用方式必须正确选择。根据生产工艺条件和调节阀形式确定副调节器的正反作用方式；最后再根据主、副参数的关系，决定主、副调节器的正、反作用方式。

在单回路控制系统设计中所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须为负反馈。对于串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则是使整个控制系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。

7、串级控制系统主、副调节器正、反作用方式的确定

为了满足生产工艺指标的要求，为了确保串级控制系统的正常运行，主、副调节器正、反作用方式必须正确的选择。在具体选择时，是在调节阀气开、气关型式已经选定的基础上进行的。首先根据工艺生产安全等原则选择调节器的气开、气关形式；然后根据生产工艺条件和调节阀形式确定副调节器的正、反作用方式；最后再根据主、副参数的关系，决定主调节器的正、反作用方式。

如在单回路控制系统设计中所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须采用负反馈。对于串级控制系统来说，主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系统系数极性乘积必须为正值。各环节放大系数极性的正负是这样规定的：对于调节器的KC，当测量值增加，调节器的输出也增加，则KC为负(即正作用调节器)；反之，KC为正(即反作用调节器)。调节器为气开，则KV为正，气关则KV为负。过程放大系数极性是：当过程的输入增大时，即调节阀开大，其输出也增大，则KO为正；反之K0为负。串级控制系统由于增加了副回路，对于进入副回路的干扰有较强的克服能力。

定性来看，串级控制系统的副回路是一个随动控制系统，而主回路是一个定值系统。当主对象时间常数较大时，可认为1：1的比例环节，从而使副回路中原来应属于主对象的那部分环节的影响消除，它使系统的振荡频率提高，加快了系统的响应，改善了控制品质。

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串级控制系统由于副环具有快速抗干扰功能，对于进入副环的干扰具有很强的抑制作用。因此，对于同样大小的干扰作用于主、副环，对主变量的影响是不同的。作用于副环的干扰，由于受到副环的抑制作用，结果对于主变量的影响就比较小；而作用于主环的干扰，由于此时副环的快速抗干扰能力未能得到发挥，因此干扰对主变量的影响就比较大。

8、液位流量串级控制设计

在A3000高级过程控制实验系统中，能够完成多个串级试验，除了双容液位可以组成串级实验之外，单容的液位和流量也可以组成串级实验，如图6-1所示。

FIC 102 FT 102 流量输出值第一个动力支路引入干扰下水箱V104 LT 103 给定值 LIC 101 输出值

水泵变频器引入干扰变频器图6-1 液位串级控制实验

实验以串级控制系统来控制下水箱液位，以第二支路流量为副对象，右边水泵直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。

下水箱为主对象，流量的改变需要经过一定时间才能反应到液位，时间常数比较大，时延大。如图所示，设计好下水箱和流量串级控制系统。将主调节器的输出送到副调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。由上分析副调节器选纯比例控制，反作用，自动。主调节器选用比例控制或比例积分控制，反作用，自动。

反复调试，使第二支路的流量快速稳定在给定值上，这时给定值应与副反馈值相同。待流量稳定后，通过变频器快速改变流量，加入扰动。若参数比较理想，且扰动较小，经过副回路的及时控制校正，不影响下水箱的液位。如果扰动比较大或参数并不理想，则经过副回路的校正，还将影响主回路的温度，此时再由主

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回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使液位调回到给定值上。当使用第一动力支路把扰动加在下水箱时，扰动使液位发生变化，主回路产生校正作用，克服扰动对液位的影响。由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对主回路的液位影响较小。

串级控制系统框图如图6-2所示。(图中电磁流量计可能为涡轮流量计)

变频器干扰右边水

泵主回路干

LT103 给定值副调节主调节调节阀下水箱电磁+ X X 器 FV101 器液位流量 LIC102 - - 流量FT102

下水箱液位LT103

图6-2 液位流量串级控制系统框图

各个回路调整结束，使得主调节器输出与副调节器给定值相差不是太远。我们利用前面的实验中的PID数据。而副控制器只进行P调节。

副回路对FT102进行控制，这个反应比较快，副回路的控制目的是很快把流量控制回给定值。可以通过另一个动力支路加入部分液位干扰。

主回路对下水箱液位进行控制。可以在下水箱中加入主回路干扰，要平衡这个干扰，则需要经过流量调整，通过FT102来平衡这个变化。

9、流量液位串级控制设计测量或控制量电磁流量计下水箱液位调节阀测量或控制量标号 FT102 LT103 FV101 使用控制器端口 AI1 AI0 AO0 10、控制效果控制曲线如图6-3所示。在系统稳定后，副回路增加的扰动，从图上可见这个扰动对系统影响很小。

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图6-3 液位流量串级

四、实验要求

1、设计串级控制器。

2、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。五、实验内容与步骤

1、在A3000-FS上，打开手动调节阀JV201、JV206，调节下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。

2、按照列表进行连线。或者按如下操作：在A3000-CS上，将电磁流量计(FT102)连到控制器AI0输入端，下水箱液位(LT103)连到控制器AI1输入端，电动调节阀(FV101)连到控制器AO0端。

3、在A3000-FS上，启动右边水泵，给中水箱注水。 4、首先进行副回路比例调节，获得P值。

5、切换至单主回路控制。断开电磁流量计与AI0的连线，将下水箱液位连到AI0。调整主控制回路(调节P、I值即可)，对主控制器或调节器进行工作量设定。

6、关闭阀门JV205，当中水箱液位降低2cm高度，打开阀门，观察控制曲线，等待稳定。

7、切换到串级控制状态(此时最好无扰动)：将电磁流量计连到副调节器输入端AI1，主调节器输出端连接到副调节器给定端，副调节器的输出连接到调节阀。

8、正确设置PID调节器：

副调节器：纯比例(P)控制，反作用，自动，KC2(副回路的开环增益)较大。

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主调节器：比例积分(PI)控制，反作用，自动，KC1〈 KC2(KC1主回路开环增益)。

9、待系统稳定后，类同于单回路控制系统那样，对系统加扰动信号，扰动的大小与单回路时相同。

10、通过反复对副调节器和主调节器参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的控制精度。六、思考问题

分析在液位流量串级控制和双容液位串级控制的区别，优缺点。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。 2、给出最佳串级控制参数。 3、解释如何调节串级控制。

实验2 闭环双水箱液位串级控制实验

一、实验目的

1、学习闭环串级控制的原理。 2、了解闭环串级控制的特点。 3、掌握闭环串级控制的设计。

4、初步掌握闭环串级控制器参数调整。二、实验设备

A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。(该实验要求中、下水箱均配置液位传感器，如果没有，则可以进行液位和流量串级实验。) 三、实验原理

1、双容液位串级控制设计

在A3000高级过程控制实验系统中，能够完成多个串级试验，包括液位串级控制，液位和流量串级，和换热器串级控制等实验。

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第一个动力支路引入干扰中水箱V103 输入值 LT LIC 102 102 给定值输出值

下水箱V104 LT 103 LIC 101 给定值

水泵图6-4 液位串级控制实验

如图6-4所示液位串级控制实验。实验以串级控制系统来控制下水箱液位，以中水箱为副对象，右边水泵直接向中水箱注水，时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。

下水箱为主对象，水需要经过中水箱才能进入下水箱，时间常数比较大，时延大。如图所示，设计好下水箱和中水箱串级控制系统。将主调节器的输出送到副调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。由上分析副调节器选纯比例控制，反作用，自动。主调节器选用比例控制或比例积分控制，反作用，自动。

反复调试，使中水箱的液位快速稳定在给定值上，这时给定值应与副反馈值相同。待液位稳定后，通过左边水泵向中水箱小流量注水，加入扰动。若参数比较理想，且扰动较小，经过副回路的及时控制校正，不影响下水箱的液位。如果扰动比较大或参数并不理想，虽经过副回路的校正，还将影响主回路的温度，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使液位调回到给定值上。当扰动加在下水箱时，扰动使液位发生变化，主回路产生校正作用，克服扰动对液位的影响。由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对主回路的液位影响较小。

串级控制系统框图如图6-5所示。

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副回路干扰主回路干扰

给定值+ 副调节器主调节调节阀下水箱LT103 中水箱X X LIC102 FV101 器液位液位 - -

中水箱液位LT102

下水箱液位LT103

图6-5 液位串级控制系统框图

各个回路调整结束，使得主调节器输出与副调节器给定值相差不是太

水泵 P101 远。我们利用前面的实验中的PID数据。而副控制器只进行P调节。

副回路对V103液位进行控制，这个反应比较快，副回路的控制目的是很快把流量控制回给定值。可以通过另一个动力支路加入部分液位干扰。

主回路对液位进行控制，由于控制经过了V103，时间延迟比较大。可以在中加入主回路干扰，要平衡这个干扰，则需要经过流量调整，通过V103来平衡这个变化。

2、双容液位串级控制设计测量或控制量中水箱液位下水箱液位调节阀 3、参考结果副回路P参数设置：ADAM4000模块P=4 主回路PID参数设置：P=3.5，I=100s。单主回路加扰动后控制曲线如图6-6所示。

测量或控制量标号 LT102 LT103 FV101 使用PLC端口 AI0 AI1 AO0 图6-6单主回路加扰动后控制曲线

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系统平衡所需要的时间10分钟。串级控制曲线如图6-7所示。

图6-7 串级控制曲线

系统平衡所需要的时间不超过3分钟。可见串级控制对于副回路内的扰动，可以快速平衡。四、实验要求

1、设计串级控制器。

2、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。五、实验内容与步骤

1、在A3000-FS上，打开手动调节阀JV201、JV205，调节中水箱、下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。

2、按照列表进行连线。或者按如下操作：在A3000-CS上，将中水箱液位(LT102)连到控制器AI0输入端，下水箱液位(LT103)连到控制器AI1输入端，电动调节阀(FV101)连到控制器AO0端。

3、在A3000-FS上，启动右边水泵，给中水箱注水。 4、首先进行副回路比例调节，获得P值。

5、切换至单主回路控制。断开中水箱液位与AI0的连线，将下水箱液位连到AI0。调整主控制回路(调节P、I值即可)，对主控制器或调节器进行工作量设定。

6、关闭阀门JV205，当中水箱液位降低2cm高度，打开阀门，观察控制曲线，等待稳定。

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7、切换到串级控制状态(此时最好无扰动)：将中水箱液位LT102连到副调节器输入端AI0，主调节器输出端连接到副调节器给定端，副调节器的输出连接到调节阀。

8、正确设置PID调节器：

副调节器：纯比例(P)控制，反作用，自动，KC2(副回路的开环增益)较大。主调节器：比例积分(PI)控制，反作用，自动，KC1〈 KC2(KC1主回路开环增益)。

9、待系统稳定后，类同于单回路控制系统那样，对系统加扰动信号，扰动的大小与单回路时相同。

10、通过反复对副调节器和主调节器参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的控制精度。六、思考问题

分析在双容液位串级控制和双容单回路控制的区别，优缺点。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。 2、给出最佳串级控制参数。 3、解释如何调节串级控制。

实验3 换热器热水出口温度和冷水流量串级控制实验

一、实验目的

1、学习闭环串级控制的原理。 2、了解闭环串级控制的特点。 3、掌握闭环串级控制的设计。 4、掌握闭环串级控制器参数调整。二、实验设备

A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。

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三、实验原理

1、换热器热水出口温度和冷水流量串级控制设计

在A3000高级过程控制实验系统中，能够完成多个串级试验，除了双容液位、液位流量串级实验之外，换热器热水出口温度和冷水侧流量也可以组成串级实验。如图6-8所示。

图6-8 温度流量串级控制实验锅炉换热器 FIC 101 FT 102 TE 103 TIC 101 储水箱如图6-8所示温度流量串级控制实验。实验以串级控制系统来控制换热器热水出口温度，以换热器冷水流量为副对象，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。

换热器热水出口温度为主对象，冷水的流量的改变需要经过一定时间后通过换热器热交换才能反应到换热器热水出口温度，时间常数比较大，时延大。如图所示，设计好换热器热水出口温度和冷水流量串级控制系统。将主调节器的输出送到副调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。由上分析副调节器选纯比例控制，反作用，自动。主调节器选用比例控制或比例积分控制，正作用，自动。

反复调试，使第二支路的流量快速稳定在给定值上，这时给定值应与副反馈值相同。待流量稳定后，通过变频器快速改变流量，加入扰动。若参数比较理想，且扰动较小，经过副回路的及时控制校正，不影响换热器热水出口温度。如果扰动比较大或参数并不理想，则经过副回路的校正，还将影响主回路的温度，此时

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再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使换热器热水出口温度调回到给定值上。当使用改变手动阀JV105的开度，改变了热水侧的流量，将立即影响到换热器热水出口温度，主回路产生校正作用，克服扰动对液位的影响。由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对主回路的液位影响较小。

串级控制系统框图如图6-9所示。(图中电磁流量计可能为涡轮流量计)

给定值+ X

变频器干扰右边水泵电磁流量计主回路干扰换热器热水TE103 出口温度主调节器 X - 副调节器调节阀 LIC102 FV101 流量FT102 换热器热水出口温TE103 图6-9 换热器热水出口温度和冷水流量串级控制框图

各个回路调整结束，使得主调节器输出与副调节器给定值相差不是太远。我们利用前面的实验中的PID数据。而副控制器只进行P调节。

副回路对FT102进行控制，这个反应比较快，副回路的控制目的是很快把流量控制回给定值。可以通过另一个动力支路加入部分液位干扰。

主回路对换热器热水出口温度TE103进行控制。可以在换热器热水出口加入主回路干扰，要平衡这个干扰，则需要经过流量调整，通过FT102来平衡这个变化。

2、换热器热水出口温度和冷水流量串级控制接线测量或控制量电磁流量计测量或控制量标号 FT102 使用控制器端口 AI1 AI0 AO0 换热器热水出口TE103 温度 FV101 调节阀四、实验要求

1、设计串级控制器。

2、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。

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五、实验内容与步骤

1、在A3000-FS上，打开手动调节阀JV201、JV206，调节下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。

2、按照列表进行连线。或者按如下操作：在A3000-CS上，将电磁流量计(FT102)连到控制器AI0输入端，换热器热水出口温度TE103连到控制器AI1输入端，电动调节阀(FV101)连到控制器AO0端。

3、在A3000-FS上，启动右边水泵，给中水箱注水。 4、首先进行副回路比例调节，获得P值。

5、切换至单主回路控制。断开电磁流量计与AI0的连线，将换热器热水出口温度TE103连到AI0。调整主控制回路(调节P、I值即可)，对主控制器或调节器进行工作量设定。

6、关闭阀门JV205，当中水箱液位降低2cm高度，打开阀门，观察控制曲线，等待稳定。

8、正确设置PID调节器：

副调节器：纯比例(P)控制，反作用，自动，KC2(副回路的开环增益)较大。主调节器：比例积分(PI)控制，正作用，自动，KC1〈 KC2(KC1主回路开环增益)。

9、待系统稳定后，类同于单回路控制系统那样，对系统加扰动信号，扰动的大小与单回路时相同。

10、通过反复对副调节器和主调节器参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的控制精度。六、思考问题

分析如果把锅炉温度和换热器冷水流量形成串级控制，那么如何设计串级实验。

七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

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2、给出最佳串级控制参数。 3、解释如何调节串级控制。

实验4 单闭环流量比值控制系统实验

一、实验目的

1、学习比例控制的原理。 2、了解比例控制的特点。

3、掌握闭环比例单回路控制的设计。二、实验设备

A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。三、实验原理

1、控制原理

电磁流量计流量与涡轮流量计比值控制实验，可以与“随动系统”和“串级系统”进行比较。如图6-10所示。若支路2安装的是涡轮流量计，则是两个涡轮流量计进行比值控制。

被调量为调节阀开度，控制目标是水流量，通过两个流量不同比例下的比较，然后输出控制值到调节阀。实行PID控制，看控制效果，进行比较。如图6-10所示。

调节仪比值器 FT

102 Q2 2# FT 调节阀101

Q1 1#

图6-10 比值控制系统原理图

如果进行常规PID仪表实验，比值器通过内给定智能PID调节器实现。把微分，积分调节取消。就是一个比值器。注意调节器比例带是P调节中的比例系数

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KP求反，即P=

1*100%。AI0为第一个内给定调节仪输入。显示范围可以是KP4-20mA，则给定值4 mA；也可以是(工程量)0-1.2，也可以是0-100百分比，那个给定值就是0。在第一个调节仪作为比值器使用之前，请切换到手动，设置输出为4 mA，然后切换到自动状态，并且把SP值设为4 mA。

如果把KP简单看成比例，那么可以控制两个流量的百分比相等。(注意水泵提供的流量占电磁流量计最大的50%，所以电磁流量计不能超过该数值)。

如果要准确到流量成比例，只需要在原来的KP值修正两个流量计的最大值之比就行。例如：涡轮流量计百分比：电磁流量计百分比=1：KP，那么实际流量比就是1.2：3KP。

外给定的调节仪输入为FT102，给定值为第一个调节仪(作为比值器)的输出。输出控制电动调节阀。

2、测量与控制端连接表

测量或控制测量或控制量标使用PLC端使用ADAM端量号口口 AI0 AI0 涡轮流量计 FT101 电磁流量计 FT102 调节阀 3、参考结果常规智能仪表控制P=30、I=100S、D=2S，控制曲线如图6-11所示：

FV101 AI1 AO0 AI1 AO0 图6-11 比值控制实验

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四、实验要求

1、设计串级控制器。

2、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。五、实验内容与步骤

1、在A3000-FS上，打开手动调节阀JV104、JV103、JV201、JV206及电磁阀XV101(直接加24V到控制端)，其余阀门关闭。

2、打开A3000电源。

3、在A3000-FS上，启动左边水泵，右边水泵。(也可以启动变频器控制)。 4、在A3000-FS上，通过调节变频器或调节手阀JV103开度，从而设定涡轮流量计(FT101)的流量固定，例如0.5m³/h。

5、按照测量与控制端连接表连线：在A3000-CS上，将电磁流量计(FT102)的输出连接到AI1，输出端AO0连接到电动调节阀(FV101)；涡轮流量计(FT101)的4～20mA输出信号连接到AI0。

6、对控制器或调节器进行设定。

7、改变比值器的比例值KP (如果是调节仪就是比例度P)给定值，记录控制曲线。六、思考问题

分析比例控制和串级控制的区别。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。 2、给出最佳控制参数。

实验5 下水箱液位前馈反馈控制系统实验

一、实验目的

1、学习前馈-反馈控制的原理。 2、了解前馈-反馈控制的特点。 3、掌握前馈-反馈控制的设计。

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二、实验设备

A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。三、实验原理

1、控制原理

前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现而能测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者抵消与被调量发生偏差之前。因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。但是前馈控制是开环控制。其控制效果需要通过反馈加以检验。前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。如果没有反馈控制，则这种校正作用只能在稳态下补偿扰动作用。

如图6-12所示。设法保持下水箱液位，是用两个水泵注水。

图6-12 前馈－反馈控制系统原理图

如果支路一出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰的大小，然后在第二个支路通过调整调节阀开度，直接进行补偿。而不需要经过调节器。

如果没有反馈，就是开环控制，这个控制是有余差的。增加反馈通道，使用PI进行控制，如图6-12所示。

我们按照参考书上的内容，进行了部分简化。

前馈控制不考虑控制通道与对象通道延迟，则根据物料平衡关系，简单的前馈控制方程为：Qu=dF。

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也就是两个流量的和保持稳定。但是有两个条件，一是准确知道第一个支路的流量，二是准确知道调节阀开度与流量对应关系K1，如图6-13所示：

1#，2#流量（%） 20218(90,18.3)16(85,15.8)14(80,13.8)(75,12.4)(70,11.0)1210(65,9.9)(60,8.8)8(50,6.9)6(40,5.2)4(30,4.0)(20,2.6)2020406080调节阀输入100

图6-13 调节阀开度与流量比例关系

2、测量与控制端连接表测量或控制量涡轮流量计下水箱液位电磁流量计测量或控制量标号 FT101 LT103 FT102 使用控制器端口 AI0 AI1 AI2 FV101 AO0 调节阀说明：电磁流量计可能为涡轮流量计。 3、实验方案

被调量为调节阀，控制量是支路2流量，控制目标是下水箱液位。首先实现前馈控制，通过测量支路1、2流量，控制调节阀，使得支路2流量变化跟踪支路1流量变化。

然后实现反馈控制，通过测量水箱液位，控制调节阀，从而把前馈控制不能修正的误差进行修正。

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4、参考结果

在前馈-反馈控制下的加法器系数K取不同值时的控制曲线如图6-14—6-17所示：

图6-14 K=0时前馈－反馈控制曲线图6-15 K=1时前馈－反馈控制曲线

图6-16 K=2时前馈－反馈控制曲线图6-17 K=3时前馈－反馈控制曲线

四、实验要求

1、设计前馈－反馈控制系统。

2、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。五、实验内容与步骤

1、在A3000-FS上，打开手动调节阀JV104、 JV103，1#电磁阀，JV201、JV206。其余阀门关闭。

2、按照测量与控制列表进行连线：

在A3000-CS上，电磁流量计输出端连接到AI2；涡轮流量计输出端连接AI0；下水箱液位连接到AI1； AO0连接到电动调节阀(FV101)。

3、打开A3000电源。

4、在A3000-FS上，启动左边水泵和右边水泵。左边水泵使用变频器控制。

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5、首先测量调节阀开度和流量关系。给出不同的开度电流，观察电磁流量计的数值。

6、计算关系函数，加入控制软件中。

7、开始前馈-反馈控制。启动上位机，设置控制器参数，设置前馈系数，记录其实时曲线。

8、通过变频器改变左边支路水流量，观察并记录控制曲线的变化。 9、反复进行操作8，并修正K值参数,并将其同调节阀开度与流量对应关系K1做比较，得出最佳参数K。六、思考问题

分析前馈－反馈控制与串级控制的区别，优缺点。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。 2、给出最佳控制参数。

实验6 锅炉温度和换热器前馈反馈控制系统实验

一、实验目的

1、学习前馈-反馈控制的原理。 2、了解前馈-反馈控制的特点。 3、掌握前馈-反馈控制的设计。二、实验设备

A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。三、实验原理

1、控制原理

前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。如果没有反馈控制，则这种校正作用只能在稳态下补偿扰动作用。

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工业上，使用换热器对料液进行加热，加热使用蒸汽。我们这里使用换热器加热冷水，把冷水看成某种工业料液。控制目标是料液的出口温度。

如图6-18所示。设法保持锅炉内温度变化不大，是用热水给该料液加热。测量料液的流量、温度。

前馈控制 + - k X 2r - + 调节阀 TT 103 图6-18 前馈－反馈控制系统原理图

2 TT 101 FT 101 冷1 热PI 前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现而能测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者抵消与被调量发生偏差之前。因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。但是前馈控制是开环控制。其控制效果需要通过反馈加以检验。

我们按照参考书上的内容，进行了部分简化。

前馈控制不考虑控制通道与对象通道延迟，则根据热量平衡关系，简单的前馈控制方程为：DkQ(2r1)

其中k是常数，与水比热和热交换效率相关，Q是流量。这个前馈输出到调节器的输入，从而得到一个前馈控制系统。需要调整k是常数，直到具有合适的补偿效果。通过一个PI调节，使得热水流量增大到需要的补偿值。

而后我们增加了一个反馈控制通道，测量热水出口温度，然后控制冷水流量。在控制通道中增加前馈控制系统，类似于串级控制。

2、测量与控制端连接表

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测量或控制测量或控制量标使用控制器端口量号 FT102 AI0 冷水流量 AI1 换热器热入 TT101 FT101 热水流量换热器热出 TT103 FV101 调节阀 3、实验方案 AI2 AI3 AO0 被调量为调节阀，控制量是热水流量，控制目标是热水出口温度。首先实现前馈控制，通过测量换热器热水流量、温度，控制调节阀，使得换热器冷水流量变化跟踪换热器热水流量与温度变化。

然后实现反馈控制，通过测量换热器热水出口温度，控制调节阀，从而把前馈控制不能修正的误差进行修正。

4、参考结果

在前馈-反馈控制下的控制曲线如图6-19所示：

图6-19 前馈－反馈控制曲线

四、实验要求

1、设计前馈－反馈控制系统。

2、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。五、实验内容与步骤

1、在A3000-FS上，打开手动调节阀JV104、 JV105，使用DO0数字输出端口，或直接打开电磁阀XV101。其余阀门关闭。

2、按照测量与控制列表进行连线：

word范文

在A3000-CS上，电磁流量计(或2#涡轮流量计)输出端连接到AI0；涡轮流量计输出端连接AI2；锅炉水温连接到AI1；换热器热出端连接到AI3；AO0连接到电动调节阀(FV101)。将电动调节阀(FV101)输入端连接到PID调节仪上，手动输出，辅助实验。

3、打开A3000电源。

4、在A3000-FS上，启动左边水泵，给锅炉V105注水。关闭手阀JV104。 5、启动右边水泵。减小手阀JV105开度，使得热水流量大约为0.3m³/h。 6、启动锅炉的加热器，可以让外给定的智能调节仪手动给出20mA电流加热。当加热到70度左右，适当减少手动给出的控制调压器的电流，使温度基本保持在70度左右。

7、启动上位机，设置控制器参数，设置前馈系数，记录其实时曲线。 8、突然改变热水流量，观察并记录下曲线的变化。六、思考问题

分析前馈－反馈控制与串级控制的区别，优缺点。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。 2、给出最佳控制参数。

实验7 管道压力和流量解耦控制系统实验

一、实验目的

1、学习解耦控制控制的原理。 2、了解解耦控制控制的特点。 3、掌握解耦控制控制的设计。二、实验设备

A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。

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三、实验原理

一种方法是使用换热器进行解耦控制系统实验。另外一种方法是使用压力和流量进行解耦实验，要求控制器响应速度很快，所以不能使用ADAM4000模块来做。

1、控制结构

管道中流量压力控制系统就是相互耦合的系统。控制阀1和2对系统压力的影响程度同样强烈，对流量的影响程度也相同。因此，当压力偏低而开大2#控制阀时，流量也将增加，此时通过流量控制器作用而关小1#阀，结果又使管路的压力上升，阀1和2相互间互相影响着，这是一个典型的关联系统。关联的系数与温度等参数无关，具有一致性。如图6-20所示：

2、实验方案

被调量为1#，2#调节阀开度，控制目标是管道中流量和压力。如果使用两个的调节仪来控制，难以得到好的效果，但是我们可以与解耦后的效果进行比较。

由于调节阀不是线性的，整个系统的准确数学模型难以得到。所以我们只针对小范围变化，静态条件下进行解耦，脱离这个条件可能效果不是很好，但是应该比不解耦的要好。

对于调节阀，流量压力关系：h21(p0p1)2(p1p2) 相对增益矩阵：

p0p1p1p2,,h2p0p2p0p21 (6-1) p1p1p2,,p0p12pppp2020word范文

解耦器 FIC 调节器 FT 102 PIC 调节器 PT 101 P0 h P1 P2 1#调节阀 2#调节阀

图6-20 管道压力与流量解耦控制实验

我们固定P1小范围内。由于不涉及温度等问题，所以该过程基本上只与压力和开度有关，是时不变的。

P0=12.4m水柱，P2=0.9m水柱。如果P1=5m水柱左右，系统耦合非常严重，需要解耦。

如果控制目标的P1定义在5.75m水柱(10 mA)。

0.58,,0.42那么增益矩阵为： 0.42,,0.58此时是一个耦合的严重系统。

如果把P1定义成未知数，则可以列出一个方程。使用对角矩阵法进行解耦算法。

3、控制策略

使用对角矩阵法进行解耦算法。如图6-21所示。

调节器 r1给定值

- Gc1 Uc1 解耦器 D11 D12 D21 D22 U1 对象系统 - G11 G12 G21 G22 Y1 - r2给定值

- Gc2 Uc2 - U 2 - Y2 图 6-21 解耦控制系统框图对于对象，被调量与调节量具有与公式7-1的关系，这里换一个变量符号。

Y1G11G12U1YGGU (6-2) 221222加入控制系统，那么调节量来源于解耦器，调节器 (可以是一个PID调节器，等等) 输出就是解耦器输入。

U1D11D12UC1UDDU (6-3) 22122C2word范文

综合上面的关系，如果G矩阵的逆存在，则我们可以设计D就等于它的逆乘以一个对角阵(可以是单位矩阵)，这样可以使得一个被调节量仅与一个调节器输出量之间有关系，而与另一个。从而达到解耦目的。

由于变频器是等效调节阀，有一个等效的关系。4I/320/3(要大于8 mA)。按照我们前面的实验设置，可以使用调节阀控制流量，以便比较。

在交换U1,U2位置后， P1设为未知数x。

x-0.912.4x11.5,,11.5那么增益矩阵为：

12.4-xx-0.9,,11.511.5x-12.4x-0.9,,2x-13.32x-13.3解耦矩阵：

12.4xx0.9,,2x13.32x13.3注意压力与流量有一个关系。从测量得到的电流量来看，在压力少于8mA时，F<1.5P，例如压力为8mA，那么流量设定值最好不超过12mA。在压力大于8mA时，流量设定值就变小了，不能超过一定值。例如压力10mA，流量不超过12mA，具体数据可以通过实验获得。

通过解耦矩阵，流量和压力与PID控制器的输出就成了简单的关系，从解耦器的输出就是矩阵运算的输出值，这个输出是线性调节阀条件下的，所以开度的电流控制量需要计算：

4、测量与控制端连接表

测量或控制量压力变频器流量调节阀四、实验要求

1、设计解耦控制系统。

2、经过参数调整，使得系统可以稳定控制。

测量或控制量标号 PT101 TD101 FT102 FV101 使用DCS端使用PLC端口口 AI0 AI0 AO1 AO1 AI1 AI1 AO0 AO0 word范文

五、实验内容与步骤

1、在A3000-FS上，打开手动调节阀JV201、JV206 ，调节下水箱闸板开度。其余阀门关闭。

2、切换变频器到右边水泵。危险！一定要关闭全部水泵后，才能切换或开关变频器。

3、按照连接表接线：将水泵出口压力连接到AI0；电磁流量计输出到AI1；AO1连接到电动调节阀； AO0连接到变频器。

4、打开A3000电源，调节阀通电，变频器通电。

5、在A3000-FS上，启动右边水泵。打开调节阀具有一定开度，经过一定时间给电磁流量计通电。

6、打开变频器STF，以及调节阀，测量流量与压力，多测一些数据。然后计算出G矩阵的各个数据，通过求逆运算，计算D矩阵。

7、把D矩阵系数写入组态软件。

8、首先进行压力调节。改变压力调节器给定值，记录控制曲线。观察是否流量也在改变，改变的大小。

9、同样进行流量的解耦控制，看流量的改变是否导致压力改变。 10、在解耦后，对调节仪进行整定。观察整定效果。 11、记录全部数据。六、思考问题

分析如果在换热器上设计解耦实验，如何设计。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。 2、给出最佳控制参数。

实验8 换热器出口温度与流量解耦控制系统实验

一、实验目的

1、学习解耦控制控制的原理。 2、了解解耦控制控制的特点。

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3、掌握解耦控制控制的设计。二、实验设备

A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。三、实验原理

实验七是使用压力和流量进行解耦实验，要求控制器响应速度很快，所以不能使用ADAM4000模块来做。本实验是使用换热器进行解耦控制系统实验。

1、控制结构

换热器温度控制系统是相互耦合的系统。冷热水流量对温度会产生影响，热水流量由变频器控制，冷水流量由电动调节阀控制。因此，当热水温度偏低而增大变频器频率时，流量增加，使得换热器热水温度升高，结果又使换热器冷水出口温度上升。当调节阀开大，冷水流量增加，使得换热器冷水出口温度降低，并且热水温度也随之降低。如图6-22所示：

图6-22 换热器解耦控制实验原理图

2、实验方案

被调量为支路1和支路2的流量，控制目标是换热器冷热水出口温度。如果使用两个的调节仪来控制，难以得到好的效果，但是我们可以与解耦后的效果进行比较。

1冷热水温度与流量之间的关系：2F1A F2其中，矩阵A是与换热器冷热水入口温度相关的：

A＝f1,2

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而换热器的热量传递存在热量损失：

热水流量*热水温度差=冷水流量*冷水温度差+热量损失

参照上一实验。

3、测量与控制端连接表测量或控制量测量或控制量标使用DCS端使用PLC端口号口 AI0 换热器热水入口温TE101 度 AI1 换热器冷水入口温TE105 度 AI2 换热器热水出口温TE103 度 AI3 换热器冷水出口温TE104 度 FT101 AI4 支路1流量 TD101 AO1 变频器 FT102 AI5 支路2流量 FV101 AO0 调节阀四、实验要求

1、设计解耦控制系统。

2、经过参数调整，使得系统可以稳定控制。五、实验内容与步骤

1、在A3000-FS上，打开手动调节阀JV104、JV106、XV101，调节下水箱闸板开度。其余阀门关闭。

2、切换变频器到左边水泵。危险！一定要关闭全部水泵后，才能切换或开关变频器。

3、按照连接表接线。

4、打开A3000电源，调节阀通电，变频器通电。

5、在A3000-FS上，开启变频器STF，启动左边水泵。给锅炉注水到20cm高度，关闭水泵，关闭JV104。

6、手动输出20mA电流信号给调压器，锅炉加热到70℃，适当减小加热信号，使锅炉温度基本保持不变。(加热期间可打开JV105，开启左边水泵，使锅炉内水循环加热)

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7、调节输入到变频器电流大小，使换热器热水流量足够小，打开电动调节阀，JV207,开启右边水泵。

8、测量温度、流量，多测一些数据。然后计算出G矩阵的各个数据，通过求逆运算，计算D矩阵。

9、把D矩阵系数写入组态软件。

10、首先进行温度调节。改变温度调节器给定值，记录控制曲线。观察是否流量也在改变，改变的大小。

11、同样进行流量的解耦控制，看流量的改变是否导致温度改变。 12、在解耦后，对调节仪进行整定。观察整定效果。 13、记录全部数据。六、思考问题七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。 2、给出最佳控制参数。

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第七章创新型设计与研究

本章不再是经典的纯粹的实验，而是需要更复杂的创新型设计与研究。展开对现代控制理论的研究。

实验1 大延迟系统补偿控制的研究

一、实验目的

1、学习大延迟系统补偿控制的原理。 2、了解大延迟系统补偿控制的特点。二、实验设备

A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。三、实验原理

1、控制结构

锅炉水温滞后控制实验，如图7-1所示。可以通过阀门改变滞后管长度，从而改变滞后时间。被控制量是调压器的输出电压，控制量是锅炉内水温，测量值是经过滞后管纯延迟之后的温度。这个滞后时间可以通过开关调整。锅炉中的水是静态水，锅炉下面连接了滞后管，滞后管管径少，不会对整个锅炉内水量有太大影响。

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TT 101 V105 锅炉 JV501 调压器 BS101 JV503 TT 102 JV502 TC 图7-1 纯滞后控制系统结构图 .

其控制系统框图如图7-2所示：

干扰D(S) R(S)+

X - GC(S)控制器 U(S) Kpgp(s) e-TdS Kpgp(s) Ksgs(s) 图7-2 史密特补偿系统方框图

纯滞后 e-TdS Y(S) + Y’(S) 系统的对象传递函数为：

Y(s)Kpgp(s)eds， U(s)为使调节器的采集信号Y’(s)不会延迟d，则并联一个补偿器，如图虚线部分，具有传递函数

KsgsKpgp(s)(1eds)。

使得调节品质与没有纯延迟一样，只是时间坐标比设定值延迟了d。 2、测量与控制端连接表

测量或控制测量或控制量标使用PLC端使用ADAM端量号口口 AI1 锅炉内水温 TT101 滞后管水温 TT102 调压器

3、控制策略

首先测量滞后时间，与系统传递函数，然后设计史密特补偿器与PID调节一起作用。

设备设定参数如下：

BS101 AI0 AO0 短纯滞后时间条件下：

没有控制系统时，锅炉内水温与滞后管水温与调压器三者数据曲线：获得的Kpgp(s)eds，其中纯延迟时间为：无补偿器的PID控制曲线如图所示。长纯滞后时间条件下：

没有控制系统时，锅炉内水温与滞后管水温与调压器三者数据曲线：

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获得的Kpgp(s)eds，其中纯延迟时间为：-td。

一个最重要的条件是可以通过n时刻的数值，预计纯延迟时间n-td时刻的温度。按照采样时间T来计算，我们可以通过把时间分成td /T个时间点来估计，然后使用线性叠加的方法来把预估。四、实验要求

1、设计延迟系统补偿控制系统。

2、经过参数调整，使得系统可以稳定控制。五、实验内容与步骤

1、在A3000-FS上，将手动调节阀JV104、JV106及电磁阀XV101全开，滞后管阀门JV501，JV502开，其余阀门关闭。

2、在A3000-CS上，将滞后管水温(TT102)连到AI0端；锅炉水温(TT101)连到AI1；将AO0输出端连到调压器输入。

3、打开调压器开关。A3000通电。

4、在A3000-FS上，启动左边水泵，给锅炉V105注水到一半高度，关闭水泵。(一定要超过下面的液位开关高度，否则由于联锁保护，无法启动加热器。)

5、启动上位机，记录锅炉内水温与滞后管水温与调压器(MV)三者数据关系。 6、通过三者的数据，计算传递函数Kpgp(s)eds，从而获得对象系统参数。对象是一阶惯性的。其函数可以表示为：Kp(1edt)。使用最小二乘法可以拟和一个最好的近似函数。

7、根据对象的近似函数，设计补偿器。

8、首先使用PID调节器进行单独调节，纪录控制曲线。 9、加入补偿器，纪录控制曲线。 10、分析比较数据。

11、关闭滞后管阀门JV502，打开JV503，从而增加滞后时间，重复实验步骤5到10。

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六、思考问题

分析如果使用T过大，那么可能需要估计的时间点就比较少，容易实现，但是可能导致不好控制，请分析T的选择要什么依据。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。 2、给出最佳控制参数。

实验2 单神经元自适应PID算法的研究

一、实验目的

1、学习自适应控制的原理。 2、了解自适应控制的特点。 3、学习神经元控制算法。二、实验设备

A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。三、实验原理

1、基本理论

在日常生活中，所谓自适应是指生物能改变自己的习性以适应新的环境的一种特征。因此，直观地讲，自适应控制器应当是这样一种控制器，它能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化。

自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。

任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在系统内部，有时表现在系统的外部。

从系统内部来讲，描述被控对象的数学模型的结构和参数，设计者事先并不一定能准确知道。作为外部环境对系统的影响，可以等效地用许多扰动来表示。这些扰动通常是不可预测的。此外，还有一些测量时产生的不确定因素进入系统。

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面对这些客观存在的各式各样的不确定性，如何设计适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最优或者近似最优，这就是自适应控制所要研究解决的问题。]

自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。具体地说，可以依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数，这个过程称为系统的在线辩识。随着生产过程的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际。既然模型在不断的改进，显然，基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断的改进。在这个意义下，控制系统具有一定的适应能力。比如说，当系统在设计阶段，由于对象特性的初始信息比较缺乏，系统在刚开始投入运行时可能性能不理想，但是只要经过一段时间的运行，通过在线辩识和控制以后，控制系统逐渐适应，最终将自身调整到一个满意的工作状态。再比如某些控制对象，其特性可能在运行过程中要发生较大的变化，但通过在线辩识和改变控制器参数，系统也能逐渐适应。

常规的反馈控制系统对于系统内部特性的变化和外部扰动的影响都具有一定的抑制能力，但是由于控制器参数是固定的，所以当系统内部特性变化或者外部扰动的变化幅度很大时，系统的性能常常会大幅度下降，甚至是不稳定。所以对那些对象特性或扰动特性变化范围很大，同时又要求经常保持高性能指标的一类系统，采取自适应控制是合适的。但是同时也应当指出，自适应控制比常规反馈控制要复杂的多，成本也高的多，因此只是在用常规反馈达不到所期望的性能时，才会考虑采用。

2、控制系统结构

一个典型的比较完善的自适应控制系统包含：辨识——决策——调整三个部分组成

干扰

噪声

干扰 +

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决策辨识干扰调节器调节对象图7-3 自适应控制系统的组成

自适应控制是本质非线性系统，即：不可能通过线性化把它近似为线性系统。自适应控制有两类最基本的类型，即“模型参考自适应控制”和“自校正调节器”，以及在这两类基本类型的基础之上，结合人工智能、人工生命等发展出的新型复杂自适应控制。

3、几类重要的自适应控制

(1)、模型参考自适应控制(Model Reference Adaptive Control)简称MRAC类系统的难点在于系统稳定性分析，用到李雅普诺夫稳定性和波波夫超稳定性理论。系统结果如图7-4所示。

参考模型 ym 自适应结构 e Σ y Σ 控制器被控对象图7-4 模型参考自适应控制系统

(2)自校正调节器(Self-tuning Regulator)简称STR

STR是70年代发展起来的一种随机自适应控制，产生背景是：工业过程控制由于强随机干扰、模型未知、参数时变、大时滞等因素，导致常规的控制方法效果差。它是参数在线估计与随机最小方差控制的结合，已有广泛的应用成果，其难点在于收敛性。该控制系统如图7-5所示。

对象参数估计

设计机构

估计器

调节器参数设计

Σ 控制器被控对象

图7-5自校正调节器系统

(3)多层结构的智能——自适应控制

e y word范文

将人工智能、专家系统与自适应控制相结合，组成具有多层结构的智能——自适应控制系统，图7-6给出了一个基于控制系统工程设计和调整经验的专家-自适应控制系统的方案框图。

图7-6多层结构的智能——自适应控制

(4)神经网络自适应控制

将神经网络与自适应控制相结合构成复杂自适应系统，适用与对多变量、非线性的复杂过程的自适应控制。神经网络的研究已有进30年的历史了。神经网络具有以下多方面的优点：(1)良好的非线性映射能力；(2)并行分布式处理信息；(3)具有良好的鲁棒性和容错性；(4)有归纳和联想记忆功能；(5)具有自学习、自组织、自适应的能力。

将神经网络与两类基本的简单自适应控制结合起来，构成了“神经网络-模型参考自适应控制”(NNMRAC)和“神经网络-自校正调节器”(NNSTR)。单神经元自适应PID控制系统

4、常规PID控制器

在工业过程控制中，95％以上的控制回路具有PID结构。PID控制器被广泛应用的原因是因为其结构简单、鲁棒性强，在实际中易于被理解和实现等优点，而且许多高级控制都是以PID控制为基础的。但是，传统的PID控制方法都是在获取对象数学模型的基础上，根据某一整定原则(常用Ziegler-Nichols整定方法)来确定PID参数。由于双容水箱液位系统具有高度非线性和大滞后等特点，

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采用传统的PID控制效果并不理想。

传统增量型数字PID调节器的控制输出量为：

u(k)u(k1)kp[e(k)e(k1)]kie(k)kd[e(k)2e(k1)e(k2)] 式中：k为采样序号；u为控制输出量，e为偏差，kp、ki、kd分别表示比例、积分和微分系数。

5、单神经元自适应PID控制器

单神经元自适应PID控制的结构如图7-7所示.

+ rin 转换器 e － x1 X2 X33 ∑ ∑ △u k + 对象 yout z1

单神经元自适应PID控制器是通过对加权系数的调整来实现自适应、自组织功能,权系数的调整是按有监督的Hebb学习规则实现的.控制算法及学习算法为:

u(k)u(k1)Kwi'(k)xi(k) (7-1)

i13图7-7 单神经元自适应PID控制结构

w'(k)w(k)/|w(k)| (7-2)

iijj13w(k)w(k1)11Iz(k)u(k)x1(k)

w(k)w(k1)w(k)w(k1)2233Pz(k)u(k)x2(k)

z(k)u(k)x3(k) (7-3)

D式中,

x(k)e(k)，z(k)e(k)

1,  ,IPx(k)e(k)e(k1)

(k)e(k)2e(k1)e(k2)x23IPDD分别为积分、比例、微分的学习速率,K为神经元的比例系数,k>0.

对积分I、比例P和微分D分别采用不同的学习速率,  ,,以便对不同的权系数分别进行调整。

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K值的选择非常重要。 K值越大，则快速性好，但超调大，甚至可能使系统不稳定。当被控对象时延增大时，Ｋ值必须减少，以保证系统稳定。Ｋ值选择过小，会使系统的快速性变差。

6、改进的单神经元自适应PID控制

在大量的实际应用中，通过实践表明，PID参数的在线学习修正主要与e(k)和△e(k)有关．基于此可将单神经元自适应PID控制算法中的加权系数学习修正部分进行修改，即将其中的xi(k)改为e(k)+△e(k).

7、单神经元自适应PID控制器的设计与实验 (1)控制系统结构设计

采用北京和利时公司的SmartPro DCS系统，采用人机界面组态软件FacView进行实验曲线的监测和实验参数的设定，控制算法的实现采用用于开发控制方案的开发平台ConMaker, ConMaker包含有控制方案编辑器和仿真调试器，是一套完整的控制编辑和调试软件包。它为程序员提供了一种简单的方法操纵强大的IEC1131—3语言，实现各种控制方案，并提供功能强大的离线仿真调试工具。

也可以采用西门子PLC或ADAM8000来进行编程实验。甚至采用DDC控制系统。

8、实验结果与分析单容实验

图7-8 单容实验

图7-9 双容实验

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图7-10 三容实验

D单神经元自适应PID学习算法的运行效果与可调参数K, ,  ,的选取有关，在此将通过实验研究的选取规则归纳如下：

1) 对阶跃输入，若输出有大的超调，且多次出现正弦衰减现象，应减少K, 维持,  ,。

IPD不变；若上升时间长，无超调，应增大K, 保持,  ,不变。

IPD2)对阶跃输入，若被控对象产生多次正弦衰减现象，应减少 ，其他参数

P不变。

3)若被控对象响应特性出现上升时间短、超调过大现象，应减少, 其他参

I数不变。

4)若被控对象上升时间长，增大又导致超调过大，可适当增加，其他

IP参数不变。

5)在开始调整时，  选择较小值，当调整,  和K ,使被控对象具

DIP有良好特性时，在逐渐增大 ，而其他参数不变，使系统基本无纹波。

D6)K是系统最敏感的参数。K值的变化，相当于P, I, D三项同时变化，应在第一步先调整K，

然后根据“2)”～“5)”项规则调整,  ,。

IPD四、实验要求

1、设计自适应控制算法，并在三容控制系统中实现。 2、经过参数调整，使得系统可以稳定控制，。 3、对比普通控制算法，有什么优缺点。五、实验内容与步骤

1、设计控制软件，下载到控制器中。 2、使用三容液未定值控制系统的组态软件。

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3、按照系统测量和控制接线表连线。

4、打开手动调节阀JV204、JV201，调节上、中、下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。

5、打开A3000电源。打开电动调节阀开关。

6、启动右边水泵，给上水箱注水，同时中水箱、下水箱分别由上、中水箱注水。

LT101→控制器→FV101单回路定值以及数学模型的实验。 7、调节各种参数，进行实验，直到获得比较好的控制效果。六、思考问题

分析为什么在线辩识，或者自学习能力是自适应控制的关键。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。 2、给出最佳控制参数。

实验3 模糊控制算法的研究

一、实验目的

1、学习模糊控制的原理。 2、了解模糊控制的特点。二、实验设备

A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。三、实验原理

模糊控制fuzzy control

采用由模糊数学语言描述的控制律(控制规则)来操纵系统工作的控制方式。按照模糊控制律组成的控制装置称为模糊控制器。在实际工程中，许多系统和过程都十分复杂，难以建立确切的数学模型和设计出通常意义下的控制器，只能由熟练操作者凭借经验以手动方式控制，其控制规则常常以模糊的形式体现在控制

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人员的经验中，很难用传统的数学语言来描述。模糊集理论的创始人 L.A.扎德继 1965 年提出模糊集概念后，又在1968～1973年期间先后提出语言变量、模糊条件语句和模糊算法等概念和方法，使得某些以往只能用自然语言的条件语句形式描述的手动控制规则可采用模糊条件语句形式来描述，从而使这些规则成为在计算机上可以实现的算法。1974年 E.H.曼达尼和 S.阿西里安成功地把这种想法应用于小型汽轮机的控制，开拓了模糊控制的方向。此后，模糊控制方法迅速得到推广，被应用于热交换器、水泥窑、交通管理等许多领域。

模糊控制的特点是不需要考虑控制对的数学模型和复杂情况，而仅依据由操作人员经验所制订的控制规则就可构成。凡是可用手动方式控制的系统，一般都可通过模糊控制方法设计出由计算机执行的模糊控制器。模糊控制所依据的控制律不是精确定量的。其模糊关系的运算法则、各模糊集的隶属度函数，以及从输出量模糊集到实际的控制量的转换方法等，都带有相当大的任意性。对于模糊控制器的性能和稳定性，常常难以从理论上作出确定的估计，只能根据实际效果评价其优劣。

这里设计一个非常简单的控制系统，就是改进位式控制，对锅炉温度进行控制。在原来的位式控制中，操作人员的经验就是，超过给定值一定范围就关闭加热管，低于给定值一定范围就打开加热管。那么这里给出一些更好的经验，取代简单的位式控制，同时并没有使用PID控制。四、实验要求

1、设计出对于锅炉水泵控制系统的控制算法，并在控制器中实现。 2、经过参数调整，使得系统可以稳定控制，。 3、对比简单位式控制算法，有什么优缺点。五、实验内容与步骤

1、设计控制软件，下载到控制器中。 2、使用三容液未定值控制系统的组态软件。 3、按照系统测量和控制接线表连线。

4、在A3000-FS上，打开手动调节阀JV206、JV201，调节下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。

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5、打开A3000电源。打开电动调节阀开关。

6、在A3000-FS上，启动右边水泵，给上水箱注水，同时中水箱、下水箱分别由上、中水箱注水。

LT103→控制器→FV101单回路定值以及数学模型的实验。 7、调节各种参数，进行实验，直到获得比较好的控制效果。六、思考问题

模糊控制的效果很难从理论上作出确定的估计。七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。 2、给出最佳控制模糊判定公式。

实验4 现场总线系统控制研究

一、实验目的

1、学习DCS控制的原理。 2、了解DCS控制的特点。

3、学习DCS上位机控制组态软件编程。二、实验设备

A3000-FBS现场系统，和利时DCS控制系统。三、实验原理

和利时DCS的使用请严格按照和利时DCS所提供的硬件手册进行操作和连线。这里只介绍与A3000现场系统相关的内容。

和利时DCS前面板包括了两组电源，当前第一组有效。可以通过关闭其开关，从而关闭整个系统的电源。主控单元请设置到BATTERY电池后备状态。

主控站地址10，IP 128.0.0.10。主控851，逻辑名：FM121 1、单元接线

FM148A 8AI SLAVE

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对应的现场系统输入：

8CH -FT102 电磁流量计，四线制，注意连线方法不同。

FM151 8AO SLAVE 对应的现场系统输入： 1CH -FV101—调节阀 2CH -BS101—调压器 3CH -TR101—变频器

FM161D 16隔离DI 1CH LS101 1#液位开关 2CH LS102 2#液位开关 3CH FV101S 调节阀状态 4CH FT102S 电磁流量计状态 5CH XV101S 1#电磁阀状态 6CH XV102S 2#电磁阀状态 7CH P101S 左边水泵状态 8CH P102S 右边水泵状态 FM171

1CH XV101 1#电磁阀启动 2CH XV101 2#电磁阀启动 3CH FV101P 调节阀启动

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4CH FT102P 电磁流量计启动 4CH CWSTART 变频器正转启动

ET200S IM151 2 AI

CH1 LT102中水箱液位 CH2 FT101 涡轮流量计 2TC

CH1 TE103，换热器热水出口温度

MM4变频器 PPO1设置

参数控制区域PZD。 PZD 1 2 2、软件简介 (1)ConMaker 控制器软件，负责系统控制站的运行与维护

(2)FacView 人机界面软件，负责系统的在线监视、操作、控制、调试、维护 (3)INTERNET 浏览软件

3、 FacView人机界面软件 (1) 图形制作     

自带丰富的立体图库支持用户自建图库便于重复调用提高画图效率利于工程积累

输入控制字状态字输出频率设置字 SET 实际频率 word范文

图7-11 FacView人机界面软件

HMI 图形编辑器可轻松制作各种工艺图形： •静态特性：

完成点、线、弦、弧、矩形、椭圆、饼图、多边形等本图形，各种图形的填充、旋转、拉伸、拷贝、粘贴。

•动态特性:

完成数值显示、填充、曲线跟踪、平移、旋转、闪烁、缩放及各种动画功能。 •交互特性：

定义各种操作按钮，完成图形切换、弹出窗口、修改数值及各种控制功能。 •支持立体图形与三维动画 •完美工艺流程图

图7-12 完美工艺流程图1

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图7-13 完美工艺流程图2

图7-14 完美工艺流程图3

(2)仪表化的控制界面

可定制为仪表风格的控制操作界面，符合运行人员的操作习惯。如图7-15所示。

图7-15仪表化的控制界面

(3)趋势功能

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图7-16趋势功能

•三类趋势变量

周期类：以一定时间间隔存储事件类：触发条件存储

周期事件：以一定时间间隔并满足触发条件。

图7-17 三类趋势变量

•多种方式显示趋势支持多组趋势窗口重叠窗口任意伸缩放大任意处弹处趋势窗口

•实时数据与历史数据趋势的统一界面通过趋势控制按钮来切换实时模式与历史模式通过趋势模式指示器的颜色来区分实时模式、历史模式 •安全方便的历史数据的显示与调用：

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使用磁盘文件方式来存储历史数据，支持多种方式(包括文本方式)的可视数据存储，便于用户的二次开发使用。

•无限大的历史数据磁盘存储容量通过固定历史数据存储算法

扩大硬盘存储器容量的方法大量存储历史数据 •方便的趋势数据的备份与恢复通过TrendArchive()备份数据通过TrnAddHistory()恢复数据四、实验要求

1、设计上位组态软件系统，进行液位控制。 2、经过参数调整，使得系统可以稳定控制。五、实验内容与步骤

1、系统连接

(1)在A3000-FS上，打开手动调节阀JV201、JV206，调节下水箱闸板开度(可以稍微大一些)，其余阀门关闭。

(2)在A3000-CS上，将电磁流量计输出连接到AI0，AO0输出连到电动调节阀上。

(3)打开A3000电源。在A3000-FS上，启动右边水泵。

(4)启动计算机组态软件，进入实验系统选择相应的实验。启动调节器，设置各项参数，可将调节器的手动控制切换到自动控制。

2、比例积分微分调节控制。

(1)首先设置P参数，I参数设置到最大，D=0。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，可以开始加干扰实验。

(3)减小P重复步骤1，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 (4)增大P重复步骤5，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

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(5)选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。改变设定值(如设定值由50％变为60％)，同样可以得到一条过渡过程曲线。

3、然后增加积分参数，从大到小，获得最快的稳定时间。 4、增加微分参数。从小到大，获得更快的稳定时间。六、思考问题

分析DCS为什么在大型控制系统中获得了巨大的成功。七、实验结果提交

1、提供组态软件。

2、通过抓图方法，提交获得的液位控制曲线。 3、给出最佳控制参数。

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第八章工程应用型设计

本章主要介绍一些与工程设计有关的问题，它们与控制理论没有太大的关系。主要为将来工程设计提供初步的经验。

实验1 工业项目设计

一、设计目的

1、学习多回路工艺流程设计方法。 2、学习了解A3000系统的设计描述语言。二、需要设备

计算机

三、设计原理与介绍

1、PID图

在设计之前，详细询问用户的需求，依据用户的需求和可能的投资，开始设计。

一个系统的设计首先确定工艺流程参数。然后根据这些参数选择仪器仪表，控制系统，控制回路。

在开始电气、机械设计之前，首先设计工艺流程图。通过使用工程符号，绘制工艺流程逻辑结构，包括控制回路，这就是PID图。如图8-1所示是A3000 PID图局部，包括右边水泵，下水箱。只有提出了PID图之后，才能进行电气设计，结构设计，控制系统设计。

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图8-1 A3000 PID图局部

PID图要求给出工艺结构件，例如水箱，换热器，锅炉，管道。要求给出工艺设备，例如水泵，调节阀，变频器等等。

要求给出工艺仪表，例如液位变送器LT103，电磁流量计FT102。并对每个部分进行唯一的编号。这些编号将在其他所有设计文档中保持一致。

2、描述语言

一个自动化工程是需要多人合作才能完成。那么多人之间就需要协调，需要交流，这就需要一种参与的人所能理解的公共的语言。

在一个A3000这样的小项目中，涉及的规范如表所示。标号 LT101 LT102 LT103 FT102 含义变送器1# 变送器2# 变送器3# 流量计2# 位号 101 101 103 102 类型液位变送器液位变送器液位变送器电磁流量计注LT101，其中101第一个字符1表示现场子系统1#。后面两位表示该类型设备或仪表的序号。

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3、测点清册

北京华晟高科教学仪器有限公司 I/O 清单合同号：文件编号：编制备注审核第批页准共日页期供电工程单方式位 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ kpa 量程范围 0~100 0~100 0~100 0~100 0~100 0~150 序号 1 2 3 4 5 6 PID图号测点编号测点名称过路内温度滞后管温度换热器热水出口温度换热器冷水出口温度储水箱温度泵P101出口压力 AI 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 信号类型 AO DI 型式及规范 DO 信号制 NO NC 四线制四线制四线制四线制 A3000-1 TE101 A3000-1 TE102 A3000-1 TE103 A3000-1 TE104 A3000-1 TE105 A3000-1 PT101 70℃报警 70℃报警 70℃报警 70℃报警 70℃报警四线制四线制这些是给控制系统设计人员的资料，以便设计需要多少个模块。采用那些控制系统。

其中需要标明测点编号，测点名称，信号类型，型式及规范、供电方式、工程单位、量程范围。这些内容在控制系统编程，以及组态软件编程中都要进行一致的标注。

信号类型包括4-20毫安，0-10V，脉冲等等。

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而线制则包括两线制，三线制，四线制等。在DCS系统中，我们采用的变送器除了电磁流量计，其它一般是两线制。而在其它系统中，我们把两线制信号进行了转换，变成统一的四线制，所有系统都可以简单接线。 4、工艺设备名细表范例序号图纸 A3000-3 A3000-3 A3000-3 A3000-3 级数代号零部件名型号/规格技术参数流量：10L/min,扬程:16m,220VAC 50Hz 280W 材料 DN20,G3/4\"铸铁外壳,1Cr18Ni9Ti,叶轮 1Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti 数量 1 25PLB10-16 ALT-0.15MPa 压力传感器精度：0.5% M20X1.5 2 1 (PT101) 工业B级 M20X1.5 WZP-270(TE10温度传感器 3 1 1) L=8X300(Φx L) 工业B级 M20X1.5 WZP-270(TE10温度传感器 4 1 5) L=8X65(Φx L) ZCT-15 A3000-(XV101,XV102DN20,G3/4\两位两通，电磁阀 5 3 1 ) 220V50HZ 15W V713,ZVAP-16DN20，Kv=3，执行器A3000-电动调节阀 P，(FV101) 6 3 1 KV3000 要求给出所有关键的，必要的参数。以便采购部分进行采购。 1 水泵 2 1 1 1 2 1 注意型号/规格、技术参数和材料等项目必须标准清楚。否则采购部门可能会反复询问你，究竟选择那些设备，是否可以替换。 3、电气接线图

按照标准规范进行电气连接图设计。这里就不再具体介绍。

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四、设计要求

1、设计一个常压供热水系统，要求提供PID图，测点清册，设备清单。 2、给出不同设计的价格估计，以便用户决策。五、验证设计

设计，不做实验验证。六、思考问题

分析对于本设计，你将采用什么控制策略。七、设计的实验结果提交

1、分析用户需求(假定)。 2、提交PID图。 3、提交测点清册。 4、提交设备清单。

实验2 报警系统设计

一、设计目的

学习报警系统设计方法。二、需要设备

A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。三、实验原理

1、关于报警和事件

报警是指当系统中某些量的值超过了所规定的界限时，系统自动产生相应警告信息，表明该量的值已经超限，提醒操作人员。如炼油厂的油品储罐，如果往罐中输油时，如果没有规定油位的上限，系统就产生不了报警，无法有效提醒操作人员，则有可能会造成“冒罐”，形成危险。有了报警，就可以提示操作人员注意。报警允许操作人员应答。

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事件是指用户对系统的行为、动作。如修改了某个变量值，用户的登录、注销，站点的启动、退出等。事件不需要操作人员应答。

组态王中报警和事件的处理方法是：当报警和事件发生时，组态王把这些信息存于内存中的缓冲区中，报警和事件在缓冲区中是以先进先出的队列形式存储，所以只有最近的报警和事件在内存中。当缓冲区达到指定数目或记录定时时间到时，系统自动将报警和事件信息进记录。报警的记录可以是文本文件、开放式数据库或打印机。另外，用户可以从人机界面提供的报警窗中查看报警和事件信息。

2、报警组的定义

往往在监控系统中，为了方便查看、记录和区别，要将变量产生的报警信息归到不同的组中，即使变量的报警信息属于某个规定的报警组。组态王中提供报警组的功能。

报警组是按树状组织的结构，缺省时只有一个根节点，缺省名为RootNode(可以改成其它名字)。可以通过报警组定义对话框为这个结构加入多个节点和子节点。这类似于树状的目录结构，每个子节点报警组下所属的变量，属于该报警组的同时，属于其上一级父节点报警组。如在上述缺省RootNode报警组下添加一个报警组“A”，则属于报警组“A”的变量同时属于“RootNode”报警组。原理图如下图8-2所示。

RootNode A B A_1 A_n 图8-2报警组树状组织结构

组态王中最多可以定义512个节点的报警组。

通过报警组名可以按组处理变量的报警事件，如报警窗口可以按组显示报警事件，记录报警事件也可按组进行，还可以按组对报警事件进行报警确认。定义报警组后，组态王会按照定义报警组的先后顺序为每一个报警组设定一个ID号，在引用变量的报警组域时，系统显示的都是报警组的ID号，而不是报警组名称(组态王提供获取报警组名称的函数GetGroupName( ))。每个报警组的ID号是固

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定的，当删除某个报警组后，其它的报警组ID都不会发生变化，新增加的报警组也不会再占用这个ID号。

在组态王工程浏览器的目录树中选择“数据库\\报警组”，如下图8-3所示。

图8-3 组态王工程浏览器的目录树

双击右侧的“请双击这儿进入<报警组>对话框…”。弹出报警组定义对话框，如下图8-4所示。

图8-4 报警组定义对话框

对话框中各按钮的作用是：

增加>按钮：在当前选择的报警组节点下增加一个报警组节点。 (1) 如选中上图中的“RootNode”报警组，单击<增加>按钮，弹出“增加报警组”对话框，如图1所示，在弹出的对话框中输入“反应车间”，确定后，在“RootNode”报警组下，会出现一个“反应车间”报警组节点。

(2) 选中“RootNode”报警组，单击<增加>按钮，在弹出的增加报警组对话框中输入“炼钢车间”，确定后，在“RootNode”报警组下，会再出现一个“炼钢车间”报警组节点。

(3) 选中“反应车间”报警组，单击<增加>按钮，在弹出的增加报警组对话框中输入“液位”，则在“反应车间”报警组下，会出现一个“液位”报警组节点。

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(4)最终增加结果如图8-5所示：

图8-5最终增加结果

<修改>按钮：修改当前选择的报警组的名称。选中上图中的“RootNode”报警组，单击<修改>按钮，弹出修改报警组对话框，对话框的编辑框中自动显示原报警组的名称，将编辑框中的内容修改为“企业集团”，然后确定。则原“RootNode”报警组名称变为了“企业集团”。

<删除>按钮：删除当前选择的报警组。在对话框中选择一个不再需要的报警组，单击<删除>按钮，弹出删除确认对话框，确认后删除当前选择的报警组；如果一个报警组下还包含子报警组，则删除时系统会提示该报警组有子节点，如果确认删除时，该报警组下的子报警组节点也会被删除。

<确认>按钮，保存当前修改内容，关闭对话框。 <取消>按钮，不保存修改，关闭对话框。

注意：这里需要注意的是：根报警组(RootNode)只可以修改名称但不可删除。 3、通用报警属性功能介绍

在组态王工程浏览器“数据库/数据词典”中新建一个变量或选择一个原有变量双击它，在弹出的“定义变量”对话框上选择“报警定义“属性页，如下图8-6所示。

图8-6 “报警定义”属性页

报警属性页可以分为以下几个部分：

(1)报警组名和优先级选项：单击“报警组名”标签后的按钮，会弹出“选择报警组”对话框，在该对话框中将列出所有已定义的报警组，选择其一，确认后，

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则该变量的报警信息就属于当前选中的报警组。如上图选择“反应车间”，则当前定义的变量就属于反应车间报警组，这样在报警记录和查看时直接选择要记录或查看的报警组为“反应车间”，则可以看到所有属于“反应车间”的报警信息。

优先级主要是指报警的级别，主要有利于操作人员区别报警的紧急程度。报警优先级的范围为1~999，1为最高，999最低。在图9.7的优先级编辑框中输入当前变量的报警优先级。

(2)模拟量报警定义区域：如果当前的变量为模拟量，则这些选项是有效的。 (3)开关量报警定义区域：如果当前的变量为离散量，则这些选项是有效的。 (4)报警的扩展域的定义：报警的扩展域共有两个，主要是对报警的补充说明、解释。在报警产生时的报警窗中可以看到。

在介绍报警类型之前，先介绍关于报警的三个概念：

(1)报警产生：变量值的变化超出了定义的正常范围，处于报警区域 (2) 报警确认：对报警的应答，表示已经知道有该报警，或已处理过了，报警进行确认后，报警状态并不消失

(3)报警恢复：变量的值恢复到定义的正常范围，不再处于报警区域 (4)模拟量变量的报警类型

模拟量主要是指整型变量和实型变量，包括内存型和IO型的。模拟型变量的报警类型主要有三种：越限报警、偏差报警和变化率报警。对于越限报警和偏差报警可以定义报警延时和报警死区。下面一一介绍。

(5)越限报警

模拟量的值在跨越规定的高低报警限时产生的报警。越限报警的报警限共有四个：低低限、低限、高限、高高限。其原理图如下图8-7所示：

图8-7越限报警

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在变量值发生变化时，如果跨越某一个限值，立即发生越限报警，某个时刻，对于一个变量，只可能越一种限，因此只产生一种越限报警，例如：如果变量的值超过高高限，就会产生高高限报警，而不会产生高限报警。另外，如果两次越限，就得看这两次越的限是否是同一种类型，如果是，就不再产生新报警，也不表示该报警已经恢复；如果不是，则先恢复原来的报警，再产生新报警。越限报警产生和恢复的算法为：

大于低低限时恢复低低限，小于等于低低限时产生报警大于低限时恢复低限，小于等于低限时报警产生报警大于等于高限时报警，小于高限时恢复高限大于等于高高限时报警，小于高高限时恢复高高限

越限类型的报警可以定义其中一种，任意几种或全部类型。如下图中所示为越限报警定义。有“界限值”和“报警文本”两列。

(6)偏差报警

模拟量的值相对目标值上下波动超过指定的变化范围时产生的报警。偏差报警可以分为小偏差和大偏差报警两种。当波动的数值超出大小偏差范围时，分别产生大偏差报警和小偏差报警，其原理图如下图所示。偏差报警限的计算方法为：

小偏差报警限=偏差目标值±定义的小偏差大偏差报警限=偏差目标值±定义的大偏差大于等于小偏差报警限时，产生小偏差报警大于等于大偏差报警限时，产生大偏差报警小于等于小偏差报警限时，产生小偏差报警小于等于大偏差报警限时，产生大偏差报警

偏差报警在使用时可以按照需要定义一种偏差报警或两种都使用。

变量变化的过程中，如果跨越某个界限值，则立刻会产生报警，而同一时刻，不会产生两种类型的偏差报警。

(7)变化率报警

变化率报警是指模拟量的值在一段时间内产生的变化速度超过了指定的数值而产生的报警，即变量变化太快时产生的报警。系统运行过程中，每当变量发生一次变化，系统都会自动计算变量变化的速度，以确定是否产生报警。变化率

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报警的类型以时间为单位分为三种：%x/秒、%x/分、%x/时。变化率报警的计算公式如下：

((变量的当前值－变量上一次变化的值)×100)／((变量本次变化的时间－变量上一次变化的时间)×(变量的最大值－变量的最小值)×(报警类型单位对应的值))

(8)报警延时和死区

对于越限和偏差报警，可以定义报警死区和报警延时。

报警死区的原理图如下图所示。报警死区的作用是为了防止变量值在报警限上下频繁波动时，产生许多不真实的报警，在原报警限上下增加一个报警限的阈值，使原报警限界线变为一条报警限带，当变量的值在报警限带范围内变化时，不会产生和恢复报警，而一旦超出该范围时，才产生报警信息。这样对消除波动信号的无效报警有积极的作用。

4、离散型变量的报警类型

离散量有两种状态：1、0。离散型变量的报警有三种状态： (1) 1状态报警：变量的值由0变为1时产生报警 (2) 0状态报警：变量的值由1变为0时产生报警

(3) 状态变化报警：变量的值有0变为1或由1变为0为都产生报警 5、如何记录、显示报警

组态王中提供了多种报警记录和显示的方式，如报警窗、数据库、打印机等。系统提供一个预定的缓冲区，对产生的报警信息首先保存在缓冲区中，报警窗根据定义的条件，从缓冲区中获取符合条件的信息显示。当报警缓冲区满或组态王内部定时时间到时，将信息按照配置的条件进行记录。四、设计要求

1、设计一个简单的组态软件，测量液位。

2、增加模拟报警系统，当液位超过10厘米时，告警，并纪录时间与测量点位置。五、验证设计

1、设计组态软件。

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2、按照单容液位特性测量实验运行A3000系统。 3、让系统超过警告值，观察屏幕显示，并纪录。六、思考问题

分析如何进行偏差报警设计。七、设计的实验结果提交

1、提交组态软件。 2、提交纪录的现象。

实验3 关键事件处理和记录设计

一、设计目的

学习报警系统设计方法。二、需要设备

A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。三、实验原理

1、事件类型及使用方法

事件是不需要用户来应答的。组态王中根据操作对象和方式等的不同，事件分为以下几类：

1、操作事件：用户对变量的值或变量其它域的值进行修改 2、登录事件：用户登录到系统，或从系统中退出登录

3、工作站事件：单机或网络站点上组态王运行系统的启动和退出 4、应用程序事件：来自DDE或OPC的变量的数据发生了变化事件在组态王运行系统中人际界面的输出显示是通过历史报警窗实现的 2、操作事件

操作事件是指用户修改有“生成事件”定义的变量的值或其域的值进行修改时，系统产生的事件。如修改重要参数的值，或报警限值、变量的优先级等。这里需要注意的时，同报警一样，字符串型变量和字符串型的域的值的修改不能生

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成事件。操作事件可以进行记录，使用户了解当时的值是多少，修改后的值是多少。变量要生成操作事件，必须先要定义变量的“生成事件”属性。

(1) 在组态王数据词典中新建内存整型变量“操作事件”，选择“定义变量”的“记录和安全区”属性页，如下图1所示，在“安全区”栏中选择“生成事件”选项。单击“确定”，关闭对话框。

(2) 新建画面，在画面上创建一个文本，定义文本的动画连接——模拟值输入和模拟值输出连接，选择连接变量为“操作事件”。再创建一个文本，定义文本的动画连接——模拟值输入和模拟值输出连接，选择连接变量为“操作事件”的优先级域“Priority”。

(3)在画面上创建一个报警窗，定义报警窗的名称为“事件”，类型为“历史报警窗”。保存画面，切换到组态王运行系统。

(4)打开该画面，分别修改变量的值和变量优先级的值，系统产生操作事件，在报警窗中显示，如下图8-8所示。报警窗中第二行为修改变量的值的操作事件，其中事件类型为“操作”，域名为“值”；第三行为修改变量优先级的值，域名为“优先级”。另外，还可以看到旧值和新值。

图8-8 配置

图8-9 旧值和新值

3、应用程序事件

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如果变量是IO变量，变量的数据源为DDE或OPC服务器等应用程序，对变量定义“生成事件”属性后，当采集到的数据发生变化时，产生该变量的应用程序事件。

例如：建立一个EXCEL的DDE设备的变量，产生该变量的应用程序事件。 (1)在组态王中新建“DDE”设备，设备的逻辑名称为“Excel设备”，服务程序名称为“Excel”，话题名为“Sheet1”。

(2)在数据词典中新建变量，变量名称为“DDE事件”，变量类型为IO实型，变量连接的设备为“Excel设备”，项目名称为“r1c1”。

(3)在变量的“记录和安全区”属性页中选择“生成事件”选项，单击确定，关闭对话框。

(4) 在操作事件中建立的画面中创建一个文本，并建立动画连接——模拟值输出，关联的变量为“DDE事件”。保存画面，启动Excel，切换到组态王运行系统，打开该画面。

(5)修改Excel的Sheet1工作表的R1C1单元格中的数据，每当组态王检测到数据变化时，产生应用程序事件。

4、工作站事件

所谓工作站事件就是指某个工作站站点上的组态王运行系统的启动和退出事件，包括单机和网络。组态王运行系统启动，产生工作站启动事件；运行系统退出，产生退出事件。四、设计要求

1、设计一个简单的组态软件，测量液位。

2、增加关键事件记录，要求记录用户改变给定值、改变控制器参数的时间与调节器编号。五、验证设计

1、设计组态软件。

2、按照单容液位特性测量实验运行A3000系统。

3、改变给定值、改变控制器参数，观察屏幕显示，并纪录。 4、打开关键事件记录文件，看其内容。

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六、思考问题

分析一个控制系统，一般需要记录哪些关键事件。七、设计的实验结果提交

1、提交组态软件。 2、提交纪录的现象。 3、提交关键事件纪录文件。

实验4 系统趋势和历史存储设计

一、设计目的

学习报警系统设计方法。二、需要设备

A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。三、实验原理

以组态王为例，介绍组态软件如何实现趋势显示。

组态软件的实时数据和历史数据除了在画面中以值输出的方式和以报表形式显示外，还可以曲线形式显示。组态软件的曲线有趋势曲线、温控曲线和X-Y曲线。

趋势分析是控制软件必不可少的功能，组态软件都对该功能提供了强有力的支持和简单的控制方法。趋势曲线有实时趋势曲线和历史趋势曲线两种。曲线外形类似于坐标纸，X轴代表时间，Y轴代表变量值。对于实时趋势曲线最多可显示四条曲线；而历史趋势曲线最多可显示十六条曲线，而一个画面中可定义数量不限的趋势曲线(实时趋势曲线或历史趋势曲线)。在趋势曲线中工程人员可以规定时间间距，数据的数值范围，网格分辨率，时间坐标数目，数值坐标数目，以及绘制曲线的“笔”的颜色属性。画面程序运行时，实时趋势曲线可以自动卷动，以快速反应变量随时间的变化；历史趋势曲线不能自动卷动，它一般与功能按钮一起工作，共同完成历史数据的查看工作。这些按钮可以完成翻页、设定时间参数、启动/停止记录、打印曲线图等复杂功能。

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2、实时趋势曲线定义

在组态王开发系统中制作画面时，选择菜单“工具＼实时趋势曲线”项或单击工具箱中的“画实时趋势曲线”按钮，此时鼠标在画面中变为十字形，在画面中用鼠标画出一个矩形，实时趋势曲线就在这个矩形中绘出，如下图8-10所示：

图8-10 实时趋势曲线

实时趋势曲线对象的中间有一个带有网格的绘图区域，表示曲线将在这个区域中绘出，网格左方和下方分别是X轴(时间轴)和Y轴(数值轴)的坐标标注。可以通过选中实时趋势曲线对象(周围出现8个小矩形)来移动位置或改变大小。在画面运行时实时趋势曲线对象由系统自动更新。

3、历史趋势曲线

组态王提供三种形式的历史趋势曲线：

第一种是从图库中调用已经定义好各功能按扭的历史趋势曲线，对于这种历史趋势曲线，用户只需要定义几个相关变量，适当调整曲线外观即可完成历史趋势曲线的复杂功能，这种形式使用简单方便；该曲线控件最多可以绘制曲线,但该曲线无法实现曲线打印功能。

第二种是调用历史趋势曲线控件，对于这种历史趋势曲线，功能很强大，使用比较简单。通过该控件，不但可以实现组态王历史数据的曲线绘制，还可以实现ODBC数据库中数据记录的曲线绘制，而且在运行状态下，可以实现在线动态增加/删除曲线、曲线图表的无级缩放、曲线的动态比较、曲线的打印等等。

第三种是从工具箱中调用历史趋势曲线，对于这种历史趋势曲线，用户需要对曲线的各个操作按扭进行定义，即建立命令语言连接才能操作历史曲线，对于这种形式，用户使用时自主性较强，能做出个性化的历史趋势曲线；该曲线控件最多可以绘制曲线，该曲线无法实现曲线打印功能。

无论使用哪一种历史趋势曲线，都要进行相关配置，主要包括变量属性配置和历史数据文件存放位置配置。

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四、设计要求

1、设计一个简单的组态软件，测量液位。

2、增加历史趋势记录，纪录液位控制中过程值、给定值、输出值。五、验证设计

1、设计组态软件。

2、按照单容液位特性测量实验运行A3000系统。 3、改变给定值、观察屏幕显示，并纪录。 4、打开历史趋势记录文件，看其内容。六、思考问题

分析一个控制系统，一般需要记录哪些历史趋势。七、设计的实验结果提交

1、提交组态软件。 2、提交纪录的现象。 3、提交历史趋势记录文件。

实验5 系统登录和安全性设计

一、设计目的

学习报警系统设计方法。二、需要设备

A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。三、实验原理

1、系统安全管理

安全保护是应用系统不可忽视的问题，对于可能有不同类型的用户共同使用的大型复杂应用，必须解决好授权与安全性的问题，系统必须能够依据用户的使用权限允许或禁止其对系统进行操作。组态王提供一个强有力的先进的基于用户

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的安全管理系统。在“组态王”系统中，在开发系统里可以对工程进行加密。打开工程时只有输入密码正确时才能进入该工程的开发系统。对画面上的图形对象设置访问权限，同时给操作者分配访问优先级和安全区，运行时当操作者的优先级小于对象的访问优先级或不在对象的访问安全区内时，该对象为不可访问，即要访问一个有权限设置的对象，要求先具有访问优先级，而且操作者的操作安全区须在对象的安全区内时，方能访问。组态王以此来保障系统的安全运行。

2、如何对工程进行加密

为了防止其他人员对工程进行修改，在组态王开发系统中可以分别对多个工程进行加密。当进入一个有密码的工程时，必须正确输入密码方可进入开发系统，否则不能打开该工程进行修改，从而实现了组态王开发系统的安全管理。新建组态王工程，首次进入组态王浏览器，系统默认没有密码，可直接进入组态王开发系统。如果要对该工程的开发系统进行加密，执行工程浏览器中“工具\\工程加密”命令。弹出“工程加密处理”对话框，如图8-11所示。

图8-11 工程加密

密码：输入密码，密码长度不超过12个字节，密码可以是字母(区分字母大小写)、数字、其它符号等。

确认密码：再次输入相同密码进行确认。

单击取消按钮将取消对工程实施加密操作；单击确定按钮后，系统将对工程进行加密。加密过程中系统会弹出提示信息框，显示对每一个画面分别进行加密处理。当加密操作完成后，系统弹出“操作完成”。

3、如何去除工程加密

如果想取消对工程的加密，在打开该工程后，单击“工具\\工程加密”，弹出“工程加密处理”对话框，将密码设为空，单击确定按钮，

4、运行系统安全管理概述

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在“组态王”系统中，为了保证运行系统的安全运行，对画面上的图形对象设置访问权限，同时给操作者分配访问优先级和安全区，当操作者的优先级小于对象的访问优先级或不在对象的访问安全区内时，该对象为不可访问，即要访问一个有权限设置的对象，要求先具有访问优先级，而且操作者的操作安全区须在对象的安全区内时，方能访问。操作者的操作优先级级别从1~999，每个操作者和对象的操作优先级级别只有一个。系统安全区共有个，用户在进行配置时，每个用户可选择除“无”以外的多个安全区，即一个用户可有多个安全区权限，每个对象也可有多个安全区权限。除“无”以外的安全区名称可由用户按照自己的需要进行修改。在软件运行过程中，优先级大于900的用户还可以配置其他操作者，为他们设置用户名、口令、访问优先级和安全区。

5、优先级和安全区

组态王采用分优先级和分安全区的双重保护策略。组态王系统将优先级从小到大定为1到999，可以对用户、图形对象、热键命令语言和控件设置不同的优先级。安全区功能在工程中使用广泛，在控制系统中一般包含多个控制过程，同时也有多个用户操作该控制系统。为了方便、安全地管理控制系统中的不同控制过程，组态王引入了安全区的概念。将需要授权的控制过程的对象设置安全区，同时给操作这些对象的用户分别设置安全区，例如工程要求A工人只能操作车间A的对象和数据，B工人只能操作车间B的对象和数据，组态王中的处理是：将车间A的所有对象和数据的安全区设置为包含在A工人的操作安全区内，将车间B的所有对象和数据的安全区设置为包含在B工人的操作安全区内，其中A工人和B工人的安全区不相同。

应用系统中的每一个可操作元素都可以被指定保护级别(最大999级，最小1级)和安全区(最多个)，还可以指定图形对象、变量和热键命令语言的安全区。对应地，设计者可以指定操作者的操作优先级和工作安全区。在系统运行时，若操作者优先级小于可操作元素的访问优先级，或者工作安全区不在可操作元素的安全区内时，可操作元素是不可访问或操作的。

组态王中可定义操作优先级和安全区的有：

三种用户输入连接：模拟值输入、离散值输入、字符串输入；两种滑动杆输入连接：水平滑动杆输入、垂直滑动杆输入；

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三种命令语言输入连接和热键命令语言：(鼠标或等价键)按下时、按住时、弹起时；

其它：报警窗、图库精灵、控件(包括通用控件)、自定义菜单；变量的定义(每个变量有相应的安全区和优先级)。

当用户登录成功后，对于动画连接命令语言和热键命令语言，只有当登录用户的操作优先级不小于该图素或热键规定的操作优先级，并且安全区在该图素或热键规定的安全区内时，方可访问该对象或执行命令语言。命令语言执行时与其中连接的变量的安全区没有关系，命令语言会正常执行。对于滑动杆输入和值输入除要求登录用户的操作优先级不小于对象设置的操作优先级、安全区在对象的安全区内外，其安全区还必须在所连接变量的安全区内，否则用户虽然可以访问对象(使对象获得焦点)，但不能操作和修改它的值，在组态王的信息窗口中也会有对连接变量没有修改权限的提示信息。

6、运行时如何重新设置口令和权限

在运行环境下，“组态王”还允许任何登录成功的用户(访问权限无)修改自己的口令。首先进行用户登录，具体操作方法请参见“登录用户”。然后执行“特殊\\修改口令”菜单。

在“旧口令”输入栏中输入旧的口令，在“新口令”输入栏中输入新的口令，在“校验新口令”输入栏中同样输入新的口令，给用户一次核实的机会。最后单击“确定”按钮，然后旧的口令将被新的口令所代替。

修改口令也可以通过命令语言进行。函数ChangePassWord();的功能和菜单命令“特殊\\修改口令”相同。假设给按钮“修改口令”设置命令语言连接：ChangePassWord();程序运行后，当操作者单击按钮时，将弹出“修改口令”对话框。

运行系统中，对于操作权限大于900的用户还可以对用户权限进行修改，可以添加、删除或修改各个用户的优先级和安全区。如果登录用户权限小于900，执行“特殊\\配置用户”命令时，系统弹出提示窗口。

如果登录用户权限大于或等于900，执行“特殊\\配置用户”命令时，系统弹出“用户和安全区配置”对话框。可以修改用户的优先级和安全区。具体使用的方法和开发系统中配置用户的方法是一样的，请参见“如何配置用户”。在运行系统中配置完成用户后，系统将会自动记住，打开组态王开发系统用户配置，显示的是新配置完成的用户。

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同样使用函数EditUsers();的功能与菜单命令“特殊\\配置用户”相同。假设给按钮“配置用户”设置命令语言连接：EditUsers();程序运行后，当操作者单击按钮时，用户权限大于或等于900时，系统弹出“用户和安全区配置”对话框。

7、安全策略

5级权限与区域分配的安全策略给一个页面分配一个区域

给一个页面键盘命令分配一个区域或权限给一个对象分配一个区域或权限

给一个对象键盘命令分配一个区域或权限给一个对象定义一个Disable属性 (1)实时键盘和鼠标的安全性禁止控制菜单命令显示无标题栏的窗口

取消启动信息框中的Cancel按钮 (2)禁止Windows键盘命令用户自定义的操作记录库

将用户的全部操作记录送入专用操作数据库中,便于分析查阅。四、设计要求

1、设计一个简单的组态软件，测量液位。 2、对系统登录，修改给定值等进行权限。五、验证设计

1、设计组态软件。

2、按照单容液位特性测量实验运行A3000系统。 3、运行组态软件，看能否正确控制登录过程。六、思考问题

分析如何通过关键事件纪录，把用户登录过程记录下来，以便以后查对。

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七、设计的实验结果提交

1、提交组态软件。

2、提交验证用户时的过程描述。

实验6 网络化控制系统的研究

一、设计目的

研究网络化控制系统的实现。二、需要设备

A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。三、实验原理

1、网络化控制系统地发展当今过程控制领域的三个热点: 现场总线

现场总线技术的广泛应用，要求控制系统 I/O 设计基于现场总线 , 便于智能仪表的接入

开放标准

控制系统之间、控制系统于管理层和现场仪表级之间的数据交换日益增加，要求控制系统全面开放，采用通用平台 Windows NT、Ethernet 网络、支持OPC、ODBC

INTERNET接入

INTERNET 的迅速发展，要求控制系统支持INTERNET 接入 2、现场总线

随着计算机技术、通信技术、集成电路技术、智能传感技术的发展，在工业控制领域产生现场总线技术是一场,其代表了一种具有突破意义的控制思想，改变传统DCS结构─→FCS结构，真正做到“危险分散，控制分散，集中监控”！

现场总线智能仪表、控制设备已有几万种，正在取代传统仪表。现场总线标准真正走向融合、统一。

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当前现场总线存在的最大问题是标准的不统一：每一种现场总线标准都代表一个国际利益集团：

Profibus : Siemens西门子 Interbus: Phenix Contact

FF : Fisher-Rousemount 罗斯蒙特 CANbus: Philips、BOSCH

DeviceNet : Allen-Bradley 、Omron，Rockwell。

解决的办法是采用开放的设计思想，广泛支持当今各种流行现场总线标准，保证用户的长远利益。

3 开放标准

基于微软OM/DCOM 技术的 OPC (OLE for Process Control and Factory Automation)已成为过程控制的接口标准。

有了OPC，与其它厂商的控制系统、与工厂 MIS 网、 ERP 系统、与PLC之间的数据交换问题迎刃而解，不再需要编制各种特殊的接口程序,减少工程师的维护量，为用户节约投资成本。

SmartPro系统OPC是内嵌的，通过OPC实现统一的驱动管理，非常方便与其它系统交换实时数据。易于集成众多厂家的优秀成熟的产品，方便地在系统的实时数据、趋势报表、报警追忆、历史数据等功能中全面使用。

OPC的特点

OPC基于COM(The Component Object Model) DCOM(Distributed Component Object Model)

灵活性：OPC的事件、报警功能非常完善、强大、灵活，支持超过100家众多的厂家的典型优秀的应用。

只要支持opc的产品，均可方便地实现数据交换。高效性：支持较复杂的应用

高性能：基于网络工作，使OPC的事件、报警等功能迅速传递1台P233 Server, 4台Client，可提供近20,000/s，占10% CPU。(实际中采用变位传送方式，CPU占用更低)

简易性：工作原理和使用简单易懂 4、INTERNET接入

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INTERNET技术的迅猛发展为全球范围的信息交流提供了基础； INTERNET 网络已成为各国企业数据交换的标准平台；

具有 Web Server 功能的控制系统可提供 INTERNET 访问、远程浏览工厂生产过程、远程生产报警、远程故障诊断。

A3000通过网关实现了全部常规智能控制系统的网络连接。通过以太网，任何一台计算机都可以访问任何一个控制设备。四、设计要求

1、设计一个简单的组态软件，测量液位。

2、设计一个OPC程序，可以在组态王中实现，也可以在SmartPro中实现。五、验证设计

1、设计组态软件。

2、按照单容液位特性测量实验运行A3000系统。 3、运行作为服务器的计算机上组态软件。 4、运行作为客户端计算机上组态软件。

5、通过客户端计算机上组态软件观察，操作服务器的计算机上的参数。六、思考问题

分析该控制过程与通过透明网关进行网络组网的区别，各有什么优缺点。七、设计的实验结果提交

1、提交客户端和服务器端组态软件。2、提交验证OPC时的过程描述。

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