《自控与热工仪表》课程课内实验大纲、实验指导说明书等

1、自控与热工仪表课内实验大纲和指导说明书上海应用技术学院 城建学院能源与动力工程系2015.6.18目 录目 录1第一部 实验大纲2第二部 实验指导说明书7实验一 热电偶温度测量实验7实验二 压力测量实验9实验三 调节器的操作使用11实验四 水箱液位定值单回路控制实验18第一部 实验大纲自控与热工仪表课程实验大纲1 共4个实验：1)温度检测, 2) 压力或流量或液位检测(三选一) 3)调节器校验, 4) 单回路控制2 实验时数：均为2学时3 实验类型: 验证性实验或综合性实验4 实验类别：专业基础5 实验批数：3批6 每批组数：4组7 每组人数：6人8 实验时间：2015年11月和12月9 实验

2、地点：两个热工检测在 城建学院 第二学科楼1楼两个自控实验在 电气学院 第一学科楼A401 10实验总体要求： 1） 实验前做到心中有数：认真预习或阅读与实验相关的实验原理、实验的目的、所用仪表的基本功能及特点、注意事项等。 2） 实验过程中安全第一：实验过程中认真按实验指导说明书或在指导教师指导下进行操作，注意仪表操作。3） 仔细观察系统结构、线路的连接、各开关按钮作用，勤做笔记记下实验数据或绘出（或照下）图形。4） 实验结束后认真、整洁、正确、及时完成并上交实验报告 11 实验考核:实验报告实验准备（态度）： 15% 实验理论： 20%实验技能： 35% 实验数据（结果）： 30% 12

3、考核结果:A(优:90-100), B(良:80-89) , C(中:70-79),D(及格:60-69)， E(不及格:<60)13 实验报告主要内容（参考 自控与热工仪表 实验报告书写格式）1） 实验原理2） 系统结构图3）系统组成（仪器名称、种类、型号、量程范围)4） 实验方案和步骤（实验过程）5） 实验数据记录6）实验结果分析和讨论14 配套的实验教材或指导书、或参考书1) 热工测量与控制基础，程道来，主编:徐州:中国矿业大学出版社，2012.2）热工测量与自动控制，程广振 主编，中国建筑工业出版社，20053）热工仪表及其维护，张惠荣 主编，冶金工业出版社，20054）AI 8

4、08 P全通用人工智调节器 上海万迅仪表有限公司5）THSA-1型过程综合化控制系统为实验平台 实验指导书6）仪电基础实验指导书，夏乃洁、高强明 上海应用技术学院 2007年1月。实验项目：实验一 温度检测一 实验要求：必做分析温度实验原理，说明工作过程，分析处理所得实验数据，绘制相关图形，编写成实验报告。二 实验目的掌握一种常用温度传感器（温度计）使用方法、测温过程，并对测试结果进行验证。三 实验内容1 熟悉所使用温度计的结构、组成，测温范围、主要特点。2 利用温度计完成对某被测介质温度的测量。3 对测试结果进行分析、讨论。四 仪器设备及配套数：根据现场所选用的温度计确定。实验二 压力或流量

5、或液位检测(三选一)一 实验要求：必做分析压力或流量或液位实验原理，实验步骤，分析处理所得实验数据，绘制相关图形，编写成实验报告。二 实验目的掌握压力或流量或液位检测所用传感器的使用方法、检测过程，并对测试结果进行验证。三 实验内容1 熟悉所使用压力或流量或液位检测所用传感器的结构、组成，测温范围、主要特点。2 利用检测元件完成对某被测介质的检测。3 对测试结果进行分析、讨论。四 仪器设备及配套数：根据现场所选用的检测传感器确定。原则上实验一和实验二安排在第9周周3一下午全部完成实验三 调节器校验一 实验要求：必做分析AI人工智调节器，说明工作过程，分析处理所得实验数据，绘制相关图形，编写成实

6、验报告。二 实验目的掌握AI人工智调节器的主要特点及其功能，学会一种调节器的使用和参数的自动和自整定（AT）操作。三 实验内容1 阅读上海万迅仪表公司生产的AI全通用人工智调节器说明书。2 按说明书连接AI调节器。3 对照说明书，操作并熟悉AI调节器面板上各按纽的动作方式、功能及设置。4 AI人工智调节器调节及自整定（AT）操作。5 利用AI人工智调节器完成对中位液位的调节。 四 仪器设备及配套数：AI-808P型人工智调节器，多套。实验四 单回路控制一 实验要求：必做以THSA-1型过程综合化控制系统为实验平台，依据单回路控制原理，对单容水箱液位进行测定，分析处理所得实验数据，绘制相关图形，

7、编写成实验报告。二 实验目的熟悉THSA-1型过程综合化控制系统实验平台及其主要特点及其功能，学会通过单回路控制测量液位。三 实验内容1 阅读天煌教仪生产的THSA-1型过程综合化控制系统实验平台。2 按说明书连接THSA-1实验平台线路。3 对照说明书，操作熟悉THSA-1实验平台上各按纽动作方式、功能及设置。4 对中位水箱液位进行单回路控制测试。四 仪器设备及配套数：ATHSA-1实验平台，多套。原则上实验三和实验四安排在第15周周3一下午全部完成第二部 实验指导说明书实验一 热电偶温度测量实验一. 实验目的通过实验，掌握温度计测温的基本操作，了解热电偶温度计（或电阻温度计或红外线温度计）

8、测温的基本原理以及热电偶的基本构造。二. 实验原理1、热电偶测温原理：热电偶由两个不同材质的金属材料焊接而成，焊接端称为热端，非焊接端为自由的两金属导体称为冷端。如果将热端置于与冷端有温度差的地方，将在冷端两导体上产生（热）电势。电势的大小取决于冷热端间的温度差和所采用的金属材料。这就是热电偶测温的基本原理。但需要说明的是热电势的数值通常很小，每度只有数十微伏，并且热电势在整个测温的范围内一般是非线性的。因此，要在测温电路中进行必要的冷端补偿和非线性补偿。2、应用介绍：热电偶和热电阻同是工业测温的常用元件，相对于热电阻来说，热电偶的测量温度范围较宽：2001200，结构上也较为坚固，但使用时需

9、要冷端补偿，需要铺设专用的补偿导线。工业现场中，常用于测量温度较高的介质：如蒸汽、高温水等。而热电阻的常用测量范围是200400，使用时也相对简单，不需要铺设专用的补偿导线，也不需要进行冷端补偿。3、实验用热电偶：本实验中所使用的热电偶材料是镍铬-镍硅，热电偶的分度号是K，一般简称K型电偶。常用于测量0600范围内的介质。冷端补偿所使用的热电阻是铂电阻Pt1000；热电偶在接入电路时要注意极性，在本实验中所使用的热电偶上已用红色塑料套管标示正极。下图是热电偶在电路中的表示符号。 图1  热电偶在电路中的表示符号4、电路：电路在构成上可分为放大、非线性补偿、冷端补偿三个部分。

10、非线性补偿采用的是专用于K型热电偶线性校正的集成电路AD538；冷端补偿电路采用的是Pt1000的测量电路，因此，正确使用热电偶测量温度的方法是确保Pt1000热电阻已经连接后，再使用热电偶。三. 实验仪器和设备1、数显式温度显示仪 1套2、K型热电偶 1只3、被测对象根据实际情况提供四. 实验步骤及内容 1、 观察热电偶外观，按所学知识及仪表说明书或老师讲解，对仪表及热电偶进行正确连接；2、了解仪表按钮的功能作用；3、按照不同要求，对被测对象进行升温，将热电偶探头放入不同温度的介质中并观察实验结果，并根据不同时间间隔使用温度计进行温度测试；4、记录测试数据；五. 注意事项1. 在本

11、实验开始之前，需要连接好作为冷端补偿用的热电阻。2. 热电偶的连接需要确认极性，带有红色标记的是正极，蓝色标记的为负极。3. 为了取得较好的实验结果，冷端补偿的热电阻应避免接触实验用的高温或低温介质。六. 实验报告要求1. 简述热电偶温度计（或电阻温度计或红外线温度计）测温的基本结构,并画出结构图。2. 回答问题：热电偶测温电路中为什么要使用冷端补偿电路？在测量电路中省略冷端补偿电路或冷端补偿电路工作失常会产生什么结果？3. 观察实验过程并记录结果。七. 思考题    1. 传感器一般由那几部分组成，分别起什么作用？ 实验二 压力测量实验一、实

12、验目的通过实验了解测压仪表的结构通过具体的操作学习，掌握压力仪表的使用方法二、使用的仪器1压力测量仪表的分类u 压力传感器从其原理及结构来看可分为：液柱式、机械式及电气式u 测量压力的仪表，按信号原理不同，大致可分为四类：Ø 液柱式：根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度Ø 机械式：根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移Ø 电气式：将被测压力转换成各种电量，如电感、电容、电阻、电位差等，依据电量的大小实现压力的间接测量Ø 活塞式：根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量2压力测量的规定:1） 用水银大气压

13、力计测量大气压力时,读数应作温度修正,或向当地气象询问大气压力值.2）U型压差计的玻璃管内径不小于6mm三、测量方法及步骤1.平衡法：通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理测量压力2.弹性法：利用各种形式的弹性元件，在被测介质的表压力或负压力作用下产生的弹性变形来反映被测压力的大小3.电气式：用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化四、实验报告要求1. 简述压力表的种类及基本结构。2. 观察实验过程并记录结果。实验三 调节器的操作使用一、实验内容和目的本实验内容为AI-808型智能调节器的操作使用、PID调节规律介绍和工程实验整定的四种方法。1 认识AI-80

14、8型智能调节器仪表面板，显示状态、基本操作。2 掌握AI-808型智能调节器常用参数含义及范围及设置。3 掌握调节器的调节规律及参数整定方法。二、认识仪器1 仪表面板2 仪表常用主要参数含义及范围三、智能仪表显示和操作1AI智能调节仪表挂件采用上海万迅仪表有限公司生产的AI-818型全通用人工智能调节仪表。AI-818型仪表为PID控制型，输出为420mADC信号。AI系列仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。2智能调节仪表显示状态3智能调节仪表基本操作1）上电；2）显示状态；3）显示切换（手/自动）；4）修改数据；5）设置参数4AI仪表常用参数设置（针对实验

15、四）CtrL：控制方式。CtrL1，采用AI人工智能调节/PID调节；CtrL2，启动自整定参数功能；CtrL3，自整定结束。Sn：输入规格。Sn33，15VDC电压输入。DIP：小数点位置。DIP=1，小数点在十位（000.0）DIL：输入下限显示值，一般DIL0（对应输入电压为1VDC,实际为0mm）。DIH：输入上限显示值。输入为液位信号时，DIH1.0（对应输入电压为5VDC,实际20cm）。OPt：输出方式，一般OPt4为420mA线性电流输出。oPL：输出下限（0%）oPH：输出上限（100%）CF： 系统功能选择。 CF0为内部给定，反作用调节Run: 运行状态及上电信号处置。

16、Run=0，手动；Run=1，自动。P、I、D参数可根据实验需要调整，其他参数请参考默认设置。AI系列仪表参数及使用说明详细内容请参考附件1和附件2。四、调节器控制规律的选择PID控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。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

17、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

18、传递函数为GC(s)=KP(1+TDs)(1+TDs) (3-4) 下图表示了同一对象在相同阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。各种控制规律对应的响应过程五、调节器参数的整定方法调节器参数的整定一般有两种方法：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程实验整定法有以下四种：（一）经验法若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均

19、可相互参考。表3-1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微分作用，微分时间常数按TD=()TI计算。表3-1 经验法整定参数系 统参 数(%)TI(min)TD(min)温 度20603100.53流 量401000.11压 力30700.43液 位2080(二)临界比例度法图3-4 具有周期TS的等幅振荡这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图3-4所示。根据临界比例度k和振荡周期TS，按表3-2所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到4

20、：1衰减为目标。表3-2 临界比例度法整定调节器参数 调节器参数调节器名称TI(S)TD(S)P2kPI2.2kTS/1.2PID1.6k0.5TS0.125TS临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。（三）衰减曲线法（阻尼振荡法）图3-5 4：1衰减曲线法图形在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图3-5

21、所示的4：1衰减过程为止。这时的比例度称为4：1衰减比例度，用S表示之。相邻两波峰间的距离称为4：1衰减周期TS。根据S和TS，运用表3-3所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。表3-3 衰减曲线法计算公式 调节器参数调节器名称（%）TI(min)TD(min)PSPI1.2S0.5TSPID0.8S0.3TS0.1 TS （四）动态特性参数法所谓动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据第二章中对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数（K、T、等），利用表3-4所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：1时调节器的相关参数。如果被控对

22、象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（4：1衰减）就有难度，此时应采用动态特性参数法进行整定。表3-4 经验计算公式调节器参数调节器名称（%）TITDP×100%PI1.1×100%3.3PID0.85×100%20.5实验四中采用临界比例度法六、实验报告要求1 绘制AI-808型智能调节器面板，及基本操作步骤。2 针对液位调节实验，写出AI仪表常用参数设置。3 P调节、PI调节、PD调节和PID调节四种调节规律定义和各自特点4 给出调节器参数的工程实验整定-临界比例度法的定义和优点。实验四 水箱液位定值单回路控制实验一、实

23、验目的基于单回路控制原理及控制规律，以天煌THSA-1型过程综合自动化控制系统和THJ3高级过程控制实验系统为实验平台，进行水箱液位定值单回路控制实验，目的是了解实验室的水箱液位定值单回路控制系统的过程控制实验设备结构与组成；熟练掌握包括变送器、调节器、执行器等水箱液位定值单回路控制各个系统部件的工作原理、调试方法以及在控制系统中作用，掌握这些仪表相互之间的连接方法，然后按实验说明书要求进行调试和测量。二、实验设备天煌THSA-1型过程综合自动化控制系统实验平台和THJ3高级过程控制实验对象系统。天煌THSA-1实验平台THSA-1主要包括如下仪表和组件：（一）控制屏组件 （1）电源控制屏面板

24、 合上总电源空气开关及钥匙开关，此时三只电压表均指示380V左右，定时器兼报警记录仪数显亮，停止按钮灯亮。此时打开照明开关、变频器开关及24V开关电源即可提供照明灯，变频器和24V电。按下启动按钮，停止按钮灯熄，启动按钮灯亮，此时合上三相电源、单相、单相、单相空气开关即可提供相应电源输出，作为其他设备的供电电源。 （2）交流变频控制组件 采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH(R)型变频器，控制信号输入为420mADC或05VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。 （3）三相移相SCR调压装置、位式控制接触器 采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA标准电流

25、信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。（二）智能仪表控制组件（1）AI智能调节仪表挂件 采用上海万迅仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，仪表为PID控制型，输出为420mADC信号；仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。软件介绍 （三）上位机MCGS组态软件 MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。 有关MCGS软件的使用请参考配套的手册及光盘

26、。THSA-1实验平台现场实物照THJ3过程控制实验对象系统。本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。 A 被控对象 由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、4.5KW三相电加热模拟锅炉、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。 （1）水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水

27、箱的压力和液位进行检测和变送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，能满足上、中、下水箱的实验供水需要。 （2）模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），可利用它进行温度实验。（3）盘管：模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米（43圈），在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。盘管的出水通过手动阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。 （4

28、）管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。 B检测装置 （1）压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为05KP，精度为0.5级。输出：420mADC。 （2）温度传感器：装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成420mA直流电流信号。 （3）流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测

29、。输出：420mADC。 C 执行机构 （1）电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号。 （2）水泵：本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。 （3）电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。 （4）三相电加热管：由三根1.5KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温。THJ3现场实物照三、实验原理 （一）、单回路控制下图为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

30、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。 单回路控制系统方框图（二）、中水箱的液位高度控制实验原理 本实验系统结构图和方框图如图一所示。被控量为中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。系统的调节器应为P调节控制，也可进行PI或PID控制。四、实验内容与过程 本实验选择中水箱作为被控对象。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度，其余阀门均关闭。1按照图二连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。 2接通总电源空气开关和钥