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。
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？
产品简介：
DB-CG20 化工仪表与控制实验装置
| 技术指标 | 说 明 | |||
| 装置功能 |
1、可实现液位高度的位式控制实验、加热水温的位式控制实验。 2、水箱液位的定值控制实验、加热水温的定值控制实验。 3、电动调节阀支路流量的定值控制实验、变频调速磁力泵支路流量的定值控制实验。 4、水箱液位与调节阀流量的串级控制实验、水箱液位与变频调速磁力泵支路流量的串级控制实验。 5、单闭环流量比值控制实验、双闭环流量比值控制实验。 6、三容箱过程控制对象：包括单容水箱、双容水箱、三容水箱。 7、采用中央处理器控制，全触摸集成化操作，测控软件。 |
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| 设计参数 |
装置整体采用工程化布局，设备主体：2000×700×2000mm（长×宽×高），可根据实训场地实际高度和场地面积进行调整，可移动式设计，带刹车轮。 温度：常温-70℃，液位0-300mm。 |
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| 电气系统 | 标准工业操作台，内安装漏电保护空气开关、电流型漏电保护器充分考虑人身安全保护；同时每一组强电输出都有旋钮开关控制，保证设备安全，操作控制便捷；装有分相指示灯，开关电源等。 | |||
| 公用设施 |
水：装置自带不锈钢水箱，连接自来水。实验时经水泵进入测试管路，循环使用。 电：电压AC380V，功率5.0KW，标准三相五线制。每个实验室需配置1~2个接地点（安全地及信号地）。 |
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| 主要配置 |
1、实验对象系统包含有：不锈钢储水箱；上水箱为有机玻璃圆筒型水箱；下水箱为不锈钢锅炉汽包；单相2.0kW电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成）和铝塑盘管组成。 2、系统动力系统有两套：一路由动力水泵、进口比例阀组成，另一路由变频调速器、动力水泵组成，通过阀门切换，任何一组供水可以到达任何一个水箱。 3、对象系统中的各类检测变送及执行装置扩散硅压力变送器4只：分别检测上、中、下水箱、锅炉汽包液位。 4、涡轮流量计两只：分别检测两条动力支路的流量。 5、Pt100热电阻温度传感器六只：分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（三只）及上水箱出水口水温。 6、执行器：包含电磁阀、电动调节阀各一个。 |
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| 技术参数 |
1、不锈钢卧式离心泵：WB50/037 H=20m ，Q= 3.5m3/h， 两台。 2、涡轮流量传感器：流量范围0.1～2.0m3/h，两台。 3、电动调节阀：DN15，采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为4～20mADC，输出为4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。精度：0.5%FS ，一台。 上水箱：有机玻璃φ250x300mm，带液位溢流装置，一个。 中水箱：有机玻璃φ250x300mm，带液位溢流装置，一个。 6、下水箱：有机玻璃φ250x300mm，带液位溢流装置，一个。 7、储水箱：304不锈钢600x400x500mm，一个。 8、单相矢量变频器，规格：（0-50）Hz，功率550W，一台。 9、电磁阀：口径DN15，24V直流开关电源供电，一个。在本装置中作为电动调节阀的旁路，起阶跃干扰作用。工作压力：最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2 ；工作温度：－5～80℃；工作电压：220VAC。 10、锅炉：304不锈钢夹套加热锅炉，容积20L,。由二层组成：加热层（内胆）和冷却层（夹套），一台。电加热器：由三根1.5KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温，每根加热管的电阻值约为50Ω左右。 11、盘管：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。盘管的出水通过手动阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。 12、压力传感器：量程为0～5KPa，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。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：4～20mADC。 13、温度传感器：装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。Pt100测温范围：-200～+420℃。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。 14、调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。 15、中央处理器：执行速度0.64μs，内存容量16K，内建Ethernet支持Modbus TCP及Ethernet/IP通讯协议；功能：数据处理运算。 16、模拟量模块：高达16位分辨率，总和精度±0.5%，内建RS485通讯模式。 17、采用一体机平板触摸电脑，全程数字化触摸屏控制操作。HMI：投射式触控技术，5000万次触摸点，内存4G，功能：中央处理器数据显示控制。 18、外形尺寸：2200×550×1800mm（长×宽×高），外形为可移动式设计，带刹车轮，高品质铝合金型材框架，无焊接点，安装拆卸方便，水平调节支撑型脚轮。 19、工程化标识：包含设备位号、管路流向箭头及标识、阀门位号等工程化设备理念配套，使学生处于安全的实验操作环境中，学会工程化管路标识认知，培养学生工程化理念。 20、配套测控软件可以实现实验数据实时在线采集显示数据、曲线及设备运行状态等。通过WIFI技术实现终端覆盖。 21、MCGS工业组态软件 本软件为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。 |
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| 测控组成 | 变量 | 检测机构 | 显示机构 | 执行机构 |
| 上水箱液位 | 液位传感器 | 触摸屏 | 自控 | |
| 中水箱液位 | 液位传感器 | 触摸屏 | 自控 | |
| 下水箱液位 | 液位传感器 | 触摸屏 | 自控 | |
| 水泵出口压力 | 压力传感器 | 触摸屏 | 自控 | |
| 液体流量 | 涡轮流量传感器 | 触摸屏 | 自控 | |
| 锅炉加热温度 | PT100 铂电阻 | 触摸屏 | PID调节 | |
| 锅炉夹套进口温度 | PT100 铂电阻 | 触摸屏 | 自控 | |
| 锅炉夹套进口温度 | PT100 铂电阻 | 触摸屏 | 自控 | |
| 换热器进口温度 | PT100 铂电阻 | 触摸屏 | 自控 | |
| 换热器出口温度 | PT100 铂电阻 | 触摸屏 | 自控 | |