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过程控制实验指导书 1 过程控制设计毕业论文过程控制设计毕业论文 目 录 第一章第一章 前言前言 3 第二章第二章 过程控制仪表实验过程控制仪表实验 5 一 压力 液位变送器的认识和校验 5 二 调节器的认识和校验 7 三 热电阻的认识和校验 11 四 电动调节阀的认识和校验 13 五 流量计的认识和校验 15 六 变频器的认识和校验 17 第三章第三章 对象特性测试实验对象特性测试实验 18 一 测试对象特性的方法 18 二 上水箱特性测试 调节器控制 实验 20 三 上水箱特性测试三 上水箱特性测试 计算机控制计算机控制 实验实验 23 四 中水箱特性测试 调节器控制 实验 25 五 中水箱特性测试 计算机控制 实验 27 六 二阶液位特性测试 调节器 实验 29 七 二阶液位特性测试 计算机 实验 31 八 温度加热器特性测试 调节器 实验 33 九 温度加热器特性测试 计算机 实验 35 十 调节阀流量特性测试 调节器 实验 37 十一 调节阀流量特性测试 计算机 实验 39 第四章第四章 单回路控制系统实验单回路控制系统实验 41 一 压力单闭环实验 调节器控制 43 二 压力单闭环实验 计算机控制 46 三 温度单闭环实验 调节器控制 48 四 温度单闭环实验 计算机控制 50 五 液位单闭环实验 调节器控制 52 六 液位单闭环实验 计算机控制 55 七 流量单闭环实验 调节器控制 57 八 流量单闭环实验 计算机控制 59 九 双容液位控制实验 调节器控制 61 十 双容液位控制实验 计算机控制 64 第五章第五章 串级控制系统串级控制系统 66 一 串级控制系统的设计与整定 66 二 上水箱液位和流量串级实验 调节器控制 68 三 上 中水箱液位组成串级实验 计算机控制 71 过程控制实验指导书 2 四 上水箱液位和流量串级系统 计算机控制 74 第六章第六章 比值控制系统比值控制系统 76 一 流量比值控制系统 调节器控制 76 二 流量比值控制系统 计算机控制 80 第七章第七章 前馈控制系统前馈控制系统 83 一 前馈控制系统的原理 83 二 前馈反馈控制实验 调节器控制 84 三 前馈反馈控制实验 计算机控制 87 第八章第八章 施密斯施密斯 SMITH 预估控制预估控制 计算机控制计算机控制 89 一 施密斯斯控制系统的基本概念 89 二 施密斯控制系统 92 第九章第九章 解耦控制解耦控制 计算机控制计算机控制 94 一 解耦控制系统的基本概念 94 二 解耦控制系统 96 第十章第十章 变比值控制变比值控制 计算机控制计算机控制 98 基于基于 MATLAB 的的 PID 及串级控制使用说明及串级控制使用说明 101 ADUC812 概述概述 104 模拟模拟 PID 挂箱使用说明挂箱使用说明 106 过程控制实验指导书 3 第一章 前言 浙江求是科教设备有限公司生产的 PCT 系列过程控制实验系统装置 可以非常好地满足过程 控制课程实验的要求 在这套设备由被控对象和控制台组成 通过手动或计算机控制 可以将被控 对象转变成不同特性的过控对象 因此 在此基础上可以进行简单的温度 压力 流量 液位的单 回路控制 而且也可以进行一系例复杂控制系统实验如 变比值控制 Simth 预估控制 解耦控制 三容液位控制 换热器温度控制等 一 PCT 系列过程控制实验装置特点 1 装置由控制对象 控制屏 计算机三部分组成 也可以把控制屏换成 DCS 分散控制系统 对象构布局合理 造型美观大方 2 真实性 直观性 综合性强 控制对象元件全部来源于工业现场 控制屏正面有完整的系 统结构图案 便于学生系统接线 3 参数全面 涵盖了液位 流量 压力 温度等典型的热工量参数 4 PCT 系列过程控制实验装置具有控制参数和控制方案的多样化 该装置可通过对其管路上 的阀门 电磁阀 切换和对模拟信号接线板上信号的连接组合 可构成数十种过程控制实验 电磁阀 可以手动和自动控制 5 在 PCT 系列过程控制实验装置中充分考虑了工业自动化专业的大纲要求 完全能满足教 学实验 课程设计 毕业设计的需要 同时学生可自行设计实验方案 进行综合性 创造性过程控 制系统实验的设计 调试 分析 培养学生的独立操作 独立分析问题和解决问题的能力 6 可为学校教师和研究生进行复杂控制系统的计算机控制算法的研究工作提供一个实实在在 的物理模型 二 本实验装置可以灵活搭配 进行多方面的实验 有利于学生掌握下列内容 1 自动化仪表的初步使用 其中包括检测仪表 变送单元 执行单元和控制仪表 2 测定控制对象特性的方法 3 变频器的基本工作原理和初步使用 4 单回路控制系统的参数整定 5 复杂控制系统的参数整定 6 控制参数对控制系统品质指标的影响 7 控制系统的设计 计算 分析 接线 投运等综合能力 8 了解计算机控制系统的组成 9 了解牛顿模块的分类 使用以及 RS 485 通讯原理 10 学习组态王控制软件的功能 使用和编程 过程控制实验指导书 4 三 实验的基本程序 1 明确实验任务 2 提出实验方案 3 画实验接线图 4 进行实验操作 作好观测和记录 调整控制参数 5 整理实验数据 得出结论 撰写实验报告 在进行本书中的综合实验时 上述程序应让学生独立完成 教师给予必要的指导 以培养学生 的动手能力 要做好各主要实验 就应做到 实验前做准备 实验中有条理 实验后勤分析 过程控制实验指导书 5 第二章 对象特性测试实验 一 测试对象特性的方法 工业过程动态数学模型的表达方式很多 其复杂程度相差悬殊 对于数学模型 应根据实际应 用情况提出适当的要求 一般说来 用于控制的数学模型并不要求十分准确 闭环控制本身具有一 定的鲁棒性 模型本身的误差可视为干扰 而闭环控制在某种程度上具有自动消除干扰的能力 实际生产过程的动态特性非常复杂 往往需要作很多近似处理 有些近似处理需要作线性化处 理 降阶处理等 但却能满足控制的要求 建立数学模型有两个基本方法 即机理法和测试法 测试法一般只用于建立输入输出模型 它的特点是把被研究的工业过程视为一个黑匣子 完全 从外部特性上测试和描述它的动态性质 因此不需要深入掌握其内部机理 一 测试法求取传递函数 通过简单的测试获得被被控对象的阶跃响应 进一步把它拟合成近似的传递函数 是建立被控 对象数学模型简单有效的方法 用测试法建立被控对象的数学模型 首先要选定模型的结构 典型的工业过程的传递函数可以 取为各种形式 例如 1 一阶惯性环节加纯延迟 一阶惯性环节的传递函数 1 Ts K sG 延迟环节的传递函数为 s esG 一阶加纯滞后对象的传递函数 1 s Ts Ke sG t 0 X x 阶跃信号 一阶惯性环节阶跃响应 K x 0 T 图 3 1 对于有纯滞后的一阶对象 滞后时间可直接由图中测量出纯滞后时间 2 二阶或高阶惯性环节加纯延迟 n s 1 Ts Ke sG 在确定传递函数的形式后 要对函数中的各个参数与测试的响应曲线进行拟合 如果阶跃响应 是如图 3 2 所示的 S 形单调曲线 就可以用一阶惯性加纯延迟对象的传递函数去拟合 增益 K 由 过程控制实验指导书 6 输入输出的稳态值直接算出 而 和 T 则可以用作图法确定 0 t A B p C y y T 图 3 2 在曲线的拐点 p 作切线 它与时间轴交于 A 点 与曲线的稳态渐进线交于 B 点 0A 段的值即 为纯滞后时间 CB 段的值即为时间常数 T 这样就确定了 和 T 的数值 如图 3 2 所示 3 放大倍数 K 的求取 放大系数 K 的定义是 输入量 输出量稳态值 def K 即 MINMAX MINMAX XXX YYY K 式中 X调节器输出电流的变化量 单位 mA XMAX调节器输出电流的上限值 单位 mA XMIN调节器输出电流的下限值 mA Y液位的变化量 单位 mm YMAX液位的上限值 单位 mm YMIN液位的下限值 单位 mm 例 1 实验中调节器输出电流由 8mA 增加到 12mA 液位增高 0 4mm 求放大系数 K X 12 8 4mA X XMAX XMIN 4 20 4 0 25 Y YMAX YMIN 0 4 则 K 0 4 0 25 1 6 上述公式只适用于自衡过程 对于非自衡过程 其传递函数应含有一个积分环节 对于液位控制系 统 液位对象是自衡对象 单独的水箱是一阶对象 上水箱与下中水箱可以组成二阶对象 过程控制实验指导书 7 二 上水箱特性测试 调节器控制 实验 一 实验目的 了解调节器的功能和操作方法 学会使用调节器 通过实验 了解对象特性曲线的测量的思路 和方法 掌握对象模型参数的求取方法 二 实验设备 水泵 变频器 压力变送器 调节器 708 型用于恒压控制 主回路调节阀 上水箱 上 水箱液位变送器 调节器 818 型 电流表 三 实验步骤 1 认识实验系统 了解本实验系统中的各个对象 了解本实验系统中各仪表的名称 基本原 理以及功能 掌握其正确的接线与使用方法 以便于在实验中正确 熟练地操作仪表读取数据 熟 悉实验装置面板图 做到根据面板上仪表的图形 文字符号找到该仪表 熟悉系统构成和管道的结 构 认清电磁阀和手动阀的位置及其作用 图3 3 过程控制对象管路图 阀动 节调电 水泵I 流量计 流量计 阀调动电节 外控 内控 MITSUBISHI 变 器 送 压 力 送 器 位 变 液 V7 V8 变频器 IV水箱 V11 水箱 换热器 送 器 位 变 液 水泵II V10 t PT6 加热筒 V6 位 送 器 变 液 V5 水箱 t PT5 PT3 t 水箱 V4V3 变 位 送 器 液 PT2 t V1 V2 PT4 t 220VAC PT1 t 过程控制实验指导书 8 本实验采用调节器手动输出控制调节阀 计算机采集并记录数据 流程图如图 3 4 所示 图 3 5 a 上水箱特性测试 调节器控制 系统框图 图 3 5 b 恒压供水 调节器控制 系统框图 2 将上水箱特性测试 调节器控制 实验所用的设备 参照流程图和系统框图接线 3 确认接线无误后 接通电源 打开电磁阀 V3 V9 并将中水箱排水阀打开 4 设置调节器参数 使用手动输出功能 注意 更改调节器参数时 严禁用指甲按调节器面 板 为防止损坏面板上的按钮 应用手指均匀用力 按调节器的增 减键改变输出值 使上水箱的 液位处于某一平衡位置 记下此时手动输出值 5 按调节器的增 减键增加调节器手动输出 给系统输入幅值适宜的阶跃信号 阶跃信号不要太 大 使系统的输出产生变化 在液位较高处达到新的平衡状态 6 观察计算机采集的上水箱液位的阶跃响应和历史曲线 7 调节器的手动输出回到原来的输出值 记录液位下降的曲线 8 曲线的分析处理 对实验的记录曲线分别进行分析和处理 处理结果记录于表格 3 1 本 实验是调节器控制 计算机采集 各仪器接线方法见附录 A 表 3 1 阶跃响应曲线数据处理记录表 图3 4 上水箱特性测试 调节器控制 流程 调节器 内控 外控 MITSUBISHI 调节器 水箱 IV水箱 水箱 V3 计算机 压力变送器 变频器 PV SV 调节器 水泵 调节阀调节器 SV 上水箱 H 过程控制实验指导书 9 液位 参数值 测量情况KT 正向输入 反向输入 平均值 四 试验报告 根据试验结果编写实验报告 并计算出 K T 的平均值 写出系统的广义传递函数 等效成 惯性环节 K 为静态增益 T 为时间常数 为延迟时间 过程控制实验指导书 10 三 上水箱特性测试 计算机控制 实验 一 实验目的 通过实验掌握对象特性的曲线的测量的方法 测量时应注意的问题 对象模型参数的求取方法 二 实验设备 水泵 变频器 压力变送器 主回路调节阀 上水箱液位变送器 上水箱 牛顿模块 输入 和输出 实验系统的流程图 图 3 6 b 上水箱特性测试 计算机控制 系统框图 图3 6 a 上水箱特性测试 计算机控制 流程 计算机 内控 外控 MITSUBISHI 水箱 IV水箱 水箱 V3 上水箱 计算机 SV 调节阀D A模块 H p A D模块压力变送器 D A模块 SV PV 计算机 u k 变频器水泵 过程控制实验指导书 11 图 3 6 c 计算机控制恒压供水系统框图 三 实验步骤 1 认识实验系统 了解本实验系统中的各个对象 了解本实验系统中各仪表的名称 基本原 理以及功能 掌握其正确的接线与使用方法 以便于在实验中正确 熟练地操作仪表读取数据 熟 悉实验装置面板图 做到根据面板上仪表的图形 文字符号找到该仪表 熟悉系统构成和管道的结 构 认清电磁阀和手动阀的位置及其作用 本实验采用计算机控制 通过输出模块控制调节阀 通过输入模块采集并记录数据 流程图如 图 3 6 所示 2 将上水箱特性测试 计算机控制 所用实验设备 参照流程图和系统框图接好实验线路 3 确认接线无误后 接通电源 4 运行组态王 在工程管理器中启动 上水箱液位测试实验 点击实验选择按钮 选择一阶 液位对象 5 手动 自动将按钮切换到手动 点击 PID 设定按钮设定系统的输入信号值 点击实时曲线 按钮观察输出曲线 6 在 PID 设定中 点击 u k 设定一数值使系统液位处于某一平衡位置 设定的数值过大 会影响系统稳定所需的时间 7 改变 u k 输出 给系统输入幅值适宜的正向阶跃信号 阶跃信号在 5 15 之间 使系 统的输出信号产生变化 上水箱液位将上升到较高的位置逐渐进入稳态 8 点击历史曲线按钮 观察计算机中上水箱液位的正向阶跃响应曲线 直至达到新的平衡为 止 9 改变 u k 输出 给系统输入幅值与正向阶跃相等的一个反向阶跃信号 使系统的输出信 号产生变化 上水箱液将下降至较低的位置逐渐进入稳态 10 点击历史曲线按钮 观察计算机中上水箱液经的反向阶跃响应曲线 直至达到新的平衡 为止 11 曲线的分析处理 对实验的记录曲线分别进行分析和处理 处理结果记录于表格 3 2 表 3 2 阶跃响应曲线数据处理记录表 液位 参数值 测量情况KT 正向输入 反向输入 平均值 四 试验报告 根据试验结果编写实验报告 并根据 K T 平均值写出广义的传递函数 等效成惯性环节 K 静态增益 T 时间常数 延迟时间 过程控制实验指导书 12 四 中水箱特性测试 调节器控制 实验 一 实验目的 了解调节器的功能和操作方法 学会使用调节器 通过实验 了解对象特性曲线的测量的思路 和方法 掌握对象模型参数的求取方法 二 实验设备 水泵 压力变送器 变频器 调节器 708 型 中水箱 中水箱液位变送器 主回路调节 阀 调节器 818 型 三 实验步骤 1 认识实验系统 了解本实验系统中的各个对象 了解本实验系统中各仪表的名称 基本原 理以及功能 掌握其正确的接线与使用方法 以便于在实验中正确 熟练地操作仪表读取数据 熟 悉实验装置面板图 做到根据面板上仪表的图形 文字符号找到该仪表 熟悉系统构成和管道的结 构 认清电磁阀和手动阀的位置及其作用 本实验采用调节器手动输出控制调节阀 计算机采集并记录数据 流程图如图 3 7 所示 水箱 外控 内控 图3 7 a 中水箱特性测试 调节器控制 流程图 TSUBISHIMI IV水箱 调节器调节器 水箱 V31 计算机 V5 过程控制实验指导书 13 图 3 7 b 中水箱特性测试 调节器控制 系统框图 2 将上水箱特性测试 调节器控制 实验所用的设备 参照流程图和系统框图接线 3 接通总电源 各仪表的电源 打开进水电磁阀门 V8 和排水电磁阀 V12 并打开下水箱手 动排水阀 4 设置调节器参数 使用手动输出功能 通过按调节器的增 减键调整输出值 使中水箱的液 位在某一位置逐渐平衡 记录此时手动输出的数值 5 按调节器的增 减键增大调节器手动输出的数值 给系统输入幅值适宜的阶跃信号 阶跃信号 在 5 15 之间 使系统的输出产生变化 在液位较高处达到新的平衡状态 6 观察计算机上中水箱液位的阶跃响应曲线和历史曲线 直至达到新的稳态为止 7 调节器的手动输出回到原来的输出值 记录液位下降的曲线 8 曲线的分析处理 对实验的记录曲线分别进行分析和处理 处理结果记录于表格 3 3 表 3 3 阶跃响应曲线数据处理记录表 液位 参数值 测量情况KT 正向输入 反向输入 平均值 四 试验报告 根据试验结果编写实验报告 并根据 K T 平均值写出广义的传递函数 等效成惯性环节 K 静态增益 T 时间常数 延迟时间 调节阀调节器 SV 中水箱 H 过程控制实验指导书 14 五 中水箱特性测试 计算机控制 实验 一 实验目的 通过实验掌握对象特性的曲线的测量的方法 测量时应注意的问题 对象模型参数的求取方法 二 实验设备 水泵 变频器 压力变送器 中水箱 中水箱液位变送器 主回路调节阀 牛顿模块 输入 和输出 图 3 8 b 中水箱特性测试 计算机控制 系统框图 三 实验步骤 1 认识实验系统 了解本实验系统中的各个对象 了解本实验系统中各仪表的名称 基本原 理以及功能 掌握其正确的接线与使用方法 以便于在实验中正确 熟练地操作仪表读取数据 熟 V5 图3 8 a 中水箱特性测试 计算机控制 流程图 内控 外控 计算机 IV水箱 MITSUBISHI V31 水箱 水箱 中水箱 计算机 SV 调节阀D A模块 H 过程控制实验指导书 15 悉实验装置面板图 做到根据面板上仪表的图形 文字符号找到该仪表 熟悉系统构成和管道的结 构 认清电磁阀和手动阀的位置及其作用 本实验采用计算机控制 通过输出模块控制调节阀 通过输入模块采集并记录数据 流程图 如图 3 8 所示 2 将中水箱特性测试 计算机控制 实验所用的设备 参照流程图和系统框图接线 3 确认接线无误后 接通电源 4 系统控制方式处于手动状态 改变手动输出值 u k 使中水箱液位在某一位置处于平衡 状态 记录此时手动输出的数值 5 改变 u k 输出 给系统输入幅值适宜的正向阶跃信号 阶跃信号在 5 15 之间 使系 统的输出信号产生变化 上水箱液位将上升到较高的位置逐渐进入稳态 6 点击历史曲线按钮 观察计算机中上水箱液位的正向阶跃响应曲线 直至达到新的平衡为 止 7 改变 u k 输出 给系统输入幅值与正向阶跃相等的一个反向阶跃信号 使系统的输出信 号产生变化 上水箱液将下降至较低的位置逐渐进入稳态 8 曲线的分析处理 对实验的记录曲线分别进行分析和处理 处理结果记录于表格 3 4 表 3 4 阶跃响应曲线数据处理记录表 液位 参数值 测量情况KT 正向输入 反向输入 平均值 四 试验报告 根据试验结果编写实验报告 并根据 K T 平均值写出广义的传递函数 等效成惯性环节 K 静态增益 T 时间常数 延迟时间 过程控制实验指导书 16 六 二阶液位特性测试 调节器 实验 一 实验目的 通过实验掌握二阶对象的特性曲线测量方法 测量时应注意的问题 对象模型参数的求取方法 二 实验设备 水泵 变频器 压力变送器 调节器 708 型 上水箱 中水箱 上水箱液位变送器 中 水箱液位变送器 主回路调节阀 调节器 818 型 图 3 9 b 二阶液位特性测试 调节器控制 系统框图 三 实验步骤 1 认识实验系统 了解本实验系统中的各个对象 了解本实验系统中各仪表的名称 基本原 理以及功能 掌握其正确的接线与使用方法 以便于在实验中正确 熟练地操作仪表读取数据 熟 悉实验装置面板图 做到根据面板上仪表的图形 文字符号找到该仪表 熟悉系统构成和管道的结 构 认清电磁阀和手动阀的位置及其作用 图3 9 a 二阶液位特性测试 调节器控制 流程 MI 内控 外控 TSUBISHI 调节器 计算机 调节器 水箱 水箱 IV V3 水箱 SV 调节器 上水箱调节阀中水箱 H 过程控制实验指导书 17 本实验采用调节器手动输出控制调节阀 计算机采集并记录数据 流程图如图 3 9 所示 2 将二阶液位特性对象特性测试 调节器 所用的设备 参照流程图和系统框图接线 打开 上水箱进水电磁阀 V3 上水箱排水电磁阀 V9 中水箱排水电磁阀 V12 和下水箱排水电磁阀 V11 3 接通总电源 各仪表的电源 4 设置调节器处于手动位置 按调节器的增 减键改变手动输出值 使系统在液位处于某一平 衡位置 记下此时手动输出 5 按调节器的增 减键增加调节器手动输出值 使系统输入幅值适宜的阶跃信号 阶跃信号在 5 15 之间 这时系统输出也有一个变化的信号 使系统在较高液位也能达到平衡状态 6 观察计算机上中水箱液位的阶跃响应实时和历史曲线 直至达到新的稳态为止 7 调节器的手动输出回到原来输出的电流值 记录中水箱液位下降的曲线 8 曲线的分析处理 对实验的记录曲线分别进行分析和处理 处理结果记录于表格 3 5 表 3 5 阶跃响应曲线数据处理记录表 液位 参数值 测量情况KT 正向输入 反向输入 平均值 四 试验报告 根据试验结果编写实验报告 并根据 K T 平均值写出广义的传递函数 过程控制实验指导书 18 七 二阶液位特性测试 计算机 实验 一 实验目的 通过实验掌握二阶对象的特性曲线测量方法 测量时应注意的问题 对象模型参数的求取方法 二 实验设备 水泵 变频器 压力变送器 上水箱 中水箱 上水箱液位变送器 中水箱液位变送器 牛 顿模块 输入 输出 图 3 10 b 二阶液位特性测试 计算机控制 系统框图 液位装置中的液位对象是自衡对象 单独的水槽是一阶对象 水箱 I 和水箱 II 可以组成二阶对 象 三 实验步骤 1 认识实验系统 了解本实验系统中的各个对象 了解本实验系统中各仪表的名称 基本原 图3 10 a 二阶液位特性测试 计算机控制 流程 计算机 TSUBISHIMI 内控 外控 水箱 V3 水箱 水箱 IV 上水箱 计算机 SV 调节阀D A模块中水箱 H 过程控制实验指导书 19 理以及功能 掌握其正确的接线与使用方法 以便于在实验中正确 熟练地操作仪表读取数据 熟 悉实验装置面板图 做到根据面板上仪表的图形 文字符号找到该仪表 熟悉系统构成和管道的结 构 认清电磁阀和手动阀的位置及其作用 本实验采用计算机控制 通过输出模块控制调节阀 通过输入模块采集并记录数据 流程图如 图 3 10 所示 2 将二阶液位特性对象特性测试 计算机 所用的设备 参照流程图和系统框图接线 3 确认接线无误后 接通总电源 各仪表的电源 4 运行组态王 在组态王工程管理器界面中启动二阶液位特性测试 点击实验选择按钮 选 择二阶液位对象 5 手动 自动切换按钮置手动 点击 PID 设定按钮 点击实时曲线按钮 6 点击 PID 设定中的 u k 进行数据输入使系统液位处于某一平衡位置 7 改变 u k 输出 给系统输入幅值适宜的正向阶跃信号 阶跃信号在 5 15 之间 使系 统的输出信号产生变化 水箱 II 液位将有一个滞后 再上升到较高的位置逐渐进入稳态 8 点击历史曲线按钮 观察计算机中水箱 II 液位的正向阶跃响应曲线 直至达到新的平衡为 止 9 改变 u k 输出 给系统输入幅值与正向阶跃相等的一个反向阶跃信号 使系统的输出信 号产生变化 水箱 II 液将下降至较低的位置逐渐进入稳态 10 点击历史曲线按钮 观察计算机上水箱液位的反向阶跃响应历史曲线 直至达到新的平 衡为止 11 曲线的分析处理 对实验的记录曲线分别进行分析和处理 处理结果记录于表格 3 6 表 3 6 阶跃响应曲线数据处理记录表 液位 参数值 测量情况KT 正向输入 反向输入 平均值 四 试验报告 根据试验结果编写实验报告 并根据 K T 平均值写出广义的传递函数 过程控制实验指导书 20 八 温度加热器特性测试 调节器 实验 一 实验目的 了解本实验中加热系统的原理 作用及其操作方法 通过实验掌握对象特性的曲线测量方法 测量时应注意的问题 对象模型参数的求取方法 二 实验所用设备 水泵 变频器 压力变送器 调节器 708 型 用于控制恒压供水 主回路流量计 主回 路调节阀 副回路调节阀 加热器外筒 调节器 708 型 用于流量控制 加 热器内筒 加热器外筒 温度变送器 PT1 交流固体继电器 可控硅 调节器 818 型 本实验中 加热系统是由可控硅移 相触发器 加热管 加热圆筒 热电阻 组成 改变可控硅触发器的控制电流 4 20mA 就可以改变其输出电压 0 220V 从而控制加热管的功率 通过散热系统的配合 达到控制温度的 目的 注意 严禁触摸加热器的顶部 避免触电或烫伤 图 3 11 b 温度对象特性测试系统框图 三 实验步骤 1 手动打开电磁阀 V1 V2 关闭加热器放水阀 使加热器最内层容器和中间层容器分别注 满水 中间容器中水的作用是散热 2 将温度特性测试实验所用的设备 参照流程图和系统框图接好实验线路 本实验是调节器 控制 计算机采集 3 接通总电源 各仪表电源 加热器电源 如果加热圆筒中没水 蜂鸣器将发出报警声 应 立即将加热器电源关掉 重新向加热圆筒中灌水 4 设置调节器 控制温度 处于手动状态 使调节器手动输出小电流状态下系统达到平衡 记下手动输出的百分比 5 改变调节器增 减键 使调节器的输出电流变大 系统从新到达平衡 记下手动输出的百分 比 6 改变调节器增 减键 使调节器回到小电流输出给定状态 图3 11 a 温度对象特性测试 调节器控制 流程 计算机 PT1 t 调节器 SV 可控硅调节器加热筒 T 过程控制实验指导书 21 7 观察计算机上温度历史曲线图 直至达到新的平稳为止 8 再将调节器输出电流回到大电流输出状态 观察计算机上温度历史曲线图 直至达到新的 平稳为止 9 曲线的分析处理 对实验的记录曲线分别进行分析和处理 处理结果记录于表格 3 7 表 3 7 阶跃响应曲线数据处理记录表 液位 参数值 测量情况KT 正向输入 反向输入 平均值 四 试验报告 1 根据试验结果编写实验报告 并根据 K T 平均值写出广义的传递函数 2 问题 1 完成本实验 前后共需要多少调节器 并阐述理由 2 为什么需要压力变送器 3 能否只用二台调节器或一台调节阀 过程控制实验指导书 22 九 温度加热器特性测试 计算机 实验 一 实验目的 通过实验掌握对象特性的曲线测量方法 测量时应注意的问题 对象模型参数的求取方法 了 解所用设备的作用及其方法 二 实验设备 水泵 变频器 压力变送器 主回路调节阀 副回路调节阀 温度变送器 PT1 交流固 体继电器 可控硅 牛顿模块 输入 输出 本实验中 加热系统是由可控硅移相触发器 加热管 加热圆筒 热电阻组成 改变可控硅触 发器的控制电流 4 20mA 就可以改变其输出电压 0 220V 从而控制加热管的功率 通过 散热系统的配合 达到控制温度的目的 图 3 12 b 温度对象特性测试 计算机 系统框图 三 实验步骤 1 手动打开电磁阀 V1 V2 关闭加热器放水阀 使加热器内筒和外筒分别注满水 外筒盛 水的目的是散热 2 将温度特性测试实验所用的设备 参照流程图和系统框图接线 3 接通总电源 各仪表电源 加热器电源 如果加热圆筒中没水 蜂鸣器发出报警声 应立 即将加热器电源关掉 重新向加热圆筒中灌水 4 运行组态王 在组态王工程管理器界面中启动求是教仪组态王实验点击实验选择按钮 选 择对象 5 手动 自动切换按钮置手动 点击 PID 设定按钮 点击实时曲线按钮 6 点击 PID 设定 设置 u k 使系统温度升高并逐渐达到稳态 u k 不宜过大 图3 12 a 温度对象特性测试 计算机控制 流程 PT1 t 计算机 SV D A模块计算机可控硅 加热筒 T 过程控制实验指导书 23 7 改变 u k 输出 给系统输入幅值适宜的正向阶跃信号 使系统的输出信号产生变化 温 度上升后重新达到平衡状态 8 点击历史曲线按钮 观察计算的温度的正向阶跃响应历史曲线 直至达到新的平衡为止 点击打印曲线按钮 打印正向阶跃响应曲线 9 改变输出使系统输入幅值与正向阶跃相等的一个反向阶跃信号 使系统的输出信号变化 下 降到一个较低的温度进入状态平衡 10 点击历史曲线按钮 观察计算机的温度反向阶跃响应历史曲线 直至达到新的平衡为止 11 曲线的分析处理 对实验的记录曲线分别进行分析和处理 处理结果记录于表格 3 8 表 3 8 阶跃响应曲线数据处理记录表 液位 参数值 测量情况KT 正向输入 反向输入 平均值 四 试验报告 1 根据试验结果编写实验报告 并根据 K T 平均值写出广义的传递函数 2 问题 1 调节器在此的作用是什么 能否只用一台或二台 2 温度加热器特性测试实验开始时 是否可以不用这些调节器 过程控制实验指导书 24 十 调节阀流量特性测试 调节器 实验 一 实验目的 通过实验掌握对象特性的曲线的测量的方法 测量时应注意的问题 对象模型参数的求取方法 了解调节阀的工作特性及其作用 二 实验设备 水泵 变频器 压力变送器 调节器 708 型 主回路流量计 主回路调节阀 调节器 818 型 调节阀是受输入电流 4 20mA 控制 并且有阀位反馈电流 4 20mA 图 3 13 b 调节阀流量特性测试 调节器 系统框图 三 实验步骤 1 实验装置的认识 了解调节阀的工作原理 作用及所在的位置 2 将调节阀特性测试实验所用的设备 按系统框图接好实验线路 打开相应的电磁阀形成流 量通路 3 接通总电源 各仪表电源 4 设置调节器处于手动状态 改变手动给定 10 20 30 100 分别记录调节器的输 出电流和流量计的流量 调节阀的进出口压力保持不变 5 利用同样的方法测试另一调节阀流量特性 并画出特性曲线 四 实验报告 图3 13 a 调节阀流量特性测试 调节器控制 流程 外控 内控 流量计 动电调节阀 计算机 调节器 水泵I TSUBISHIMI 变频器 调节器 SV 调节阀 Q 过程控制实验指导书 25 1 根据试验结果编写实验报告 并且以电流作为横坐标 流量作为纵坐标 画出特性曲线图 根据画出的特性曲线 判断阀体是快开特性 等百分比特性还是慢开特性 2 问题 变频器 水泵 压力变送器在此的作用 二台调节器的作用分别是什么 过程控制实验指导书 26 十一 调节阀流量特性测试 计算机 实验 一 实验目的 通过实验掌握调节阀特性曲线的测量方法 测量时应注意的问题 调节阀流量特性的求取方法 二 实验设备 水泵 变频器 压力变送器 主回路流量计 主回路调节阀 牛顿模块 输入 输出 图 3 14 b 调节阀流量特性测试 计算机 系统框图 三 实验步骤 1 实验装置的认识 了解调节阀的工作原理 所在的位置及其作用 2 将调节阀特性测试实验所用的设备 参照流程图和系统框图接线 3 接通总电源 各仪表电源 4 运行组态王 在组态王工程管理器界面中启动求是教仪组态王实验 点击实验选择按钮 选择调节阀特性测试 5 点击特性测试和特性曲线按钮 开始调节阀特性测试实验 6 点击 u k 的增 减键 开始测试调节阀的正向流量特性 直至 u k 1000 再点击 u k 增 减键 停止调节阀正向特性测试 7 点击 u k 增 减键 开始测试调节阀的反向流量特性直至 u k 0 再点击 u k 增 减键 停止调节阀反向特性测试 8 记录调节阀特性曲线 四 实验报告 内控 外控 图3 14 a 调节阀流量特性测试 计算机控制 流程 计算机 流量计 动电节调 阀 水泵I 变频器 TSUBISHIMI 计算机 SV D A模块调节阀 Q 过程控制实验指导书 27 根据试验结果编写实验报告 并且以电流作为横坐标 流量作为纵坐标 画出特性曲线图 根 据画出的特性曲线 判断阀体是快开特性 等百分比特性还是慢开特性 过程控制实验指导书 28 第三章 单回路控制系统实验 单回路控制系统又称简单控制系统 它由被控对象 传感器 变送器 控制器和执行器组成一 个闭合回路 也称反馈控制系统 单回路控制系统是最简单 基本的一种控制系统 它适用于被控对象滞后时间比较小 负荷和 干扰变化不大 控制质量要求不很高的场合 单回路控制系统的设计和参数整定方法是各类复杂控 制系统设计和整定的基础 在实验中应注意的问题 1 测试前系统处于正常的工作状态 平衡状态 反应曲线的初始点应是输入信号的开始 作阶跃信号的瞬间 这一段时间必须在记录纸上标出 以便推算纯滞后时间 测试与记录工作 必须持续到输出参数达到新的稳态值 2 在阶跃反应的曲线中 必须注意工作点与阶跃幅值的选取 3 每次实验应在相同的条件下进行两次以上 只有在所测试数据相同时方为合格 4 为了进行线性校验 可作正 负种两干扰进行比较 也可作不同扰动量的实验 5 调节器参数的整定是过程控制系统设计的核心内容之一 它的任务是 根据被控过程的特 性确定 PID 调节器的比例度 积分时间 TI及微分时间 TD的大小 在简单的过程控制系统中 调 节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要指标 保证系统具有一定的稳定裕量 调节器参数整定的方法很多 概括起来可分为两大类 一是理论计算整定法 它主要依据系统 的数学模型 采用控制理论中的根轨迹法 频率特性法等 经过理论计算确定调节器的数值 这种 方法不仅计算烦琐 而且过分依赖数学模型 所得到数据未必直接可用 还必须通过实际进行调整 和修改 因此 理论计算整定法除了有理论指导意义外 工程实际中较少采用 二是工程整定法 它主要依靠工程经验 直接在过程控制的实验中进行 且方法简单 易于掌握 相当实用 从而在 工程实际中被广泛采用 调节器的工程整定方法 主要有临界比例度法 衰减曲线法 一 临界比例度法 这是一种闭环整定方法 由于该方法直接在闭环系统中进行 不需测试过程的动态特性 因此 方法简单 使用方便 获得了广泛的应用 具体步骤如下 1 将调节器的积分时间 TI置于最大 TI 微分时间 TD置零 TD 0 比例度 置为较大 的数值 使系统投入闭环运行 2 待系统运行稳定后 对设定值施加一个阶跃扰动 并减小 直到系统出现如图 3 12 所示 的等幅震荡 即临界震荡过程 记录此时的 c r 临界比例带 和等幅震荡周期 Tc r 3 根据记录的 c r和 Tc r 按表给出的经验公式计算出调节器的 TI及 TD的参数 t 0 y Tcr 图 4 1 系统的临界震荡过程 表 4 1 采用临界比例度法的整定参数 整定参数 调节规律 TITD 过程控制实验指导书 29 P2 c r PI2 2 c r0 85Tc r PID1 67 c r0 5Tc r0 125Tc r 需要指出的是 采用这种方法整定调节器的参数时会受到一定的限制 如有些过程控制系统不 允许进行反复震荡实验 像加热器给水系统和燃烧控制系统等 就不能应用此法 再如某些时间常 数较大的单容过程 采用比例调节时根本不可能出现等幅振荡 也就不能应用此法 由图 4 2 可知 此图为临界稳定 由乃氏稳定 判据可知 在 G jw 曲线上点都随临界稳定点即 G jw 1 为临界稳定 在 G jw 曲线里面的都可 以稳定 即 G jw 1 因此在临界稳定上的点 我们只 需增加比例带即减小比例增加增益就可以 获得 G jw 1 即系统为稳定系统 二 衰减曲线法 这种方法临界比例度法相类似 所不同的是无需出现等幅振荡过程 具体方法如下 1 置调节器积分时间 TI 微分时间 TD 0 比例带 置于较大的值 将系统投入运行 2 待系统工作稳定后 对设定值作阶跃扰动 然后观察系统的响应 若响应振荡衰减太快 就减小比例带 反之 则增大比例带 如此反复 直到出现如图 4 2 所示的衰减比为 4 1 的振荡 过程时 记录此时的 值 设为 S 以及 TS的值 如图 4 2 中所示 当采用衰减比为 10 1 振 荡过程时 应用上升时间 Tr替代振荡周期 TS计算 t 0 y Ts 0 75 图 4 3 系统衰减振荡曲线 图中 TS为衰减振荡周期 Tr为响应上升时间 3 据表中所给的经验公式计算 TI及 TD的参数 表 4 3 衰减曲线法整定计算公式 衰减率 整定参数 调节规律 TITD P S PI1 2 S0 5TS0 75 PID0 8 S0 3TS0 1TS P S PI1 2 S2Tr0 9 PID0 8 S1 2Tr0 4Tr 衰减曲线对多数过程都适用 该方法的缺点是较难确定 4 1 的衰减程度 从而较难得到准确 的 TI及 TD的值 8 图4 2 G jw 1 Re W 0 W Im 过程控制实验指导书 30 一 压力单闭环实验 调节器控制 一 实验目的 通过实验掌握单回路控制系统的构成 学生可自行设计 构成单回路流量 单容液位 双容液 位和温度控制系统 掌握用阶跃响应曲线法来求取控制系统数学模型的特性参数 T0 K0 用临 界比例度法整定单回路控制系统的 PID 参数 熟悉 PID 参数对控制系统质量指标的影响 用调节 器仪表进行 PID 参数的自整定和自动控制的投运 掌握调节器的参数设置和手动 自动功能的使用 方法 二 实验设备 水泵 变频器 压力变送器 调节器 708 型 主回路调节阀 调节器 818 型 图 4 3 b 调节器控制压力单闭环控制系统的框图 图4 3 a 压力单闭环 调节器控制 流程 外控 内控 MITSUBISHI 调节器 IV水箱 压力变送器 变频器调节器 PV SV p 水泵 过程控制实验指导书 31 图 4 3 c 压力单回路 调节器接线 三 实验步骤 1 将压力单闭环实验所用的设备 参照流程图和系统框图接好线路 将上水箱进水电磁阀 V3 上水箱排水电磁阀 V21打开 并将中水箱手动排水阀打开 以形成流量回路 2 接通总电源 各仪表电源 将 PCT 01 面板上变频器内 外控制开关掷到外控端 使变频 器处于外部控制状态 3 整定参数值的计算 设定过渡过程的衰减比为 4 1 整定参数值可按下列 阶跃反应曲线整定参数表 进行计算 表 4 3 阶跃反应曲线整定参数表 整定参数 调节规律 TITD P S PI1 2 S0 5TS PID0 8 S0 3TS0 1TS 4 根据计算所得的 PID 参数值设置调节器 将系统投入闭环运行 加入扰动信号观察各被 测量的变化 直至过渡过程曲线符合要求为止 5 曲线的分析处理 对实验的记录曲线分别进行分析和处理 处理结果记录于表格 4 4 可以采用计算机采集压力数据 以获得压力变化的实时 历史曲线 表 4 4 阶跃响应曲线数据处理记录表 压力特性测试的参数 参数值 测量情况KT 阶跃 1 阶跃 2 平均值 调节器III 调节器II 调节器I PCT 02 压力 变送器 直流 电压 输出 21 24VDC 变频器 18 17 5 3 6 4 16 15 PCT 01 过程控制实验指导书 32 四 调节器的参数设置 本参数适用于上海万迅仪表有限公司的 AI708 型 AI818 型 进行压力 温度 液位控制时 该型号的调节器能够自整定出比较理想的参数 设置调节器参 数 Ctrl 2 则调节器进入自整定调节状态 调节完毕 参数 Ctrl 3 本实验所采用的 AI708 型 需要设置的参数如下 本表未列出者一般不做改动 采用出厂默认 值 参数名参数值说明参数名参数值说明 M510保持参数diH100输入上限显示值 P6速率参数Sc0主输入平移修正 T1滞后时间oP14输出方式 Sn33输入规格CF2系统功能选择 diP0小数点位数run2运行状态 diL0输入下限显示值Loc808参数修改级别 参数的具体说明请详细阅读调节器使用手册 五 试验报告 根据试验结果编写实验报告 并根据 K T 平均值写出广义的传递函数 过程控制实验指导书 33 二 压力单闭环实验 计算机控制 一 实验目的 通过实验掌握单回路控制系统的构成 学生可自行设计 构成单回路流量 单容液位 双容液 位和温度控制系统 掌握用阶跃响应曲线法来实验辨识控制系统数学模型的特性参数 T0 K0 采用临界比例度法 阶跃反应曲线法和整定单回路控制系统的 PID 参数 熟悉 PID 参数对控制系 统质量指标的影响 用计算机进行 PID 参数的自整定和自动控制的投运 二 实验设备 水泵 变频器 压力变送器 主回路调节阀 牛顿模块 输入 输出 图 4 4 b 压力单闭环实验 计算机控制 框图 三 实验步骤 阶跃反应曲线法 1 将压力单闭环实验所用的设备 参照流程图和系统框图接好实验线路 2 接通总电源 各仪表电源 将 PCT 01 面板上变频器内 外控制开关掷到外控端 使变频 器处于外部控制状态 3 设定参数值的计算 设定过渡过程的衰减比为 4 1 整定参数值可按下列 阶跃反应曲线整定参数表 进行计算 表 4 5 阶跃反应曲线整定参数表 图4 4 b 压力单闭环 计算机控制 流程 外控 内控 TSUBISHIMI IV水箱 计算机 p A D模块压力变送器 D A模块计算机 SV PV 变频器 u k 水泵 过程控制实验指导书 34 整定参数 调节规律 TITD P S PI1 2 S0 5TS PID0 8 S0 3TS0 1TS 4 将计算所得的 PID 参数值置于计算机中 系统投入闭环运行 加入扰动信号观察各被测量 的变化 直至过渡过程曲线符合要求为止 5 曲线的分析处理 对实验的记录曲线分别进行分析和处理 处理结果记录于表格 4 6 表 4 6 阶跃响应曲线数据处理记录表 压力特性测试的参数 参数值 测量情况KT 阶跃 1 阶跃 2 平均值 四 计算机控制的参数设置 参数名参数值说明 KP4比例增益 TI8积分时间 秒 TD0微分时间 秒 SP设定值 U k 输出值 0 1000 PV过程值 需要设置的参数和其他参数如上所示 五 试验报告 根据试验结果编写实验报告 并根据 K T 平均值写出广义的传递函数 过程控制实验指导书 35 三 温度单闭环实验 调节器控制 一 实验目的 通过实验掌握单回路控制系统的构成 学 生可自行设计 构成温度控制单回路系统 采 用临界比例度法 阶跃反应曲线法和整定单回 路控制系统的 PID 参数 熟悉 PID 参数对控制 系统质量指标的影响 用调节器仪表进行 PID 参数的自整定和自动控制的投运 二 实验设备 水泵 变频器 压力变送器 调节器 708 型 主回路调节阀 副回路调节阀 可控硅 热电阻 温度变送器 调节器 818 型 图 4 5 b 温度单闭环实验 调节器控制 框图 PCT 01PCT 02 调节器I 调节器II 调节器III 13 14 调 节 阀 I 1 2 3 5 4 5 4 4 5 1 2 3 1 2 3 PT1 19 20 可 控 硅 图 4 5 c 温度单闭环 调节器接线 三 实验步骤 阶跃反应曲线法 1 将温度单闭环实验所用的设备 按系统框图接好实验线路 2 接通总电源 打开电磁阀 V1 将加热圆筒内注满水 3 将电磁阀 V2 打开 使约 9 11 流量的水始终流入加热器外筒内 用于加热器散热 4 确认加热器内筒有水 且接线无误 打开加热器电源 5 整定参数值的计算 设定过渡过程的衰减比为 4 1 整定参数值可按以下 阶跃反应曲线整定参数表 进行计算 表 4 7 阶跃反应曲线整定参数表 整定参数 调节规律 TITD P S PI1 2 S0 5TS PID0 8 S0 3TS0 1TS 6 根据计算所得的 PID 参数值 设置调节