自动化仪表与过程控制实验讲义.docx
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自动化仪表与过程控制实验讲义
《自动化仪表与过程控制》实验讲义
电子电气工程学院
2016年2月
实验一水箱液位数学模型测定
一般情况下，系统特性实验是属于开发性测试。
在用户现场一般不会再次进行，如果用户有兴趣可以抽取进行。
测试的对象实际包括控制系统。
单容系统测试和多容系统的编程和界面都一样，只是出水口和目标液位对象不同。
多容系统的特性时间更长。
5.1.1实验题目描述
阀门的开度，以及调速器、水泵的特性都可能影响到系统的传递函数，所以没有一样的传递函数，但是在一定的液位高度范围内和一定的开度下，系统时间基本是一样的。
阀门的开度会影响到传递函数，所以同学们测量的数据可能不同。
把系统作为一阶系统，传递函数G（S）
（1）。
对于单容水箱，如果考虑进行线性简化，可以认为它是一阶惯性环节加纯延迟的系统
。
由于纯延迟相对系统时间比较少。
可以不考虑纯延迟。
下面求出系统时间参数和增益K。
直接在调速器上加定值电流，从而使得水泵具有固定的流量。
可以通过智能调节仪表手动给定，或者模块直接输出电流，调整水箱出口到一定的开度，等待稳定后，突然加大调速器上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型，测试工艺如图5-1-1所示。
图5-1-1单容液位特性测量流程图
相关理论计算可以参考清华大学出版社1993年出版的《过程控制》，金以慧编著。
实验方案连线如表5-1-1所示。
表5-1-1实验连线
测量或控制量
测量或控制量标号
控制系统端口
水箱液位
101
0
调速器
U101
0
5.1.2实验步骤和数据记录
步骤如下：
1、12全开，16打开45度左右（由于开度不同，特性也有差异），其余阀门关闭。
2、将101连到0输入端，0输出端连到U101（手动输出）。
3、工艺对象上电，控制系统上电，调速器U101上电，启动P101。
4、启动组态软件，设定U101控制40%，等待系统稳定。
液位和流量稳定在某个值。
注意观察液面，不能太低，否则不算稳定。
5、设定U101控制45%，记录水位随时间的数据，到新的稳定点或接近稳定。
如果阶越太大，可能导致溢出。
6、抓图，修改U101控制量，然后获得一个新的稳定曲线。
7、可以修改16开度，重复4和6步。
8、关闭系统，分析数据。
5.1.3实验结果
单容水箱水位阶跃响应曲线，如图5-1-2所示。
图5-1-2单容测试飞升特性曲线
传递函数G（S）
（1）。
控制量从20%上升到25%，液位从27.1%上升到61.2%。
按照63.2%变动，则从54.6%高度画线。
从开始变化到70.6%变动范围时间就是178秒。
增益（70.6-27.1）/（25-20）=8.7
传递函数G（S）=8.7/（1781）。
实验二液位单回路控制
同样的程序和界面，可以用于单容、水平双容、垂直双容和水平三容的液位控制。
只是管路有所不同，目标液位不同，我们选择单容来进行描述。
5.2.1实验题目描述
单容水箱液位控制流程图如图5-2-1所示，采用右边支路进行实验，左边支路也是一样的。
图5-2-1单容水箱液位调速器单回路控制
测点清单如表5-2-1所示。
表5-2-1单容水箱液位调速器单回路控制测点清单
序号
位号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
U101
电动调速器
阀位控制
2～10
0～100％
2
103
压力变送器
水箱液位
4～20
3.5
水介质由泵P102从水箱V4中加压获得压头，经由调速器U101进入水箱V3，通过手阀26回流至水箱V4而形成水循环；其中，水箱V3的液位由103测得，用调节手阀26的开启程度来模拟负载的大小。
本例为定值自动调节系统，U101为操纵变量，103为被控变量，采用调节来完成。
5.2.2操作步骤和调试
1、编写控制器算法程序，下装调试；编写实验组态工程，连接控制器，进行联合调试。
2、在现场系统上，打开手阀22，调节26开度（如果你希望控制量范围50-70%，则要开很大，否则开少一些），其余阀门关闭。
3、在控制系统上，将面板的水箱液位输出连接到0，面板的电动调速器控制端连到0。
注意：
具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。
对于全连好线的系统，例如，则必须按照已经接线的通道来编程。
4、打开设备电源。
5、启动计算机组态软件，进入实验项目界面。
启动调节器，设置各项参数。
启动右边水泵P102和调速器。
6、系统稳定后可将调节器的手动控制切换到自动控制
7、设置比例参数。
观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰实验。
8、待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现，也可以通过支路1增加干扰，或者临时改变一下出口闸板的高度）。
记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。
9、减小P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
10、增大P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
11、选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。
改变设定值（如设定值由50％变为60％），同样可以得到一条过渡过程曲线。
注意：
每当做完一次实验后，必须待系统稳定后再做另一次实验。
12、在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置I参数不是特别大的数。
固定比例P值（中等大小），改变调节器的积分时间常数值，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同值时的超调量σp。
13、固定I于某一中间值，然后改变P的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同值下的超调量σp。
14、选择合适的P和值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。
此曲线可通过改变设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。
15、在调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把软件界面上设置D参数，然后加上与前面调节时幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线。
15、选择合适的P、和，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从突变10%左右来实现）。
5.2.3实验结果
测试结果如图5-2-2和如图5-2-3所示。
由于手阀的开度不同，有不同的控制情况，所以各个用户的测试数据不一定相同。
图5-2-2单容水箱液位调速器单回路控制曲线1
图5-2-3单容水箱液位调速器单回路控制曲线2
实验三流量单回路控制
5.3.1实验题目描述
流量调速器控制流程图如图5-3-1所示。
采用右边支路进行实验，左边支路也是一样的。
图5-3-1流量调速器单回路控制
测点清单如表5-3-1所示。
表5-3-1流量调速器单回路控制测点清单
序号
位号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
102
电磁流量计
给水流量
4～20
0～3m3
2
U101
电动调速器
阀位反馈
2～10
0～100％
水介质由泵P102从水箱V4中加压获得压头，经由流量计102、调速器U101进入水箱V3，通过手阀26回流至水箱V4而形成水循环；其中，给水流量由102测得。
本例为定值自动调节系统，U101为操纵变量，102为被控变量，采用调节来完成。
上位组态，实验要求的组态流程图界面（要求复显），如图5-3-2所示。
图5-3-2组态流程图界面
组态控制点清单如表5-3-2所示。
表5-3-2组态控制点清单
名称
描述
数据格式
控制器中对应变量
U101
流量控制，百分比输出
9:
0
102
流量信号
F8:
0
调速器设定值
F8:
10
P
比例
9:
0
I
积分
9:
0
D
微分
9:
0
手/自动
手自动切换
9:
0
调速器输出
调节器手动状态下，点击则弹出输入对话框（改变调节器输出值），自动状态跟随调节器输出值。
9:
0
5.3.2操作步骤和调试
1、编写控制器算法程序，下装调试；编写实验组态工程，连接控制器，进行联合调试。
2、在现场系统上，将手阀22，26完全打开，其余阀门关闭。
水箱容器只是作为水介质流通回路的一个部分。
3、在控制机柜上，把面板的102流量计信号端子通过实验连接线连到0端，面板上的U101调速器控制端连接到控制器0端。
注意：
具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。
对于全连好线的系统，例如，则必须按照已经接线的通道来编程。
4、打开设备电源，包括调速器，流量计电源。
接通水泵P102电源。
5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。
6、启动计算机，启动组态软件，进入实验项目界面。
7、启动调节器，设置到手动状态，把输出值设定到比较大的状态，同时检测流量计的流量测量。
经过1分钟后，流量计测量准确后开始实验。
8、把调节器切换到自动控制。
9、设置控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。
5.3.3实验结果及记录
参考的控制曲线如图5-3-3所示。
图5-3-3调速器流量控制曲线
曲线中参数设定如下2，20，小数值D的影响不大。
实验四压力单回路控制
5.4.1实验题目描述
压力调速器控制流程图如图5-4-1所示，采用右边支路进行实验，左边支路也是一样的。
图5-4-1压力调速器单回路控制
测点清单如表5-4-1所示。
表5-4-1压力调速器单回路控制测点清单
序号
位号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
102
压力变送器
给水压力
4～20
150
2
U101
电动调速器
调速器控制
2～10
0～100％
水介质由泵P102从水箱V4中加压获得压头，经由调速器U101进入水箱V3，通过手阀26回流至水箱V4而形成水循环；其中，给水压力由102测得。
本例为定值自动调节系统，U101为操纵变量，101为被控变量，采用调节来完成。
位组态要求，实验要求的组态流程图界面如图5-4-2所示。
图5-4-2组态流程图界面
组态控制点清单如表5-4-2所示。
表5-4-2组态控制点清单
名称
描述
数据格式
控制器中对应变量
U101
流量控制，百分比输出
9:
0
102
压力信号
F8:
0
调速器设定值
F8:
10
P
比例
9:
0
I
积分
9:
0
D
微分
9:
0
手/自动
手自动切换
9:
0
调速器输出
调节器手动状态下，点击则弹出输入对话框（改变调节器输出值），自动状态跟随调节器输出值。
9:
0
5.4.2操作步骤和调试
1、编写控制器算法程序，下装调试；编写实验组态工程，连接控制器，进行联合调试。
2、在现场系统上，将手阀22，26完全打开，其余阀门关闭。
水箱容器只作为水介质流通回路的一个部分。
调速器打开一半。
3、在控制机柜上，把面板的管道压力（102）信号端子通过实验连接线连到0端，面板上的调速器（U101）控制端连接到控制器0端。
4、打开设备电源，包括调速器电源。
5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。
6、启动计算机，启动组态软件，进入实验项目界面。
7、启动水泵P102电源。
8、启动调节器，把调节器切换到自动控制。
注意：
控制器必须是正作用的，因为要想压力增加，必须减少调速器开度，而不是增加调速器开度。
9、设置控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。
5.4.3实验结果及记录
参考的控制曲线如图5-4-3所示。
给定值跳变到60%，操作值逐步下降，控制量快速跟踪到给定值，没有什么超调量。
图6.4.3调速器压力控制曲线
实验五液位和进口流量串级控制实验
5.6.1实验题目描述
液位和进口流量串级控制流程图如图5-6-1所示。
采用右边支路进行实验，左边支路也是一样的。
图5-6-1液位和进口流量串级控制流程图
液位和进口流量串级控制测点清单如表5-6-1所示。
表5-6-1液位和进口流量串级控制测点清单
序号
位号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
102
2#流量计
管路2流量
4～20
0-3m3
2
103
V3液位
测量液位
4～20
0-3.5
3
U101
调速器
控制流量
2～10
0～100％
水介质由泵P102从水箱V4中加压获得压头，经流量计102、电动阀U101、水箱V3、手阀26回流至水箱V4而形成水循环，负荷的大小通过手阀26来调节；其中，水箱V3的液位由液位变送器103测得，给水流量由流量计101测得。
本例为串级调节系统，调速器U101为操纵变量，以102为被控变量的流量控制系统作为副调节回路，其设定值来自主调节回路―以103为被控变量的液位控制系统。
以102为被控变量的流量控制系统作为副调节回路―流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。
水箱V3为主对象，流量102的改变需要经过一定时间才能反应到液位，时间常数比较大，时延大。
由上分析知：
副调节器选纯比例控制，反作用，自动。
主调节器选用比例控制或比例积分控制，反作用，自动。
副回路干扰量通过手阀J21的调节来实现，该阀门直接影响流量，而主回路的干扰可以通过J26来实现，或者直接打开J25一会，再关上。
流程图界面，如图5-6-2所示。
图5-6-2组态流程图界面
组态控制点清单如表5-6-2所示。
表5-6-2组态控制点清单
名称
描述
数据格式
控制器中对应变量
U101
流量控制，百分比输出
9:
0
103
液位信号
F8:
0
101
流量信号
F8:
1
主调节器设定值
F8:
10
P
主调节器比例系数
9:
0
副调节器比例系数
9:
1
I
主调节器积分系数
9:
0
副调节器积分系数
9:
1
D
主调节器微分系数
9:
0
副调节器微分系数
9:
1
手/自动
主回路手自动切换
9:
0
副回路手自动切换
9:
1
主回路调节器输出
手动状态下可改写
9:
0
主回路调节器输出
手动状态下可改写
9:
1
5.6.2控制算法和编程
串级控制系统方框图如图5-6-3所示。
以串级控制系统来控制水箱液位，以支路流量为副对象，水泵直接向水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。
水箱为主对象，流量的改变需要经过一定时间才能反应到液位，时间常数比较大，时延大。
将主调节器的输出送到副调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。
由上分析副调节器选纯比例控制，反作用（要想流量大，则调速器开度加大），自动。
主调节器选用比例控制或比例积分控制，反作用（要想液位高，则调速器开度加大），自动。
5.6.3操作步骤和调试
1、编写控制器算法程序，下装调试；编写实验组态工程，连接控制器，进行联合调试。
2、在现场系统上，打开手动调速器22。
调节26具有一定开度，其余阀门关闭。
3、在控制系统上，将流量计（102）连到控制器0输入端，水箱液位（103）连到控制器1输入端，调速器U101连到控制器0端。
4、打开设备电源，包括调速器电源。
5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。
6、启动计算机，启动组态软件，进入实验项目界面。
启动调节器，设置各项参数，将调节器切换到自动控制。
7、启动水泵，工频运行水泵P101。
系统开始运行。
8、首先，利用主回路，做一个单回路液位实验。
确定P、I值（D＝0）设定一个值A1，并记录稳定时的流量计101的测量值A2
9、调节21从90度变动到50度，并记录系统超调量。
10、将主调节器置手动状态，调整其输出为A2，将A2作为副调节器的值。
11、在上述状态下，整定副调节器的P参数。
调整整个系统至稳定（可有余差）
12、再将主调节器切换到自动状态，预置主调节器的P、I参数不变。
系统应仍然稳定。
13、调节21从90度变动到50度，并记录系统超调量。
副调节器：
一般纯比例（P）控制，反作用，自动，2（副回路的开环增益）较大。
主调节器：
比例积分（）控制，反作用，自动，1〈2（1主回路开环增益）。
14、通过反复对副调节器和主调节器参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的静态精度。
15、再次通过21增加副回路干扰进行测试，记录超调和稳定时间。
16、通过26的变动增加主回路干扰，记录超调和稳定时间。
5.6.4实验结果及记录
实验曲线如图5-6-4所示。
图5-6-4液位流量串级控制曲线
实验五水箱液位数学模型测定
一般情况下，系统特性实验是属于开发性测试。
在用户现场一般不会再次进行，如果用户有兴趣可以抽取进行。
测试的对象实际包括控制系统。
单容系统测试和多容系统的编程和界面都一样，只是出水口和目标液位对象不同。
多容系统的特性时间更长。
5.1.1实验题目描述
阀门的开度，以及调速器、水泵的特性都可能影响到系统的传递函数，所以没有一样的传递函数，但是在一定的液位高度范围内和一定的开度下，系统时间基本是一样的。
阀门的开度会影响到传递函数，所以同学们测量的数据可能不同。
把系统作为一阶系统，传递函数G（S）
（1）。
对于单容水箱，如果考虑进行线性简化，可以认为它是一阶惯性环节加纯延迟的系统
。
由于纯延迟相对系统时间比较少。
可以不考虑纯延迟。
下面求出系统时间参数和增益K。
直接在调速器上加定值电流，从而使得水泵具有固定的流量。
可以通过智能调节仪表手动给定，或者模块直接输出电流，调整水箱出口到一定的开度，等待稳定后，突然加大调速器上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型，测试工艺如图5-1-1所示。
图5-1-1单容液位特性测量流程图
相关理论计算可以参考清华大学出版社1993年出版的《过程控制》，金以慧编著。
实验方案连线如表5-1-1所示。
表5-1-1实验连线
测量或控制量
测量或控制量标号
控制系统端口
水箱液位
101
0
调速器
U101
0
5.1.2实验步骤和数据记录
步骤如下：
1、12全开，16打开45度左右（由于开度不同，特性也有差异），其余阀门关闭。
2、将101连到0输入端，0输出端连到U101（手动输出）。
3、工艺对象上电，控制系统上电，调速器U101上电，启动P101。
4、启动组态软件，设定U101控制40%，等待系统稳定。
液位和流量稳定在某个值。
注意观察液面，不能太低，否则不算稳定。
5、设定U101控制45%，记录水位随时间的数据，到新的稳定点或接近稳定。
如果阶越太大，可能导致溢出。
6、抓图，修改U101控制量，然后获得一个新的稳定曲线。
7、可以修改16开度，重复4和6步。
8、关闭系统，分析数据。
5.1.3实验结果
单容水箱水位阶跃响应曲线，如图5-1-2所示。
图5-1-2单容测试飞升特性曲线
传递函数G（S）
（1）。
控制量从20%上升到25%，液位从27.1%上升到61.2%。
按照63.2%变动，则从54.6%高度画线。
从开始变化到70.6%变动范围时间就是178秒。
增益（70.6-27.1）/（25-20）=8.7
传递函数G（S）=8.7/（1781）。
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