《过程控制基础》实验指导书谢成祥徐绍芬编写适用专业：自动化电气工程及其自动化江苏科技大学电子信息学院2007．9前言本课程主要介绍工业过程中常见的控制系统设计的基本要求，控制系统结构组成、控制元件的选择何控制器参数的整定，包括单回路控制系统、串级控制系统、前馈控制系统、比值控制系统、均匀控制系统和分程控制系统，此外，还结合工业过程的典型单元设备如泵和锅炉的控制，介绍了这些控制系统类型的具体应用。
通过本课程的学习，学生应掌握各种典型控制系统的特点和应用场合，控制器参数的整定方法，并对具体的工业对象，定性分析对象特性，选择合适的被控参数和控制参数，设计合理的控制方案，整定出合适的控制器参数。
为了使学生更好地理解和深刻地把握这些知识，并在此基础上，训练和培养学生将控制理论应用于过程控制领域中的技能，本课程设置了三个实验：单回路控制系统的参数整定、串级控制系统的参数整定和前馈—反馈控制系统的参数整定，其中前馈—反馈控制系统的参数整定是综合性实验。
实验一：单回路控制系统的参数整定主要了解控制系统的组成和方框图、被控参数和控制参数的选择、被控对象的特性测试以及控制器参数的工程整定方法，训练学生如何从实验数据中获得对象的数学模型，从模型中用经验方法获取控制器参数。
实验二：串级控制系统的参数整定主要了解串级控制系统的组成和方框图，副回路的设计原则以及控制器参数一部整定的方法，并比较串级控制系统和单回路控制系统的控制性能，培养学生在设计控制系统时如何更好地抑制干扰的能力。
实验三：前馈—反馈控制系统的参数整定主要了解前馈控制的作用，前馈—反馈控制系统的结构，掌握对象静态特性的定性分析方法和前馈控制作用投入运行时应当注意的事项，训练学生在设计控制系统时对主要干扰的处理能力。
本指导书首先介绍了控制对象的工艺流程，然后结合实验项目给出了在DCS上各种控制系统的组态画面以及组态画面中各部分的功能，详细给出了实验的操作步骤，同时提出了一些思考提供实验预习时参考。
目录实验一：单回路控制系统参数整定 (4)实验二：串级控制系统参数整定 (7)实验三：前馈—反馈控制系统参数整定 (10)附录：过程控制实验装置简介 (13)实验一：单回路控制系统参数整定实验学时：2实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的：1、了解单回路控制系统的组成和结构。
2、掌握单回路控制系统的调节器参数整定方法。
二、实验设备：1、过程控制对象统一套。
2、JX—300集散控制系统一套。
三、实验内容与方法内容：1、测取对象的阶跃响应曲线。
2、利用飞升曲线方法整定调节器参数。
方法：锅炉水位单回路控制，在实验系统中设置了两个控制回路，一是出水流量控制回路，一是水位控制，通过改变进水阀门的开度来达到控制水位的目的。
出水流量控制回路始终设置为手动方式，保持出水阀门开度不变。
四、实验组织运行以学生自主训练为主的模式集中组织实验教学。
每批分20组，每组1人。
学生必须完成所规定的实验内容，记录相应的实验数据，经教师认可后才视为完成实验。
五、实验步骤1．按图一流程图设置水路。
2．进入JX300组态软件，在输入组态文件名对话框中输入E:\dcsdata\单回路\电信过控实验\Run\电信过控实验.idx，然后点击确认。
编译下载。
3．开启计算机，在提示密码窗口键入：supcondcs。
4．在桌面上双击jx300监控快捷方式，在输入组态文件名对话框中输入E:\dcsdata\单回路\电信过控实验\Run\电信过控实验.idx，然后点击确认。
5．点击流程图按钮（左起第7个），出现流程图画面，在画面右下角点击试验一按钮，进入到本次实验的流程画面。
6．本实验中有两个回路：出水流量控制回路和液位单回路控制回路，其中出水流量控制回路始终保持位手动方式。
点击下面阀门（红色）上方MV2:后的白色区域，在弹出的对话框中键入40后回车，将出水阀门开度设为40%，关闭该对话框。
7．单击LIC_1方框中MV1:后的白色区域，在窗口中单击LIC_1按钮，则出现调整画面，在此画面中可进行参数设置和手动/自动方式的切换。
手形按钮按下表示是出于手动方式，否则处于自动方式。
8．令系统处于手动方式，改变阀门开度（MV1）使得液位稳定（此时，进水流量和出水流量近似相等）。
9．将进水阀门开度增加5%，记录改变时间；观察液位的变化过程，等到液位再次稳定时，通过历史趋势曲线从中读取相应的T0，τ和K。
10．根据T0，τ和K，采用PI或PID控制，用响应曲线法计算相应的比例度、积分时间和微分时间，并在调整画面中设置好参数，将系统投入自动运行。
11．改变系统的给定值（减少或增加50mm），观察系统的过渡过程曲线，衰减比是否满足要求，如不满足，适当改变PID参数，再次改变给定值，观察过渡过程曲线，直到衰减比满足要求。
12．对出水流量施加干扰，将出水阀门开度增大10％，并记录过渡过程曲线。
六、实验报告要求：1．分析PID参数的不同对系统动态响应的影响。
2．认真书写实验报告。
3．绘制实验曲线。
图一锅炉液位单回路控制流程图实验二：串级控制系统参数整定实验学时：3实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的：1、了解串级控制的组成和结构。
2、掌握串级控制系统的整定方法。
二、实验设备：1、过程控制对象统一套。
2、JX—300控制系统一套。
三、实验内容一步法整定串级控制系统的调节器参数四、实验组织运行以学生自主训练为主的模式集中组织教学。
每批分20组，每组1人。
学生必须完成所规定的实验内容，记录相应的实验数据，经教师认可后才视为完成实验。
五、实验步骤：1．按图二流程图设置水路。
2．进入JX300组态软件，在输入组态文件名对话框中输入E:\dcsdata\串级\电信过控实验\Run\电信过控实验.idx，然后点击确认。
编译下载。
3．启计算机，在提示密码窗口键入：supcondcs。
4．在桌面上双击jx300监控快捷方式，在输入组态文件名对话框中输入E:\dcsdata\串级\电信过控实验\Run\电信过控实验.idx，然后点击确认。
5．点击流程图按钮（左起第7个），出现流程图画面，在画面右下角点击试验三按钮，进入到本次实验的流程画面。
6．本实验中有三个回路：FIC-1、LIC-1、FIC-2控制回路，其中LIC-1和FIC-1构成串级系统。
点击FIC-2框内MV:后的白色区域，在弹出的对话框中键入50后回车，将出水阀门开度设为50%，关闭该对话框。
7．单击FIC_1方框中MV:后的白色区域，在窗口中单击FIC_1按钮，则出现调整画面，在此画面中可进行参数设置和手动/自动/串级方式的切换。
手形按钮按下表示是出于手动方式，否则处于自动方式。
8．在画面中，置P=50，I=54.61，D=0手动运行方式，使液位达到100mm。
切换为自动。
9．进入LIC-1调整画面，置P=100，I=0.5，D=10切换至串级方式,设置给定值为100 mm,保持系统运行至稳定状态。
10．将LIC-1的SV改为150 mm时，观察系统的过渡过程曲线，若系统未达到4∶1衰减振荡的要求，此时应如何调整PID参数来实现这一要求？11．系统稳定时加入干扰，使进水流量发生变化（由教师实施），观察系统的过渡过程曲线，分析趋势曲线的变化规律，结合曲线说明串级控制的优点。
六、实验报告要求：1．分析串级系统如何提高主调节器的控制精度。
2．分析主、副回路克服扰动的能力。
3．分析加入扰动，对系统的影响。
图二串级控制系统流程图实验三：前馈—反馈控制系统参数整定实验学时：3实验类型：综合实验要求：必修一、实验目的：1、了解前馈控制的原理、组成和结构；2、掌握前馈控制器（静态前馈）的参数整定方法；3、根据实验结果，掌握前馈控制的优点与设计原则。
二、实验设备：1、过程控制对象统一套；2、JX—300控制系统一套；4、工业控制计算机（含组态软件）。
三、实验内容1、静态前馈增益的确定；2、静态偏置值的设置；3、前馈增益不匹配时系统的响应；5、在干扰情况下，有无前馈控制作用时系统性能的比较分析。
四、实验组织运行以学生自主训练为主的模式集中组织教学。
每批分20组，每组1人。
学生必须完成所规定的实验内容，记录相应的实验数据，经教师认可后才视为完成实验。
五、实验步骤：1．按图三流程图设置水路。
2．开启计算机，在提示密码窗口键入：supcondcs。
3．进入JX300组态软件，在输入组态文件名对话框中输入E:\dcsdata\前馈\电信过控实验\Run\电信过控实验.idx，然后点击确认。
编译下载。
4．在桌面上双击jx300监控快捷方式，在输入组态文件名对话框中输入E:\dcsdata\前馈\电信过控实验\Run\电信过控实验.idx，然后点击确认。
5．点击流程图按钮（左起第7个），出现流程图画面，在画面右下角点击试验二按钮，进入到本次实验的流程画面。
6．本实验中有两个回路：LIC-1、FIC-2控制回路，FCI-2置为手动，点击FIC-2框内MV:后的白色区域，在弹出的对话框中键入50后回车，将出水阀门开度设为50%，关闭该对话框。
7．单击LIC_1方框中MV:后的白色区域，在窗口中单击LIC_1按钮，则出现调整画面，在此画面中可进行参数设置。
手形按钮按下表示是出于手动方式，否则处于自动方式。
8．在画面中，置P=30，I=0.5，D=10手动运行方式，使液位达到150mm，不要前馈，切换至自动方式。
9．将FIC-2的MV值修改为70，观察系统的过渡过程曲线。
10．系统稳定时，置前馈增益为100，滞后时间、超前时间、纯滞后均置为0。
前馈偏置=-前馈信号×前馈增益/100，为什么？11．加入前馈（点击“要”选择按钮），待系统稳定后，将FIC-2的MV值修改为50，观察过渡曲线。
12．增大、减小前馈增益，待系统稳定后，改变出水阀门的开度，观察前馈增益对过渡过程的影响。
修改前馈增益时，回到原平衡点，（前馈阀位为0左右），先断开前馈，修改前馈增益同时修改前馈偏置，使前馈阀位约为0，然后再加入前馈。
13．比较分析有无前馈控制作用对系统过程的影响。
六、思考题1、如何设置前馈偏置值？2、前馈增益如何确定？3、前馈控制相对于反馈控制有哪些优点和不足？七、实验报告要求：1、分析前馈增益的变化对系统动态响应的影响。
2、绘制出本实验中的前馈—反馈控制系统的方框图。
2、认真书写实验报告。
3、绘制实验曲线。
图三前馈控制流程图附录：过程控制实验装置简介1、验装置简介本实验装置由过程控制对象及集散控制柜两部分组成，并与计算机实现通讯，构成多种形式的监控，实现过程控制自动化和过程管理现代化。
系统结构图如下：2、控制对象：控制对象由工艺设备和现场仪表、电气负载二部分组成。
2.1 工艺流程包括：2.1.1 内部4.5KW三相星形连接电热丝，21升的热水夹套锅炉。