1、过程控制系统虚拟实验实验一：单回路液位控制系统实验一、实验目的 1通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和原理； 2定性分析研究PID控制器参数对系统性能的影响； 3分析对象参数对控制效果的影响； 4分别从供水侧和出水侧施加扰动，研究PID控制器的扰动抑制能力。 二、实验设备 安装Kingview组态软件和KingACT软逻辑软件的计算机一台。三、实验原理 进行单容水箱对象液位定值控制系统实验的系统如图1-1所示。水箱系统由给水泵供水，负载阀决定出水量，同时增加一干扰水源，用以施加供水干扰，用户的用水量改变的扰动可通过调整负载阀开度进行模拟。 图1-1单容水箱液位定值系统增加干扰水源相应的组态项
2、目，干扰水源的模拟可在入水量上叠加一个较小的水量信号，并通过开关控制其是否有效。因此增加两个变量，如下表。表 1-1 单回路水箱控制系统增加的仿真变量表参数 变量名称 变量类型 单位 下限 上限 初始值 干扰水源 干扰水源 Double L/s 0 0.01 0.0001 干扰水源开关 干扰开关 Bool False 四、 实验方法与步骤 1启动KingACT编程系统，打开“单回路水箱液位控制（干扰）”工程文件。在对象组态图中增加扰动水源组态。在原组态的基础上增加一个加法器和选择开关模块，并进行变量连接，如图所示。2启动组态王工程管理器，打开“单回路水箱液位控制（干扰）”工程文件，在数据词典中
3、增加两个变量，分别为“干扰开关”和“干扰水量”，并建立与OPC服务器的通道连接。调入仿真主画面，增加干扰水源控制阀和干扰水量数值指示，分别与“干扰开关”和“干扰水量”进行动画连接，如图所示。3启动KingACT运行系统，装入“单回路水箱液位控制（干扰）”工程文件。4启动KingACT OPC服务器，装入“单回路水箱液位控制（干扰）.plc”文件，并置于运行状态。5在组态王工程管理器中，将“单回路水箱液位控制（干扰）”切换至运行状态。6为调节器设置PID参数。7启动给水泵，调节器置于手操状态，为水泵提供一控制电压，并将出水阀置于50%开度，等待液位达到平衡状态。8改变水位设定值，将调节器置于自动
4、状态，观察液位变化情况。9通过打开干扰阀门和改变出水阀开度，分别施加进水和出水扰动，观察液位变化情况。10调整PID参数，直到获得较为满意的结果。11通过参数设置改变水箱对象的面积，重新进行上述实验。五、 实验报告要求 1通过抓图拷屏的方法提交获得的实验曲线。2根据实验过程填写下表，并分析水箱面积变化对调节器参数的影响。表 1-2 单回路水箱液位控制系统实验记录表水箱面积(cm2)比例系数积分时间(ms)微分时间(ms)超调量(%)过渡过程时间3分析PID定值调节和扰动抑制特性。4实验报告。 六、思考题 1如果要增加变化的干扰水源应如何增加?2如果减少单容水箱对象的容积，积分时间应该增大还是减
5、少。实验二：电加热水箱温度与流量前馈-反馈控制实验一、实验目的 1掌握前馈控制系统的基本概念和组成。 2掌握前馈-反馈控制系统的投运与参数整定方法。 3研究在阶跃扰动作用下前馈控制对系统被控量的影响。 二、实验设备 安装Kingview组态软件和KingACT软逻辑软件的计算机一台。三、实验内容 本试验以电加热水箱温度为反馈控制调节对象，入水流量为前馈控制调节对象，形成电加热水箱温度反馈与水流量前馈控制系统，系统框图如图所示。 在该系统中的主要扰动是给水流量的变化，采用前馈控制方法时，将入水流量信号送到前馈控制器。前馈控制器按照一定的算法产生控制作用，控制电加热器的功率进行相应改变，可及时消除
6、由于进水量变化带来的温度的变化。在本仿真试验中入水流量作为对象的一个参数已经通过计算得出，所需要做的工作是根据该入水流量信号计算出前馈信号。四、 实验方法与步骤 1启动KingACT编程系统，打开“电热水箱前馈反馈控制”工程文件。在控制器组态图中增加前馈控制组态。增加一个前馈控制作用允许开关，便于在实验中进行对比。并与PID控制器的输出相加作为交流调功器的控制电压，如图所示。2启动KingACT运行系统，装入“电热水箱前馈反馈控制”工程文件。并置于运行状态。3启动KingACT OPC服务器，装入装入“电热水箱前馈反馈控制.PLC”文件，并置于通信联机状态。4启动组态王工程管理器，打开“电热水
7、箱前馈反馈控制”工程，在数据词典中增加“前馈输出”和“前馈允许”变量，并与KingACT OPC服务器进行相应通道的连接。 为历史曲线和实时趋势曲线增加PID控制器输出、前馈控制器输出、入水流量显示，观察控制器输出作用。 打开主画面，在画面上增加前馈控制器和反馈控制器输出指示，并切换至运行状态，如图所示。5通过参数设置界面，将加热器功率（最大）设置为1000KW，进水温度设为0。打开出水阀，打开给水泵开关和交流调功器开关，并为水泵提供一较小的初始控制电压，关闭前馈控制器，PID调节器置自动状态，进行水箱温度设定值控制参数整定。改变给水泵控制电压，施加入水流量扰动，观察并记录未投入前馈控制器时系
8、统的温度响应特性。6设定值参数整定完成后，投入前馈控制器，等待系统稳定。在系统输出稳定后，改变给水泵控制电压，施加入水流量扰动，观察并记录投入前馈控制器后系统的温度响应特性。五、 实验报告要求 1通过抓图拷屏的方法提交获得的实验曲线。2分析前馈控制器对入水流量扰动的抑制特性。3分析前馈反馈温度控制系统的定值跟踪特性。4总结温度控制系统中前馈控制器设计方法。5写出实验报告。实验三：双容水箱液位串级控制系统实验一、实验目的 1掌握串级控制系统的基本概念和组成。 2掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。 3研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。 二、实验设备 安装Kingvie
9、w组态软件和KingACT软逻辑软件的计算机一台。三、实验内容 本试验以水箱1的液位为副调节器调节对象，水箱2的液位为主调节器调节对象，构成水箱液位串级控制系统，系统框图如图所示。四、 实验方法与步骤1启动KingACT运行系统，调入“串级双容水箱液位控制”工程文件。并置于运行状态。2启动KingACT OPC服务器，装入“串级双容水箱液位控制.PLC”工程文件，并置于运行状态。3启动组态王工程管理器，打开“串级双容水箱液位控制”工程，并切换至运行状态，如图所示。4启动水泵，连通阀CV1的开度为100%，出水阀CV2至某一开度。主、副调节器置手动，采用手动操作使液位达到某一平衡状态。5采用逐步
10、逼近法进行主、副调节器参数整定。6采用两步整定法进行主、副调节器参数整定。7在主对象水箱2上施加扰动信号，观察液位响应曲线。 8在副对象水箱1上施加扰动信号，观察液位响应曲线。9练习串级系统投运操作。五、 实验报告要求 1通过抓图拷屏的方法提交获得的实验曲线。1画出双容水箱液位串级控制系统的结构框图。 2写出调节器参数整定过程。 3根据扰动分别作用于主、副对象时系统输出的响应曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。 4分析主、副调节器采用不同PID参数时对系统性能产生的影响。 5总结串级系统投运过程。 实验四：双比环流量比值控制系统实验一、实验目的 1了解比值控制的特点，学习双闭环比值控
11、制原理。 2掌握双闭环比值控制系统设计方法。 3掌握双闭环比值控制系统参数整定方法。 二、实验设备 安装Kingview组态软件和KingACT软逻辑软件的计算机一台。三、实验内容 本试验由热水箱、冷水箱和混合水箱组成，要求冷、热水箱中的水以一定的流量比例进入混合水箱，以满足负载水流量和温度的要求。根据上述要求设计双闭环水量控制系统，实现冷水流量按照比例要求跟随热水流量的变化。双闭环流量控制系统原理框图如图所示。四、 实验方法与步骤1启动KingACT运行系统，调入“冷热水比值控制”工程文件。并置于运行状态。2启动KingACT OPC服务器，装入“冷热水比值控制.PLC”工程文件，并置于运行
12、状态。3启动组态王工程管理器，打开“冷热水比值控制”工程，并切换至运行状态，如图所示。4在无扰动的情况下，利用切投开关断开从流量对象的比值控制给定，分别整定热水和冷水控制回路，使其响应速度快而又没有超调。整定完成后，根据所需要的温度计算比值系数，投入比值控制。5修改主流量控制器的设定值，观察比值系统的响应特性。6分别为冷、热水增加扰动，观察控制系统响应特性。7为热水箱施加温度扰动，观察混合后液体的温度变化情况。 五、 实验报告要求 1通过抓图拷屏的方法提交获得的实验曲线。2给出比值控制系统中不同K值时的阶跃响应曲线。3写出调节器参数整定过程。 4根据扰动分别作用于主、从对象时系统输出的响应曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。 5分析PI调节器控制时，不同P和I值对系统性能的影响。
