1．通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。
2．掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定方法。
3．研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。
4．研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。
二、实验设备及参考资料
1．过程控制综合实验装置—仪表控制模块
2．计算机及MCGS组态软件—仪表控制实验.MCG
3．实验专用线若干及RS485转232通讯线一根。
DB-CG22 四容水箱过程控制综合实验装置
一、概述：过程控制综合实验装置（Process Control System，简称PCS），是模仿现代工业生产过程中常见的物理量，诸如温度、压力、流量、液位等参数，对其进行测量、控制，分析过程参数变化特性，研究过程控制规律(如PID控制)的教学实验设备，过程控制综合实验装置选用智能化的工业用仪器仪表，接近工业实际，使用安全，运行稳定，维护简单，性价比优越。四容水箱过程控制综合实验装置集合多种控制方式，再现实际工业现场使用的控制手段，采用声光报警系统，并提供用户更友好的二次开发接口。
1、功能：
(1)、四容水箱过程控制综合实验装置可满足“自动调节原理”，“过程控制”，“控制仪表”，“自动检测技术与传感器”,“计算机”及相关课程的教学实验需求；
(2)、四容水箱多变量系统；借助该多变量对象，能实现多回路控制、多变量解耦控制、多变量预测控制等多变量控制方案。需具有可变纯滞后时间的可视纯滞后对象；最长的纯滞后时间可 达 10 min 以上，借助该纯滞后对象，能实现 SMITH 补偿、内模控制 等纯滞后控制方案。
(3)、装置对象组成
1.主-副管路流量子系统：一路由磁力泵、电动调节阀、电磁流量计 组成（主管路），由电动调节阀调节流量，电磁流量计检测流量；另 一路由变频器、磁力泵、涡轮流量计组成（副管路），由变频器调节 流量，涡轮流量计检测流量。
2.四容水箱液位多变量子系统：由四个有机玻璃水箱组成，每个水箱 均装有液位变送器；通过阀门切换，任何两组动力的水流可以到达任 何一个水箱。
3.加热水箱-纯滞后水箱温度子系统：由一个加热水箱和一个温度纯 滞后水箱组成，在加热水箱出水口与纯滞后水箱的不同位置安装有多 个 Pt100 热电阻检测仪表。
二、产品结构与特点：
1、外形结构：
(参考图)
（1）、分体式设计，模块化组装式结构，可以根据不同的需要选择、PLC控制，多回路仪表控制,DDC控制无线网络组成不同的控制系统。含有常规水箱检测控制装置、锅炉加热装置。设备可以实现多台电脑控制系统，进行远程网络控制.
（2）、水箱配置；双路供水系统。
（3）、实验柜完全敞开设计，内部器件全部可视，有利直观教学和维护。
（4）、人性化设计，配有储水箱，进排水自控装置，减轻实验人员劳动强度。为实验文明操作提供条件。
（5）、装置的仪表、部件均选用现代化技术工业级产品，智能化程度高。精度好，规格多样。有利直观教学和拓宽学生工业现场知识。为以后走上社会打好结实基础。
（6）、安全度高，系统配有漏电保护，带保护套的专用实验电源连线，及温控箱防止无水加温自动控制等，力求保护人身、设备安全。
（7）、开放度好，在教师指导下，学生可观察、可自己动手参与操作、可自行编程进行验证、可根据记录的实时曲线进行理论分析等。
（8）锅炉加热程控保护系统
A、加热电路加有保险管进行过载保护；
B、锅炉加热内胆加由水位液位保护装置，水位不达到一定的高度，控制系统不能控制可控硅调压器工作。
（9）、电源保护措施
A、加有电流型漏电保护器，防止设备漏电短路造成的设备及人身伤害。
B、各控制电路加有保险管，有效保护器件因过载造成损坏。
（10）、电源启停控制方式；采用启停按钮控制接触器来控制电源的启停。
（11）、漏电保护装置及安全性和安全承诺；
A、各种电源及各种仪表的可靠的保护功能
B、各种电源及各种仪表的强电采用开关控制，学生不自行接线，不存在强弱电混插的问题。
C、实验强电接线插头采用封闭式结构，防止触电事故的发生。
三、技术参数与要求:
1、供电电源
单相交流电源：220VAC±10%、50Hz±5%、16A，系统必需接地良好。
2、实验室应有水源和进排水口。进排水口与设备间距离一般要求小于10米
3、系统仪表的输入、输出信号符合IEC标准
（1）变送器电流源信号：4-20mADC。
（2）仪表采样：1-5V（250Ω）/0.2-1V（50Ω）
4、系统提供直流线性稳压电源（朝阳电源产品） 24VDC/1A。
四、系统配置
| 执 行 机 构 | |||||
| 名称 | 单位 | 数量 | 技术参数 | 型号 | 产地 |
| 智能电动调节阀 | 只 | 1 | 电动调节阀是新一代超小型电子式一体化直行程电动调节阀。采用精小型电动执行器伺服放大器，它以220V交流电源为驱动电源，输入标准的4～20mADC控制信号，经伺服放大器控制，使电机带动减速器运行而产生轴向推力，使阀芯移动，改变阀门的开度，达到对液位，流量等工艺参数的调节，从而实现自动控制的目的。超小型直行程单座电动调节阀。广泛应用于电力、暖通中央空调、冶金、轻工等行业的自动化控制系统，更适用于高校教学和科研设备。 阀体为铸铁材质，阀芯为不锈钢材质，国标法兰安装，DC4～20mA电流信号控制，工称通径DN15。该调节阀为直行程气动控制调节阀，具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。由控制器直接发送模拟信号控制阀门定位器，阀门定位器驱动执行机构动作，使用和校正都非常方便；进口阀门定位器带通信功能。电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。 | XPSLP-16KDN20-10 | 杭州西也纳 |
| 磁力泵 | 台 | 1 | 本装置采用磁力驱动是泵，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为二相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。 |
上海西山MP-55R-220 上海西山MP-55R-380 |
上海 |
| 交流变频控制 | 台 | 1 |
1、交流变频器电压和功率范围： 2、200-240 V，± 10%，单相交流，0.4KW； |
FR-D720S-0.4Kw-CHR | 三菱 |
| 单相可控硅装置 | 套 | 1 |
1、输入电压为交流220V 50Hz，负载10A。 2、控制输入信号为4-20mADC或0～5VDC可选。通过改变控制信号的输入来控制强电的输出，最终控制加热管加热。 3、移相角范围 150°~0°。 |
DTY-220D25E | 杭州 |
| 加热环 | 只 | 1 | 功率：1800W，220VAC。 | 定制 | 上海顶邦 |
| PT100温度变送器 | 只 | 5 | 两线制，输出4-20MA, 精度为0.5级 | 定制 | 上海顶邦 |
| 传 感 变 送 器 | |||||||||
| 扩散硅压力（液位）变送器 | 只 | 5 | 4个液位变送器分别用来对四个水箱的液位进行检测，其量程为0～3Kpa，精度为0.5级。工作电压为DC24v，G1/2″外螺纹。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。一个用来测量压力管道压力。 | DB801 | 上海顶邦 | ||||
| 涡轮流量计及流量变送器 | 套 | 1 | 涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、采用标准二线制传输方式，工作时需提供DC24V直流电源。流量范围：0～1.2m3/h；精度：1.0%；输出：4～20mA。 | LMGY-10 | 合肥福斯达 | ||||
| 电磁流量计及变送器 | 套 | 1 | 由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测, （1）量程：选0-800L/h；（2）输出信号：4-20mADC；（3）精度：0.5级。结构小巧精致,安装方便,精度高。 | FMCLDE | 合肥福斯达 | ||||
| 控 制 单元 | |||||||||
| DDC | 台 | 1 |
配置：8017模块8路模拟量输入, 8024模块4路模拟量输出. DDC网络控制实验要求 1、工程师站，可以操作网内所有的设备，可以直接监控和修改程序； 2、监控中心，可以监控网内所有设备的运行状态和生产数据； 3、操作员站，可以操作现场设备，支持所有带网口的触摸屏； 4、客户端，网内的所有客户端都可以访问监控中心的数据。） |
8017,8024 | 北京集知达 | ||||
| PLC-200SMART | 台 | 1 | SMARTPLCSR20AC/DC/RLY，继电器型,12输入/8输出，EM AM06，4入2出模拟量。 | PLC-200SMART | 台 | ||||
| 智能仪表控制 | 台 | 1 |
C3900作为过程控制器）系列产品之一，是一款可编程的多回路过程控制器。 C3900过程控制器（程序控制器）内部包含4个单回路PID控制模块、3个程序控制模块、6个ON/OFF控制模块、RLZ温度专用算法，可实现单回路控制、多回路控制，每个回路除可以作为普通的PID回路外还可以结合运算功能，设置成三冲量、串级、比率、分程、自动选择、非线性控制、位式控制及用户定制等多种复杂的控制方案，其控制输出信号可以通过继电器触点、直流电流模拟信号输出给执行器。 主要特点 ■ 强大的控制功能（串级、比值、前馈、分程、程序等控制方案） ■ 二次上电后即刻运行，无需等待 ■ 32MB内存 ■ *大支持2GB容量CF卡，兼容性强 ■ 全中文位号输入 ■ RLZ温度专用控制算法 ■ 运算编程简便直观 ■ 具有数据自动转存功能 ■ 中/英文操作组态画面 ■ 自定义标签添加 ■ 段设置为工程量 ■ 组态操作简单易用 ■ 强大易用的上位机组态软件 ■ 支持MODBUS协议 ■ 优化设计的PID、ON/OFF控制组态菜单，组态更灵活；增加了上等选项，适用面更广。 ■ 单个程序同步控制多个回路 ■ 多个程序同时控制多个回路 ■ 可以为专用行业定制流程图画面和功能。方便形成专用仪表。如减温减压装置控制界面定制。 ■ 程序控制组态增加了程序段模拟运行功能，支持快进、全段浏览等功能，更加直观和方便。并支持多种工艺的导入和在线修改编辑。 ■ 极其丰富的表达式编辑功能方便实现对仪表内部信号的各种算术和逻辑运算 。 |
C3900 | 浙大中控 | ||||
| 其 它 设 备 | ||||||
| 实验用淡蓝色透明有机玻璃水箱 | 只 | 4 |
1、采用淡蓝色优质有机玻璃由几部分组成，工作槽需要稳定； 2、水箱底部均接有扩散硅压力变送器，对水箱的压力和液位进行检测和变送。水箱上部全部带开口，方便清洗。上水箱半径：11cm，高度30cm；下水箱半径:12.5cm，高度30cm。 |
DBCD-1 | 上海顶邦 | |
| 不锈钢温控实验箱 | 只 | 1 | 由加热箱、加热环、Pt100、温度变送器组成，加热箱内无水断电保护装置，也防止温度干烧。 | DBCD-2 | 上海顶邦 | |
| 不锈钢储水箱 | 只 | 1 | 内有独特的结构设计和不锈钢过滤网，拆洗方便，采用1.5厚304不锈钢板制成，容量为150L以上,储水箱内部有过滤网罩，如果要清洗水箱内部的污垢可以把过滤网罩卸下来，以防杂物进入水泵和管道。水箱的上部和底部装须有注水不锈钢阀门和不锈钢排水阀门，方便实验用水的更换。 | DBCD-3 | 上海顶邦 | |
| 电磁阀 | 套 | 1 | 电磁阀安装在电动调节阀的旁路，电磁阀工作压力：最小压力为0kg/cm2，最大压力为10kg/cm2；工作温度：－5～60℃。工作电压交流220v。 | 2W系列 | 温州德力西 | |
| 接触器 | 只 | 2 | 220V交流接触器 | CJX2-09 | 正泰 | |
| 盘管 | 只 | 1 | 模拟工业现场的管道输送和滞后环节，在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。盘管的长度为20米，直径为DN15.盘管的出水通过手动阀门的切换既可以流入锅炉内胆。 | DBCD-4 | 上海顶邦 | |
| 阀门 | 只 | 15 | 整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，其中储水箱底部装有出水阀，当水箱需要更换水时，把出水阀打开将水直接排出。 | DN15 | 永德信不锈钢球阀 | |
| 实验对象：不锈钢支架 | 套 | 1 |
1、304不锈钢管焊接而成； 2、尺寸：1.8×0.8×1.8（m），承重250kg，结构为全不锈钢焊接框架结构。1800mm（高）×2000mm（长）×800mm（宽）；采用全开放式设计，美观大方，操作维护方便。 |
DBCD-5 | 上海顶邦 | |
| 锅炉 | 套 | 1 | 需有1800w二相电加热管加热的常压加热炉，容量为1升。包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由304不锈钢精制而成，主要完成相关的温度实验。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。控制精度在误差5%以内。 | DBCD-6 | 上海顶邦 | |
| 控制系统实验平台 | 套 | 1 |
实训操作台架：外型尺寸为1730mm×730mm×1650mm（长*宽*高），实训操作台架为铁质双层亚光密纹喷塑结构，操作面具有防火、防水、耐磨高密度板, 尺寸为于1730×380mm（长*宽），结构坚固；台架下半部设有两个大抽屉、柜门。操作面中不低于1250mm×300mm（长*宽）面积用于安装电源控制屏。台架底部设有4—6个万向轮。 （3）提供执行机构及I/O信号接口面板：所有信号采用国际标准的IEC信号。 |
DBCD-7 | 上海顶邦 | |
| 软 件 系 统 | ||||
| MCGS组态软件 | 只 | 1 | MCGS 通用版 | 昆仑通态 |
| DDC系统实验软件 | 套 | 1 | RemoDAQ-8000 Utility | 北京集智达 |
| PLC编程软件 | 套 | 1 | PLC的编程环境软件，通过通讯电缆线使PLC与计算机使用本软件建立通讯关系后，使用本软件可以对PLC的所有功能进行编程，对编写好的程序进行下装，对已运行程序进行在线编程或监控等。 | 西门子 |
| 仪表控制软件 | 套 | 1 | ||
五、控制实验
（一）过程控制系统组成认识实验
过程控制及检测装置硬件结构组成认识、控制方案组成与控制系统连接。
传感器的校正(零点迁移与量程调整)。
智能调节仪表、智能变送仪表的操作及参数设定。
（二）特性实验
1、水箱单容特性实验
2、水箱双容特性实验
3、上下水箱双容特性实验/
4、电动阀流量特性实验
5、变频器流量特性实验
6、温度特性实验
7、压力特性实验
8、纯滞后对象的特性测试
9、四容水箱液位的特性测试与多变量控制实验
（三）单回路控制实验
1、电动调节阀支路单容液位控制实验
2、变频器支路单容液位控制实验
3、上水箱双容液位控制实验
4、上下水箱双容液位控制实验
5、四容液位控制实验
6、电动调节阀支路流量控制实验
7、变频器支路流量控制实验
8、锅炉内胆温度控制实验
9、锅炉内胆温度位式控制
（四）串级控制实验
1、上水箱双容串级控制实验
2、上水箱液位与电动阀支路流量串级控制实验
3、上水箱液位与变频器支路流量串级控制实验
比值控制实验
1、单闭环比值流量控制实验
2、随动流量比值控制实验
（五）解耦控制实验
1、下部两水箱液位的多回路控制
2、下部水箱液位的前馈反馈控制
3、四容水箱液位的解耦控制
（六）多变量控制实验
1、四容水箱控制实验
（七）滞后控制实验
1、纯滞后对象出口温度的SMITH补偿控制
2、纯滞后对象出口温度的内模控制
四容水箱流程组态截图控制界面图
液位解耦控制实验历史曲线
纯滞后实验组态截图
纯滞后温度历史曲线
三、 实验原理
本实验采用智能仪表控制,将液位控制在设定高度。根据下水箱液位信号LT2输出给智能仪表，智能仪表根据P、I、D参数进行PID运算，输出信号给电动调节阀，然后由电动调节阀控制水泵1供水系统的进水流量，从而达到控制设定液位基本恒定的目的。
上下水箱双容液位过程控制的方块原理图：如图3-7所示
图 3-7上下水箱双容液位控制实验方框图
四、实验内容与步骤
1．了解实验装置中的对象，流程图如图3-8所示。
图3-8 上下水箱双容液位控制实验流程图
2、按图双容液位控制实验接线图接好实验导线。
在传感器信号输出区域，将下水箱液位信号LT2用实验线连接到智能调节仪I（addr：1）的 输入 1-5V 信号输入端，正负一一对应。
将智能调节仪I的 输出4-20mA 连接到执行器控制信号输入区的电动阀输入信号端口，正负一一对应。
3、使用485转232通讯线将控制台右侧面的仪表通讯口 “COM2” 与上位机连接。
4、将手动阀门1V1、V3、V4打开，将阀门1V2关闭。
5、先打开控制台左侧的总电源开关，按“Start”按钮启动设备，再打开仪表电源。
6、运行计算机上仪表控制软件，选择系统管理菜单中的用户登录，登录用户。
7、选择单回路控制实验的上下水箱双容液位控制实验。
8、如选用仪表控制则点击“仪表参数”，设置参数，
Addr=1 InP=33 OPt=4-20mA dPt=1
比例系数P=12 积分系数I=650 D=0 Ctl = 2
SCL=0 SCH=30
OPL=0 OPH=100
CF2=0
其余参数不变，参数设置完点击退出。
10、选择仪表控制，给定设定值8cm。
11、在控制台上旋开电动调节阀电源开关、水泵电源开关。
12、待液位平衡后，通过以下方式加干扰：突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化。 扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值，记录此时的液位设定值。
13．分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤11，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。
14．分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤4～8，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。
五、实验报告要求
1．画出双容水箱液位定值控制实验的结构框图。
2．用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。
3．根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。
4．比较不同PI参数对系统的性能产生的影响。
5．分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实验系统的作用。
六、思考题
1．改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？