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自动控制装置实验指导书计算机与控制工程学院自动化系实验一 调节阀的流量特性测试实验一、实验目的： 1. 掌握实验步骤及数据的测试方法。2. 通过实验测试数据验证电动调节阀的特性在大部分曲线范围内工作属于线性的。3. 分析为什么调节阀的流量特性曲线和理想特性曲线是有区别的。二、实验设施：化工自动化仪表实验平台、实验导线；三、实验原理：调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量和阀门相对开度之间的关系，即 （1-1）式中为相对流量，即某一开度流量与全开流量之比；/为相对行程，即某一开度行程与全行程之比。目前常用阀的理想流量特性分为：直线特性、对数（等百分比）特性、快开特性和抛物线特性四种曲线，如下图1-1所示：图1-1 调节阀的理想流量特性曲线在实际工业场合用的最多的是第一种线性调节阀，此种阀较易配合各种管路和流量传感器完成流量控制，本套装置也是采用线性调节阀。实际应用中，理想特性曲线较难得到，因为当将调节阀实际接入管道时，其特性会受多种因素的影响，如连接管道阻力、前后压差、多管路融合与分支等，所以很难得到理想流量特性描述的四种曲线，本套装置也不例外，但在大部分区域内调节阀依然保持线性工作状态。为了测量调节阀的特性曲线，首先需要把对象系统的管路开通，确保水能在动力系统的驱动下流经电动调节阀和流量计，最后将水打出水管，管路流通见下1-2图。对于本套装置的流量测量装置主要有三种：电磁流量计、涡轮流量计和孔板流量计，在考虑测量精度和流体压力损失较小的情况下，优先选用电磁流量计进行测量，然后流经涡轮流量计，将阀前管道尽可能地放长，并将电磁流量计输出信号送到智能仪表测量端用于现场显示，通过描点法绘制曲线即可判断电动调节阀的特性曲线是否为线性。图1-2 电动调节阀流量特性测试流程图四、实验步骤：1. 实验之前先将储水箱中贮足水量，一般接近储水箱容积的4/5，然后将阀F1-2、F1-3、F1-7全开，其余手动阀门关闭；2. 将仪表控制箱中“电磁流量计”的输出对应接至智能调节仪的“05V/15V输入”端，将智能调节仪的“420mA输出”端对应接至“电动调节阀”的控制信号输入端；3. 打开对象系统仪表控制箱的单相空气开关，给所有仪表上电；4. 智能仪表基本参数设置：Sn=33、DIP=0、dIL=0、dIH=1200、oPL=0、oPH=100、CF=0、Addr=1；5. 本实验需要手动控制智能调节仪的输出，以控制电动调节阀的开度改变管道流量的大小。建议使用仪表的手动按钮修改仪表的420mA电流输出值。6. 首先手动控制智能调节仪的输出到20%，打开仪表控制箱中的“离心泵”旋钮开关（所有实验项目中除流量批量控制实验中使用离心泵的自动开关外，其他实验均使用手动开关，离心泵的手自动开关位于离心泵黑色接线盒的右侧，标有“一”字样为自动状态，标有“二”字样为手动状态，选择手动状态后，就可以直接使用仪表控制箱中的离心泵二位旋钮开关来控制离心泵的运转状态）；7. 当“调节阀流量”稳定后，读出本次电动调节阀的开度以及电动调节阀的相对流量点，以与下一个点连线；重复和本步骤，依次将电动调节阀的开度增加5个百分点，直到80%为止，观察并分析电动调节阀的线性度。五、实验报告及要求：1. 画出本实验对象系统方框图；2. 根据实验测试数据，分析电动调节阀的特性；3. 分析影响电动调节阀特性曲线有别于理想特性曲线的因素有哪些，并一一列举。实验二 水箱液位定值控制实验一、实验目的：1了解单容液位定值控制系统的结构与组成。2掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定方法。3了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。二、实验设施：化工自动化仪表实验平台、实验导线。三、实验原理：实验系统流程图如下图所示。被控量为液位水箱的液位高度，实验要求水箱的液位稳定在给定值的2%5%范围内。本装置中共有三路液位传感器同时检测液位水箱的液位高度，可任选一路作为控制器的反馈信号，本实验选用电容式压力变送器作为测量液位的反馈信号，与给定量比较后取得差值，调节器根据偏差来控制电动调节阀的开度，以达到控制水箱液位的目的。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，系统的调节器应为PI或PID控制，一般在变化量较快的液位、流量和压力控制参数中，不采用微分控制，微分虽然可以改善动态调节效果，但其对变化较快参数的抗干扰能力较差。图2-1水箱液位定值控制实验流程图四、实验步骤：1实验之前先将储水箱中贮足水量，一般接近储水箱容积的4/5，然后将阀F1-1、F1-3、F1-7全开，其余手动阀门关闭；2将仪表控制箱中“电容式液位变送器”的输出对应接至智能调节仪的“05V/15V输入”端，将智能调节仪的“420mA输出”端对应接至“电动调节阀”的控制信号输入端；3打开对象系统仪表控制箱的单相空气开关，给所有仪表上电；4智能仪表参数设置：Sn=33、DIP=1、dIL=0、dIH=50、oPL=0、oPH=100、CF=0、Addr=1；5按经验法或动态特性参数法等整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。6手动设置智能调节仪的比例度、积分时间和微分时间的参数。智能调节仪设置为“自动”状态，仪表内部控制算法启动，打开离心泵的开关，对被控参数进行闭环控制。7当液位稳定于给定值的2%5%范围内，且不在超出这个范围后，通过以下几种方式加干扰： 突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化（内部扰动）； 将阀F1-1旁路阀F1-2开至适当开度（外部扰动）； 改变关联管路的阀门以对系统加入外部扰动，但注意外部扰动加入量应合理，不宜破坏系统的平衡，超出控制系统的调节能力范围。以上几种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。通过内部扰动加入干扰后，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（采用后面两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，液位的响应过程曲线将如图所示。图2-2 单容水箱液位的阶跃响应曲线8分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤7，用描点法画出不同参数时系统的阶跃响应曲线。五、实验报告要求1画出单容水箱液位定值控制实验的系统方框图。2用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。3比较不同PID参数对系统控制品质产生的影响。4分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。实验三 管道压力定值控制实验一、实验目的：1了解单闭环压力定值控制系统的结构与组成。2掌握单闭环压力定值控制系统调节器参数的整定方法。3了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对压力控制的作用。二、实验设施：化工自动化仪表实验平台、实验导线。三、实验原理：本实验系统流程图如下图所示。被控量为泵输送液体水时产生的管道压力，实验要求管道压力值稳定在给定值的2%5%范围内。将扩散硅压力变送器检测到的电动调节阀的阀前管道压力信号作为反馈信号，与给定量比较后取得差值，调节器根据偏差来控制电动调节阀的开度，以达到控制管道压力的目的。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，系统的调节器应为PI或PID控制，一般在变化量较快的液位、流量和压力控制中，不采用微分控制，微分虽然可以改善动态调节效果，但其对变化较快参数的抗干扰能力较差。图3-1 管道压力定值控制实验流程图四、实验步骤：1实验之前先将储水箱中贮足水量，一般接近储水箱容积的4/5，然后将阀F1-2、F1-3、F1-7全开，其余手动阀门关闭；2将仪表控制箱中“管道静压变送器”的输出对应接至智能调节仪的“05V/15V输入”端，将智能调节仪的“420mA输出”端对应接至“电动调节阀”的控制信号输入端； 3打开对象系统仪表控制箱的单相空气开关，给所有仪表上电；4智能仪表参数设置：Sn=33、DIP=1、dIL=0、dIH=200、oPL=0、oPH=100、CF=1、Addr=1；5按经验法或动态特性参数法等整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。6在智能调节仪上设置压力设定值（设定范围最大在55150KPa之间，推荐设定在80KPa以上，因80KPa以下存在严重的阀前压力非线性现象），然后设置“比例度”“积分时间”“微分时间”等参数，把智能调节仪设置为“自动”状态，仪表内部控制算法启动，打开离心泵开关，对被控参数进行闭环控制。7当管道静压稳定于给定值的2%5%范围内，且不在超出这个范围后，通过以下两种方式加干扰： 突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化（内部扰动）； 将阀F1-2旁路阀F1-1开至适当开度（外部扰动）；改变关联管路的阀门也可以对系统加入外部扰动，但注意外部扰动加入量应合理，不宜破坏系统的平衡，超出控制系统的调节能力范围。以上两种干扰均要求扰动量为控制量的515，干扰过大可能造成系统的激烈振荡，甚至不稳定。通过内部扰动加入干扰后，管道压力便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，压力稳定至新的设定值（采用后面一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，观察曲线变化趋势。8分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤7，用描点法画出不同参数时系统的阶跃响应曲线。9分别用P、PD、PID三种控制规律重复上述步骤，用描点法画出不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。五、实验报告要求1画出单闭环压力定值控制实验的系统方框图。2用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。3比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。4分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。实验四 管道流量定值控制实验一、实验目的：1了解单闭环流量定值控制系统的结构与组成。2掌握单闭环流量定值控制系统调节器参数的整定方法。3了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对流量控制的作用。二、实验设施：化工自动化仪表实验平台、实验导线。三、实验原理：本实验系统流程图如下图所示。被控量为泵输送液体水在管道中产生的流量，实验要求流量值稳定在给定值的2%5%范围内。本装置中共有电磁、涡轮和孔板三种流量计同时检测管道流体流量，其中电磁流量计和涡轮流量计可任选一路作为控制器的流量反馈信号，本实验使用电磁流量计测量管道流量作为反馈信号，但孔板流量计不能直接测量流量。反馈信号与给定量比较后取得差值，调节器根据偏差来控制电动调节阀的开度，以达到控制流体流量的目的。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，系统的调节器应为PI或PID控制，一般在变化量较快的液位、流量和压力控制中，不采用微分控制，微分虽然可以改善动态调节效果，但其对变化较快参数的抗干扰能力较差。图4-1 管道流量定值控制实验流程图四、实验步骤：1实验之前先将储水箱中贮足水量，一般接近储水箱容积的4/5，然后将阀F1-2、F1-3、F1-7全开，其它手动阀门关闭；2将仪表控制箱中“电磁流量计”的输出对应接至智能调节仪的“05V/15V输入”端，将智能调节仪的“420mA输出”端对应接至“电动调节阀”的控制信号输入端；3打开对象系统仪表控制箱的单相空气开关，给所有仪表上电；4智能仪表参数设置：Sn=33、DIP=0、dIL=0、dIH=1200、oPL=0、oPH=100、CF=0、Addr=1；5按经验法或动态特性参数法等整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。6在智能调节仪上设置流量设定值，然后设置“比例度”“积分时间”“微分时间”等参数，把智能调节仪被设置为“自动”状态，仪表内部控制算法启动，打开离心泵开关，对被控参数进行闭环控制。7当管道流量稳定于给定值的2%5%范围内，且不在超出这个范围后，通过以下两种方式加入干扰： 突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化（内部扰动）； 将阀F1-2旁路阀F1-1开至适当开度（外部扰动）或改变关联管路的阀门可以对系统加入外部扰动，但注意外部扰动加入量应合理，不宜破坏系统的平衡，超出控制系统的调节能力范围。以上两种干扰均要求扰动量为控制量的515，干扰过大可能造成系统的激烈振荡，甚至不稳定。通过内部扰动加入干扰后，管道流量便离开原平衡状态，经过一段