过程控制综合实习指导书

过程控制综合实习指导书

辽宁科技大学电信学院

一． 过程控制综合实习的目的

实习题目为《过程控制过系统综合实习》实习内容主要是基于最新购进的过程控制系统实验装置上，借助数字控制仪表，可编程控制器PLC和HMI组态软件PROTOOL，MCGS对其单容液位对象，多容液位对象，温度对象和流量对象等进行全程监控。实习过程中要理论联系实际结合以往学过的课程理论，如《过程控制系统》《过程控制仪表》《PLC应用技术》，重点强化培养解决实际问题的能力，实践能力和动手能力。

二． 实习内容

具体内容如下：

1．全面熟悉过程控制系统实习装置平台。

2．单容液位对象开环飞升曲线及液位检测和监控。 3．多容液位对象开环飞升曲线及液位检测和监控。

4．液位变送器，温度变送器和流量变送器的H-U T-U F-U输入/输出特性曲线。 5．温度对象温度检测和监控。 6．流量对象流量检测和监控。 7．可编程数字仪表回路组态。

8．S7-200 PLC的回路控制及程序设计。 9．SIEMENS PROTOOL组态软件的HMI设计。 10．全中文组态软件MCGS的HMI设计。 11．PLC程序调试，HMI测试，系统测试。 12．PID回路参数整定。

13．实验数据收集整理，撰写实习报告和参加实习考核。

以上内容只是这次实习的总体规划，具体实施时应根据学生班级人数和具体情况灵活调

整，可能只是其中一部分或若干部分。 三． 实习时间

拟定二周

四． 实习方式和安排 日 期 第 一 周 星期一 星期二 星期三 内 容 讲解实习任务。 熟悉综合实习系统装置 变送器输入/输出特性测试 地 点 教室及实验室 实验室 实验室 实验室 实验室 实验室 实验室 星期四 变送器输入/输出特性测试 星期五 单容液位对象开环飞升曲线测试 双容液位对象开环飞升曲线测试 用S7-200 PROTOOL 或MCGS生成闭环控制系统，温度，液位，流量对象任选 星期三 星期四 星期五 同周二 撰写实习报告 考核评定成绩，上交实习报告 第 二 周 星期一 星期二 实验室 实验室 教室及实验室

五． 考核内容和方式

实习时要认真进行对学生的各种考核，最终成绩根据实习表现，实习报告情况和答辩情况来确定。考核以五级分制，评定由三方面综合：平时表现、实习报告质量、答辩成绩。

六． 过程控制综合实习设备简介 1．概述

THKGK-1是过程控制的综合实习设备，在THKGK-1上可以做实习设备的基本调试与仪的整定；单容水箱对象特性测试，双容水箱对象特性测试，温度位式控制系统，智能仪表温度位式控制系统，温度PID控制系统，单容水箱液位PID控制系统，双容水箱液位PID控制系统，流量控制系统，单容水箱压力PID控制系统等过程控制的实习内容能够完全满足工业自动化专业过程控制方面的实习要求。 2．实习设备简介

系 统 组 成

被控对象包括上水箱、下水箱、复合加热水箱以及管道。调节器主要有模拟调节器（含比例P调节、比例积分PI调节、比例微分PD调节、比例积分微分PID调节）、位式调节器、智能仪表调节器、PLC控制器、单片机控制、计算机控制等。

执行器模块主要有固态继电器、磁力驱动泵、电加热丝。 变送器模块主要有流量变送器（FT）、液位变送器（LT1，LT2）、温度变送器（TT）、压

力变送器（PT）等。变送器的零位、增益可调，并均以标准信号DC0-5V输出。另外，根据用户需要，配置微机通讯接口单元（RS232），以满足计算机实时控制实验的需要。

系统的结构组成如图1所示，被控对象的供水有两路：一路是由磁力泵1从储水箱中抽水，通过阀1再经阀3向上水箱供水、经阀4向下水箱供水、经阀5向复合加热水箱的内胆供水；另一路是

图 1 系统的结构图

磁力泵2从储水箱中抽水，分别通过阀2经阀9向上水箱供水、经阀10向下水箱供水、经阀11向复合加热水箱的夹套供水。每个水箱的出水口均经过线性化处理，上水箱的水通过阀6 流到下水箱，在上水箱中安装了压力传感器（PT、LT1），用于检测压力、液位的大小;而下水箱的水经阀7流到复合加热水箱的外套，再经阀8流回储水箱，各水箱都设有溢流口，保证水箱满后不外流并顺利经溢流口流回储水箱。在复合加热水箱的内套安装了加热器和PT100温度传感器（TT），它们分别用于加热和检测温度。

挂 箱 介 绍

（一）、GK-01电源控制屏

GK-01电源控制屏如图3所示，它由一个交流电源控制区与三个执行部件接线区所组成：

1、交流电源控制区：由总电源钥匙开关、空气开关、带灯启动和停止按钮、漏电保护器、电加热器控制开关、照明开关、电压表、报警指示灯与复位按钮等组成。

图3 GK-01控制屏面板图

具体操作方法如下： 1）、将电源插座接220V市电电源，要注意“左零右火”的接线方式并且要有可靠的接地保护。如果一插上电源就有嘶嘶的声音，这时要检查电源的接线方式是否正确，是否可靠接地。

2）、插上三芯插头，此时控制屏左、右两侧的三芯电源插座均带电。 3）、先打开空气开关，再打开总电源钥匙开关，此时“停止”按钮红灯亮，表示系统总

电源接通。

4）、按下“启动”按钮，此时“启动”按钮绿灯亮，表示系统电源接通。 5）、拨动照明钮子开关到“上”侧，此时接通日光灯电源，日光灯亮。

注意：本实验装置配电压型和电流型漏电保护系统。当屏上漏电时保护系统动作，报警灯亮并自动切断系统电源，等到解除报警时才能起动。

2、三相异步电动机电源接线区：它与GK-07交流变频控制挂件配合使用。在此接线区一共有 U1、V1、W1, U2、V2、W2六个强电接线柱，它们与三相异步电动机引线相对应，已在内部连好。

3、加热器控制接线区：包括固态继电器接线端和电加热器接线端，面板上给出了基本的工作原理。如果用温度位式控制，直接将固态继电器的220V输出端与电加热器的输入端相连；如果用温度连续控制，直接将单相调压模块的输出端与电加热器的输入端相连。

4、温度智能位式调节仪：在此把调节仪的输出和输入端子都引到面板上了，输出端包括位式调节输出及变送输出两部分，输入端包括PT100铂热电阻输入。最下面有PT100铂热电阻输出端，是检测加热水箱温度的，可以直接加到智能仪表的“PT100铂热电阻”输入端。 （二）、GK-02传感器输出与显示

1、 此挂件主要是对各个传感器变换信号的显示，包括上水箱的液位和压力；下水箱的液位以及交流支路管道的流量。 2、如右图4所示，图中左边为各个传感器变换输出端，右边显示各个被控参量的实时测量值。当打开电源时，各个表头就会显示相应被控参量的当前测量值。在水箱没有水的情况下有可能显示不为零，这是由于传感器的零点漂移引起的，通过调节压力变送器的零点电位器来纠正误差，具体方法后述。

3、左边输出端是各个传感器通过检测、变换后输出的电压值，也就是反馈值。它的输出与各

个被控参量显示之间有一定的比例关系，对应比例如下：

液位传感器：输出0～5V电压对应0～20Cm的高度→1V电压对应5Cm的高度。

压力传感器:输出0～5V电压对应0～2000Pa的压力→1V电压对应400Pa的高度。 流量传感器:输出0～5V电压对应0～75ml/S的流量→1V电压对应15ml/S的流量。 温度传感器：输出0～5V电压对应0～100℃的温度→1V电压对应20℃的温度。 以上关系式是根据被控对象的量程和各个传感器的量程换算出来的，在实验过程中要注意。

图4 GK-02控制屏面板图

（三）、GK-03单片机控制

单片机控制挂件如图5所示。

它可以同时采集五路信号，一路输出用来控制执行器，以实现自动控制。单片机控制挂件的主要组成部分有：

1、五路模拟量输入：分别为LT1、PT、LT2、FT、TT，其接线端正好与右侧GK-02屏上传感器输出端相对应，模拟量输入为0～5V标准电压信号。

2、一路模拟量输出：此输出为单片机的控制输出端，输出为0～5V标准信号。

3、通讯接口方式：通过RS232串行通讯口与计算机通讯，以实现计算机监控。

4、键盘操作：共有六个功能键，分别为回路、向上、向下、整定、移位、确认。通过对这几个功能键的操作可以对单片机的各个参数进行整定。

5、两个显示框：功能显示框（显示所选参数）,数值显示（显示对应参数值）。

图5 GK-03挂箱面板图

（四）、GK-04 模拟PID调节器挂箱

如图6所示，本挂箱由给定信号源、比例积分微分设定旋钮以及PID调节回路组成。

调节器的结构、使用方法如下：

1、接线端：给定信号输入端、反馈信号输入端、 PID信号输出端。注意地线是公共的，只有两个地线接线端子，给定信号的大小由本模块中给定信号源提供，反馈信号输入是由传感器输出提供，调节器输出信号用于控制执行器（如交流电机）。

2、积分时间波段开关：共有三档：X∞、X1、X10。当选择X∞档时才可进入纯P，或PD控制方式。 P、I、D参数设置：

“P比例调节”——比例系数KC（即放大系数）的调节。它是比例度δ的倒数，即KC=1/δ。

“I积分调节”——指积分时间常数Ti的调节，调节范围“0.01至2.5分”和“0.1至25分”。

“D微分调节器”——指微分时间常数Td的调节，调节范围“0.01至10分”。 图6 GK-04挂箱面板图 3、“I”有开/关两种状态，“D”也有开/关两种状态（通过钮子开关切换，两个开关处于“开”时积分和微分才起作用）。

4、若需要选用“PI”控制，具体设置为：“I”波段开关置于X1或X10档，I开/关置于“开”，电位器P、I旋至某一个刻度即可。此时“D”开关应置于“关”。

5、正/反作用开关：用于改变调节器的正反作用，实质上是改变输入偏差信号的正负号，以构成一个负反馈系统。

6、手动/自动开关：当开关置于“手动”时，调节手动电位器，即可手动控制调节器输出信号。若需要进行PID控制，则此开关必须位于“自动”状态。

7、给定信号源：其输出信号由钮子开关切换输出值的正、负。

8、当进行串级模拟PID控制实验时，可利用两个GK-04调节器组成所需的自动控制系统。

（五）、GK-05位式、连续控制器挂箱

如图7所示，位式、连续控制挂箱由位式控制器、智能仪表、单相移相调压模块和给定信号源四部分组成。

1、位式控制器

输入端为Vmax 、Vi、Vmin,输出端为Vo （在温度控制系统中用于控制固态继电器的通断）。其中Vmax表示上限电压值，Vmin表示下限电压值，Vi为反馈信号的输入端。

接线原则：上正下负（即上方空芯接线柱接电压信号正端，下方空芯接线柱接电压信号地端）。

注意：其中Vmax应大于Vmin，为保证实验效果明显，可设定Vmax与Vmin差值大于1V。

2、智能仪表

图7 GK-05挂箱面板图

本挂箱采用的是上海万迅仪表有限公司的AI-718A型智能仪表，0～5V、1～5V输入、铂热电阻输入、调节输出以及RS485通讯口等各端子已引到面板上。使用时只要将相应的连线接好就可以了，输出端是0～5V的标准信号用于驱动执行机构。

3、单相移相调压模块

面板上已经引出信号输入端和调压输出端，打开挂件上的电源开关，此模块就得电。当输入控制信号时，输出端就有电压输出，随着控制信号的变化，输出电压也会跟着变化。

4、给定信号源

分别由两路1.25～6V的可调直流电源组成，电位器RP1和RP2分别用于调节输出电压大小，它们作为位式控制器上、下限幅值的给定。 （六）、GK-06控制系统流程图

图8所示，是本实验装置的控制对象系统流程图。

两路供水系统都可以供水给每个对象，包括上水箱、下水箱、复合加热水箱。

两套动力系统都采用了交流变频调速，分别驱动三相电机带动磁力驱动泵打水，每条支路都有相应的阀控制其进水量。在实验时按照实验指导书以及实验接线图连接好实验系统的连线，然后再打开对应的阀门。

图8 控制系统流程图

（七）、GK-07交流变频调速

如图9所示，交流变频控制挂箱面板图。变频器为三菱FR-S520S-0.4K型。具体使用说明、参数设置及操作，详见产品使用 手册 。

挂箱面板接线端子功能说明

为了使变频器各接线端子不因每次做实验经常的装拆线而损坏或丢失，应将常用端子引到挂箱面板上，以方便实验连线，它们分别是：

1、A、B、C：变频器的三个输出端，（连接GK-01中的三相鼠笼电机三相定子绕阻的接线端U、V、W）。

2、2和5：外部电压控制信号（0~5V）输入端，2接信号正极，5接信号地端 。

3、STF、STR：电机正转与反转控制端，当STF与SD相连时电机为正转，当 STR与SD相连时电机为反转。

4、其它：

PC：外部晶体管公共端 、DC24V电源接点输入端 。 SE：集电极开路公共。

RUN：集电极开路。 图9GK-07挂箱面板图 10：频率设定用电源。

4：频率设定电流信号。 6）、RH、RM、RL：RH、RM、RL 分别与SD连接实现多段速度选择。 7）a、b、c：报警输出。 8）AM：模拟信号输出。 9）、RST：复位。 10）、SD：输入/输出公共端。

（八）、GK-08 PLC可编程控制

PLC结构概述

PLC可编程控制挂箱面板，如图10所示，采用西门子S7-200 PLC系列产品。

1、PLC可编程控制面板上引出二路模拟量输入端（AI1、AI2），一路模拟量输出端（AO），十路开关量输入端（DI1—DI10），四路开关量输出端（DO1—DO4）。

2、CPU为224，它集成14输入/10输出，总共有24个数字量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。6个的30KHz高速计数器，2路的20KHz高速脉冲输出。此外，还有1个RS485通讯/编程口，它具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

3、EM 235 模拟量扩展模块，具有4路模拟量输入，2路模拟量输出（实际的物理点数为：4输入，1输出）。

4、PLC的编程环境软件为：STEP 7-Micro/WIN32 V3.0 ，STEP

7-Micro/WIN32 V3.0可以对S7-200的所有功能进行编程。 CPU通过PC/PPI 电缆或通过插在PG/PC上的CP 5511或 CP 5611

网卡与PC/PPI电缆可以在Windows 95或Window 98下 图10 GK-08挂箱面板图 实现多主站模式。

5、上位机的监控软件为：PROTOOL—CS、MCGS工控组态软件以及人机控制（触摸屏控制），这三种软件都分别可以和PLC实现通讯，可以和PLC进行数据交换。基于本实验装置所提供的软件和硬件都是比较丰富的，学生可以根椐自已的爱好去选择不同的软件进行组态、编程以及运行调试，因而有益于学生动手能力的提高。

七． 实习内容

实习一、实验装置的基本操作与仪表调试

一、 实习目的

1、了解本实验装置的结构与组成。 2、掌握压力变送器的使用方法。

3、掌握实验装置的基本操作与变送器仪表的调整方法。 二、实习设备

1、THKGK-1型过程控制实验装置

GK-02 GK-03 GK-04 GK-07 2、 万用表一只

三、实习装置的结构框图

图4-1、液位、压力 、流量控制系统结构框图

四、实习内容

1、设备组装与检查： 1）、将GK-02、GK-03、GK-04、GK-07挂箱由右至左依次挂于实验屏上。并将挂件的三芯蓝插头插于相应的插座中。 2）、先打开空气开关再打开钥匙开关，此时停止按钮红灯亮。 3）、按下起动按钮，此时交流电压表指示为220V，所有的三芯蓝插座得电。 4）、关闭各个挂件的电源进行连线。 2、系统接线： 1）、交流支路1：将GK-04 PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”接GK-07变频器的“2”与“5”两端（注意：2正、5负），GK-07的输出“A、B、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U1、V1、W1”输入端； GK-07 的“SD”与“STR”短接，使电机驱动磁力泵打水（若此时电机为反转，则“SD”与“STF”短接 ）。 2）、交流支路2：将GK-04 PID调节器的给定“输出”端接到GK-07变频器的“2”与“5”两端（注意：2正、5负）； 将GK-07变频器的输出“A、B、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U2、V2、W2”输入端； GK-07 的“SD”与“STR”短接，使电机正转打水（若此时电机为反转，则“SD”与“STF”短接 ）。 3、仪表调整：（仪表的零位与增益调节 ）

在GK-02挂件上面有四组传感器检测信号输出：LT1、PT、LT2、FT（输出标准DC0~5V），它们旁边分别设有数字显示器，以显示相应水位高度、压力、流量的值。对象系统左边支架上有两只外表为蓝色的压力变送器，当拧开其右边的盖子时，它里面有两个3296型电位器，这两个电位器用于调节传感器的零点和增益的大小。（标有ZERO的是调零电位器，标有SPAN的是调增益电位器） 4、调试步骤如下：

1)、首先我们在水箱没水时调节零位电位器，使其输出显示数值为零。 2）、用交流支路1打水（也可以用交流支路2打水）：打开阀1、阀3、阀4，关闭阀5、阀6、阀7，然后开启GK-07变频器及GK-04给定启动三相磁力泵给上、下水箱打水，使其液面均上升至10cm高度后停止打水。 3）、看各自表头显示数值是否与实际水箱液位高度相同，如果不相同则要调节增益电位器使其输出大小与实际水箱液位的高度相同，同法调节上、下水箱压力变送器的零位和增益。 4）、按上述方法对压力变送器进行零点和增益的调节，如果一次不够可以多调节几次，使得实验效果更佳。

实习二、单容水箱对象特性的测试

一、 实习目的

1、了解单容水箱的自衡特性。

2、掌握单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

3、实测单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。 二、 实习设备

1、THKGK-1型过程控制实验装置：

GK-02 GK-03 GK-04 GK-07 2、万用表一只 3、计算机及上位机软件 三、实习原理

阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节器手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理的处理，确定模型中的相关参数。

图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。 单容水箱的数学模型可用一阶惯性环节来近似描述，且用下述方法求取对象的特征参数。 单容水箱液位开环控制结构图如图4-2所示：

图4-2、 单容水箱液位开环控制结构图

设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：

dhhR2Qdt在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

H(s)R2K G(s) 2-1Q1(s)R2CS1TS1R2C

式中，T=R2*C为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数，也是阀V2的液阻，C 为水箱的底面积。令输入流量Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位的高度为： KR0KR0KR0H(S) S ( TS  1 ) S 1 2-2 S /T

1 -tTO(1 即 h(t)  KR - e ) 2-3

当t时，h()KRO . 因而有

h()输出稳态值 K

RO阶跃输入 当tT时, 则有: -1 h(T)KR0(1- e )  0.632KR 0  0.632h(  ) 2-4 式（2-3）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的

h2(t)指数函数，如图2-2所示。由式（2-4）可知该曲线上升到稳态

h2( )00值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳

00态值的交点所对应的时间就是时间常数T。 0.63 h 2 ( )

图2-2 阶跃响应曲线 0T其理论依据是：

dh(t)KR01tKR0h()Tt0t0 (2-5)dtTeTT上式表示h（t）若以在原点时的速度h（∞）/T 恒速变化，即只要花T秒时间就可达

到稳态值h（∞）。

式（2-2）中的K值由下式求取：

K = h(∞)/R0 = 输入稳态值/阶跃输入

四、实习内容与步骤

1、按实验一的要求和步骤，对上、下水箱液位传感器进行零点与增益的调整。 2、按照图2-1的结构框图，完成系统的接线 （接线参照实验1），并把PID调节器的

“手动/自动”开关置于“手动”位置，此时系统处于开环状态。

3、将单片机控制挂箱GK-03的输入信号端“LT1、LT2”分别与GK-02的传感器输出端“LT1、LT2”相连；用配套RS232通讯线 将GK-03的“串行通信口”与计算机的COM1连接；打开所有电源开关用单片机进行液位实时监测；然后用上位机控制监控软件对液位进行监视并记录过程曲线。

t

4、利用PID调节器的手动旋钮调节输出，将被控参数液位控制在4cm左右。

5、观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，记录此时调节器手动输出值VO 以及水箱水位的高度h1和显示仪表LT1的读数值并填入下表。

变频器输出频手动输出Vo 水箱水位高度h1 LT1显示值 率f HZ v cm cm 6、迅速增调“手动调节”电位器，使PID的输出突加10%，利用上位机监控软件记下由此引起的阶跃响应的过程曲线，并根据所得曲线填写下表。

t（s） 水箱水 位 h1(cm) LT1读 数 (cm) 等到进入新的平衡状态后，再记录测量数据，并填入下表： 变频器输出频PID输出Vo 水箱水位高度h1 LT1显示值 率f HZ v cm cm 7、将“手动调节”电位器回调到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。填入下表： t（s） 水箱水 位 h1(cm) LT1读 数 (cm) 8、重复上述实验步骤。 五、思考题

1、在做本实验时，为什么不能任意变化阀V1或V2的开度大小？

2、用两点法和用切线法对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点？ 六、注意事项

1、做本实验过程中，阀V1和V2不得任意改变开度大小；

2、阶跃信号不能取得太大，以免影响系统正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。

3、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。

实习三、双容水箱对象特性的测试

一、实习目的

1、了解双容水箱的自衡特性。

2、掌握双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

3、实测双容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。 二、实习设备

1、THKGK-1型过程控制实验装置：

GK-02 GK-03 GK-04 GK-07 2、万用表一只 3、计算机及上位机软件 三、实习原理

阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节器手动操作改变对象的输入信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理地处理，确定模型中的相关参数。

图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。

双容水箱测试

双容水箱液位控制结构图如图4-3所示：

图4-3、双容水箱液位控制结构图

设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度H2为输出量，根据物料 动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为

H2(S)Ks G(S) ( 3-1)eQ1(S)(T1S1)(T2S1)

h (t) 2 式中 K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分别

h 为阀V2和V4的液阻，C1 和C2分别为上水箱和下2( 00 水箱的容量系数, 式中的K、T1和T2可由实验求得的0.8hB 0 2( 0阶跃响应曲线求出, 具体的做法是在图3-2所示的阶

P 跃响应曲线上取：

hA 0.4 2( 00 1）、h2（t）稳态值的渐近线h2(∞)；

2）、h2（t）|t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的 点A和对应的时间t1； A 0 て t t 2 3）、h2（t）|t=t2=0.8 h2(∞)时曲线上的 1 点B和对应的时间t2。 3-2、 阶跃响应曲线 然后，利用下面的近似公式计算式3-5中

t

的参数K、T1和T2。其中：

h2()输入稳态值

RO阶跃输入量

t1t2 4)、 T1T22.16 K对于式（3-1）所示的二阶过程，0.32时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2（此时T1=T2=T=(t1+t2)/(2*2.16) ）

过曲线的拐点做一条切线，它与横轴交于A点，OA即为滞后时间常数て。

T1T2t15)、 (1.740.55)2t2 (T1T2)

四、实习内容与步骤

1、按实验一的要求和步骤，对上、下水箱液位传感器进行零点与增益的调整。 2、按照图3-1结构框图，完成系统的接线 （接线参照实验1），并把PID调节器的“手动/自动”开关置于“手动”位置，此时系统处于开环状态。

3、将单片机控制屏GK-03的输入信号端“LT2” 接GK-02的传感器输出端“ LT2” ；用配套RS232通讯线 将GK-03的“串行通信口”与计算机的COM1连接；启动单片机控制GK-03设置回路3的采样时间St=2，标尺上限CH=150，然后用上位机控制监控软件对液位进行监视并记录过程曲线。

4、利用PID调节器的手动旋钮调节输出，将被控参数液位控制在4cm左右。

5、观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，记录此时调节器手动输出值VO 以及水箱水位的高度h1和显示仪表LT1的读数值并填入下表：

变频器输出频手动输出Vo 水箱水位高度h1 LT1显示值 率f HZ v cm cm 6、迅速增调“手动调节”电位器，使PID的输出突加10%，利用上位机监控软件记下由此引起的阶跃响应的过程曲线，并根据所得曲线填写下表：

t（s） 水箱水 位 h1(cm) LT1读 数 (cm) 等到进入新的平衡状态后，再记录测量数据，并填入下表： 变频器输出频PID输出Vo 水箱水位高度h1 LT1显示值 率f

HZ v cm cm 7、将“手动调节”电位器回调到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。填入下表：

t（s） 水箱水 位 h1(cm) LT1读 数 (cm) 8、重复上述实验步骤。 五、思考题

1、在做本实验时，为什么要保证阀V2的开度必须要大于阀V4的开度？ 2、用两点法和用切线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点？ 六、注意事项

1、做本实验过程中阀V2 的开度必须大于阀V4的开度，以保证实验效果。

2、阶跃信号不能取得太大，以免影响系统正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。

3、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。

实习四．闭环控制系统设计

一、实习目的

1、了解S7-200PLC可编程控制器的结构与功能。

2、熟悉Step-7-micro/Win32编程软件、PROTOOL 或MCGS组态软件的使用

与CP5611卡的安装方法。

3、掌握S7-200PLC程序下载方法。 二、实习设备

1、THKGK-1过程控制实习装置

GK-02、 GK-07、 GK-08 2、计算机及STEP7运行环境（安装好演示程序）、MPI电缆线 三、实习要求

可编程控制器（PLC）是当代工业自动化的主导产品之一，它是一种工业专用计算机。由于这种工业计算机采用面向用户的指令，因而编程方便。它不仅能完成“逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术操作”，而且具有“数字量或模拟量输入/输出控制”的能力。它还容易与“工业控制系统联成一体”，易于扩充。由于PLC具有极强的控制功能，因而在过程控制中得到了广泛的应用。

组态软件PROTOOL和MCGS是当前生成控制系统HMI的流行软件， 它与PLC结合起来可以提高控制功能，改善控制品质和操作质量。

该任务要求任选对象（温度，液位，流量）实施闭环控制，用S7-200 PID指令作为控制器，PROTOOL或MCGS组态软件作为HMI生成工具，能够实现手/自动转换，HMI上面

可以修改PID参数，设定值输入，PV，MV和SV的文本显示和趋势曲线显示。具体任务包括PLC程序设计，组态软件程序设计，程序调试，系统参数整定等，并提交程序清单和图形样本。

实习步骤（以单回路水位控制系统为例）

1、熟悉PLC及演示软件的操作（PLC的使用及实验操作步骤详见THKGK-1型过程控制实验装置使用说明中的GK-08的使用说明）。

2、 设计一个单回路水位控制系统：PLC起调节器的功能，一方面它可与差压传感器相连，获取输入信号，比较测量水位值和设定值，得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号；PLC输出信号直接控制电机转速，从而达到控制水位的目的。另一方面它又与计算机通讯，实现计算机的监控（注意：PLC的程序必须由上位机下载，设定值、PID参数也通过上位机 软件PROTOOL-CS设定）。

1）、按图4-1所示组成一个单回路上水箱或下水箱（虚线部分）的水位控制系统。

图4-1、PLC控制系统结构图

2）、按装置使用说明中的要求，对上下水箱的液位传感器进行零位与增益的调整。 3）、用CP5611自带电缆线连接RS485通信口与CP5611卡。 4）、打开GK-08的电源开关，并将PLC置于STOP工作方式，下载程序，然后将PLC置于RUN工作方式。

5）、按不同的控制方式设定相应的控制参数KC、TI、TD。 7）、在参数设定后，用鼠标向上拉动设定值键至所需的控制值(即设定水箱水位的高度)，再点击自动进入自动运行状态。在实时液位曲线显示区将有三条不同颜色曲线显示这三个变量的动态值。

8）、待被控水箱水位趋于稳定后加入一定的正（或负）阶跃信号（即向上或向下拉动设定键至某值），观察与记录输出值与采样值的变化规律，记录一条完整的过渡过程曲线。记录表格自拟。 五、思考问题

1、试将PLC控制与其它控制方式做一简要比较。 2、试编写一个温度控制的PID算法应用程序。

3、通过对PROTOOL软件的熟悉，试组态一个MCGS上位机监控界面。 六、注意事项

1、实习线路连好，需经指导老师检查认可后方可接通电源。 2、实习前必须熟练GK-08的使用说明。