环境工程仪表及自动化课程实验指导书SUPCON.docx

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环境工程仪表及自动化课程实验指导书SUPCON

环境工程仪表及自动化课程实验指导书

环境工程专业《环境工程仪表及自动化课程实验》是为了配合环境工程仪表及自动化课程的教学而设置的实践教学环节。

该实验是完成教学计划达到学生培育目标的重要环节，是教学计划中进行综合训练的重要实践环节，是有助于培育应用性人材的一种教学形式，它将使学生在综合运用所学知识，解决本专业方向的实际问题方面取得系统性的训练。

学生在进行综合实验后可掌握以下内容：

1、传感器特性的熟悉和零点迁移；

2、自动化仪表的综合熟悉及利用；

3、电动调节阀的调节特性和原理；

4、单回路控制系统的控制参数整定；

5、复杂控制回路系统的控制参数整定；

6、控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力的培育。

实验进程的大体程序：

1、明确实验目的；

2、提出实验方案；

3、画实验接线图；

4、进行实验操作，做好观测和记录；

5、整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。

实验预备、系统结构的熟悉和液位传感器的校准

一、实验目的

1.了解实验装置的结构和组成。

2.了解信号的传输方式和路径。

3.掌握实验装置的大体操作。

4.掌握液位传感器的校准方式。

二、实验设备

AE2000A型进程控制实验装置，万用表。

三、实验内容

1、设备的检查与连接

1）.关闭排水阀门，检查AE2000A型进程控制对象的储水箱水位是不是达到总高度的50％以上，如不够，灌水。

2）.打开以循环泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。

3）.关闭上水箱泄水阀。

4）.检查电源开关是不是关闭。

2、系统连线

1）.将I/O信号面板上水箱液位的切换开关设置在1～5V（250Ω）位置上。

2）.不需连线。

3、启动实验装置

1）.将实验装置电源插头接到单相220V交流电源上。

2）.打开总电源漏电保护空气开关。

3）.打开电源总开关。

4）.打开24VDC电源开关。

4、水箱液位传感器的校准

水箱液位传感器测量范围：

0~10Kp上；24VDC电源供电，4~20mA电流输出，两线制接法。

校准前先打开电源总开关，接通24VDC开关电源，检查直流电压是不是为24V，用万用表在接线口测量确认。

确认后能够开始校准。

校准方式：

1）零位（零点）校准（对应液位0mm）

a）打开出水阀排空上水箱中的水后，关闭出水阀。

b）用万用表20V直流电压档测量I/O信号面板上的上水箱液位的电压值，现在上水箱液位为零，调节上水箱液位传感器的零位电位器，使测量的电压值为。

2）增益（量程）校准（对应液位360mm）

a）打开单相泵和电磁阀的开关，上水箱开始进水。

b）当上水箱液位达到溢流口时，关闭水泵电源开关，从水箱刻度尺上读出测量值（对应液位360mm）。

记录万用表20V直流电压档测量的上水箱液位的电压值（），测量值=（电压值-1）×250mm，若不是，调节上水箱液位传感器的增益电位器，使电压值通过换算后和测量值吻合。

3）重复步骤1）、2），复调零位和增益。

直到液位为零时电压显示为1V，最大值时（对应液位360mm）电压与实际测量值（）吻合。

注：

调好以后就再也不调。

5、调节其他水箱液位传感器与调节上水箱液位传感器方式一样。

注：

液位传感器的校准一般在出厂前已完成。

四、预习

熟读AE2000型进程控制系统实验装置的系统说明书，重点熟悉对象系统结构和液位传感器的校准。

实验一、单容水箱液位PID整定实验

一、实验目的

1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。

2、分析别离用P、PI和PID调节时的进程图形曲线。

3、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。

二、实验设备

AE2000A型进程控制实验装置、万用表、上位机软件、运算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。

三、实验原理

图2-15

图2-15为单回路水箱液位控制系统。

单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来维持一个参数的恒定，而调节器只同意一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。

本系统所要维持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。

按照控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。

当调节方案肯定以后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪以后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着专门大的关系。

适合的控制参数，能够带来满意的控制效果。

反之，控制器参数选择得不适合，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。

一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。

一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能紧密相关。

比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。

比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳固性等）。

可是，并非是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并非明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。

对于咱们的实验系统，在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应别离如图2-16中的曲线①、②、③所示。

图2-16P、PI和PID调节的阶跃响应曲线

四、实验内容和步骤

1、设备的检查和连接

1）.关闭排水阀门，检查AE2000A型进程控制对象的储水箱水位是不是达到总高度的50％以上，如不够，灌水。

2）.打开以循环泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。

3）.打开上水箱泄水阀，开至适当的开度。

4）.检查电源开关是不是关闭。

2、系统连线如图2-17所示：

图2-17单容水箱液位PID参数整定控制接线图

1）.将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到1～5V（250Ω）位置。

2）.将上水箱液位+（正极）接到一号智能调节仪的1端（即RSV的正极），将上水箱液位－（负极）接到智能调节仪的2端（即RSV的负极）。

3）.将智能调节仪的4~20mA输出端的7端（即正极）接至调节阀的4~20mA输入端的+端（即正极），将智能调节仪的4~20mA输出端的5端（即负极）接至调节阀的4~20mA输入端的－（即负极）。

4）.智能调节仪的220V的电源开关打在关的位置。

5）.电源控制板上的电源空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。

3、启动实验装置

1）.将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。

2）.打开电源带漏电保护空气开关。

3）.打开电源总开关。

4）.开启24VDC电源开关，调整好仪表各项参数（仪表初始状态为手动且为0）和液位传感器的零位。

5）.启动智能仪表，设置好仪表参数。

4、比例调节控制

1）.启动运算机MCGS组态软件，进入实验系统选择相应的实验，如图2-18所示：

图2-18实验软件界面

2）.打开调节阀和单相电源泵开关，开始实验。

3）.设定给定值，调整比例度（P）。

4）.待系统稳固后，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）。

记录曲线在通过几回波动稳固下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。

5）.减小比例系数重复步骤4，观察过渡进程曲线，并记录余差大小。

6）.增大比例系数重复步骤4，观察过渡进程曲线，并记录余差大小。

7）.选择适合的比例系数（K），能够取得较满意的过渡进程曲线。

改变设定值（如设定值由50％变成60％），一样能够取得一条过渡进程曲线。

P=（1/K）x100%

8）.注意：

每当做完一次实验后，必需待系统稳固后再做另一次实验。

5、比例积分调节器（PI）控制

1）.在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置积分时刻（Ti）不为0，观察被控制量是不是能回到设定值，以验证PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。

2）.固定比例系数值（中等大小），改变PI调节器的积分时刻常数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。

表2-10不同Ti时的超调量σp

积分时间常数Ti

大

中

小

超调量σp

3）.固定积分时刻于某一中间值，然后改变比例系数的大小，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。

表2-11不同K值下的σp

比例系数K

大

中

小

超调量σp

4）.选择适合的K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进程曲线。

此曲线可通过改变设定值（如设定值转变20%）来取得。

6、比例积分微分调节（PID）控制

1）.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微分时刻（Td）参数，然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与PI控制下的曲线相较较，由此可看到微分时刻（Td）对系统性能的影响。

2）.选择适合的K、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡进程曲线（阶跃输入可由给定值突变20%来实现）。

3）.在历史曲线当选择一条较满意的过渡进程曲线进行记录。

7、用临界比例度法整定调节器的参数

在实现应用中，PID调节器的参数常常利用下述实验的方式来肯定。

用临界比例度法去整定PID调节器的参数是既方便又实用的。

它的具体做法是：

1）.在只有比例调节作用下（将积分时刻放到最大，微分时刻放到最小），先把比例系数K放在较小值上，然后慢慢增加调节器的比例系数，而且每当增加一次比例系数，待被调量回答到平衡状态后，再手动给系统施加一个5%~15%的阶跃扰动，观察被调量转变的动态进程。

若被调量为衰减的振荡曲线，则应继续增加比例系数，直到输出响应曲线呈现等幅振荡为止。

若是响应曲线出现发散振荡，则表示比例系数调节得过大，应适当减少，使之出现等幅振荡。

图2-19为它的实验方块图。

图2-19具有比例调节器的闭环系统

2）.在图2-20系统中，当被调量作等幅荡时，现在的比例系数K就是临界比例系数，用Km表示之，现在的临界比例度为δk，δk＝1/Km，相应的振荡周期就是临界周期Tm。

据此，按下表可肯定PID调节器的三个参数δ、Ti和Td。

图2-20具有周期Tm的等幅振荡

表2-12用临界比例度δk整定PID调节器的参数

调节器参数

调节器名称

比例度δ（δ＝1/K）

积分时间Ti（S）

微分时间Td（S）

P

2δk

PI

δk

PID

δk

3）.必需指出，表格中给出的参数值是对调节器参数的一个初略设计，因为它是按照大量实验而得出的结论。

若要就得更满意的动态进程（例如：

在阶跃作用下，被调参量作4：

1的衰减振荡），则要在表格给出参数的基础上，对δ、Ti（或Td）作适当调整。

注：

图2-18中设定值15cm，比例系数20，积分时刻20秒，微分时刻3秒，泄水阀全开。

五、实验报告要求

1、画出单容水箱液位控制系统的方块图。

2、用接好线路的单回路系统进行投运练习，并叙述无扰动切换的方式。

3、用临界比例度法整定调节器的参数，写出三种调节器的余差和超调量。

4、作出P调节器控制时，不同δ值下的阶跃响应曲线。

5、作出PI调节器控制时，不同δ和Ti值时的阶跃响应曲线。

6、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。

7、比较P、PI和PID三种调节器对系统无差度和动态性能的影响。

六、注意事项

1、实验线路接好后，必需经指导老师检查认可后方可接通电源。

七、试探题

1、实验系统在运行前应做好哪些预备工作？

2、为何要强调无扰动切换？

3、试定性地分析三种调节器的参数K、（K、Ti）和（K、Ti和Td）的转变对控制进程各产生什么影响？

4、如何实现减小或消除余差？

纯比例控制可否消除余差？

实验二、上水箱中水箱液位串级控制实验

一、实验目的

1）、掌握串级控制系统的大体概念和组成。

2）、掌握串级控制系统的投运与参数整定方式。

3）、研究阶跃扰动别离作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。

二、实验设备

1）、AE2000A型进程控制实验装置：

上位机软件、运算机、RS232-485转换器1只、串口线1根。

2）、万用表一只

三、实验原理

上水箱液位作为副调节器调节对象，中水箱液位做为主调节器调节对象。

控制框图如图12-1所示：

12-一、上水箱下水箱液位串级控制框图

四、实验内容和步骤

一、设备的连接和检查：

（1）、打开以循环泵、调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。

（2）、打开上水箱和中水箱的出水阀至适当开度。

（3）、检查电源开关是不是关闭

二、系统连线图：

图12-二、实验接线

1）、电源控制板上电源、单相泵电源开关打在关的位置。

2）、智能调节仪的220V电源开关打在关的位置。

3）、如图9-2所示：

将I/O信号接口板上的中水箱液位的钮子开关打到1~5v（250Ω）位置，上水箱液位的钮子开关打到~1V（50Ω）位置。

4）、将中水箱液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV的+极），中水箱液位-（负端）接到智能调节仪的2端（即RSV的-极）。

智能仪表的地址设为1，软件概念调节仪地址为1的调节器为主调节器，调节仪地址为2的调节器为副调节器。

5）、将主调节仪的4~20mA输出接至I/O信号面板的转换电阻上转换成1~5V电压信号，再将此转换信号接至另一调节仪（副调节器）的1端和2端作为外部给定，上水箱液位信号转换为~1V的信号后接入副调节器的3、2两头。

调节器输出的4~20mA接调节阀的4~20mA控制信号两头。

3、启动实验装置：

1）、将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。

2）、打开电源漏电保护空气开关。

3）、启动运算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验如图12-3所示：

图12-3、实验软件界面

5）、设定主控参数和副控参数。

主调节器的参数与单回路闭环控制设定方式一样，对副调节器参数主要的区别在于参数Sn应设为32，CF应设为8。

6）、待系统稳固后，在上水箱给一个阶跃信号，观察软件的实时曲线转变，并记录。

7）、系统稳固后，在副回路上加阶跃干扰信号，观察主回路和副回路上的实时曲线的转变。

记录并保留曲线。

五、实验报告要求。

1）、画出串级控制系统的控制方块图。

2）、分析串级控制和单回路PID控制不同的地方。

六、注意事项

1）、实验线路接好后，必需经指导老师检查认可后方可接通电源。

七、试探题

1）、串级控制控制相较于单回路控制有什么长处