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过程装备与控制技术实验指导书 1 过程控制技术及应用过程控制技术及应用 实实 验验 指指 导导 书书 姜国平姜国平 刘天霞刘天霞 汤占岐汤占岐 编编 北方民族大学化学与化学工程学院北方民族大学化学与化学工程学院 二二 0000 六年十一月六年十一月 过程装备与控制技术实验指导书 2 目目 录录 实验实验 1:1:流流量自衡过程量自衡过程3 实验实验 2：单液位非自衡过程：单液位非自衡过程6 实验实验 3：液位与流量的非线性关系实验：液位与流量的非线性关系实验6 实验实验 4：反应温度非自衡过程反应温度非自衡过程9 实验实验 5：一阶惯性通道传递函数模型测试：一阶惯性通道传递函数模型测试13 实验实验 6：衰减振荡法液位：衰减振荡法液位 PID 控制器参数整定控制器参数整定 17 实验实验 7：气体压力：气体压力 PID 单回路控制系统的设计与整定单回路控制系统的设计与整定 22 过程装备与控制技术实验指导书 3 实验实验 1:1:流量自衡过程流量自衡过程 1 1、实验目的、实验目的 1）了解什么是自衡过程及其特点。 2）分清过程自衡的原因。 3）分析过程自衡的条件及自衡的范围。 2 2、实验原理、实验原理 自衡过程是指系统中存在着对所关注的变量的变化有一种固有的、自然形式的负反馈 作用，该作用总是力图恢复系统的平衡。具有自平衡能力的过程称为自衡过程。反之，不 存在固有反馈作用且自身无法恢复平衡的过程，称为非自衡过程。在出现扰动后，过程能 靠自身的能力达到新的平衡状态的性质称为自衡特性。 无论扰动如何变化，过程自身都能在不加控制的条件下，在变量实际允许的量程范围 内达到平衡，这种过程称为完全自衡过程。实际过程中自衡常常是有条件的，并且是在一 定的范围内才可以自衡，超出允许范围就无法达到自衡了。 依据过程的自衡与非自衡特性，可以将大多数工业过程的特性归类为如下常见类型。 1） 无振荡自衡过程无振荡自衡过程 在阶跃作用下，被作用变量不发生振荡，且逐渐向新的稳态值靠近。此类过程的传递 函数模型可表达为如下形式 （2-1） G s Ke Ts G s Ke TT G s Ke Ts s s s n ( ) ( ) ()() ( ) () 1 11 1 12 以上无振荡自衡过程传递函数模型，可以直接通过阶跃响应曲线用图解法或曲线拟合 方法得到，详见本单元模块（四） 。在过程工业中无振荡自衡过程十分常见，并常用第一种 模型表达。第一种模型又称为一阶加纯滞后模型，可以用来近似多容高阶动态模型。 2） 有振荡自衡过程有振荡自衡过程 在阶跃作用下，被作用变量发生衰减振荡，且逐渐向新的稳态值靠近。此类过程的传 递函数模型至少是二阶以上形式，在工业过程中很少见，例如 （2-2）G s Ke T sTs s ( ) () () 2 2 21 01 3） 无振荡非自衡过程无振荡非自衡过程 在阶跃作用下，被作用变量会一直上升或一直下降，不能达到新的平衡状态。此类过 程的传递函数模型常表达为 （2-3）G s Ke Ts s ( ) （2-4）G s Ke s Ts s ( ) () 1 过程装备与控制技术实验指导书 4 由于积分过程具有非自衡特性，以上传递函数模型中都含有一个积分因子(1/S)。 3、实验工艺过程描述、实验工艺过程描述 流量自衡过程实验选离心泵及液位流程中的泵出口流量 F2，具体流程见图 1-1。工艺 过程的描述详见第一部分，第二单元。为了使实验结果准确，采用单回路液位控制系统通 过上游的阀门 V1 调节流量 F1，控制液位 L1 稳定。然后，通过手动改变阀门 V2 的开度， 观察流量 F2 的自衡过程。 4、实验设备及连接、实验设备及连接 1）在上位计算机启动测试软件，选择并进入离心泵及液位工程。 2）在盘台上进行线路连接。如图 2-2 所示， 用黑色导线将卧圆罐液位 L1 黑色插孔和液晶显示器下部 1 号黑色插孔连接，将 L1 设定为液晶显示器上对应的第一排左数第一个棒图显示。 用黑色导线将离心泵出口流量 F2 黑色插孔和液晶显示器下部 11 号黑色插孔连接， 将 F2 设定为液晶显示器上对应的第三排左数第一个数字显示。 5、控制系统组态、控制系统组态 1）将液位 L1 控制定义为位号 LIC-01，PID 参数设置为：KC=16、Ti=60 秒、Td=0 秒、 反作用。变送器集点选 L1。带定位器的控制阀选 V1，阀特性选线性，组态画面见图 2- 3。 2）完成趋势画面组态，选择 F2、V2 两个变量需要趋势记录。趋势画面见图 2-4。 3）阀门 V1、V2 特性选线性。 图 1-1 离心泵及液位流程图画面 6、实验步骤、实验步骤 1）将测试软件选定为运行状态。 2）按照第一部分，第二单元操作规程将本系统开车到正常工况。此时，手动调整 V2 的开度为 45%，L1 设定值设为 50%。 3）手动调整 V2 的开度为 55%，观察流量 F2 按一阶非周期特性上升，大约 25 秒钟后 达到新的平衡。 4）手动调整 V2 的开度为 60%，观察流量 F2 仍按一阶非周期特性上升，大约 20 秒钟 后达到新的平衡。 5）本实验可以继续下去，无论如何改变 V2 的开度（增加或减少） ，F2 总能经过一个一 阶非周期特性的变化达到新的平衡点。 过程装备与控制技术实验指导书 5 图 1-2 盘台上的黑线连接 图 1-3 液位单回路控制系统组态图 7、实验结果记录、实验结果记录 详见图 4 所记录的 F2 和 V2 随时间变化的历史曲线，及实验记录表 2-1。 表 2-1测试实验案例 001 实验记录 实验步骤V2 初始开度V2 新开度F2 初始值F2 新平衡值 1 2 3 4 过程装备与控制技术实验指导书 6 图 1-4 趋势记录画面 8、实验分析与结论、实验分析与结论 9 9、思考题、思考题 1）什么是自衡过程？有何特点？ 2）简要解释过程自衡的原理。 3）什么原因能导致流量自衡？举例说明。 实验实验 2：单液位非自衡过程：单液位非自衡过程 1 1、实验目的、实验目的 1）了解什么是单液位非自衡过程及其特点。 2）分清单液位非自衡过程非自衡的原因。 3）分析单液位非自衡过程非自衡的条件。 2 2、实验原理、实验原理 见实验 1。 3、实验工艺过程描述、实验工艺过程描述 工艺过程同实验 1，所不同的是固定出口流量 F2（即固定 V2 开度） ，改变入口流量 F1，观察液位 L1 的非自衡现象。 4、实验设备及连接、实验设备及连接 同实验 1。 5、控制系统组态、控制系统组态 同实验 1。 6、实验步骤、实验步骤 1）设定趋势回零状态，启动测试软件为运行模式。 2）按照第一部分，第二单元操作规程将本系统开车到正常工况。此时，手动调整 V2 的开度为 30%，L1 设定值设为 50%。 3）将控制器 LIC-01 置手动，将控制器输出提升到 80%，实现方法是：在控制器图标中 点击“配置”，弹出“PID 控制器配置”画面，修改输出为 80%，并进行“确认”。 过程装备与控制技术实验指导书 7 4）观察液位持续上升，最后液位达到 100%，即满罐，由于本罐通大气，继续下去则 发生溢流事故，液位将维持 100%不变。 5）本实验可以继续下去，发现 V1 的开度只要偏离使流量 F1 等于 F2 的位置，当 F1 大 于 F2 时，液位 L1 则持续上升直到满罐；当 F1 小于 F2 时，液位 L1 则持续下降直到抽空。 系统再也无法达到平衡。 7、实验结果记录、实验结果记录 详见图 2-5，测试软件按趋势画面组态自动记录 L1 和 V1 随时间变化的历史曲线。 图 2-1 趋势记录画面 8、实验分析与结论、实验分析与结论 9、思考题、思考题 1. 什么原因能导致液位自衡？举例说明。 实验实验 3 液位与流量的非线性关系实验液位与流量的非线性关系实验 一、知识点一、知识点 工艺过程特性为线性的主要特征是，相同的输入相对变化，导致输出的相对变化为常 数。例如，直线特性控制阀的固有特性表现为，在阀杆全行程的任何位置，相同的相对开 度变化导致的流量变化总是相同，即阀门增益为常数。 而工艺过程特性为非线性的主要特征是，相同的输入相对变化，导致输出的相对变化 不为常数。例如，等百分比特性的控制阀，在阀杆全行程的任何位置，相同的相对开度变 化导致的流量变化不同。工业过程中，大多数的通道特性是非线性的。 为了测试液位的线性或非线性特性，可以先将容器液体排放干净，关闭出口阀门。然 后向容器以不变的流量（保持阀门为固定开度）注入液体，观察并记录液位的上涨数据， 直到容器注满为止。这个过程中每个单位时间流量变化都是相同的，如果液位的变化特性 是线性的，所记录的液位增长曲线应当是一条斜的直线。如果液位的变化特性是非线性的， 所记录的液位增长曲线应当不是直线。 以上试验可以测试出由于容器形状所导致的液位变化的非线性特性。实际上，入口流 量或出口流量的变化也能导致液位变化的非线性特性。 广义的看，高阶动态特性为线性，变量各阶变化率之间的关系都为常数，否则都是非 过程装备与控制技术实验指导书 8 线性的。 二、实验说明、二、实验说明、 1、实验目的、实验目的 （1）了解工艺过程非线性特性的主要特征。 （3）分析导致非线性的原因。 2、实验原理、实验原理 同实验 1 3、实验内容、实验内容 （1）实验工艺过程描述）实验工艺过程描述 工艺过程流程图见图 1-5。将系统恢复到冷态。打开 V1，在出口泵停止的前提下， 记录液位 L1 从 0%上升到 100%全过程。 （2）实验设备及连接）实验设备及连接 1）在上位计算机启动测试软件，选择并进入离心泵及液位工程。 2）盘台上线路连接。同实验 1。 （3）控制系统组态）控制系统组态 1）完成趋势画面组态，选择 L1 变量需要趋势记录。 2）阀门 V1 选线性特性。 4、实验步骤、实验步骤 1）启动离心泵与液位软件工程。 2）检查离心泵应处于关闭状态，将 V1 的开度调整到 80%左右，测试软件选定为冷态 运行状态。 3）注意维持泵出口阀 V2 关闭。 4）保持 V1 开度，以恒定的流量，直到把卧式圆储罐注满，关闭 V1。 5、实验结果记录、实验结果记录 详见图 1-6 记录了 V1 维持开度以恒定的流量引起液位 L1 变化的趋势。同时记录 V1=80%，F1=11.28kg/s。 6、实验分析与结论、实验分析与结论 1）液位与恒定流量呈非线性原因）液位与恒定流量呈非线性原因 卧式圆储罐的容器形状特点是，L1=50%的高度横截面积最大，而 L1 从 0%上升到 50%， 容器横截面积从最小变化到最大。L1 从 50%上升到 100%，容器横截面积又从最大变化到 最小。因此，在 L1 的中部，单位时间向容器注入相同容积的液体导致液位上升的高度最 小，在容器底部或顶部，单位时间向容器注入相同容积的液体导致液位上升的高度逐渐变 大。所记录的 L1 变化曲线呈倒“S”形，中间变化平缓，两端变化逐渐加大。 此种情况是由于容器形状导致了液位变化的非线性。 2）流量与储罐容量核算）流量与储罐容量核算 在图 1-6 中通过辅助线截取当液位 L1 升至 50%的时间 t=337s - 150s=187s。计算以恒 定的流量 F1=11.28kg/s，历经 t=187s 时间所注入储罐水的体积 V（m3） 。已知水的重度 过程装备与控制技术实验指导书 9 1000kgf/m3。 )(11. 21000/ )18728.11(/ )1( 3 mtFV 比较卧式储罐 1/2 的体积 V1/2。已知卧式储罐为椭圆端盖，直径 D=1.5m，最大长度 L=2.6m（等效长度 Le=2.4m） )(12 . 2 2/ )4 . 25 . 11416 . 3 25. 0(2/25 . 0 322 2/1 mLDV e 以上计算结果表明流量 F1、L1 及时间 t 的测量数据准确。 图 1-6 卧式圆储罐液位变化测试记录曲线 三、思考题三、思考题 1 工艺过程特性为线性的主要特征是什么？ 2 工艺过程特性为非线性的主要特征是什么？ 3 导致液位呈非线性特性的原因主要有哪些因素？ 4 入口流量不变所引起的卧式圆罐的液位变化为什么呈反“S”形？ 实验实验 4：反应温度非自衡过程：反应温度非自衡过程 1 1、实验目的、实验目的 过程装备与控制技术实验指导书 10 1）了解什么是反应温度非自衡过程及其特点。 2）分清反应温度非自衡的原因。 3）分析反应温度非自衡的条件。 2 2、实验原理、实验原理 见实验 1。 3、实验工艺过程描述、实验工艺过程描述 连续反应温度非自衡过程实验流程见图 3-1。工艺过程的描述详见第一部分，第五单元。 首先通过手动将连续反应过程从冷态开车达到正常工况，采用单回路控制系统 TIC-01 稳定 反应温度，用单回路控制系统 LIC-01 稳定反应器内的液位。当反应稳定后，将 TIC-01 切 手动，人为改变夹套冷却水阀门 V8 开度，即加大或减小冷却水流量，观察反应温度的非 自衡过程。 4、实验设备及连接、实验设备及连接 1）在上位计算机启动测试软件，选择并进入连续反应工程。 2）在盘台上进行线路连接。 用黑色导线将丙烯进料流量 F4 黑色插孔和液晶显示器下部 8 号黑色插孔连接， 将 F4 设定为液晶显示器上对应的第二排右数第三个数字显示。 用黑色导线将己烷进料流量 F5 黑色插孔和液晶显示器下部 9 号黑色插孔连接，将 F5 设定为液晶显示器上对应的第二排右数第二个数字显示。 用黑色导线将催化剂与活化剂混合物进料流量 F6 黑色插孔和液晶显示器下部 10 号黑色插孔连接，将 F6 设定为液晶显示器上对应的第二排右数第一个数字显示。 用黑色导线将反应温度 T1 黑色插孔和液晶显示器下部 13 号黑色插孔连接，将他 设定为液晶显示器上对应的第三排右数第三个数字显示。 用黑色导线将反应器液位 L4 黑色插孔和液晶显示器下部 14 号黑色插孔连接，将 L4 设定为液晶显示器上对应的第三排右数第二个数字显示。 用黑色导线将夹套冷却水流量 F8 黑色插孔和液晶显示器下部 15 号黑色插孔连接， 将 F8 设定为液晶显示器上对应的第三排右数第一个数字显示。 图 3-1 连续反应过程流程图画面 过程装备与控制技术实验指导书 11 图 3-2 控制系统组态画面 5、控制系统组态、控制系统组态 1）将液位 L4 控制定义为位号 LIC-04，PID 参数设置为：KC=1.5、Ti=50 秒、Td=0 秒、 正作用。变送器集点选 L4。带定位器的控制阀选 V9，阀特性选线性，组态画面见图 3- 2。 2）将反应温度 T1 控制定义为位号 TIC-01，PID 参数设置为：KC=6、Ti=90 秒、Td=10 秒、正作用。变送器集点选 T1。带定位器的控制阀选 V8，阀特性选线性，组态画面见图 3-2。 3）完成趋势画面组态，选择 T1、V8、F8 三个变量需要趋势记录。趋势画面见图 3-3。 4）阀门 V4、V5、V6 选线性特性。 6、实验步骤、实验步骤 1）设定趋势回零状态，启动测试软件为运行模式。 2）按照第一部分，第五单元操作规程（见附录）将本系统开车到稳定工况。此时，手 动调整 V4 的开度为 55%，V5 的开度为 55%，V6 的开度为 60%，反应器液位 LIC-01 的 设定值为 70%，反应温度 TIC-01 的设定值为 70。系统工况稳定时，F4=718 Kg/h，F5=1505 Kg/h，F6=88.8 Kg/h，T1=70，L4=70%。 3）将反应温度控制器 TIC-01 切手动，将控制器的输出减小 10%左右，使当前反应的冷 却量不足，反应温度按指数规律上升得越来越快，大约 200 多秒钟温度上升到报警限，见 图 2-16 记录曲线。此时如果不采取紧急措施，将发生爆炸事故。这是连续反应温度的正 向非自衡现象。 4）当 T1 上升到接近 100时，及时将 TIC-01 切自动，控制器立即加大夹套冷却水流 量，经过自动控制，T1 回到 70，并稳定在 70上。 5）将反应温度控制器 TIC-01 切手动，将控制器的输出加大 10%左右，使当前反应的冷 却量超出所需量，反应温度则不断下降，直到停止反应，大约 460 秒钟后回到常温。这是 连续反应温度的反向非自衡现象，见图 2-17 记录曲线。此种情况虽然没有危险，但反应 会减弱直到停止，即工厂减产或停工，也是不允许的。 7、实验结果记录、实验结果记录 详见图 3-3 和图 3-4 所记录的 T1、V8 和 F8 随时间变化的历史曲线，图 3-3 是连续反 应温度的正向非自衡过程的记录；图 3-4 是连续反应温度的反向非自衡过程的记录。 过程装备与控制技术实验指导书 12 图 3-3 趋势记录画面之一 图 3-4 趋势记录画面之二 8、实验分析与结论、实验分析与结论 9、思考题、思考题 1）什么是非自衡过程？有何特点？ 2）简要解释过程非自衡的原理。 3）举例说明何种液位系统无法自衡。 4） 各写两种自衡过程和非自衡过程的传递函数模型，说明其特征。 5）导致连续反应温度非自衡的原因是什么？可能导致什么危险？ 6）为什么非自衡过程需要安全保护控制？常用哪些保护控制方法？ 过程装备与控制技术实验指导书 13 实验实验 5：一阶惯性通道传递函数模型测试：一阶惯性通道传递函数模型测试 1、实验目的：、实验目的： 1）正确应用阶跃响应法测试通道动态特性。 2）通过阶跃响应曲线判别通道传递函数表达方式。 3）应用作图法测定通道一阶惯性传递函数的增益 K 和时间常数 T。 4）应用作图法测定通道一阶惯性加纯滞后传递函数的增益 K、时间常数 T 和 纯滞后时间 。 2、实验原理、实验原理 1）通道模型）通道模型 建立工业过程的数学模型是对通道影响关系的深入揭示，在过程控制中，建立通道模 型的用途主要是：辅助控制系统方案的分析和研究；直接用来作为先进控制系统中的数学 模型；辅助控制系统的调试；进行 PID 控制器的参数整定；辅助安全评价和决定安全保护 控制方案；用于故障诊断；用于仿真训练等。 工业过程的数学模型主要分为静态模型和动态模型。通道动态模型是表达输入变量和 输出变量之间随时间变化的数学描述。数学模型的结构为微分方程，常用传递函数表示， 以便采用代数方法分析动态系统。 常见的通道传递函数模型如下： 一阶惯性模型，例如 （2-7） G s s ( ) . . 352 6171 一阶惯性加纯滞后模型，例如 （2-8） G s e s s ( ) . 109 1201 30 二阶惯性加纯滞后模型，例如 （2-9）G s e ss s ( ) . ()() 56 321 681 12 高阶惯性加纯滞后模型，例如 （2-10）G s e s s ( ) . () 28 101 73 6 2）阶跃响应法测试通道模型）阶跃响应法测试通道模型 本方法测试简便，在工业控制中应用广泛。测试的前提是过程处于稳定状态，且所 有的控制器置手动，防止系统的变化被控制作用所掩盖。为了确保系统处于稳定状态，先 利用自动控制稳定工况，然后置手动也是有效的方法。当确认系统稳定后，将所选定通道 的输入变量（一般是用阀门调整）快速变化一个幅度，相当于输入一个阶跃变化。记录输 入和输出随时间变化的曲线。当输出变量达到一个新的稳态值并保持稳定时，即完成一次 测试。 显然，本方法仅适用于自衡过程，而且，应当在输入变量处于不同负荷（高、中、 低）下各重复数次，一方面要确认在相同负荷下的测试数据是否准确，应取平均值；另一 方面要确认不同负荷下响应规律是否有变化，如果有变化，系统特性是非线性的。 过程装备与控制技术实验指导书 14 利用所测试的阶跃响应曲线可以得到通道传递函数模型，可有如下三种情况。 一阶惯性特性一阶惯性特性 如果阶跃响应曲线没有纯滞后或纯滞后时间相对很小，且响应曲线起始变化率很大可 看成一阶惯性特性。可直接从曲线上用作图法测得时间常数 T 和通道开环增益 K。见图 4- 1 所示，T 等于从起始稳态变化到新的稳态 63.2%处的时间，K 等于前后两个稳态值 y1、y2 的差与输入阶跃变化的增幅之比。 K yy uu 21 21 图 4-1 作图法测量 T 和 K （1）一阶惯性加纯滞后特性一阶惯性加纯滞后特性 如果阶跃响应曲线有明显的纯滞后，且响应曲线呈现 S 形，通道为高阶特性，常用一 阶惯性加纯滞后近似。即需要得到纯滞后时间 、时间常数 T 和通道开环增益 K，可直接 从曲线上用作图法测得。见图 4-2 所示，在 S 形曲线的中间拐点处作切线，与前后两个稳 态值 y1、y2 的交点对应的时间差为通道时间常数 T，从阶跃扰动起始时刻到切线与 y1水平 线交点所对应时刻的时间差为 ，K 等于前后两个稳态值 y1、y2的差与输入阶跃变化的增 幅之比。 （2）二阶或二阶或 n 阶惯性加纯滞后阶惯性加纯滞后 当阶跃响应是 S 形单调曲线，也可以用两个或多个一阶惯性环节近似，可望得到更 好的拟合精度。通道增益 K 的求取方法同前。从阶跃干扰产生时刻沿响应曲线没有变化到 刚开始变化的时刻确定纯滞后时间 。余下的工作是决定如何用二阶或 n 阶惯性环节拟合 截去纯滞后部分的阶跃响应特性。依据阶跃响应曲线上的两个点的数据，可以确定二阶或 n 阶惯性环节的时间常数。例如，可在响应曲线总变化范围的 40%和 80%处测定出时间 t1 和 t2，见图 4-3 所示。求取各环节时间常数的方法如下。 当 0.32 0.46 时，该阶跃响应特性具有更高的阶次。为了便于计算，令所有的惯性 环节时间常数相等，确定惯性环节阶次 n 和时间常数 T 的方法是，先计算 t1/ t2从数据表 4- 1 查得阶次 n，然后用下式计算时间常数 T。 （2-13） T tt n 12 216. 表 4-1 模型阶次 t1/ t20.320.460.530.580.620.650.670.6850.710.7350.75 n12345678101214 过程装备与控制技术实验指导书 16 图 4-3 两点作图法测量 K、T、n 2、实验工艺过程描述、实验工艺过程描述 工艺过程同实验 1，流程图见图 1-1。通过自动控制液位 L1 维持上游稳定，手动调整 V2 的开度产生阶跃扰动，记录泵出口流量 F2 的变化趋势曲线，通过记录曲线得出 V2 对 F2 的通道传递函数模型。 3、实验设备及连接、实验设备及连接 1）在上位计算机启动测试软件，选择并进入离心泵及液位工程。 2）盘台上线路连接。同实验 1。 4、控制系统组态、控制系统组态 1）保留液位 L1 控制系统，以便尽快进入测试前的稳定工况。 2）完成趋势画面组态，选择 F2 需要趋势记录。趋势画面见图 2-31。 3）阀门 V1、V2 选线性特性。 5、实验步骤、实验步骤 1）将测试软件选定为运行状态。 2）参照第一部分，第二单元操作规程将本系统开车到稳定工况。此时，手动调整 V2 的开度为 50%，L1 给定值设为 50%，通过自动控制将 L1 稳定在 50%。 3）为了计算 V2 至 F2 通道静态增益 K，需要 F2 在 V2 最大开度（100%）的流量。手 动将 V2 开大到 100%，记录稳定后的 F2=17.7 kg/s。 4）手动将 V2 的开度关小到 60%，等系统达到稳定状态，记录此时的流量 F2=10.64 kg/s。 5）手动快速将 V2 开度提升到 65%，等系统达到稳定状态，记录此时的流量 F2=11.53 kg/s。 6）重复 4)和 5)两次，记录 F2 在 V2 变化开度前后的稳态值，用三次测试的平均值为最 终结果。 7）在高负荷，例如，V2 从 85%变化到 90%；在低负荷，例如，V2 从 30%变化到 35%，重复以上试验，记录测试结果。 6、实验结果记录、实验结果记录 详见图 4-4 记录的 V2 变化引起 F2 变化趋势。测试得到的一组数据如表 4-2。 表 4-2测试实验案例 012 实验记录 V2（%）1006065 F2（kg/s）17.710641153 过程装备与控制技术实验指导书 17 在记录曲线上得到时间常数为 T=4.5s。 计算通道静态增益 （2-14） K () . () . . . 11531064 177 6560 100 005 005 10 通道传递函数模型为 （2-15）G s s ( ) . . 10 451 7、实验分析与结论、实验分析与结论 图 4-4 通道模型测试记录曲线 实验实验 6：衰减振荡法液位：衰减振荡法液位 PID 控制器参数整定控制器参数整定 1 1、实验目的、实验目的 1）掌握衰减振荡法 PID 控制器参数整定技能。 2）熟悉控制器参数整定的常用标准。 3）掌握衰减振荡法 PID 控制器参数估算方法。 4）了解衰减振荡法 PID 控制器参数整定的适用范围。 2 2、实验原理、实验原理 由于工业生产安全稳定性要求，不允许进行等幅振荡试验，或者对象特性无法达到等 幅振荡的场合，可以采用衰减振荡法进行 PID 控制器参数整定。 与临界比例度法比较而言，参数整定步骤完全相同，唯一的区别是采用纯比例作用得 到 4:1 衰减的阶跃干扰的响应曲线为参数整定计算依据。令 KS为 4:1 衰减振荡时的纯比例 增益，TS为 4:1 衰减振荡周期，PID 参数估算方法参见表 5-1。 过程装备与控制技术实验指导书 18 表 5-1 衰减振荡法 PID 控制器参数整定计算表 控制规律P（KC）I（Ti）秒D（Td）秒 PKS PI0.83KS0.5TS PID1.25KS0.3TS0.1TS 衰减振荡法控制器参数整定的优点是，整定质量较好、对工艺过程干扰较小、安全可靠。 缺点是，对于时间常数小的系统不易测取衰减振荡周期 TS，干扰频繁的系统也不宜使用。 3、实验工艺过程描述、实验工艺过程描述 衰减振荡法 PID 控制器参数整定选三级液位流程中的第二级液位 L3，具体流程见图 3- 1。工艺过程的描述详见第一部分，第二单元。为了防止 L1 和 L4 超限，分别采用 PID 单 回路控制。本试验针对 L3 进行衰减振荡法 PID 控制器参数整定。 图 5-1 三级液位流程图画面 流程说明流程说明 见图 5-2，第一级液位系统为卧式储罐，其上游设双效阀 V1，入口流量 F1，储罐液 位 L1，储罐下部出口快开阀 S1（开关） ，离心泵，离心泵入口压力 P2，离心泵出口压力 P3，离心泵出口流量 F2，离心泵高点排气阀 S3（开关） ，排气完成指示灯 D1，离心泵出 口双效阀 V2。第一级液位系统和离心泵另设独立的实验项目，系统结构及所有内容与三级 液位的第一级完全相同。 离心泵一般由电动机带动。启动前须在离心泵的壳体内充满被输送的液体。当电机通 过联轴结带动叶轮高速旋转时，液体受到叶片的推力同时旋转，由于离心力的作用，液体 从叶轮中心被甩向叶轮外沿，以高速流入泵壳，当液体到达蜗形通道后，由于截面积逐渐 扩大，大部分动能变成静压能，于是液体以较高的压力送至所需的地方。当叶轮中心的流 体被甩出后，泵壳吸入口形成了一定的真空，在压差的作用下，液体经吸入管吸入泵壳内， 填补了被排出液体的位置。 过程装备与控制技术实验指导书 19 离心泵若在启动前未充满液体，则离心泵壳内极易存在空气，由于空气密度很小，所 产生的离心力就很小。此时在吸入口处形成的真空不足以将液体吸入离心泵内，因而不能 输送液体，这种现象为“气缚” 。所以离心泵在开动前必须首先将被输送的液体充满泵体， 并进行高点排气。 第二级液位系统，高位非线性计量罐，该罐的上部是直圆桶型，下部为圆锥型，液位 L3，罐出口流量 F5，出口双效阀 V5； 第三级液位系统，釜式反应器，反应器液位 L4，出口流量 F9，出口双效阀 V9。 在三级液位实验中，三个储水罐都通大气，即都为敞口设备。设备尺寸和阀门选型如 下： 1）卧式储罐，直径1000 mm，长度1000 mm，体积0.785 m3 2）卧式储罐上游自来水管公称直径 Dg100 mm （1084无缝钢管） 3）调节阀V1，选吴忠仪表厂HTS单座调节阀，公称通径Dg100 mm，阀座直径65 mm，高精 度流量特性阀芯，流通能力 Kv= 58.3（Cv= 68） 4）卧式储罐出口到离心泵入口水管长度 2 m，公称直径 Dg80 mm （893.5无缝钢管） 5）离心式水泵，型号2B31，流量30m3/h，扬程24 m，功率3.07 kw，电机 4.0 kw，允许吸 入高度 5.7 m，叶轮直径162 mm（离心式水泵特性可直接在本实验系统测得） 6）离心泵出口至高位非线性计量罐水管长度 8 m，公称直径 Dg50 mm （572.5无缝 钢管） 7）调节阀V2，选吴忠仪表厂HTS单座调节阀，公称通径Dg50 mm，阀座直径50 mm，高精 度流量特性阀芯，流通能力 Kv= 37.7（Cv= 44） 8）高位非线性计量罐（第二级液位） ，直径600 mm，圆筒型部分高度1000 mm，圆锥型部 分高度520 mm，体积0.33 m3 9）釜式反应器（第三级液位） ，直径1000 mm，高度1600 mm，体积1.26 m3 图5-2 离心泵与三级液位流程图 10）高位非线性计量罐至釜式反应器顶部高差1000 mm，连接水管长度 2 m，公称直径 Dg100 mm （1084无缝钢管） 11）调节阀V5，选吴忠仪表厂HTS单座调节阀，公称通径Dg100 mm，阀座直径100 mm，高 过程装备与控制技术实验指导书 20 精度流量特性阀芯，流通能力 Kv= 150（Cv= 175） 12）釜式反应器底部排水管向大气排水，高差500 mm，水管长度 2 m，公称直径 Dg100 mm （1084无缝钢管） 13）调节阀V9，选吴忠仪表厂HTS单座调节阀，公称通径Dg100 mm，阀座直径100 mm，高 精度流量特性阀芯，流通能力 Kv= 150（Cv= 175） 4、实验设备及连接、实验设备及连接 1）在上位计算机启动测试软件，选择并进入三级液位工程。 2）在盘台上进行线路连接。 用黑色导线将卧圆罐液位 L1 黑色插孔和液晶显示器下部 1 号黑色插孔连接，将 L1 设定为液晶显示器上对应的第一排左数第一个棒图显示。 用黑色导线将反应器液位 L4 黑色插孔和液晶显示器下部 2 号黑色插孔连接，将 L4 设定为液晶显示器上对应的第一排左数第二个棒图显示。 用黑色导线将第二级液位 L3 黑色插孔和液晶显示器下部 5 号黑色插孔连接，将 L3 设定为液晶显示器上对应的第一排右数第一个棒图显示。 用黑色导线将流量 F2 黑色插孔和液晶显示器下部 14 号黑色插孔连接，将 F2 设 定为液晶显示器上对应的第三排右数第二个数字显示。 用黑色导线将流量 F5 黑色插孔和液晶显示器下部 15 号黑色插孔连接，将 F5 设 定为液晶显示器上对应的第三排右数第一个数字显示。 5、控制系统组态、控制系统组态 1）将液位 L1 控制定义为位号 LIC-01，PID 参数设置为：KC=16、Ti=60 秒、Td=0 秒、 反作用。变送器采集点选 L1。带定位器的控制阀选 V1，阀门特性为线性，组态画面见图 5-3。 2）将液位 L4 控制定义为位号 LIC-04，PID 参数设置为：KC =2、Ti =50 秒、Td =0 秒、 正作用。变送器采集点选 L4。带定位器的控制阀选 V9，阀门特性为线性，组态画面见图 2-57。 3）将液位 L3 控制定义为位号 LIC-03，PID 参数设置为：KC =1、Ti =99999 秒、Td =0 秒、正作用。变送器采集点选 L3。带定位器的控制阀选 V5，阀门特性为线性，组态画面 见图 2-57。 4）完成趋势画面组态，选择 L3、V5 两个变量需要趋势记录。趋势画面见图 2-58。 5）阀门 V1、V2、V5、V9 选线性特性。 图5-3 控制器参数整定控制系统组态 6、实验步骤、实验步骤 1）设定趋势回零状态，启动测试软件为运行模式。 过程装备与控制技术实验指导书 21 2）按照第一部分，第二单元操作规程将本系统开车到稳定工况。此时，L1 给定值设为 50%投自动；L4 给定值设为 1.0 m 投自动。手动调整 V2 及 V5，使 L3 稳定在 1.0 m 左右， 将 LIC-03 投自动。 3）将 LIC-03 设为纯比例作用，增益 KC从 1.0 到大以 1.0 为增量逐渐变化，每变化一次 增益 KC，观察一次阶跃响应曲线，直到出现 4:1 衰减振荡曲线为止。测量并记录此时的 增益 KS=2.2，振荡周期 TS=73 秒，记录曲线见图 5-4。此时的余差大约为 0.08m。 4）参考计算公式表计算得到：KC=2.75，Ti=22 秒，Td=7.3 秒。 5）将计算得到的数据设置为 LIC-03 的 PID 参数，手动调整 V2 将流量 F2 拉偏引入阶 跃干扰，观察响应曲线，阶跃响应曲线见图 5-5。 7、实验结果记录、实验结果记录 详见图 5-4 和图 5-5 所记录的 L3、V5 随时间变化的历史曲线。 8、实验分析与结论、实验分析与结论 图 5-4 衰减曲线趋势记录画面 过程装备与控制技术实验指导书 22 图 5-5 最终趋势记录画面 9、思考题、思考题 1）如何将控制器衰减振荡的比例度折算到增益值？ 2）衰减振荡法控制器参数整定是如何进行的？ 3）衰减振荡法控制器参数整定有何优点和缺点？ 4）列出衰减振荡法 PID 控制器参数整定的估算方法。 实验实验 7：气体压力：气体压力 PID 单回路控制系统的设计与整定单回路控制系统的设计与整定 1 1、测试实验目的、测试实验目的 1）掌握压力 PID 单回路控制系统的常用方法。 2）熟悉压力 PID 单回路控制系统组态。 3）掌握压力 PID 控制器参数整定方法。 2 2、实验原理、实验原理 1 1）压力 作用于单位面积上的垂直力，工程上称为压力，物理学中称为压强。压力依据零点参 考压力的不同，分为绝对压力、表压力、压力差、负压力（真空）和真空度。 绝对压力：绝对压力：以完全真空为零标准所表示的压力。 表压力：表压力：以大气压为零标准所表示的压力，等于高于大气压力的绝对压力与大气压力 之差。 大气压力：大气压力：一个标准大气压是在纬度 45 度，温度为 0，重力加速度为 9.80665m/s2 海平面上，空气气柱重量所产生的绝对压力，其值是 101325Pa。 压差：压差：除大气压力以外的任意两个压力的差值。 负压：负压：绝对压力小于大气压时，大气压力与绝对压力之差为负压。负压的绝对值称为 真空。 真空度：真空度：绝对压力小于大气压时的绝对压力。 压力测量常用的单位有： 帕斯卡（Pa），其物理意义是，1 牛顿的力作用于 1 平方米的面积上的压强（力）。 工程中常用 MPa 表示压力，1 MPa=106 Pa， 工程大气压（kgf/cm2），垂直作用于每平方厘米面积上的力，以公斤数为计量单位。 工程上常用 kg/cm2表示。1 kgf/cm2=9.80665105 Pa=0.980665 MPa。 物理大气压（atm），即上面所述的标准大气压。 毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O），垂直作用于底面积上的水银柱或水柱 的高度为计量单位。1 atm=760 mmHg。 许多生产过程都是在不同的压力下进行的，有些需要很高的压力，例如，高压聚乙烯、 合成氨生产过程等，有些需要很高的真空度。压力是化学反应的重要参数，不但影响到反 应平衡关系，也影响到反应速率。生产过程中的其它参数也经常通过压力间接测量，例如， 流量、液位、温度等可以转换为压力进行测量。 2）压力的测量）压力的测量 压力（压差）的测量方法主要有，液体式、弹性式、活塞式、电动式（电感、电容、 电位、应变、压电、霍尔、力平衡、电涡流等）、气动式、光学式（光纤、光干涉、光电、 过程装备与控制技术实验指导书 23 激光等）。压力控制系统的检测部件通过压力变送器，输出统一标准的 4-20mA 信号。 3）压力的动态特性）压力的动态特性 压力控制在工业中主要有气体、液体和蒸汽三种。对象的类型常见有两类，其一是具有 一定容量的气罐，此种情况，体积和容量较大，表征动态特性的时间常数较大，即惯性较 大。其二是管道的压力，由于管段的容积较小，所以时间常数较小，控制比较灵敏。 以上两种情况与温度对象相比都是比较快的过程，时间常数不大，都大致呈现单容特性， 在控制中一般不用微分作用。 4）压力的控制方案）压力的控制方案 一个系统的热力学状态可以用其压力、热焓和体积加以描述。当仅有气相存在时，气体 的压力和体积成反比，热焓相对而言起次要作用。本实验系统的气体压缩过程属于此种情 况。 当过程物系中液体与蒸汽共存并处于汽液平衡状态时，系统中的热焓变化将会引起压力 的显著变化，而体积变化对压力影响较小。此外，当混合物系中组分的汽液平衡特性差异 较大时，各组分的比分对压力影响很大。本实验系统的连续反应器压力和间歇反应器压力 属于此种情况。 对于过程只有液相而言，由于液体是不可压缩的，压力和热焓对系统的体积都没有多大 影响。液体的压力控制与流量十分相似，例如，管路中的压力直接与流量有关，过程的动 态特性完全是由于流体流动的惯性造成的。本实验系统离心泵出口压力属于此种情况。 对于蒸汽压力控制而言，质量流量和热量流量两者都影响系统的压力。在蒸汽锅炉、精 馏塔或蒸发器中，热量传递是重要的操作和控制手段，可以利用系统的压力控制保持过程 的热量平衡。此种情况压力的动态特性和温度类似。 3、实验工艺过程描述、实验工艺过程描述 压力 PID 单回路控制系统的设计与整定实验流程见图 2-9 气体压缩系统。工艺过程的 描述详见第一部分，第四单元。本实验的目的是通过阀门 V6 进行压力 P7 的定值控制。为 了防止上游有关阀门的阻力影响，将压缩机出口阀 V3、缓冲罐出口阀 V4 开到 100%不变。 图 6-1 气体压缩过程流程图画面 气体压缩过程实验流程如图 6-2 所示，主要设备和变量有：透平式气体压缩机，压缩 过程装备与控制技术实验指导书 24 机出口压力 P4，出口流量 F3，出口双效阀 V3，气体缓冲罐，罐内压力 P5，罐出口流量 F4，罐出口双效阀 V4，被充压的装置用釜式反应器代替，装置压力 P7，装置的出口流量 为 F6，出口双效阀 V6。 图 6-2 气体压缩过程流程图 4、实验设备及连接、实验设备及连接 1）在上位计算机启动测试软件，选择并进入气体压缩工程。 2）在盘台上进行线路连接。用黑色导线将压力 P7 黑色插孔和液晶显示器下部 15 号黑 色插孔连接，将 P7 设定为液晶显示器上对应的第三排右数第一个数字显示。 3）用黑色导线将流量 F6 黑色插孔和液晶显示器下部 10 号黑色插孔连接，将 F6 设定 为液晶显示器上对应的第二排右数第一个数字显示。 5、控制系统组态、控制系统组态 1）将压力 P7 控制器定义为位号 PIC-01，PID 参数设置为：KC=10、Ti=99999 秒、Td=0 秒、正作用。变送器采集点选 P7。带定位器的控制阀选 V6，阀门特性为线性，组态画面 见图 2-73。 2）完成趋势画面组态，选择 P7、V6 两个变量需要趋势记录。趋势画面见图 6-3。 3）阀门 V3、V4 选线性特性。 图 6-3 压力控制系统组态画面 6、实验步骤、实验步骤 过程装备与控制技术实验指导书 25 1）设定趋势回零状态，启动测试软件为运行模式。 2）按照第一部分，第四单元操作规程将本系统开车到稳定工况。此时，V3 全开 100%，V4 全开 100%，PIC-01 投自动。 3）将 PIC-01 设为纯比例作用，增益 KC从 10 以 1.0 为增量逐渐变化，每变化一次增益 KC，观察一次阶跃响应曲线，直到出现等幅振荡曲线为止。测量并记录此时的临界增益 Kcmax= 21，等幅振荡周期 Tmax=60 秒。 4）参考计算公式表计算得到 PI 控制参数为：KC=9.5，Ti=50 秒，Td=0 秒。 5）将计算得到的数据设置为 PIC-01 的 PI 参数，调整设定值，将 P7 设定值拉偏引入阶 跃干扰，观察响应曲线。等幅振荡和阶跃响应曲线见图 6-4。 7、实验结果记录、实验结果记录 详见图 6-4 记录了 P7 与 V6 随时间变化的历史曲线。 8、实验分析与结论、实验分析与结论 图 6-4 气体压力控制等幅振荡和阶跃响应曲线 过程装备与控制技术实验指导书 26 附录： 第五单元第五单元 连续反应过程连续反应过程 一、概述一、概述 本连续反应过程是工业常见的典型的带搅拌的釜式反应器（CSTR）系统，同时又是高 分子聚合反应。本实验是当前全实物实验根本无法进行的复杂、高危险性实验，又是非常 重要的基础反应动力学实验和反应系统控制实验内容。此外，全实物实验还面临物料消耗、 能量消耗、反应产物的处理、废气废液的处理和环境污染问题，以上各项问题比间歇反应 更严重，因为连续反应的处理量大大超过间歇过程。现有的连续反应实验系统实际上都是 水位及流量系统，根本没有反应现象。在本连续反应实验系统上除了进行常规控制系统实 验外，还可以进行模糊控制、优化控制、深层知识专家系统（例如 SDG 法）故障诊断等高 级控制实验。 二、工艺过程简介二、工艺过程简介 连续反应实验系统以液态丙烯为单体、以液态已烷为溶剂，在催化剂与活化剂的作用 下，在反应温度 701.0下进行悬浮聚合反应，得到聚丙烯产品。 在工业生产中为了提高产量，常用两釜或多釜串联流程。由于在每一个反应釜中的动 态过程内容相似，为了提高实验效率、节省实验时间，特将多釜反应器简化为单反应器连 续操作系统。 丙烯聚合反应是在己烷溶剂中进行的，采用了高效、高定向性催化剂。己烷溶剂是反 应生成物聚丙烯的载体，不参与反应，反应生成的聚丙烯不溶于单体丙烯和溶剂，反应器 内的物料为淤浆