过程控制实训.doc

一、实习的主要内容 图1 系统总貌图实验设备1实验对象及控制屏、sa-11挂件一个、sa-13挂件一个、sa-14挂件一个、计算机一台（dcs需两台计算机）、万用表一个；2sa-12挂件一个、rs485/232转换器一个、通讯线一根；3sa-21挂件一个、sa-22挂件一个、sa-23挂件一个；4sa-31挂件一个、sa-32挂件一个、sa-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根； 5sa-41挂件一个、cp5611专用网卡及网线；6sa-42挂件一个、pc/ppi通讯电缆一根。1） 单容自衡水箱液位特性测试控制要求：1掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线；根据动态物料平衡关系有q1-q2=a (2-1)将式(2-1)表示为增量形式q1-q2=a (2-2)式中：q1，q2，h分别为偏离某一平衡状态的增量； a水箱截面积。在平衡时，q1=q2，0；当q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，q2也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为q2与h成正比关系，而与阀f1-11的阻力r成反比，即q2=或r= (2-3) 式中：r阀f1-11的阻力，称为液阻。将式(2-2)、式(2-3)经拉氏变换并消去中间变量q2，即可得到单容水箱的数学模型为w0（s）= 2根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数k、t和传递函数；图1 单容自衡水箱特性测试系统 （a）结构图 （b）方框图图2 单容水箱的阶跃响应曲线2） 双容水箱特性的测试控制要求：1掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；2根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数k、t1、t2及传递函数；图3 双容水箱对象特性测试系统(a)结构图 (b)方框图双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。在图4所示的阶跃响应曲线上求取：(1) h2（t）|t=t1=0.4 h2()时曲线上的点b和对应的时间t1；(2) h2（t）|t=t2=0.8 h2()时曲线上的点c和对应的时间t2。图4 双容水箱液位的阶跃响应曲线 0.32t1/t20.46由上述两式中解出t1和t2，于是得到上式所示的传递函数。在改变相应的阀门开度后，对象可能出现滞后特性，这时可由s形曲线的拐点p处作一切线，它与时间轴的交点为a，oa对应的时间即为对象响应的滞后时间。于是得到双容滞后（二阶滞后）对象的传递函数为：g（s）=3） 电动调节阀流量特性的测试控制要求：1了解电动调节阀的结构与工作原理。2通过实验进一步了解电动调节阀的流量特性图5 电动阀流量特性测试系统结构图图6 电动阀连接示意图电动调节阀包括执行机构和阀两个部分，它是过程控制系统中的一个重要执行元件。电动调节阀接受来自调节器的420madc信号u，将其转换为相应的阀门开度l，以改变阀截流面积f的大小，从而改变流量。调节阀的静态特性kvdq/du，其中u是调节器输出的控制信号，q是被调介质流过阀门的相对流量。调节阀的动态特性gv(s)=kv/(tvs+1)，其中tv为调节阀的时间常数，一般很小，可以忽略。但在如流量控制这样的快速过程中， tv有时不能忽略。调节阀结构特性是指阀芯与阀座间节流面积与阀门开度之间的关系，通常有四种结构,即快开特性、直线特性、抛物线特性、等百分比特性。调节阀的流量特性，是指介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系，因为执行机构静态时输出l（阀门的相对开度）与u成比例关系，所以调节阀静态特性又称调节阀流量特性，即qf(l)。式中：qq/q100为相对流量，即调节阀某一开度流量q与全开流量q100之比；ll/l100相对开度，即调节阀某一开度行程l与全行程l100之比。4）水箱液位串级控制系统1通过实验了解水箱液位串级控制系统组成原理。2掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。3了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响图9 水箱液位串级控制系统(a) 结构图 (b)方框图干扰均要求扰动量为控制量的515，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，下水箱液位的响应过程曲线将如图9所示。图10 下水箱液位阶跃响应曲线水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主控制量。副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，中水箱的液位为系统的副控制量。主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。副调节器的的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为pi或pid控制。由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用p调节器。5）单回路控制系统控制要求：单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。图7 单回路控制系统方框图1比例(p)调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。其传递函数为：gc(s)= kp = (3-1) 式中kp为比例系数，为比例带。2比例积分(pi)调节pi调节器就是利用p调节快速抵消干扰的影响，同时利用i调节消除残差，但i调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。其传递函数为：gc(s)=kp(1+)(1+) (3-2) 式中ti为积分时间。3比例微分(pd)调节这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。因此一般不用于流量和液位控制系统。pd调节器的传递函数为： gc(s)=kp(1+tds)(1+tds) (3-3) 式中td为微分时间。4比例积分微分(pid)调节器pid是常规调节器中性能最好的一种调节器。由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。它的传递函数为gc(s)=kp(1+tds)(1+tds) (3-4) 图8 各种控制规律对应的响应过程二、实习取得的经验及收获 通过这一周的实训，加深了对像串级控制系统、前馈控制系统、比值控制系统等这样的控制系统的结构的理解，以及对这些控制系统的pid参数的调整方法更加的熟悉。虽然只有短短的一周时间，但是它让我真正地理解了复杂控制系统参数的整定方法和系统结构，这是一次实践和理论的接合。我们初步认识了过程控制系统在实际生产中的工作过程和重要作用。通过学习我们了解，每一个过程控制系统都是实际生产过程中的指挥官，而我们作为操作人员，更加应该对自己的每一次操作负责，要知道任何一次操作的失误，轻则影响产品生产的效率，重则会发生严重的安全事故。通过几天的练习，我们的分析能力，决策能力和应变能力都得到了较大的提高，同时我们更加明白了做事情必须一丝不苟，任何一小小的差错都可能引起严重的后果。 最后，感谢瞿曌老师在这一周时间