1．通過實驗進一步了解雙容水箱液位的特性。
2．掌握雙容水箱液位控制系統調節器參數的整定方法。
3．研究調節器相關參數的改變對系統動態性能的影響。
4．研究P、PI、PD和PID四種調節器分別對液位系統的控制作用。
二、實驗設備及參考資料
1．過程控制綜合實驗裝置—儀表控制模塊
2．計算機及MCGS組態軟件—儀表控制實驗.MCG
3．實驗專用線若干及RS485轉232通訊線一根。
三、 實驗原理
本實驗采用智能儀表控制,將液位控制在設定高度。根據下水箱液位信號LT2輸出給智能儀表，智能儀表根據P、I、D參數進行PID運算，輸出信號給電動調節閥，然后由電動調節閥控制水泵1供水系統的進水流量，從而達到控制設定液位基本恒定的目的。
上下水箱雙容液位過程控制的方塊原理圖：如圖3-7所示
圖 3-7上下水箱雙容液位控制實驗方框圖
四、實驗內容與步驟
1．了解實驗裝置中的對象，流程圖如圖3-8所示。
圖3-8 上下水箱雙容液位控制實驗流程圖
2、按圖雙容液位控制實驗接線圖接好實驗導線。
在傳感器信號輸出區域，將下水箱液位信號LT2用實驗線連接到智能調節儀I（addr：1）的 輸入 1-5V 信號輸入端，正負一一對應。
將智能調節儀I的 輸出4-20mA 連接到執行器控制信號輸入區的電動閥輸入信號端口，正負一一對應。
3、使用485轉232通訊線將控制臺右側面的儀表通訊口 “COM2” 與上位機連接。
4、將手動閥門1V1、V3、V4打開，將閥門1V2關閉。
5、先打開控制臺左側的總電源開關，按“Start”按鈕啟動設備，再打開儀表電源。
6、運行計算機上儀表控制軟件，選擇系統管理菜單中的用戶登錄，登錄用戶。
7、選擇單回路控制實驗的上下水箱雙容液位控制實驗。
8、如選用儀表控制則點擊“儀表參數”，設置參數，
Addr=1 InP=33 OPt=4-20mA dPt=1
比例系數P=12 積分系數I=650 D=0 Ctl = 2
SCL=0 SCH=30
OPL=0 OPH=100
CF2=0
其余參數不變，參數設置完點擊退出。
10、選擇儀表控制，給定設定值8cm。
11、在控制臺上旋開電動調節閥電源開關、水泵電源開關。
12、待液位平衡后，通過以下方式加干擾：突增（或突減）設定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化。 擾動量為控制量的5％～15％，干擾過大可能造成水箱中水溢出或系統不穩定。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態，經過一段調節時間后，水箱液位穩定至新的設定值，記錄此時的液位設定值。
13．分別適量改變調節儀的P及I參數，重復步驟11，用計算機記錄不同參數時系統的階躍響應曲線。
14．分別用P、PD、PID三種控制規律重復步驟4～8，用計算機記錄不同控制規律下系統的階躍響應曲線。
五、實驗報告要求
1．畫出雙容水箱液位定值控制實驗的結構框圖。
2．用實驗方法確定調節器的相關參數，寫出整定過程。
3．根據實驗數據和曲線，分析系統在階躍擾動作用下的靜、動態性能。
4．比較不同PI參數對系統的性能產生的影響。
5．分析P、PI、PD、PID四種控制方式對本實驗系統的作用。
六、思考題
1．改變比例度δ和積分時間TI對系統的性能產生什么影響？
產品簡介：
DB-CG20 化工儀表與控制實驗裝置
| 技術指標 | 說 明 | |||
| 裝置功能 |
1、可實現液位高度的位式控制實驗、加熱水溫的位式控制實驗。 2、水箱液位的定值控制實驗、加熱水溫的定值控制實驗。 3、電動調節閥支路流量的定值控制實驗、變頻調速磁力泵支路流量的定值控制實驗。 4、水箱液位與調節閥流量的串級控制實驗、水箱液位與變頻調速磁力泵支路流量的串級控制實驗。 5、單閉環流量比值控制實驗、雙閉環流量比值控制實驗。 6、三容箱過程控制對象：包括單容水箱、雙容水箱、三容水箱。 7、采用中央處理器控制，全觸摸集成化操作，測控軟件。 |
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| 設計參數 |
裝置整體采用工程化布局，設備主體：2000×700×2000mm（長×寬×高），可根據實訓場地實際高度和場地面積進行調整，可移動式設計，帶剎車輪。 溫度：常溫-70℃，液位0-300mm。 |
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| 電氣系統 | 標準工業操作臺，內安裝漏電保護空氣開關、電流型漏電保護器充分考慮人身安全保護；同時每一組強電輸出都有旋鈕開關控制，保證設備安全，操作控制便捷；裝有分相指示燈，開關電源等。 | |||
| 公用設施 |
水：裝置自帶不銹鋼水箱，連接自來水。實驗時經水泵進入測試管路，循環使用。 電：電壓AC380V，功率5.0KW，標準三相五線制。每個實驗室需配置1~2個接地點（安全地及信號地）。 |
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| 主要配置 |
1、實驗對象系統包含有：不銹鋼儲水箱；上水箱為有機玻璃圓筒型水箱；下水箱為不銹鋼鍋爐汽包；單相2.0kW電加熱鍋爐（由不銹鋼鍋爐內膽加溫筒和封閉式外循環不銹鋼冷卻鍋爐夾套構成）和鋁塑盤管組成。 2、系統動力系統有兩套：一路由動力水泵、進口比例閥組成，另一路由變頻調速器、動力水泵組成，通過閥門切換，任何一組供水可以到達任何一個水箱。 3、對象系統中的各類檢測變送及執行裝置擴散硅壓力變送器4只：分別檢測上、中、下水箱、鍋爐汽包液位。 4、渦輪流量計兩只：分別檢測兩條動力支路的流量。 5、Pt100熱電阻溫度傳感器六只：分別用來檢測鍋爐內膽、鍋爐夾套、盤管（三只）及上水箱出水口水溫。 6、執行器：包含電磁閥、電動調節閥各一個。 |
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| 技術參數 |
1、不銹鋼臥式離心泵：WB50/037 H=20m ，Q= 3.5m3/h， 兩臺。 2、渦輪流量傳感器：流量范圍0.1～2.0m3/h，兩臺。 3、電動調節閥：DN15，采用智能直行程電動調節閥，用來對控制回路的流量進行調節。具有精度高、技術先進、體積小、重量輕、推動力大、功能強、控制單元與電動執行機構一體化、可靠性高、操作方便等優點，電源為單相220V，控制信號為4～20mADC，輸出為4～20mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。精度：0.5%FS ，一臺。 上水箱：有機玻璃φ250x300mm，帶液位溢流裝置，一個。 中水箱：有機玻璃φ250x300mm，帶液位溢流裝置，一個。 6、下水箱：有機玻璃φ250x300mm，帶液位溢流裝置，一個。 7、儲水箱：304不銹鋼600x400x500mm，一個。 8、單相矢量變頻器，規格：（0-50）Hz，功率550W，一臺。 9、電磁閥：口徑DN15，24V直流開關電源供電，一個。在本裝置中作為電動調節閥的旁路，起階躍干擾作用。工作壓力：最小壓力為0Kg/㎝2，最大壓力為7Kg/㎝2 ；工作溫度：－5～80℃；工作電壓：220VAC。 10、鍋爐：304不銹鋼夾套加熱鍋爐，容積20L,。由二層組成：加熱層（內膽）和冷卻層（夾套），一臺。電加熱器：由三根1.5KW電加熱管星形連接而成，用來對鍋爐內膽內的水進行加溫，每根加熱管的電阻值約為50Ω左右。 11、盤管：模擬工業現場的管道輸送和滯后環節，在盤管上有三個不同的溫度檢測點，它們的滯后時間常數不同，在實驗過程中可根據不同的實驗需要選擇不同的溫度檢測點。盤管的出水通過手動閥門的切換既可以流入鍋爐內膽，也可以經過渦輪流量計流回儲水箱。它可用來完成溫度的滯后和流量純滯后控制實驗。 12、壓力傳感器：量程為0～5KPa，用工業用的擴散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供24V直流電源，輸出：4～20mADC。 13、溫度傳感器：裝置中采用了六個Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，分別用來檢測鍋爐內膽、鍋爐夾套、盤管（有3個測試點）以及上水箱出口的水溫。Pt100測溫范圍：-200～+420℃。經過調節器的溫度變送器，可將溫度信號轉換成4～20mA直流電流信號。Pt100傳感器精度高，熱補償性較好。 14、調壓裝置：采用可控硅移相觸發裝置，輸入控制信號為4～20mA標準電流信號，其移相觸發角與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓用來控制電加熱器的端電壓，從而實現鍋爐溫度的連續控制。 15、中央處理器：執行速度0.64μs，內存容量16K，內建Ethernet支持Modbus TCP及Ethernet/IP通訊協議；功能：數據處理運算。 16、模擬量模塊：高達16位分辨率，總和精度±0.5%，內建RS485通訊模式。 17、采用一體機平板觸摸電腦，全程數字化觸摸屏控制操作。HMI：投射式觸控技術，5000萬次觸摸點，內存4G，功能：中央處理器數據顯示控制。 18、外形尺寸：2200×550×1800mm（長×寬×高），外形為可移動式設計，帶剎車輪，高品質鋁合金型材框架，無焊接點，安裝拆卸方便，水平調節支撐型腳輪。 19、工程化標識：包含設備位號、管路流向箭頭及標識、閥門位號等工程化設備理念配套，使學生處于安全的實驗操作環境中，學會工程化管路標識認知，培養學生工程化理念。 20、配套測控軟件可以實現實驗數據實時在線采集顯示數據、曲線及設備運行狀態等。通過WIFI技術實現終端覆蓋。 21、MCGS工業組態軟件 本軟件為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發平臺，能夠完成現場數據采集、實時和歷史數據處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業監控網絡等功能。 |
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| 測控組成 | 變量 | 檢測機構 | 顯示機構 | 執行機構 |
| 上水箱液位 | 液位傳感器 | 觸摸屏 | 自控 | |
| 中水箱液位 | 液位傳感器 | 觸摸屏 | 自控 | |
| 下水箱液位 | 液位傳感器 | 觸摸屏 | 自控 | |
| 水泵出口壓力 | 壓力傳感器 | 觸摸屏 | 自控 | |
| 液體流量 | 渦輪流量傳感器 | 觸摸屏 | 自控 | |
| 鍋爐加熱溫度 | PT100 鉑電阻 | 觸摸屏 | PID調節 | |
| 鍋爐夾套進口溫度 | PT100 鉑電阻 | 觸摸屏 | 自控 | |
| 鍋爐夾套進口溫度 | PT100 鉑電阻 | 觸摸屏 | 自控 | |
| 換熱器進口溫度 | PT100 鉑電阻 | 觸摸屏 | 自控 | |
| 換熱器出口溫度 | PT100 鉑電阻 | 觸摸屏 | 自控 | |