组员:
实验时间：2014.4.1
一、实验名称：液位单回路自动控制系统 二、实验目的：
1、通过实际构建、运行一个液位单回路控制系统，更深入理解一个工业自控系统的工作原理和投运步骤；
2、掌握控制系统的调整方法—工程参数整定； 三、实验设备：
A3000过程控制实验装置中的二级水箱系统，PC机及工业组态软件； 四、控制系统的要求：
1、被控参数（液位）能保持在期望值上，并抵御一定的外部扰动，满足生产的质量与安全的要求（有报警，操作限制等）；
2、一个一般的工业控制系统多是一个包含基本控制回路系统，并附加其它设备的复合系统。 五、实验内容：
① 通过信号连线，构建一个液位单回路控制系统； ② 启动计算机，运行实验软件；实验设备加电、开泵，手动操作系统达到稳定，进行手动->自动的无扰动切换； ③ 采用工程参数整定方法，寻找满足控制要求的控制器参数（P、I、D ）；
④ 进行测试，判断系统是否满足希望的控制质量要求─较快地实现平稳（如 4~10:1的衰减过程)；
⑤测试应以随动（内部扰动）和定值（外部扰动）两种情况验证。 六、实验信号连线：
系统连线如下：两控制器中，左侧控制器为实验PID控制器，其输入端连接到下液位变送器，
输 出FV1值 01 LT1输 02 出 值 先不连 输出端接到控制阀的输入端口；
右侧的控制器仅作为辅助监视-操作器，一致置手动，输入接中液位变送器，用于显示，输出连接在变频器的输入端口（可以暂不接）； 七、实验步骤：
①首先检查管路、阀门（包括闸板的高度），启动实验软件，点击控制器置手动状态；调整控制器的输出为50-60%，启动水泵2，等待系统达到平稳，此过程不要频繁调整阀门的开度； ②手动-自动无扰动切换：条件：△MV=0 <-E≡Y-SP。在下水箱的液位达到稳定后，调整设定值（SP），使之等于测量值（PV）。
注意：为确保系统投运至自动不至于立刻产生剧烈变化，一定要让控制器在比较稳妥状态下过渡。除了无偏差外，还要让控制作用比较“温和”，即-控制作用弱一些，跟踪速率低一些（但过低会造成跟踪精度低）。 ③ 建议-首先预置P=100，I=30~40秒；
④在系统无偏差的情况下，参数预设正确的情况下，将控制器切换到自动。
注意：有的软件设定值在这一瞬间会发生变化。请在投入自动后关注设定值，若变化了及时调回去。
立刻将控制器的积分值调整到I=3600。
系统投运到自动，只完成了控制系统自动运行的第一步，还要调整并找到适合该控制系统质量要求的控制器参数。 八、控制器参数的工程整定：
在多种现场工程参数整定法中，较为稳妥可靠的是4:1衰减曲线法。 首先将控制器转变为单纯比例控制器。
(1)首先是将积分和微分作用去掉；在这分别设置积分时间与微分时间为 (I<=3600,D=0)。 搜索即寻找。每改变一次控制器参数都要加扰动测试该参数是否合适，是否符合控制质量指标的要求。
(2)施加干扰时，设定值应在稳态工作点附近做往返变化，具体先向哪个方向变化取决于当时的水位高度。理想的工作点是水箱的中间位置。每次变化后要等到系统确实稳定后再向相反方向变化。
(3)若结果不满意应进一步试探。将比例度P 分别改为50%、30% ，每改变一次P ，都应在设定值加干扰进行测试，观察过渡过程曲线的变化，直至到更接近4 : 1 衰减振荡过程，记下对应的P 值；
(4)以该比例度为基础，将比例度P乘以1.2倍，并以P所对应的曲线振荡周期（两个波峰
之间的时间）的一半时间为积分时间Ti，控制器为PI（比例+积分）作用；
⑸在此PI参数下再次改变设定值，测试控制器的PI参数是否满足要求，即控制的效果和质量。若不合适还可对PI参数再作调整，直至达到要求。
⑹若有时间，可根据前面的P，查表得到P、I、D作用，使控制器成为P+I+D的三作用控制器。然后再次施加干扰，观察其控制效果； 九、单回路控制质量研究操作步骤：
1、启动变频器：接通变频器电源，然后接通变频器电源，开启启动开关，还要注意打开1#电磁阀，检查手动阀开闭状态是否正确，确保流水能流入指定的水箱。
2、调整变频器输入，置于较低的数值上（例如在20%）。待系统稳定后，检查控制器参数是否都在整定好的位置，然后改变变频器数值±5~10%。待系统稳定后，再向反向变化一次，综合两次控制决定控制器参数是否需调整。
3、改变两手动阀的开闭，关闭进入该水箱的流路，开启进入另一水箱的流路。待系统稳定后，重复刚才的测试步骤，改变变频器的输入升降各一次。 十、实验数据处理： 单回路反映的曲线如下所示：
比例整定图形：
比例系数等工作调整好后，进行了加入20的扰动，观察到的反应曲线如下图所示，出现了较为理想的4:1振荡过程。
积分过程的整定过程如下：
加入了5的扰动以后，出现了如图所示的振荡过程，曲线较为理想。
十一、实验思考：
1）单回路控制系统的结构及基本工作原理，本实验中测量变送器是什么原理，控制阀是什么作用，控制系统的需连接的信号是什么？
测量变送:将现场各种非电量信号转化成电信号给控制
2）如何保证自动控制系统是负反馈的，控制器的正、反作用是指的什么，该系统的控制器是什么作用？
答：当控制器输入信号增加时，输出也增加叫正作用；输入信号增加时，输出也减少叫反作用；正作用及反作用的选择主要是控制回路必须构成负反馈。
3）为什么要实行手动到自动状态的无扰动切换，无扰动切换的一般操作步骤；
答：有些工程项目中可能需要根据工艺要求在不同的时刻投入、或者退出 PID 自动控制；退出 PID 自动控制时，控制器的输出部分可以由操作人员直接手动控制。这就是所谓的 PID 手动/自动切换。
4）常用的工程参数整定法有哪些，其本质是什么，各有什么特点； 答：衰减曲线法，Z-N法，实际经验法。
5）PID参数工程整定的步骤，整定前应做好哪些准备； 答： 数字PID控制器控制参数的选择， 控制器结构确定。
6）修改控制器参数后怎样才能知道参数是否合适，在哪里、如何进行测试；
答 ：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
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