仪表自动控制实验报告..

1 化工专业实验报告 实验名称 仪表自动控制 实验人员 吴志尚 同组人 吴思 吴迪 实验地点 天大化工技术实验中心 302 室 实验时间 2016年4月18日 班级 学号 2014级 化工1班 2组 指导教师 郭红宇 实验成绩 2 一 实验目的 1 学习 AI 型控制仪表的使用和接线 了解该类型仪表的控制原理 2 学习温度传感器的分类和选型原则 学习补偿导线和热电偶的连接 3 学习控温仪表各控制参数的意义和使用设置 4 学习交流接触器 电子继电器的原理和连线使用 5 学习用仪表来进行反应器的控温和测温电路连接和操作 6 通过对不同电路的调试和数据测量 初步掌握仪表自控技术 二 实验原理 空格仪表自动控制在现代化工业生产中是极其重要的 它可以减少大量的手工 操作 尤其是在化工生产和实验中使操作人员远离工作条件恶劣 危险的环境 还可以使大量的重复性 简单的手工操作由仪器仪表自动控制装置完成 并可 在极大的程度上提高实验和工业生产上的操作精度及数据测量的准确性 可完 成数据的远程传输 空格热电偶 Thermocouple 是根据热电效应测量温度的传感器 是温度测 量仪表中常用的测温元件 各种热电偶的外形常因需要而极不相同 但是它们 的基本结构却大致相同 通常由热电极 绝缘套保护管和接线盒等主要部分组 成 通常和显示仪表 记录仪表及电子调节器配套使用 空格热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路 当两端 存在温度梯度时 回路中就会有电流通过 此时两端之间就存在电动势 热 电动势 这就是所谓的塞贝克效应 Seebeck effect 两种不同成份的均质导 体为热电极 温度较高的一端为工作端 温度较低的一端为自由端 自由端通 3 常处于某个恒定的温度下 根据热电动势与温度的函数关系 制成热电偶分度 表 分度表是自由端温度在 0 时的条件下得到的 不同的热电偶具有不同的 分度表 当有两种不同的导体或半导体 A 和 B 组成一个回路 其两端相互连接 时 只要两结点处的温度不同 一端温度为 T 称为工作端或热端 另一端温 度为 T0 称为自由端 也称参考端 或冷端 回路中将产生一个电动势 该 电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关 这种现象称为 热电 效应 两种导体组成的回路称为 热电偶 这两种导体称为 热电极 产生 的电动势则称为 热电动势 4 一 热电阻工作原理 热电阻是利用金属的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量 阻值与温度关系如下式 Rt Rto 1 t to Rt Rto t 式中 Rt 温度为 t 时的电阻值 Rto 温度为 to 通常为 0 时的电阻值 电阻温度系数 t 温度的变化值 Rt 电阻值的变化量 热电偶与热电阻相比有以下不同之处 1 热电偶所测量的是电势 可进行远距离传输 而热电阻在远距离传输时 导线电阻会随着传输距离的增加而增大 使测量误差加大 2 热电偶所测量的是一个点的温度 而热电阻所测量的是一个面上的平均电 阻 也可以说是一个面上的平均温度 3 热电偶的测量精度低于热电阻的测量精度 热电阻的测量精度是由金属本 身的纯度所决定的 4 一般说来 热电偶多用于测量高温 热电阻则多用于测量低温 本实验就 是仪表自动控制在化工生产和实验中非常重要的一个分支 温度的仪表自动 控制 位式控制属于非线性控制系统 控制的物理量只有 开关 通断 有无之 差别 当温度回落到要求的启动值时 启动加热 温度上升到工艺要求温度值 时 停止加热 区域可以自由设定 位式控制具有接线简单 可靠性高成本低 廉的优点 但调节速度较慢 过冲量较大 5 位式控制属于非线性控制系统 控制的物理量只有 开关 通断 有无之 差别 当温度回落到要求的启动值时 启动加热 温度上升到工艺要求温度值 时 停止加热 区域可以自由设定 位式控制具有接线简单 可靠性高成本低 廉的优点 但调节速度较慢 过冲量较大 6 7 8 SSR 固态继电器工作原理 固态继电器是一种无触点通断电子开关 为四 端有源器件 其中两个端子为输入控制端 另外两端为输出受控端 在输入端 加上直流或脉冲信号 输出端就能从关断状态转变成导通状态 无信号时呈阻 断状态 从而控制较大负载 可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功 能 四 固态调压器原理 固态调压器其内部集移相触发电路 阻容吸收回路 双向可控硅于一体 通过电位器 手动调节以改变阻性负载上的电压 来达到调节输出功率的目的 如图 13 9 三 实验仪器 控温仪表 AI T08 测温仪表 AI T08 热电偶 2 个 中间继电器 C5 2 0910 固态继电器 SSR 10 DA 固态调压器 XSSVR 2410 电流表 69L9 开关 保险丝 RT18 32 导线若干 工具 螺丝刀 2 个 电加热釜式反应器 四 实验步骤 1 检查工具箱内的工具 一般有万用电表 电烙铁 焊锡 焊锡膏 剥线钳 扁口钳 十字螺丝刀 试电笔 绝缘胶布等工具和电工材料 2 每组 2 名成员 分组确定后 首先到指定的实验位置 再检查应配有一个工具箱 一个管式反应器 电线及必须的电子元件等 3 控温仪表为 AI 708 型 热电偶为 E 型 用来控制反应器中段加热 使用加热测温 的热电偶 放在反应管外壁和电加热炉瓦之间的位置 该仪表输入信号为反应器的加 热控制热电偶 4 测温仪表为 AI 702 型 只能用来测量温度 实验中用来测量管内催化剂的床层温度 一般反应器都是用一个仪表控制反应管外壁温度 同时用另一台仪表 测量催化剂床 层内的真实温度 5 根据指导教师提供的仪表 电器元件及电加热炉等 通过学习教材的原理 把电源 10 开关 继电器 控温仪表 测温仪表 热电偶 电子继电器 电子调压器和管式反应 器连接在一起 组装成仪表自动控制加热系统 6 组装完毕后 检查无误 需经指导教师检查后方可通电 7 设置控制仪表参数和温度 为安全期间 一般实验中反应温度不超过 150 8 设定好控制温度 然后开始加热 记录控制温度和反应器内温度的测升温曲线 每 间隔 2 分钟进行一次记录 当反应器内温度 达到设定温度后 温度波动不超过 1 再记录 10 分钟 准备下一步实验 9 在反应温度恒定 10 分钟后 拉动反应器内的测温热电偶 每次拉出高度 0 5cm 同时记录下温度值 测出反应器内催化剂床层的轴向温度分布 共测 20 个点 10 设定温度为 150 改变控制参数 Ctrl dF Ctl 观察位式控制和模糊控制的区 别及效果 并每间隔 2 分钟记录选取 至少记录 20 分钟时间 观察不同控制方式对 温度的影响 11 实验完毕后 拆除控制电路 所用仪表 元器件 工具等放回原处 实验报告经 老师过目后 方可离开 五 实验数据记录 如表 1 表 2 所示分别是加热釜升温数据记录和加热釜轴向温度分布数据 记录 表 1 加热釜升温数据记录 时间记录时间间 隔 min 控制温度 显示温度 时间记录时间间 隔 min 控制温度 显示温度 11 20029 719 711 3717119 845 4 11 22245 421 111 3919120 047 5 11 25559 724 111 4121120 048 4 11 27773 728 311 4323120 148 8 11 29984 631 811 4525120 149 1 11 311195 335 111 4727120 149 2 11 3313113 941 111 4929120 149 2 11 3515119 142 911 5131120 049 0 11 表 2 加热釜轴向温度分布数据记录 测温点距底 部距离 cm 温度 测温点距底 部距离 cm 温度 测温点距底 部距离 cm 温度 048 93 578 07 097 0 0 553 54 081 57 598 5 1 057 64 585 18 0100 3 1 561 85 087 78 5102 2 2 066 65 590 59 0103 5 2 569 96 091 89 5105 1 3 074 46 595 010 0106 6 六 数据处理 根据表 1 表 2 可以绘制加热釜升温图 图 5 和图加热釜稳态轴向温度分 布图 图 6 图 5 加热釜温升图 加热腔 控制温 度 反应芯 显示温 度 12 图 6 加热釜稳态轴向温度分布图 空格由加热釜温升图 图 5 可知 随着时间的推移 加热釜的加热腔温度上 升很快 前 12 分钟变化很快 12 分钟以后基本保持稳定于 120 左右 反应芯 显示的温度也在加热釜温度上升的同时不断上升 但上升速度较慢 这是由于 反应芯温度的上升还需要经过一个壁面热传导的过程 壁面导热能力影响传热 速率 反应芯温度同样在 12 分钟以后基本维持于 48 左右 空格由加热釜稳态轴向温度分布图可知 随着测温点与底部距离加大 测温仪测得的温度 逐渐上升 理论上温度值存在一个最高点 及反应器的热点温度 且所有轴向温度应该相 对于热点温度对称分布 但本次实验测温点仅要求与底部距离从 0 10cm 变化 在更大的 范围内可使温度分布图更加接近 凸 字形 七 分析与讨论 本实验旨在学习仪表自动化测量温度的方法 实验测量了加热釜的加热腔 和反应芯的温度随加热时间的变化以及稳态时反应芯内温度的轴向分布 从数据图可以得出结论 加热腔和反应芯之间的壁传热导致反应芯内的温 度上升变缓了 相比加热腔内要慢得多 温度稳定时 内外温度相差很大 可 13 能有如下两个原因 1 腔与芯之间的传热壁传热效率很低 所以在实际生产中 应该避免使用低导热系数的反应器壁 2 加热炉丝距底部较远 故反应芯温度 变化存在一个停留时间值 因而在自动控制中需要设置成比例积分制度 在实 际生产中应该对炉丝加热的变化快慢加以考虑 从数据图中还可以推断炉丝与反应芯的位置 本实验反应芯相距炉丝尚有 一段距离 可使用 matlab 等工具对数据进行拟合得出正态分布方程 拟合图像 的中点即为反应芯处 如此测量存在一定的误差 主要有 1 实验选取的样本 有限 有限的样本可建立的数据模型非常多 无法确定真正适合的温度分布模 型 2 加热炉丝的位置未知 无法从查阅参考资料来明确认定此加热体系内温 度一定为正态分布 或许有一定程度的偏差 3 热电偶本身的系统误差 八 思考题 1 热电偶冷端的温度补偿有几种方法 并叙述 热电偶冷端的温度补偿有几种方法 并叙述 答 1 冷端恒温法 将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中 使其 温度保持 0 不变 它可消除 t0不等于 0 而引入的误差 2 计算修正法 当热电偶的冷端温度不等于 0 时 测得的热电势 E t t0 与冷 端为 0 时测的 E t 0 不同 可利用下式 E t 0 E t t0 E t0 0 来修正 右 式第一项为毫伏表直接测得的热电势 第二项是由 t0在该热电偶分度表查出的 补偿值 二者相加即可 3 仪表机械零点调整法 当热电偶的冷端温度比较恒定 对测量精度要求不太 高时 可将机械零点调整至热电偶实际所处的 t 处 相当于在输入热电偶的电 势前就给仪表预输入一个电势 此法虽有一定误差 但很简便常用 4 电桥补偿法 此法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因 冷端温度变化而引起的热电势变化值 5 补偿导线法 此法将热电偶的冷端温度从温度较高 变化大的地方转移到温 度较低 变化小的方向 等于延长了热电偶 14 2 如果为冷端补偿温度为 如果为冷端补偿温度为 20 测量仪表显示的温度为 测量仪表显示的温度为 30 则测量点的真 则测量点的真 实温度是多少 实温度是多少 E t 20 E t 0 E 20 0 E 30 0 故 E t 0 E 30 0 E 20 0 1801 1192 2993uV 查 E 热电偶分度表可知 t 49 14 3 什么叫位式控制 位式控制需要设定几个温度 什么叫位式控制 位式控制需要设定几个温度 位式控制又称通断式控制 是将测量值与设定值相比较之差值经放大处理后 对调节对象作开或关控制的调节 需要设定上限和下限两个温度 4 什么叫 什么叫 PID 控制 需要设定几个温度 控制 需要设定几个温度 在工程实际中 应用最为广泛的调节器控制规律为比例 积分 微分控制 简称 PID 控制 又称 PID 调节 PID 控制器 比例 积分 微分控制器 是一个在 工业控制应用中常见的反馈回路部件 由比例单元 P 积分单元 I 和微分单元 D 组成 仅需要设定一个温度 5 简要描述简要描述 PID 控制中 控制中 P I D 三个字母的含义 三个字母的含义 a 比例运算 P 比例控制是建立与设定值 SV 相关的一种运算 并根据偏差在求得运算 值 控制输出量 如果当前值 PV 小 运算值为 100 如果当前值在比例 带内 运算值根据偏差比例求得并逐渐减小直到 SV 和 PV 匹配 即 直到偏差 15 为 0 此时运算值回复到先前值 前馈运算 若出现静差 残余偏差