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基于SUPCON WebField DCS，针对过程控制实训装置，选取一阶水箱系统作为被控对象进行建模与控制。首先，根据被控对象的阶跃响应曲线，分别采用最小二乘拟合和切线法两种方法，建立了水箱系统的数学模型；其次，通过DCS系统组态实现对水箱液位的单回路控制方案；最后，设计了PID控制器，并在实验装置上实现了对水箱液位的跟踪控制。通过对实验结果的分析，表明了PID控制的有效性。
单容水箱建模PID控制过程控制实训装置DCS系统组态自动控制原理课程的教学过程，存在概念抽象，理论性强的特点，学生缺乏对实际对象的认识，不易掌握课程中的难点。为了解决该问题，目前已有一些有益的探索，如开发仿真教学系统，采用开放式实验室，建立综合性试验平台。
本文针对过程控制实训装置，采用一阶水箱系统作为被控对象，更加接近实际生产过程。通过单容水箱的建模及控制，可以锻炼学生机理建模、非线性系统线性化、黑箱建模以及控制器设计与参数整定的能力。最后通过DCS系统组态，实现对水箱液位的跟踪控制。
一、过程控制实训装置与被控对象建模
1.过程控制实训装置
过程控制实训装置包括上下两个水箱，左右四个非线性水箱及一个大储水箱，水箱均采用不锈钢材质。除此之外还包括一个工业用板式换热器，两个变频泵，盘管。传感器和执行器系统包括两个液位传感器、两个涡轮流量计、一个电动调节阀、一个压力变送器、两个电磁阀、两个液位开关。
过程控制实训装置系统包含两个支路。支路1有变频泵1，电动调节阀，涡轮流量计1，盘管，可以直接注水到上下两个水箱以及两个球形水箱。支路2有变频泵2，压力变送器，涡轮流量计2，上下两个水箱以及右边两个球形水箱。该装置可以模拟生产过程中的液位、流量等变量，并对这些变量进行控制、测量及观察。
2.被控对象建模
根据被控对象阶跃特性曲线求取其传递函数，通常有两种方法：一种是切线法，另一种是两点法。但因为在实际测量过程中，往往因为外界干扰数据存在误差，直接采取上面两种方法随意性差，精度差，不能完全的充分利用数据，会使误差增大。所以在这里采取最小二乘法对被控对象最佳拟合后，再求取对象模型。
在控制器处于手动状态下，给定控制器60%的输出，待水箱液位稳定以后，重新给定控制器65%的输出，经过一段时间后，水箱液位重新进入平衡状态。记录该过程的实验曲线及数据。
二、控制系统组态
1.控制方案的设置
本文采用的是单回路控制方案，下水箱作为被控对象，水箱液位作为被控变量。水箱液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。控制器的输出信号送到变频泵，通过改变变频泵的转速，来改变入水口的流量，水箱的液位随入口流量的变化而变化，从而实现对水箱液位的控制。
2.报表的组态
报表的组态主要包括事件定义、时间引用、位号引用、报表输出等四个方面。
事件定义主要用于设置报表的产生及打印的条件，事件定义完成以后，将时间量、位号量与事件联系起来。时间引用定义了事件发生的时刻，进行各种相关位号状态、数值的记录等操作。位号量组态，定义了在引用事件发生的时刻，进行该位号数值的条件记录。报表输出定义，主要为输出事件的引用，结合打印死区设置，来进行有条件的报表输出。
3.流程图的绘制
经过对过程控制实训装置充分了解后，绘制的流程图。
三、PID控制器设计
选择执行器为变频器，被控对象为过程控制实训装置下水箱，被控变量为下水箱液位，操作变量为下水箱入水管道的流量，压力变送器作为测量变送器。
在控制器处于手动状态下，出水阀开度一定，通过改变控制器的输出，改变变频泵的转速，从而达到改变下水箱入水管道的流量，最终实现水箱液位的变化。
控制器选择正作用，在控制器打到自动状态下，当水箱液位较高时，控制器的输出应减小。
四、实验结果
系统组态完成以后，编译并下载。打开实时监控调整画面，将控制器打到手动状态下，给定控制器一定的输出，待水箱液位达到稳定后，将控制器打到自动状态下，对控制器的给定值一个阶跃变化。
采取经验整定的方法，首先只给定比例作用，当系统存在余差时，加入一定的积分作用，如果系统有滞后，则加入微分作用。
通过经验法参数整定以后，选取的PID参数为：
δ=33%，Ti=24s，Td=2s。（δ为比例度）
在调节过程中，增大比例作用可以加快系统的响应速度，但会降低系统的稳定性，综合考虑到这两点，选取比例度为33%。单纯的比例作用，系统会存在稳定余差，所以加入积分作用。积分作用可以消除余差，但是积分作用越强，系统的响应速度越慢，并且稳定性变差。在这里选取积分时间为0.4分，这时系统的稳定余差为零。加入比例积分作用后，这时系统的输出存在滞后，加入微分作用后，可以使输出超前。在这里选取微分时间为2秒。
五、结束语
针对基于SUPCON WebFieldDCS的过程控制实训装置，选取了一阶水箱系统作为被控对象。根据测得系统的阶跃特性曲线建立了系统的模型。通过采取DCS系统组态及PID控制器的设计，在实际装置上实现了对水箱液位的追踪控制。PID控制器参数的选择直接关系到系统性能的好坏。增加比例作用可以加快系统的响应速度但系统的稳定性会降低，单纯的比例作用会使系统存在余差，加入积分作用可以消除余差，但同时也会降低系统的响应速度。若系统存在滞后，可加入微分作用，使系统输出超前。通过单容水箱液位控制的实验研究，合理的选择PID控制器的三个参数，其闭环响应不仅速度快，而且超调量小，具有很好的动、静态特性。并且系统的响应曲线变化平缓，对现场执行机构起到了很好的保护作用。对于一阶惯性系统，单回路PID控制起到了很好地控制效果。
参考文献：
[1]王钊，陈真.基于Simulink的PlD控制器设计[J].实验技术与管理，2007，24（5）：70-72.
[2]张开碧，冯辉宗.控制系统仿真教学系统开发[J].实验技术与管理，2010，27（4）：77-79.
[3]王莉，陈虹.“自动控制原理”虚拟实验系统开发[J].电气电子教学学报，2011，33（4）：71-73.108.
[4]费庆，李保奎，王晓平，白俊秀.基于Simulink/xPC的过程控制综合实验平台改造[J].实验技术与管理，2011，28（11）：286-289.
单容水箱建模PID控制过程控制实训装置DCS系统组态自动控制原理课程的教学过程，存在概念抽象，理论性强的特点，学生缺乏对实际对象的认识，不易掌握课程中的难点。为了解决该问题，目前已有一些有益的探索，如开发仿真教学系统，采用开放式实验室，建立综合性试验平台。
本文针对过程控制实训装置，采用一阶水箱系统作为被控对象，更加接近实际生产过程。通过单容水箱的建模及控制，可以锻炼学生机理建模、非线性系统线性化、黑箱建模以及控制器设计与参数整定的能力。最后通过DCS系统组态，实现对水箱液位的跟踪控制。
一、过程控制实训装置与被控对象建模
1.过程控制实训装置
过程控制实训装置包括上下两个水箱，左右四个非线性水箱及一个大储水箱，水箱均采用不锈钢材质。除此之外还包括一个工业用板式换热器，两个变频泵，盘管。传感器和执行器系统包括两个液位传感器、两个涡轮流量计、一个电动调节阀、一个压力变送器、两个电磁阀、两个液位开关。
过程控制实训装置系统包含两个支路。支路1有变频泵1，电动调节阀，涡轮流量计1，盘管，可以直接注水到上下两个水箱以及两个球形水箱。支路2有变频泵2，压力变送器，涡轮流量计2，上下两个水箱以及右边两个球形水箱。该装置可以模拟生产过程中的液位、流量等变量，并对这些变量进行控制、测量及观察。
2.被控对象建模
根据被控对象阶跃特性曲线求取其传递函数，通常有两种方法：一种是切线法，另一种是两点法。但因为在实际测量过程中，往往因为外界干扰数据存在误差，直接采取上面两种方法随意性差，精度差，不能完全的充分利用数据，会使误差增大。所以在这里采取最小二乘法对被控对象最佳拟合后，再求取对象模型。
在控制器处于手动状态下，给定控制器60%的输出，待水箱液位稳定以后，重新给定控制器65%的输出，经过一段时间后，水箱液位重新进入平衡状态。记录该过程的实验曲线及数据。
二、控制系统组态
1.控制方案的设置
本文采用的是单回路控制方案，下水箱作为被控对象，水箱液位作为被控变量。水箱液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。控制器的输出信号送到变频泵，通过改变变频泵的转速，来改变入水口的流量，水箱的液位随入口流量的变化而变化，从而实现对水箱液位的控制。
2.报表的组态
报表的组态主要包括事件定义、时间引用、位号引用、报表输出等四个方面。
事件定义主要用于设置报表的产生及打印的条件，事件定义完成以后，将时间量、位号量与事件联系起来。时间引用定义了事件发生的时刻，进行各种相关位号状态、数值的记录等操作。位号量组态，定义了在引用事件发生的时刻，进行该位号数值的条件记录。报表输出定义，主要为输出事件的引用，结合打印死区设置，来进行有条件的报表输出。
3.流程图的绘制
经过对过程控制实训装置充分了解后，绘制的流程图。
三、PID控制器设计
选择执行器为变频器，被控对象为过程控制实训装置下水箱，被控变量为下水箱液位，操作变量为下水箱入水管道的流量，压力变送器作为测量变送器。
在控制器处于手动状态下，出水阀开度一定，通过改变控制器的输出，改变变频泵的转速，从而达到改变下水箱入水管道的流量，最终实现水箱液位的变化。
控制器选择正作用，在控制器打到自动状态下，当水箱液位较高时，控制器的输出应减小。
四、实验结果
系统组态完成以后，编译并下载。打开实时监控调整画面，将控制器打到手动状态下，给定控制器一定的输出，待水箱液位达到稳定后，将控制器打到自动状态下，对控制器的给定值一个阶跃变化。
采取经验整定的方法，首先只给定比例作用，当系统存在余差时，加入一定的积分作用，如果系统有滞后，则加入微分作用。
通过经验法参数整定以后，选取的PID参数为：
δ=33%，Ti=24s，Td=2s。（δ为比例度）
在调节过程中，增大比例作用可以加快系统的响应速度，但会降低系统的稳定性，综合考虑到这两点，选取比例度为33%。单纯的比例作用，系统会存在稳定余差，所以加入积分作用。积分作用可以消除余差，但是积分作用越强，系统的响应速度越慢，并且稳定性变差。在这里选取积分时间为0.4分，这时系统的稳定余差为零。加入比例积分作用后，这时系统的输出存在滞后，加入微分作用后，可以使输出超前。在这里选取微分时间为2秒。
五、结束语
针对基于SUPCON WebFieldDCS的过程控制实训装置，选取了一阶水箱系统作为被控对象。根据测得系统的阶跃特性曲线建立了系统的模型。通过采取DCS系统组态及PID控制器的设计，在实际装置上实现了对水箱液位的追踪控制。PID控制器参数的选择直接关系到系统性能的好坏。增加比例作用可以加快系统的响应速度但系统的稳定性会降低，单纯的比例作用会使系统存在余差，加入积分作用可以消除余差，但同时也会降低系统的响应速度。若系统存在滞后，可加入微分作用，使系统输出超前。通过单容水箱液位控制的实验研究，合理的选择PID控制器的三个参数，其闭环响应不仅速度快，而且超调量小，具有很好的动、静态特性。并且系统的响应曲线变化平缓，对现场执行机构起到了很好的保护作用。对于一阶惯性系统，单回路PID控制起到了很好地控制效果。
参考文献：
[1]王钊，陈真.基于Simulink的PlD控制器设计[J].实验技术与管理，2007，24（5）：70-72.
[2]张开碧，冯辉宗.控制系统仿真教学系统开发[J].实验技术与管理，2010，27（4）：77-79.
[3]王莉，陈虹.“自动控制原理”虚拟实验系统开发[J].电气电子教学学报，2011，33（4）：71-73.108.
[4]费庆，李保奎，王晓平，白俊秀.基于Simulink/xPC的过程控制综合实验平台改造[J].实验技术与管理，2011，28（11）：286-289.