学生课程设计报告
设 计 题 目 过程控制综合设计
学 院 、 系
专 业 班 级 测控2012-1班
学 生 姓 名 王稳淇
设计起讫日期 2015年9月28日-10月23日
指 导 教 师 戴 立 红
一、 课程设计目的
1、了解本实验装置的结构与组成。
2、掌握压力变送器的使用方法。
3、掌握实验装置的基本操作与变送器仪表的调整方法。
二、课程设计设备
1、THKGK-1型过程控制实验装置
GK-02 GK-03 GK-04 GK-07
2、 万用表一只
三、课程设计装置的结构框图
图4-1、液位、压力 、流量控制系统结构框
图
四，过程控制综合设计原理
一．过控综合设计的目的
21世纪是一个竞争日益加剧的社会，没有一技之长会被社会所抛
弃，因此秉着对现代工业生产过程走向大型, 连续和强化的的发展方向，建设具有开放性的，设计性的综合试验设计，对控制系统的控制方面提出了日益增长的要求。综合设计的设计主要内容为基于最新购进的过程控制系统实验装置上，借助数字控制仪表，可编程控制器PLC 和HMI 组态软件PROTOOL ，MCGS 对其单容液位对象，多容液位对象，温度对象和流量对象等进行全程监控。实习过程中要理论联系实际结合以往学过的课程理论，如《过程控制系统》《过程控制仪表》《PLC 应用技术》
，重点
强化培养解决实际问题的能力，实践能力和动手能力。也在一定的程度上加强自己与同学之间的合作能力，为接下来设计跟毕业之后参加工作打下良好的基础。
二、设计内容
1) 确定变送器的输入/输出特性
2) 建立被控对象的数学模型
3) 使用S7-200PLC 进行手自动控制
4) 采用MCGS 组态软件实现监控
5) PID参数整定
6) 温度-流量串级控制
三、设计要求
1、以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC 作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。
2、PLC 控制器采用PID 算法，各项控制性能满足要求：超调量20%，稳态误差≤±0.1；调节时间ts≤60s；
3、组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID 输出值实时曲线；
4、选择合适的整定方法确定PID 参数，并能在组态测控界面上实时改变PID 参数；
5、通过S7-200PLC 编程软件Step7实现PLC 程序设计与调试；
6、分析系统基本控制特性，并得出相应的结论；
7、设计完成后，提交打印设计报告。
四、过程控制课程设计设备几简介
1．概述
THKGK-1是过程控制的综合实习设备，在THKGK-1上可以做实习设备的基本调试与仪的整定；单容水箱对象特性测试，双容水箱对象特性测试，温度位式控制系统，智能仪表温度位式控制系统，温度PID 控制系统，单容水箱液位PID 控制系统，双容水箱液位PID 控制系统，流量控制系统，单容水箱压力PID 控制系统等过程控制的实习内容能够完全满足工业自动化专业过程控制方面的实习要求。
2．实习设备简介
系 统 组 成
被控对象包括上水箱、下水箱、复合加热水箱以及管道。调节器主要有模拟调节器（含比例P 调节、比例积分PI 调节、比例微分PD 调节、比例积分微分PID 调节）、位式调节器、智能仪表调节器、PLC 控制器、单片机控制、计算机控制等。
执行器模块主要有固态继电器、磁力驱动泵、电加热丝。
变送器模块主要有流量变送器（FT ）、液位变送器（LT1，LT2）、温度变送器（TT ）、压力变送器（PT ）等。变送器的零位、增益可调，并均以标准信号DC0-5V 输出。另外，根据用户需要，配置微机通讯接口单元（RS232），以满足计算机实时控制实验的需要。
系统的结构组成如图1所示，被控对象的供水有两路：一路是由磁力泵1从储水箱中抽水，通过阀1再经阀3向上水箱供水、经阀4向下水箱供水、经阀5向复合加热水箱的内胆供水；另一路是
图 1 系统的结构图
磁力泵2从储水箱中抽水，分别通过阀2经阀9向上水箱供水、经阀10向下水箱供水、经阀11向复合加热水箱的夹套供水。每个水箱的出水口均经过线性化处理，上水箱的水通过阀6 流到下水箱，在上水箱中安装了压力传感器（PT 、LT1），用于检测压力、液位的大小; 而下水箱的水经阀7流到复合加热水箱的外套，再经阀8流回储水箱，各水箱都设有溢流口，保证水箱满后不外流并顺利经溢流口流回储水箱。在复合加热水箱的内套安装了加热器和PT100温度传感器（TT ），它们分别用于加热和检测温度。
五、传感器的输出与显示
如下图5-1-1连接线路，通过调节PID 调节器，使输出电压电压稳定，将电压表接至GK-02的L T 2, F T 记录液位高度、流量值大小及相应的电压值填入表一。 如下图5-1-2连接线路，通过GK-05位式、连续控制器挂箱控制加热强弱及PID 调节器控制水流量，使输出电压电压稳定，将电压表接至GK-01的TT ，记录温度高低及相应的电压值填入表二。
四、实习内容与步骤
1、按实验一的要求和步骤，对上、下水箱液位传感器进行零点与增益的调整。
2、按照图3-1结构框图，完成系统的接线 （接线参照实验1），并把PID 调节器的“手动/自动”开关置于“手动”位置，此时系统处于开环状态。
3、将单片机控制屏GK-03的输入信号端“LT2” 接GK-02的传感器输出端“ LT2” ；用配套RS232通讯线 将GK-03的“串行通信口”与计算机的COM1连接；启动单片机控制GK-03设置回路3的采样时间St=2，标尺上限CH=150，然后用上位机控制监控软件对液位进行监视并记录过程曲线。
4、利用PID 调节器的手动旋钮调节输出，将被控参数液位控制在4cm 左右。
5、观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，记录此时调节器手动输出值VO 以及水箱水位的高度h1和显示仪表LT1的读数值并填入下表：
控软件记下由此引起的阶跃响应的过程曲线，并根据所得曲线填写下表：
等到进入新的平衡状态后，再记录测量数据，并填入下表：
7
、将“手动调节”电位器回调到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。填入下表：
4、采用MCGS 组态软件实现监控
MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统) 是一套基于windows95/98/NT操作系统(或更高版本) ，用来可快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。MCGS 组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC++语言编程，通过OLE 技术向用户提供VB 编程接口，提供丰富的设备驱动件、动画构件、策略构件，用户可随时方便地扩充系统的功能。
工程创建的一般过程为：
(1)工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。
(2)工程各项搭建框架：MCGS 称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS 组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。
(3)设计菜单基本体系：为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。
(4)制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于“画画”，用户通过MCGS 组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。
(5)编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块），由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS 还为用户提供了编程用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件），使用简单的编程语言，编写工程控制程序。
(6)完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。
(7)编写程序调试工程：利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。
(8) 连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。
2.2 设备配置
在组态界面中选择新建的工程，双击进入组态王工程浏览器；选择工程目录区的设备中的COM1，双击右边的新建按钮进入设备配置向导，选择PLC →亚控→仿真PLC→COM1, 单击下一步，为配置设备取名PLC1，单击下一步。选择设备串口COM1, 一直单击下一步完成设备配置。
6、PID 参数整1.3.1比例（P ）控制及调节过程
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。
比例调节规律及其特点
比例调节作用，一般用字母P 来表示。如果用一个数学式来表示比例调节作用，可写成：
∆u =K p ∆e （1-1）
式中 ∆u ——调节器的输出变化值；
∆e ——调节器的输入，即偏差；
K p ——比例调节器的放大倍数。
放大倍数K P 是可调的，所以比例调节器实际上是一个放大倍数可调的放大器。
比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调”。纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。
1.3.2积分（I ）控制及调节过程
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI ）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下，比例作用调节器不能满足要求了，克服余差的办法是引入积分调节。
因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称PI 调
这里，表示PI 调节作用的参数有两个：比例度P 和积分时间I 。而且比例度不仅影响比例部分，也影响积分部分，使总的输出既具有调节及时、克服偏差有力的特点，又具有克服余差的性能。
由于它是在比例调节（粗调）的基础上，有加上一个积分调节（细调），所以又称再调调节或重定调节。但是，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡剧烈，稳定程度低；积分时间太大，积分作用不明显，余差消除就很慢。如果把积分时间放到最大，PI 调节器就丧失了积分作用，成了一个纯比例调节器。
1.3.3微分（D ）控制及调节过程
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay ）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD ）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
微分调节的作用主要是用来克服被调参数的容量滞后。在生产实际中，有经验的工人总是既根据偏差的大小来改变阀门的开度大小（比例作用），同时又根据偏差变化速度的大小进行调节。比如当看到偏差变化很大时，就估计到即将出现很大的偏差而过量地打开（关闭）调节阀，以克服这个预计的偏差，这种根据偏差变化速度提前采取的行动，意味着有“超前”作用，因而能比较有效地改善容量滞后比较大的调节对象的调节质量。
什么是微分调节？
微分调节是指调节器的输出变化与偏差变化速度成正比，可用数学表达式表
示为：
d (∆e )
由于实际微分器的比例度不能改变，固定为100%，微分作用也只在参数变化时才出现，所以实际微分器也不能单独使用。一般都是和其它调节作用相配合，PID 调节中，有三个调节参数，就是比例度P 、积分时间Ti 、微分时间T D 。适当选取这三个参数值，就可以获得良好的调节质量。
由分析可知，PID 作用调节质量最好，PI 调节第二，PD 调节有余差。纯比例调节虽然动偏差比PI 调节小，但余差大，而纯积分调节质量最差，所以一般不单独使用。
温度流量串级控制实验是以串级控制系统来控制换热器热水出口温度，以换热器冷水流量为副对象，流量变动的时间常数小，时延小，控制通路短，从可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速，反应灵敏等要求。换热器热水出口温度为主对象冷水流量的改变需要经过一定时间后通过换热器的热交换才能反映到换热器热水出口温度，时间常数比较大，时延大。将主调节器的输出作为副调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。反复调试，使第二支路的流量快速稳定在给定值上，这时给定值应与负反馈值相同。若参数比较理想，且主回路扰动较小，经过副回路的及时控制校正，不影响换热器热水出口温度。如果扰动比较大或参数并不理想，则经过副回路的校正，还将影响主回路的温度，此时再由主回路进一步调节，从而完成克服上述扰动，使换热器热水出口温度调节到给定值上。例如当通过调节变频器改变左边水泵的频率时，即改动了热水的流量，将立即影响到换热器热水出口温度，如果没有副
回路，回路将产生校正作用，克服扰动对温度的影响。但是由于副回路的存在，加快了校正作用，使扰动对主回路的温度影响较小。各个回路独立调整结束，使得主调节器输出与副调节器给定值相差不是太远。副回路对FT102进行控制，这个反应比较快，副回路控制目的是很快把流量控制回给定值。
图5-1-1 液位、流量量程测试接线图
三、流量 电压表
四、实习内容
1、 设备组装与检查：
1）、将GK-02、GK-03、GK-04、GK-07挂箱由右至左依次挂于实验屏上。并将挂件的三芯蓝插头插于相应的插座中。
2）、先打开空气开关再打开钥匙开关，此时停止按钮红灯亮。
3）、按下起动按钮，此时交流电压表指示为220V ，所有的三芯蓝插座得电。
4）、关闭各个挂件的电源进行连线。
2、系统接线：
1）、交流支路1：将GK-04 PID 调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”接GK-07变频器的“2”与“5”两端（注意：2正、5负），GK-07的输出“A 、B 、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U1、V1、W1”输入端； GK-07 的“SD ”与“STR ”短接，使电机驱动磁力泵打水（若此时电机为反转，则“SD ”与“STF ”短接 ）。
2）、交流支路2：将GK-04 PID调节器的给定“输出”端接到GK-07变频器的“2”与“5”两端（注意：2正、5负）； 将GK-07变频器的输出“A 、B 、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U2、V2、W2”输入端； GK-07 的“SD ”与“STR ”短接，使电机正转打水（若此时电机为反转，则“SD ”与“STF ”短接 ）。
3、仪表调整：（仪表的零位与增益调节 ）
在GK-02挂件上面有四组传感器检测信号输出：LT1、PT 、LT2、FT （输
出标准DC0~5V），它们旁边分别设有数字显示器，以显示相应水位高度、压力、流量的值。对象系统左边支架上有两只外表为蓝色的压力变送器，当拧开其右边的盖子时，它里面有两个3296型电位器，这两个电位器用于调节传感器的零点和增益的大小。（标有ZERO 的是调零电位器，标有SPAN 的是调增益电位器）
4、调试步骤如下：
1) 、首先我们在水箱没水时调节零位电位器，使其输出显示数值为零。
2）、用交流支路1打水（也可以用交流支路2打水）：打开阀1、阀3、阀4，关闭阀5、阀6、阀7，然后开启GK-07变频器及GK-04给定启动三相磁力泵给上、下水箱打水，使其液面均上升至10cm 高度后停止打水。
3）、看各自表头显示数值是否与实际水箱液位高度相同，如果不相同则要调节增益电位器使其输出大小与实际水箱液位的高度相同，同法调节上、下水箱压力变送器的零位和增益。
4）、按上述方法对压力变送器进行零点和增益的调节，如果一次不够可以多调节几次，使得实验效果更佳。
3、单容水箱对象特性的测试
一、 实习目的
1、了解单容水箱的自衡特性。
2、掌握单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
3、实测单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。
二、 实习设备
1、THKGK-1型过程控制实验装置：
GK-02 GK-03 GK-04 GK-07
2、万用表一只
3、计算机及上位机软件
三、实习原理
阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节器手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理的处理，确定模型中的相关参数。
图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。
单容水箱的数学模型可用一阶惯性环节来近似描述，且用下述方法求取对象的特征参数。
单容水箱液位开环控制结构图如图4-2所示：
图4-2、 单容水箱液位开环控制结构图
设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h ，出水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：
d ∆h +∆h =R 2∆Q dt
在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：
H (s ) R 2K G (s ) === 2-1Q 1(s ) R 2CS +1TS +1
式中，T=R2*C为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数，也是阀V2的液阻，C 为水箱的底面积。令输入流量Q1（S ）=RO/S，RO 为常量，则输出液位的高度为：
KR 0KR 0KR 0H (S ) ==- S (TS +1) S S +1/T
2-2
1 -t
即 h(t)=KR O (1-e T )
2-3 当t −−→∞时，h (∞) =K R O . 因而有 h (∞) 输出稳态值 K == R O 阶跃输入
当t =T 时, 则有:
-1 h(T) =KR 0(1-0=0.632h(∞) e ) =0.632KR 2-4
h 式（2-3）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的
h 指数函数，如图2-2所示。由式（2-4）可知该曲线上升到稳态
值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T 。该时间常数
0.63h T 也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳 R 2C
态值的交点所对应的时间就是时间常数T 。
图2-2 阶跃响应曲线
其理论依据是：
dh (t ) KR 0-1t KR 0h (∞) T t =0=t =0== (2-5) dt T e T T
上式表示h （t ）若以在原点时的速度h （∞）/T 恒速变化，即只要花T 秒时间就可达到稳态值h （∞）。
式（2-2）中的K 值由下式求取：
K = h(∞)/R0 = 输入稳态值/阶跃输入
四、实习内容与步骤
1、按实验一的要求和步骤，对上、下水箱液位传感器进行零点与增益的调整。
2、按照图2-1的结构框图，完成系统的接线 （接线参照实验1），并把PID 调节器的“手动/自动”开关置于“手动”位置，此时系统处于开环状态。
3、将单片机控制挂箱GK-03的输入信号端“LT1、LT2”分别与GK-02的传感器输出端“LT1、LT2”相连；用配套RS232通讯线 将GK-03的“串行通信口”与计算机的COM1连接；打开所有电源开关用单片机进行液位实时监测；然后用上位机控制监控软件对液位进行监视并记录过程曲线。
4、利用PID 调节器的手动旋钮调节输出，将被控参数液位控制在4cm 左右。
5、观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，记录此时调节器手动输出值VO 以及水箱水位的高度h1和显示仪表LT1的读数值并填入下表。
6、迅速增调“手动调节”电位器，使PID 的输出突加10%，利用上位机监控软件记下由此引起的阶跃响应的过程曲线，并根据所得曲线填写下表。
等到进入新的平衡状态后，再记录测量数据，并填入下表：
7、将“手动调节”电位器回调到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记
8、重复上述实验步骤。
参考文献
[1] 崔亚嵩. 过程控制实验指导书（校内）
[2] 邵裕森, 戴先中. 过程控制工程(第2版). 北京:机械工业出版社.2003
[3]廖常初.PLC 编程及应用(第2版). 北京:机械工业出版社.2007
[4]吴作明. 工业组态软件与PLC 应用技术. 北京:北京航空航天大学出版社.2007
[5]刘希民主编. 控制仪表及系统. 国防工业出版社.2012
学生课程设计报告
设 计 题 目 过程控制综合设计
学 院 、 系
专 业 班 级 测控2012-1班
学 生 姓 名 王稳淇
设计起讫日期 2015年9月28日-10月23日
指 导 教 师 戴 立 红
一、 课程设计目的
1、了解本实验装置的结构与组成。
2、掌握压力变送器的使用方法。
3、掌握实验装置的基本操作与变送器仪表的调整方法。
二、课程设计设备
1、THKGK-1型过程控制实验装置
GK-02 GK-03 GK-04 GK-07
2、 万用表一只
三、课程设计装置的结构框图
图4-1、液位、压力 、流量控制系统结构框
图
四，过程控制综合设计原理
一．过控综合设计的目的
21世纪是一个竞争日益加剧的社会，没有一技之长会被社会所抛
弃，因此秉着对现代工业生产过程走向大型, 连续和强化的的发展方向，建设具有开放性的，设计性的综合试验设计，对控制系统的控制方面提出了日益增长的要求。综合设计的设计主要内容为基于最新购进的过程控制系统实验装置上，借助数字控制仪表，可编程控制器PLC 和HMI 组态软件PROTOOL ，MCGS 对其单容液位对象，多容液位对象，温度对象和流量对象等进行全程监控。实习过程中要理论联系实际结合以往学过的课程理论，如《过程控制系统》《过程控制仪表》《PLC 应用技术》
，重点
强化培养解决实际问题的能力，实践能力和动手能力。也在一定的程度上加强自己与同学之间的合作能力，为接下来设计跟毕业之后参加工作打下良好的基础。
二、设计内容
1) 确定变送器的输入/输出特性
2) 建立被控对象的数学模型
3) 使用S7-200PLC 进行手自动控制
4) 采用MCGS 组态软件实现监控
5) PID参数整定
6) 温度-流量串级控制
三、设计要求
1、以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC 作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。
2、PLC 控制器采用PID 算法，各项控制性能满足要求：超调量20%，稳态误差≤±0.1；调节时间ts≤60s；
3、组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID 输出值实时曲线；
4、选择合适的整定方法确定PID 参数，并能在组态测控界面上实时改变PID 参数；
5、通过S7-200PLC 编程软件Step7实现PLC 程序设计与调试；
6、分析系统基本控制特性，并得出相应的结论；
7、设计完成后，提交打印设计报告。
四、过程控制课程设计设备几简介
1．概述
THKGK-1是过程控制的综合实习设备，在THKGK-1上可以做实习设备的基本调试与仪的整定；单容水箱对象特性测试，双容水箱对象特性测试，温度位式控制系统，智能仪表温度位式控制系统，温度PID 控制系统，单容水箱液位PID 控制系统，双容水箱液位PID 控制系统，流量控制系统，单容水箱压力PID 控制系统等过程控制的实习内容能够完全满足工业自动化专业过程控制方面的实习要求。
2．实习设备简介
系 统 组 成
被控对象包括上水箱、下水箱、复合加热水箱以及管道。调节器主要有模拟调节器（含比例P 调节、比例积分PI 调节、比例微分PD 调节、比例积分微分PID 调节）、位式调节器、智能仪表调节器、PLC 控制器、单片机控制、计算机控制等。
执行器模块主要有固态继电器、磁力驱动泵、电加热丝。
变送器模块主要有流量变送器（FT ）、液位变送器（LT1，LT2）、温度变送器（TT ）、压力变送器（PT ）等。变送器的零位、增益可调，并均以标准信号DC0-5V 输出。另外，根据用户需要，配置微机通讯接口单元（RS232），以满足计算机实时控制实验的需要。
系统的结构组成如图1所示，被控对象的供水有两路：一路是由磁力泵1从储水箱中抽水，通过阀1再经阀3向上水箱供水、经阀4向下水箱供水、经阀5向复合加热水箱的内胆供水；另一路是
图 1 系统的结构图
磁力泵2从储水箱中抽水，分别通过阀2经阀9向上水箱供水、经阀10向下水箱供水、经阀11向复合加热水箱的夹套供水。每个水箱的出水口均经过线性化处理，上水箱的水通过阀6 流到下水箱，在上水箱中安装了压力传感器（PT 、LT1），用于检测压力、液位的大小; 而下水箱的水经阀7流到复合加热水箱的外套，再经阀8流回储水箱，各水箱都设有溢流口，保证水箱满后不外流并顺利经溢流口流回储水箱。在复合加热水箱的内套安装了加热器和PT100温度传感器（TT ），它们分别用于加热和检测温度。
五、传感器的输出与显示
如下图5-1-1连接线路，通过调节PID 调节器，使输出电压电压稳定，将电压表接至GK-02的L T 2, F T 记录液位高度、流量值大小及相应的电压值填入表一。 如下图5-1-2连接线路，通过GK-05位式、连续控制器挂箱控制加热强弱及PID 调节器控制水流量，使输出电压电压稳定，将电压表接至GK-01的TT ，记录温度高低及相应的电压值填入表二。
四、实习内容与步骤
1、按实验一的要求和步骤，对上、下水箱液位传感器进行零点与增益的调整。
2、按照图3-1结构框图，完成系统的接线 （接线参照实验1），并把PID 调节器的“手动/自动”开关置于“手动”位置，此时系统处于开环状态。
3、将单片机控制屏GK-03的输入信号端“LT2” 接GK-02的传感器输出端“ LT2” ；用配套RS232通讯线 将GK-03的“串行通信口”与计算机的COM1连接；启动单片机控制GK-03设置回路3的采样时间St=2，标尺上限CH=150，然后用上位机控制监控软件对液位进行监视并记录过程曲线。
4、利用PID 调节器的手动旋钮调节输出，将被控参数液位控制在4cm 左右。
5、观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，记录此时调节器手动输出值VO 以及水箱水位的高度h1和显示仪表LT1的读数值并填入下表：
控软件记下由此引起的阶跃响应的过程曲线，并根据所得曲线填写下表：
等到进入新的平衡状态后，再记录测量数据，并填入下表：
7
、将“手动调节”电位器回调到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。填入下表：
4、采用MCGS 组态软件实现监控
MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统) 是一套基于windows95/98/NT操作系统(或更高版本) ，用来可快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。MCGS 组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC++语言编程，通过OLE 技术向用户提供VB 编程接口，提供丰富的设备驱动件、动画构件、策略构件，用户可随时方便地扩充系统的功能。
工程创建的一般过程为：
(1)工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。
(2)工程各项搭建框架：MCGS 称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS 组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。
(3)设计菜单基本体系：为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。
(4)制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于“画画”，用户通过MCGS 组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。
(5)编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块），由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS 还为用户提供了编程用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件），使用简单的编程语言，编写工程控制程序。
(6)完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。
(7)编写程序调试工程：利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。
(8) 连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。
2.2 设备配置
在组态界面中选择新建的工程，双击进入组态王工程浏览器；选择工程目录区的设备中的COM1，双击右边的新建按钮进入设备配置向导，选择PLC →亚控→仿真PLC→COM1, 单击下一步，为配置设备取名PLC1，单击下一步。选择设备串口COM1, 一直单击下一步完成设备配置。
6、PID 参数整1.3.1比例（P ）控制及调节过程
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。
比例调节规律及其特点
比例调节作用，一般用字母P 来表示。如果用一个数学式来表示比例调节作用，可写成：
∆u =K p ∆e （1-1）
式中 ∆u ——调节器的输出变化值；
∆e ——调节器的输入，即偏差；
K p ——比例调节器的放大倍数。
放大倍数K P 是可调的，所以比例调节器实际上是一个放大倍数可调的放大器。
比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调”。纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。
1.3.2积分（I ）控制及调节过程
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI ）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下，比例作用调节器不能满足要求了，克服余差的办法是引入积分调节。
因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称PI 调
这里，表示PI 调节作用的参数有两个：比例度P 和积分时间I 。而且比例度不仅影响比例部分，也影响积分部分，使总的输出既具有调节及时、克服偏差有力的特点，又具有克服余差的性能。
由于它是在比例调节（粗调）的基础上，有加上一个积分调节（细调），所以又称再调调节或重定调节。但是，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡剧烈，稳定程度低；积分时间太大，积分作用不明显，余差消除就很慢。如果把积分时间放到最大，PI 调节器就丧失了积分作用，成了一个纯比例调节器。
1.3.3微分（D ）控制及调节过程
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay ）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD ）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
微分调节的作用主要是用来克服被调参数的容量滞后。在生产实际中，有经验的工人总是既根据偏差的大小来改变阀门的开度大小（比例作用），同时又根据偏差变化速度的大小进行调节。比如当看到偏差变化很大时，就估计到即将出现很大的偏差而过量地打开（关闭）调节阀，以克服这个预计的偏差，这种根据偏差变化速度提前采取的行动，意味着有“超前”作用，因而能比较有效地改善容量滞后比较大的调节对象的调节质量。
什么是微分调节？
微分调节是指调节器的输出变化与偏差变化速度成正比，可用数学表达式表
示为：
d (∆e )
由于实际微分器的比例度不能改变，固定为100%，微分作用也只在参数变化时才出现，所以实际微分器也不能单独使用。一般都是和其它调节作用相配合，PID 调节中，有三个调节参数，就是比例度P 、积分时间Ti 、微分时间T D 。适当选取这三个参数值，就可以获得良好的调节质量。
由分析可知，PID 作用调节质量最好，PI 调节第二，PD 调节有余差。纯比例调节虽然动偏差比PI 调节小，但余差大，而纯积分调节质量最差，所以一般不单独使用。
温度流量串级控制实验是以串级控制系统来控制换热器热水出口温度，以换热器冷水流量为副对象，流量变动的时间常数小，时延小，控制通路短，从可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速，反应灵敏等要求。换热器热水出口温度为主对象冷水流量的改变需要经过一定时间后通过换热器的热交换才能反映到换热器热水出口温度，时间常数比较大，时延大。将主调节器的输出作为副调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。反复调试，使第二支路的流量快速稳定在给定值上，这时给定值应与负反馈值相同。若参数比较理想，且主回路扰动较小，经过副回路的及时控制校正，不影响换热器热水出口温度。如果扰动比较大或参数并不理想，则经过副回路的校正，还将影响主回路的温度，此时再由主回路进一步调节，从而完成克服上述扰动，使换热器热水出口温度调节到给定值上。例如当通过调节变频器改变左边水泵的频率时，即改动了热水的流量，将立即影响到换热器热水出口温度，如果没有副
回路，回路将产生校正作用，克服扰动对温度的影响。但是由于副回路的存在，加快了校正作用，使扰动对主回路的温度影响较小。各个回路独立调整结束，使得主调节器输出与副调节器给定值相差不是太远。副回路对FT102进行控制，这个反应比较快，副回路控制目的是很快把流量控制回给定值。
图5-1-1 液位、流量量程测试接线图
三、流量 电压表
四、实习内容
1、 设备组装与检查：
1）、将GK-02、GK-03、GK-04、GK-07挂箱由右至左依次挂于实验屏上。并将挂件的三芯蓝插头插于相应的插座中。
2）、先打开空气开关再打开钥匙开关，此时停止按钮红灯亮。
3）、按下起动按钮，此时交流电压表指示为220V ，所有的三芯蓝插座得电。
4）、关闭各个挂件的电源进行连线。
2、系统接线：
1）、交流支路1：将GK-04 PID 调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”接GK-07变频器的“2”与“5”两端（注意：2正、5负），GK-07的输出“A 、B 、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U1、V1、W1”输入端； GK-07 的“SD ”与“STR ”短接，使电机驱动磁力泵打水（若此时电机为反转，则“SD ”与“STF ”短接 ）。
2）、交流支路2：将GK-04 PID调节器的给定“输出”端接到GK-07变频器的“2”与“5”两端（注意：2正、5负）； 将GK-07变频器的输出“A 、B 、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U2、V2、W2”输入端； GK-07 的“SD ”与“STR ”短接，使电机正转打水（若此时电机为反转，则“SD ”与“STF ”短接 ）。
3、仪表调整：（仪表的零位与增益调节 ）
在GK-02挂件上面有四组传感器检测信号输出：LT1、PT 、LT2、FT （输
出标准DC0~5V），它们旁边分别设有数字显示器，以显示相应水位高度、压力、流量的值。对象系统左边支架上有两只外表为蓝色的压力变送器，当拧开其右边的盖子时，它里面有两个3296型电位器，这两个电位器用于调节传感器的零点和增益的大小。（标有ZERO 的是调零电位器，标有SPAN 的是调增益电位器）
4、调试步骤如下：
1) 、首先我们在水箱没水时调节零位电位器，使其输出显示数值为零。
2）、用交流支路1打水（也可以用交流支路2打水）：打开阀1、阀3、阀4，关闭阀5、阀6、阀7，然后开启GK-07变频器及GK-04给定启动三相磁力泵给上、下水箱打水，使其液面均上升至10cm 高度后停止打水。
3）、看各自表头显示数值是否与实际水箱液位高度相同，如果不相同则要调节增益电位器使其输出大小与实际水箱液位的高度相同，同法调节上、下水箱压力变送器的零位和增益。
4）、按上述方法对压力变送器进行零点和增益的调节，如果一次不够可以多调节几次，使得实验效果更佳。
3、单容水箱对象特性的测试
一、 实习目的
1、了解单容水箱的自衡特性。
2、掌握单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
3、实测单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。
二、 实习设备
1、THKGK-1型过程控制实验装置：
GK-02 GK-03 GK-04 GK-07
2、万用表一只
3、计算机及上位机软件
三、实习原理
阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节器手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理的处理，确定模型中的相关参数。
图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。
单容水箱的数学模型可用一阶惯性环节来近似描述，且用下述方法求取对象的特征参数。
单容水箱液位开环控制结构图如图4-2所示：
图4-2、 单容水箱液位开环控制结构图
设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h ，出水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：
d ∆h +∆h =R 2∆Q dt
在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：
H (s ) R 2K G (s ) === 2-1Q 1(s ) R 2CS +1TS +1
式中，T=R2*C为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数，也是阀V2的液阻，C 为水箱的底面积。令输入流量Q1（S ）=RO/S，RO 为常量，则输出液位的高度为：
KR 0KR 0KR 0H (S ) ==- S (TS +1) S S +1/T
2-2
1 -t
即 h(t)=KR O (1-e T )
2-3 当t −−→∞时，h (∞) =K R O . 因而有 h (∞) 输出稳态值 K == R O 阶跃输入
当t =T 时, 则有:
-1 h(T) =KR 0(1-0=0.632h(∞) e ) =0.632KR 2-4
h 式（2-3）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的
h 指数函数，如图2-2所示。由式（2-4）可知该曲线上升到稳态
值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T 。该时间常数
0.63h T 也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳 R 2C
态值的交点所对应的时间就是时间常数T 。
图2-2 阶跃响应曲线
其理论依据是：
dh (t ) KR 0-1t KR 0h (∞) T t =0=t =0== (2-5) dt T e T T
上式表示h （t ）若以在原点时的速度h （∞）/T 恒速变化，即只要花T 秒时间就可达到稳态值h （∞）。
式（2-2）中的K 值由下式求取：
K = h(∞)/R0 = 输入稳态值/阶跃输入
四、实习内容与步骤
1、按实验一的要求和步骤，对上、下水箱液位传感器进行零点与增益的调整。
2、按照图2-1的结构框图，完成系统的接线 （接线参照实验1），并把PID 调节器的“手动/自动”开关置于“手动”位置，此时系统处于开环状态。
3、将单片机控制挂箱GK-03的输入信号端“LT1、LT2”分别与GK-02的传感器输出端“LT1、LT2”相连；用配套RS232通讯线 将GK-03的“串行通信口”与计算机的COM1连接；打开所有电源开关用单片机进行液位实时监测；然后用上位机控制监控软件对液位进行监视并记录过程曲线。
4、利用PID 调节器的手动旋钮调节输出，将被控参数液位控制在4cm 左右。
5、观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，记录此时调节器手动输出值VO 以及水箱水位的高度h1和显示仪表LT1的读数值并填入下表。
6、迅速增调“手动调节”电位器，使PID 的输出突加10%，利用上位机监控软件记下由此引起的阶跃响应的过程曲线，并根据所得曲线填写下表。
等到进入新的平衡状态后，再记录测量数据，并填入下表：
7、将“手动调节”电位器回调到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记
8、重复上述实验步骤。
参考文献
[1] 崔亚嵩. 过程控制实验指导书（校内）
[2] 邵裕森, 戴先中. 过程控制工程(第2版). 北京:机械工业出版社.2003
[3]廖常初.PLC 编程及应用(第2版). 北京:机械工业出版社.2007
[4]吴作明. 工业组态软件与PLC 应用技术. 北京:北京航空航天大学出版社.2007
[5]刘希民主编. 控制仪表及系统. 国防工业出版社.2012