1．了解單回路流量定值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成。
2．了解渦輪流量計的特性。
3．應用階躍響應曲線法整定控制器的參數(shù)。
4．研究控制器相關(guān)參數(shù)的變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。
5. 掌握變頻器流量控制方法。
二、 實驗設備
1．過程控制綜合實驗裝置—DDC控制模塊
2．計算機及MCGS組態(tài)軟件—DDC控制實驗_ModBusRTU.MCG
3．實驗專用線若干及RS485轉(zhuǎn)232通訊線一根。
三、實驗原理
根據(jù)設定的流量輸給計算機，用計算機的輸出來控制變頻器，用流量計測出流量信號反饋給計算機，由計算機進行比較和運算輸出給變頻器，從而最終達到管內(nèi)流量的平衡。
流量控制系統(tǒng)原理方塊圖如圖3.25所示。
圖3.25 變頻器流量控制系統(tǒng)原理圖
四、實驗步驟與內(nèi)容
1．了解實驗裝置中的對象，流程圖如圖2.15所示。
圖2.15 流量控制系統(tǒng)流程圖
2．按要求接好實驗導線和通訊線。
使用485轉(zhuǎn)232通訊線將控制臺側(cè)邊DDC通訊口 “COM1” 與上位機連接。
在傳感器信號輸出區(qū)域，將流量計2信號 FT2用實驗線連接到DDC控制模塊的AI0信號輸入端，正負一一對應。
將DDC控制模塊輸出信號AO0連接到執(zhí)行器控制信號輸入?yún)^(qū)的變頻器控制信號端口，正負一一對應。
3．將手動閥門2V1、V3、V4打開，關(guān)閉2V2、2V3。
4．先打開控制臺左側(cè)的總電源開關(guān)，按“Start”按鈕啟動設備，再打開DDC電源開關(guān)。
5．運行計算機上的 DDC控制實驗_ModBusRTU.MCG工程，選擇“系統(tǒng)管理”下拉菜單中的“用戶登錄”，出現(xiàn)如下窗口。
圖3.28 “用戶登錄”界面
6．點擊“確認”，用戶登錄完畢。選擇“單回路控制實驗”下拉菜單中的“變頻器支路流量控制實驗”，出現(xiàn)如下的“變頻器支路流量控制實驗”界面。
圖3.29 變頻器支路流量控制實驗界面
7．點擊“參數(shù)設置”，出現(xiàn)如下界面。
圖3.30 參數(shù)設置界面
8．將AI0設置為0 – 1200。點擊退出，參數(shù)設置完畢。
9．按本章第一節(jié)中的經(jīng)驗法或動態(tài)特性參數(shù)法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，選擇PI控制規(guī)律，并按整定后的PI參數(shù)進行調(diào)節(jié)器參數(shù)設置。
Ts=1 （參考值）
SV=800 （參考值）
Kc=0.02 （參考值）
Ti=5 （參考值）
Td=0 （參考值）
10.選擇計算機控制方式，在控制臺上打開變頻器電源開關(guān)，打開變頻器啟停開關(guān)。
11．穩(wěn)定后，分別適量改變調(diào)節(jié)儀的P及I參數(shù)，用計算機記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的階躍響應曲線。
12．分別用P、PD、PID三種控制規(guī)律，用計算機記錄不同控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應曲線。
13．實驗結(jié)束后，停止變頻器，關(guān)閉變頻器電源，關(guān)閉漏電保護器，拆除實驗線。
五、實驗報告要求
1．畫出變頻器支路流量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
2．用實驗方法整定PI控制器的參數(shù)，寫出整定過程。
3．比較不同PID參數(shù)對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。
4．分析P、PI、PID三種控制規(guī)律對本實驗系統(tǒng)的作用。
六、思考題
1．流量控制的特點和流量控制的難點。
DB-CG15 過程控制實驗實訓裝置
1、過程控制實驗實訓裝置（Process Control System，簡稱PCS），是模仿現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的物理量，諸如溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)，對其進行測量、控制，分析過程參數(shù)變化特性，研究過程控制規(guī)律(如PID控制)的教學實驗設備，過程控制綜合實驗裝置選用智能化的工業(yè)用儀器儀表，接近工業(yè)實際，使用安全，運行穩(wěn)定，維護簡單，性價比優(yōu)越。本裝置集合多種控制方式，再現(xiàn)實際工業(yè)現(xiàn)場使用的控制手段，采用聲光報警系統(tǒng)，并提供用戶更友好的二次開發(fā)接口。
2、過程控制實驗實訓裝置可滿足“自動調(diào)節(jié)原理”，“過程控制”，“控制儀表”，“自動檢測技術(shù)與傳感器”,“計算機”及相關(guān)課程的教學實驗需求；
3、過程控制實驗實訓裝置可作為有關(guān)企業(yè)技術(shù)人員、儀表操作人員、系統(tǒng)運行監(jiān)控人員的實習、培訓實驗設備。
二、性能指標及要求：
1、輸入電源:三相四線制或三相五線制 380V±10％ 50Hz；
2、工作環(huán)境: 溫度–10℃－+40℃ 相對濕度＜85％（25℃）；
3、裝置容量：＜5kVA；外形尺寸小于：1800mm×800mm×1800mm，全不銹鋼焊接而成。
三、具體系統(tǒng)配置要求
1、不銹鋼框架：主體框架采用鏡面不銹鋼方管焊接而成，對象模型安裝架采用鏡面不銹鋼方管焊接而成，安裝底板采用不銹鋼工業(yè)板制成，造型美觀，結(jié)實耐用，開放性好。
2、控制系統(tǒng)實驗平臺：控制對象接口箱分電源箱和信號接口箱。電源箱主要包含各種電源裝置及電源分配開關(guān)，變頻器、三相移相調(diào)壓裝置等強電裝置；信號接口箱主要為各種弱電信號與DCS寬展接口。
面板材質(zhì)采用鋁材，面板標識采用凹字爛板工藝進行加工制作，針對各種信號接口均配有文字及符號說明，信號區(qū)分一目了然，方便實驗接線。所有信號采用國際標準的IEC信號。執(zhí)行機構(gòu)接口有三相可控硅移相調(diào)壓裝置、電動調(diào)節(jié)閥、三相不銹鋼磁力泵、電磁閥、三菱變頻器及三相電加熱管組成，另外電加熱鍋爐帶有防干燒保護設備。并將對象系統(tǒng)各傳感器檢測及執(zhí)行器控制信號同面板上的插座相連，便于學生自己連線組成不同的控制系統(tǒng)。
3、亞克力有機玻璃水箱： 包括2個平行上水箱、和下水箱和儲水箱。采用淡藍色優(yōu)質(zhì)有機玻璃，不但堅實耐用，而且透明度高，便于直接觀察液位的變化和記錄結(jié)果。
4、管道及閥門：整個系統(tǒng)管道由敷塑不銹鋼管連接而成（不采用鋁塑管），所有的手動閥門均采用優(yōu)質(zhì)球閥，避免管道系統(tǒng)生銹的可能性。其中儲水箱底部有一個出水閥，當水箱需要更換水時，把球閥打開將水直接排出。
5、液位變送器：二個液位變送器分別用來對二個水箱和鍋爐的液位進行檢測，其量程為0～3KPa，用于測量水箱液位高度，為直流24V供電、標準兩線制接線4～20mA變送輸出、精度0.5級，采用工業(yè)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(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補償。
6、渦輪流量計：分別用來對由電動調(diào)節(jié)閥控制的動力支路、采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供DC24V直流電源。流量范圍：0～1.2m3/h；精度：1.0%；輸出：4～20mA。2只
7、水泵：采用磁力驅(qū)動泵，流量為30升/分，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動泵,一只為三相380V恒壓驅(qū)動，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動。三相磁力驅(qū)動泵，噪音低，壽命長，揚程達12米
數(shù)量：2只。
8、電磁閥：電動調(diào)節(jié)閥支路和變頻支路的連通閥，具有接通和關(guān)斷兩條支的作用。另外六只作為各液位水箱兩條支路的進水閥門。工作壓力：最小壓力為10Kg/㎝2，最大壓力為7Kg/㎝2；工作溫度：－5～80℃；工作電壓：24VDC。
9、交流變頻控制 ：采用的變頻調(diào)速模塊為多功能、緊湊型產(chǎn)品，具備V/F控制、通用磁通矢量控制、最佳勵磁控制等，運行特性：多段速15速、PID控制、輸出電流檢測、異常時再試功能、零電流檢測；輸出頻率范圍：0.2～400Hz；頻率設定分辨率：0.06Hz/60HZ；頻率精度：最大輸出頻率的±0.1%以內(nèi)；控制信號輸入為4～20mADC或0～5VDC，交流220V變頻輸出用來驅(qū)動三相磁力驅(qū)動泵。
10、智能電動調(diào)節(jié)閥：電動調(diào)節(jié)閥是新一代超小型電子式一體化直行程電動調(diào)節(jié)閥。采用精小型電動執(zhí)行器伺服放大器，它以220V交流電源為驅(qū)動電源，輸入標準的4～20mADC控制信號，經(jīng)伺服放大器控制，使電機帶動減速器運行而產(chǎn)生軸向推力，使閥芯移動，改變閥門的開度，達到對液位，流量等工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)自動控制的目的。超小型直行程單座電動調(diào)節(jié)閥。廣泛應用于電力、暖通中央空調(diào)、冶金、輕工等行業(yè)的自動化控制系統(tǒng)，更適用于高校教學和科研設備。 閥體為鑄鐵材質(zhì)，閥芯為不銹鋼材質(zhì)，國標法蘭安裝，DC4～20mA電流信號控制，工稱通徑DN15。該調(diào)節(jié)閥為直行程氣動控制調(diào)節(jié)閥，具有精度高、技術(shù)先進、體積小、重量輕、推動力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等優(yōu)點。由控制器直接發(fā)送模擬信號控制閥門定位器，閥門定位器驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)動作，使用和校正都非常方便；進口閥門定位器帶HART通信功能，可與HART手持操作器進行通訊。電源為單相220V，控制信號為4～20mADC或1～5VDC，輸出為4～20mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。
11、加熱常溫鍋爐：不銹鋼溫控實驗箱1只 由加熱箱、加熱環(huán)、Pt100、溫度變送器組成，加熱箱內(nèi)無水斷電保護裝置，也防止溫度干燒。
12、控制系統(tǒng)一，智能數(shù)字調(diào)節(jié)器：具有2路模擬量輸入、1路模擬量輸出、2路報警輸出，支持電流輸入，電壓輸入，熱電阻及熱電偶信號輸入，可保存歷史數(shù)據(jù)。2只
13、控制系統(tǒng)二，計算機直接控制網(wǎng)絡模塊：要求用于計算機控制，設有通訊端口，完全模擬工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，裝有一塊遠程數(shù)據(jù)采集模塊和一塊遠程數(shù)據(jù)采集模塊。要求為8通道模擬量輸入模塊，輸入量為1－5V；為4通道模擬量輸出模塊，輸出信號為4－20mA；上位機要求采用MCGS組態(tài)軟件進行監(jiān)控。安裝有遠程數(shù)據(jù)采集模塊，可進行計算機直接數(shù)字控制（DDC）。
▲云服務平臺:每套過程控制實驗設備通過數(shù)據(jù)采集每個實驗課內(nèi)容與學生手機進行綁定，實現(xiàn)過程控制參數(shù)的在線采集與云服務平臺的數(shù)據(jù)上傳，完成實驗后可自動生成WORD文檔、自動生成實驗數(shù)據(jù)記錄表格、自動生成實驗曲線；教師機通過云服務平臺檢查實驗內(nèi)容，并具有批改作業(yè)功能以及PPT共享等功能。
提供學生登錄界面，提供老師管理界面，提供學校院系界面。
14、控制系統(tǒng)三，PLC控制系統(tǒng)，采用西門子S7-200 SMART主機CPU SR20(自帶以太網(wǎng)通訊口)，配置一個4入/2出模擬量模塊EM AM06，可完成所有單通道輸出、多通道輸入控制實驗。
15、▲控制系統(tǒng)四， python數(shù)據(jù)采集卡：投標時提供python數(shù)據(jù)采集卡軟件的著作權(quán)證書復印件（原件備查）同時支持labview二次開發(fā)，數(shù)據(jù)采集卡采用工業(yè)級的解決方案，，接口采用USB接口，具體核心功能指標要求：
1.1.具有8路模擬量輸入：8路電壓輸入。ADC分辨率：14位，最大采樣速率：100K/S。
1.2. 2路模擬量輸出：12位，0-10V，100Ksa/s
1.3. 2路1MHz計數(shù)、PWM測量輸入，2路1MHzPWM、脈沖發(fā)生器。
1.4.具有多種采樣方式：定時采樣，定長采樣，單步采樣，實時采樣。
1.5.具有輸入低通濾波，過壓保護功能。
1.6.具有12路數(shù)字量輸入輸出：6路輸入，6路輸出。
1.7.支持波形輸出：正弦波，方波，三角波，鋸齒波任意波形,上位機軟件可采集可調(diào)節(jié)。
1.8.波形頻率可調(diào)：范圍0-10000HZ，上位機軟件顯示控制。
16、▲控制系統(tǒng)五，物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)：開標現(xiàn)場視頻演示，本批設備一套3節(jié)點1個匯節(jié)點.
物聯(lián)網(wǎng)無線通訊傳感網(wǎng)（本批設備一套，一個主機，3個從機，） 配備兩種及以上無線傳輸能力的模塊（或電路，例如WIFI、ZigBee），可同時完成不少于4AD/4DA（ADC分辨率12位或以上）、4DI/4DO傳輸，能夠組建實驗室無線傳感網(wǎng)絡，同時提供手機端和PC端的測量和控制軟件（投標文件中提供手機APP與無線模塊間、4個無線模塊間的聯(lián)機測試功能的截圖，不提供以上截圖視為不響應此項技術(shù)參數(shù)，ZIGBEE組網(wǎng)實驗（提供觸摸屏的組網(wǎng)圖），WiFi通訊實驗與電腦通信（錄制視頻尋址過程），PID參數(shù)調(diào)節(jié)與控制（提供4個站點的曲線圖），觸摸屏顯示功能（提供軟件界面），手機APP顯示與控制（提供軟件界面）開關(guān)量控制實驗）提供實驗視頻。
17、MATLAB/RTW過程控制仿真軟件：（1）仿真系統(tǒng)模擬工業(yè)生產(chǎn)過程的四大熱工參數(shù)，包括液位對象，溫度對象，流量對象，壓力對象，無縫對接“過程控制實驗裝置”的控制系統(tǒng)，能夠完成基本對象特性測試、單閉環(huán)控制、串級控制、前饋反饋控制、流量比值控制等實驗，可以替代被控對象。
（2）仿真軟件要求在軟件設計有原理結(jié)構(gòu)圖，具有可開發(fā)性。同時要求可開放源代碼給學校，供學生自己研究和設計，既滿足基本教學同時也可作為研究創(chuàng)新平臺使用。
▲（3）要求提供流量和液位單回路、比值控制、串級控制系統(tǒng) 3 種實驗的Simulink 控制軟件建模界面，仿真曲線效果圖，實際控制效果圖。
18、▲主機監(jiān)測單元：機監(jiān)測單元，整個實驗室配1套，電路部分采用超薄可折疊導電材 料 技術(shù)，實時檢測主機多路運行狀況（4路以上），并且?guī)б壕э@示和報警顯示，主機檢測單元可反復折疊不損壞電路，支持手機無線采集數(shù)據(jù)，并且可以用手機APP讀寫數(shù)據(jù)為比較實驗效果。須提供4路液晶顯示和報警顯示軟件界截圖，提供手機APP軟件截圖。
四、系統(tǒng)能完成的實驗項目
（一）特性實驗
1、水箱單容特性實驗
2、水箱雙容特性實驗
3、上下水箱雙容特性實驗
4、電動閥流量特性實驗
5、變頻器流量特性實驗
6、溫度特性實驗
7、鍋爐內(nèi)膽水溫測試
（二）單回路控制實驗
1、單容液位定制控制實驗
2、變頻器支路單容液位控制實驗
3、上下水箱雙容液位定制控制實驗
4、鍋爐內(nèi)膽壓力定值控制實驗
5、電動調(diào)節(jié)閥支路單閉環(huán)流量控制實驗
6、變頻器支路單閉環(huán)流量控制實驗
7、鍋爐內(nèi)膽溫度控制實驗
（三）串級控制實驗
1、水箱液位串級控制實驗
（四）變頻恒壓實驗
1、變頻恒壓供水實驗
（五）物聯(lián)網(wǎng)無線通訊傳感網(wǎng)
1、ZIGBEE通訊實驗
2、ZIGBEE組網(wǎng)實驗
3、WiFi通訊實驗與電腦通信
4、PID參數(shù)調(diào)節(jié)與控制
5、觸摸屏顯示功能
6、手機APP顯示與控制
教師機內(nèi)容
1、主機監(jiān)測單元測試
2、手機app控制
3、手機微信端報警設置
過程控制的仿真和基于MATLAB/RTW實時控制實驗
1、過程控制的仿真實驗
1）對象特性測試實驗
① 上水箱特性測試實驗
② 下水箱特性測試實驗
③ 二階液位特性測試實驗
④ 溫度鍋爐對象特性測試實驗
⑤ 調(diào)節(jié)閥流量特性測試實驗
2）單回路控制系統(tǒng)實驗
① 壓力單閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗
② 溫度單閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗
③ 液位單閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗
④ 流量單閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗
⑤ 雙容液位控制系統(tǒng)實驗
3）串級控制系統(tǒng)實驗
① 上水箱液位和流量的串級控制系統(tǒng)實驗
② 上、下水箱液位串級控制系統(tǒng)實驗
4）流量比值控制系統(tǒng)實驗