自动化仪表与过程控制实验讲义.docx

自动化仪表与过程控制实验讲义.docx

《自动化仪表与过程控制实验讲义.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动化仪表与过程控制实验讲义.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

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）=K/（TcS+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Tc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AO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

LT101

AI0

调速器

U101

AO0

5.1.2实验步骤和数据记录

步骤如下：

1、JV12全开，JV16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LT101连到AI0输入端，AO0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JV16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）=K/（TcS+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Tc就是178秒。

增益K=（70.6-27.1）/（25-20）=8.7

传递函数G（S）=8.7/（178S+1）。

实验二液位PID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PID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PID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PID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

2～10VDC

AO

0～100％

2

LT103

压力变送器

水箱液位

4～20mADC

AI

3.5kPa

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JV26回流至水箱V4而形成水循环；其中，水箱V3的液位由LT103测得，用调节手阀JV26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，LT103为被控变量，采用PID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JV22，调节JV26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IO面板的水箱液位输出连接到AI0，IO面板的电动调速器控制端连到AO0。

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DCS，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PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti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Ti下的超调量σp。

14、选择合适的P和Ti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PI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、Ti和Td，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PID单回路控制曲线1

图5-2-3单容水箱液位调速器PID单回路控制曲线2

实验三流量PID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PID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PID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

FT102

电磁流量计

给水流量

4～20mADC

AI

0～3m3/h

2

U101

电动调速器

阀位反馈

2～10VDC

AO

0～100％

水介质由泵P102从水箱V4中加压获得压头，经由流量计FT102、调速器U101进入水箱V3，通过手阀JV26回流至水箱V4而形成水循环；其中，给水流量由FT102测得。

本例为定值自动调节系统，U101为操纵变量，FT102为被控变量，采用PID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，PID百分比输出

FLOAT

PD9:

0.CVP

FT102

流量信号

FLOAT

F8:

0

SP

调速器设定值

FLOAT

F8:

10

P

PID比例

FLOAT

PD9:

0.KC

I

PID积分

FLOAT

PD9:

0.Ti

D

PID微分

FLOAT

PD9:

0.Ti

手/自动

手自动切换

BYTE

PD9:

0.AM

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。

FLOAT

PD9:

0.CVP

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JV22，JV26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IO面板的FT102流量计信号端子通过实验连接线连到AI0端，面板上的U101调速器控制端连接到控制器AO0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DCS，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PID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PI参数设定如下P=2，I=20，小数值D的影响不大。

实验四压力PID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PID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PID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

PT102

压力变送器

给水压力

4～20mADC

AI

150kPa

2

U101

电动调速器

调速器控制

2～10VDC

AO

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JV26回流至水箱V4而形成水循环；其中，给水压力由PT102测得。

本例为定值自动调节系统，U101为操纵变量，PT101为被控变量，采用PID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，PID百分比输出

FLOAT

PD9:

0.CVP

PT102

压力信号

FLOAT

F8:

0

SP

调速器设定值

FLOAT

F8:

10

P

PID比例

FLOAT

PD9:

0.KC

I

PID积分

FLOAT

PD9:

0.Ti

D

PID微分

FLOAT

PD9:

0.Td

手/自动

手自动切换

BYTE

PD9:

0.AM

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。

FLOAT

PD9:

0.CVP

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JV22，JV26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IO面板的管道压力（PT102）信号端子通过实验连接线连到AI0端，面板上的调速器（U101）控制端连接到控制器AO0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PID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

FT102

2#流量计

管路2流量

4～20mADC

AI

0-3m3/h

2

LT103

V3液位

测量液位

4～20mADC

AI

0-3.5kPa

3

U101

调速器

控制流量

2～10VDC

AO

0～100％

水介质由泵P102从水箱V4中加压获得压头，经流量计FT102、电动阀U101、水箱V3、手阀JV26回流至水箱V4而形成水循环，负荷的大小通过手阀JV26来调节；其中，水箱V3的液位由液位变送器LT103测得，给水流量由流量计FT101测得。

本例为串级调节系统，调速器U101为操纵变量，以FT102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LT103为被控变量的液位控制系统。

以FT102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FT102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，PID百分比输出

FLOAT

PD9:

0.CVP

LT103

液位信号

FLOAT

F8:

0

FT101

流量信号

FLOAT

F8:

1

SP

主调节器设定值

FLOAT

F8:

10

P

主调节器比例系数

FLOAT

PD9:

0.KC

副调节器比例系数

FLOAT

PD9:

1.KC

I

主调节器积分系数

FLOAT

PD9:

0.Ti

副调节器积分系数

FLOAT

PD9:

1.Ti

D

主调节器微分系数

FLOAT

PD9:

0.Td

副调节器微分系数

FLOAT

PD9:

1.Td

手/自动

主回路手自动切换

BYTE

PD9:

0.AM

副回路手自动切换

BYTE

PD9:

1.AM

主回路调节器输出

手动状态下可改写

FLOAT

PD9:

0.CVP

主回路调节器输出

手动状态下可改写

FLOAT

PD9:

1.CVP

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JV22。

调节JV26具有一定开度，其余阀门关闭。

3、在控制系统上，将流量计（FT102）连到控制器AI0输入端，水箱液位（LT103）连到控制器AI1输入端，调速器U101连到控制器AO0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SP值A1，并记录稳定时的流量计FT101的测量值A2

9、调节JV21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SP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JV21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，KC2（副回路的开环增益）较大。

主调节器：

比例积分（PI）控制，反作用，自动，KC1〈KC2（KC1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JV21增加副回路干扰进行测试，记录超调和稳定时间。

16、通过JV26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）=K/（TcS+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Tc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AO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

LT101

AI0

调速器

U101

AO0

5.1.2实验步骤和数据记录

步骤如下：

1、JV12全开，JV16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LT101连到AI0输入端，AO0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JV16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）=K/（TcS+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Tc就是178秒。

增益K=（70.6-27.1）/（25-20）=8.7

传递函数G（S）=8.7/（178S+1）。