过控课程控制技术实验讲义.docx

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过控课程控制技术实验讲义

过程控制技术及应用

实验指导书

姜国平刘天霞汤占岐编

北方民族大学化学与化学工程学院

二00六年十一月

目录

实验1:

流量自衡过程3

实验2：

单液位非自衡过程6

实验3：

液位与流量的非线性关系实验6

实验4：

反应温度非自衡过程9

实验5：

一阶惯性通道传递函数模型测试13

实验6：

衰减振荡法液位PID控制器参数整定17

实验7：

气体压力PID单回路控制系统的设计与整定22

实验1:

流量自衡过程

1、实验目的

1）了解什么是自衡过程及其特点。

2）分清过程自衡的原因。

3）分析过程自衡的条件及自衡的范围。

2、实验原理

自衡过程是指系统中存在着对所关注的变量的变化有一种固有的、自然形式的负反馈作用，该作用总是力图恢复系统的平衡。

具有自平衡能力的过程称为自衡过程。

反之，不存在固有反馈作用且自身无法恢复平衡的过程，称为非自衡过程。

在出现扰动后，过程能靠自身的能力达到新的平衡状态的性质称为自衡特性。

无论扰动如何变化，过程自身都能在不加控制的条件下，在变量实际允许的量程范围内达到平衡，这种过程称为完全自衡过程。

实际过程中自衡常常是有条件的，并且是在一定的范围内才可以自衡，超出允许范围就无法达到自衡了。

依据过程的自衡与非自衡特性，可以将大多数工业过程的特性归类为如下常见类型。

1）无振荡自衡过程

在阶跃作用下，被作用变量不发生振荡，且逐渐向新的稳态值靠近。

此类过程的传递函数模型可表达为如下形式

（2-1）

以上无振荡自衡过程传递函数模型，可以直接通过阶跃响应曲线用图解法或曲线拟合方法得到，详见本单元模块（四）。

在过程工业中无振荡自衡过程十分常见，并常用第一种模型表达。

第一种模型又称为一阶加纯滞后模型，可以用来近似多容高阶动态模型。

2）有振荡自衡过程

在阶跃作用下，被作用变量发生衰减振荡，且逐渐向新的稳态值靠近。

此类过程的传递函数模型至少是二阶以上形式，在工业过程中很少见，例如

（2-2）

3）无振荡非自衡过程

在阶跃作用下，被作用变量会一直上升或一直下降，不能达到新的平衡状态。

此类过程的传递函数模型常表达为

（2-3）

（2-4）

由于积分过程具有非自衡特性，以上传递函数模型中都含有一个积分因子（1/S）。

3、实验工艺过程描述

流量自衡过程实验选离心泵及液位流程中的泵出口流量F2，具体流程见图1-1。

工艺过程的描述详见第一部分，第二单元。

为了使实验结果准确，采用单回路液位控制系统通过上游的阀门V1调节流量F1，控制液位L1稳定。

然后，通过手动改变阀门V2的开度，观察流量F2的自衡过程。

4、实验设备及连接

1）在上位计算机启动测试软件，选择并进入离心泵及液位工程。

2）在盘台上进行线路连接。

如图2-2所示，

①用黑色导线将卧圆罐液位L1黑色插孔和液晶显示器下部1号黑色插孔连接，将L1设定为液晶显示器上对应的第一排左数第一个棒图显示。

②用黑色导线将离心泵出口流量F2黑色插孔和液晶显示器下部11号黑色插孔连接，将F2设定为液晶显示器上对应的第三排左数第一个数字显示。

5、控制系统组态

1）将液位L1控制定义为位号LIC-01，PID参数设置为：

KC=16、Ti=60秒、Td=0秒、反作用。

变送器集点选L1。

带定位器的控制阀选V1，阀特性选线性，组态画面见图2-3。

2）完成趋势画面组态，选择F2、V2两个变量需要趋势记录。

趋势画面见图2-4。

3）阀门V1、V2特性选线性。

图1-1离心泵及液位流程图画面

6、实验步骤

1）将测试软件选定为运行状态。

2）按照第一部分，第二单元操作规程将本系统开车到正常工况。

此时，手动调整V2的开度为45%，L1设定值设为50%。

3）手动调整V2的开度为55%，观察流量F2按一阶非周期特性上升，大约25秒钟后达到新的平衡。

4）手动调整V2的开度为60%，观察流量F2仍按一阶非周期特性上升，大约20秒钟后达到新的平衡。

5）本实验可以继续下去，无论如何改变V2的开度（增加或减少），F2总能经过一个一阶非周期特性的变化达到新的平衡点。

图1-2盘台上的黑线连接

图1-3液位单回路控制系统组态图

7、实验结果记录

详见图4所记录的F2和V2随时间变化的历史曲线，及实验记录表2-1。

表2-1测试实验案例001实验记录

实验步骤

V2初始开度

V2新开度

F2初始值

F2新平衡值

1

2

3

4

图1-4趋势记录画面

8、实验分析与结论

9、思考题

1）什么是自衡过程？

有何特点？

2）简要解释过程自衡的原理。

3）什么原因能导致流量自衡？

举例说明。

实验2：

单液位非自衡过程

1、实验目的

1）了解什么是单液位非自衡过程及其特点。

2）分清单液位非自衡过程非自衡的原因。

3）分析单液位非自衡过程非自衡的条件。

2、实验原理

见实验1。

3、实验工艺过程描述

工艺过程同实验1，所不同的是固定出口流量F2（即固定V2开度），改变入口流量F1，观察液位L1的非自衡现象。

4、实验设备及连接

同实验1。

5、控制系统组态

同实验1。

6、实验步骤

1）设定趋势回零状态，启动测试软件为运行模式。

2）按照第一部分，第二单元操作规程将本系统开车到正常工况。

此时，手动调整V2的开度为30%，L1设定值设为50%。

3）将控制器LIC-01置手动，将控制器输出提升到80%，实现方法是：

在控制器图标中点击“配置”，弹出“PID控制器配置”画面，修改输出为80%，并进行“确认”。

4）观察液位持续上升，最后液位达到100%，即满罐，由于本罐通大气，继续下去则发生溢流事故，液位将维持100%不变。

5）本实验可以继续下去，发现V1的开度只要偏离使流量F1等于F2的位置，当F1大于F2时，液位L1则持续上升直到满罐；当F1小于F2时，液位L1则持续下降直到抽空。

系统再也无法达到平衡。

7、实验结果记录

详见图2-5，测试软件按趋势画面组态自动记录L1和V1随时间变化的历史曲线。

图2-1趋势记录画面

8、实验分析与结论

9、思考题

1.什么原因能导致液位自衡？

举例说明。

实验3液位与流量的非线性关系实验

一、知识点

工艺过程特性为线性的主要特征是，相同的输入相对变化，导致输出的相对变化为常数。

例如，直线特性控制阀的固有特性表现为，在阀杆全行程的任何位置，相同的相对开度变化导致的流量变化总是相同，即阀门增益为常数。

而工艺过程特性为非线性的主要特征是，相同的输入相对变化，导致输出的相对变化不为常数。

例如，等百分比特性的控制阀，在阀杆全行程的任何位置，相同的相对开度变化导致的流量变化不同。

工业过程中，大多数的通道特性是非线性的。

为了测试液位的线性或非线性特性，可以先将容器液体排放干净，关闭出口阀门。

然后向容器以不变的流量（保持阀门为固定开度）注入液体，观察并记录液位的上涨数据，直到容器注满为止。

这个过程中每个单位时间流量变化都是相同的，如果液位的变化特性是线性的，所记录的液位增长曲线应当是一条斜的直线。

如果液位的变化特性是非线性的，所记录的液位增长曲线应当不是直线。

以上试验可以测试出由于容器形状所导致的液位变化的非线性特性。

实际上，入口流量或出口流量的变化也能导致液位变化的非线性特性。

广义的看，高阶动态特性为线性，变量各阶变化率之间的关系都为常数，否则都是非线性的。

二、实验说明、

1、实验目的

（1）了解工艺过程非线性特性的主要特征。

（3）分析导致非线性的原因。

2、实验原理

同实验1

3、实验内容

（1）实验工艺过程描述

工艺过程流程图见图1-5。

将系统恢复到冷态。

打开V1，在出口泵停止的前提下，记录液位L1从0%上升到100%全过程。

（2）实验设备及连接

1）在上位计算机启动测试软件，选择并进入离心泵及液位工程。

2）盘台上线路连接。

同实验1。

（3）控制系统组态

1）完成趋势画面组态，选择L1变量需要趋势记录。

2）阀门V1选线性特性。

4、实验步骤

1）启动离心泵与液位软件工程。

2）检查离心泵应处于关闭状态，将V1的开度调整到80%左右，测试软件选定为冷态运行状态。

3）注意维持泵出口阀V2关闭。

4）保持V1开度，以恒定的流量，直到把卧式圆储罐注满，关闭V1。

5、实验结果记录

详见图1-6记录了V1维持开度以恒定的流量引起液位L1变化的趋势。

同时记录V1=80%，F1=11.28kg/s。

6、实验分析与结论

1）液位与恒定流量呈非线性原因

卧式圆储罐的容器形状特点是，L1=50%的高度横截面积最大，而L1从0%上升到50%，容器横截面积从最小变化到最大。

L1从50%上升到100%，容器横截面积又从最大变化到最小。

因此，在L1的中部，单位时间向容器注入相同容积的液体导致液位上升的高度最小，在容器底部或顶部，单位时间向容器注入相同容积的液体导致液位上升的高度逐渐变大。

所记录的L1变化曲线呈倒“S”形，中间变化平缓，两端变化逐渐加大。

此种情况是由于容器形状导致了液位变化的非线性。

2）流量与储罐容量核算

在图1-6中通过辅助线截取当液位L1升至50%的时间t=337s-150s=187s。

计算以恒定的流量F1=11.28kg/s，历经t=187s时间所注入储罐水的体积V（m3）。

已知水的重度γ＝1000kgf/m3。

比较卧式储罐1/2的体积V1/2。

已知卧式储罐为椭圆端盖，直径D=1.5m，最大长度L=2.6m（等效长度Le=2.4m）

以上计算结果表明流量F1、L1及时间t的测量数据准确。

图1-6卧式圆储罐液位变化测试记录曲线

三、思考题

1．工艺过程特性为线性的主要特征是什么？

2．工艺过程特性为非线性的主要特征是什么？

3．导致液位呈非线性特性的原因主要有哪些因素？

4．入口流量不变所引起的卧式圆罐的液位变化为什么呈反“S”形？

实验4：

反应温度非自衡过程

1、实验目的

1）了解什么是反应温度非自衡过程及其特点。

2）分清反应温度非自衡的原因。

3）分析反应温度非自衡的条件。

2、实验原理

见实验1。

3、实验工艺过程描述

连续反应温度非自衡过程实验流程见图3-1。

工艺过程的描述详见第一部分，第五单元。

首先通过手动将连续反应过程从冷态开车达到正常工况，采用单回路控制系统TIC-01稳定反应温度，用单回路控制系统LIC-01稳定反应器内的液位。

当反应稳定后，将TIC-01切手动，人为改变夹套冷却水阀门V8开度，即加大或减小冷却水流量，观察反应温度的非自衡过程。

4、实验设备及连接

1）在上位计算机启动测试软件，选择并进入连续反应工程。

2）在盘台上进行线路连接。

①用黑色导线将丙烯进料流量F4黑色插孔和液晶显示器下部8号黑色插孔连接，将F4设定为液晶显示器上对应的第二排右数第三个数字显示。

②用黑色导线将己烷进料流量F5黑色插孔和液晶显示器下部9号黑色插孔连接，将F5设定为液晶显示器上对应的第二排右数第二个数字显示。

③用黑色导线将催化剂与活化剂混合物进料流量F6黑色插孔和液晶显示器下部10号黑色插孔连接，将F6设定为液晶显示器上对应的第二排右数第一个数字显示。

④用黑色导线将反应温度T1黑色插孔和液晶显示器下部13号黑色插孔连接，将他设定为液晶显示器上对应的第三排右数第三个数字显示。

⑤用黑色导线将反应器液位L4黑色插孔和液晶显示器下部14号黑色插孔连接，将L4设定为液晶显示器上对应的第三排右数第二个数字显示。

⑥用黑色导线将夹套冷却水流量F8黑色插孔和液晶显示器下部15号黑色插孔连接，将F8设定为液晶显示器上对应的第三排右数第一个数字显示。

图3-1连续反应过程流程图画面

图3-2控制系统组态画面

5、控制系统组态

1）将液位L4控制定义为位号LIC-04，PID参数设置为：

KC=1.5、Ti=50秒、Td=0秒、正作用。

变送器集点选L4。

带定位器的控制阀选V9，阀特性选线性，组态画面见图3-2。

2）将反应温度T1控制定义为位号TIC-01，PID参数设置为：

KC=6、Ti=90秒、Td=10秒、正作用。

变送器集点选T1。

带定位器的控制阀选V8，阀特性选线性，组态画面见图3-2。

3）完成趋势画面组态，选择T1、V8、F8三个变量需要趋势记录。

趋势画面见图3-3。

4）阀门V4、V5、V6选线性特性。

6、实验步骤

1）设定趋势回零状态，启动测试软件为运行模式。

2）按照第一部分，第五单元操作规程（见附录）将本系统开车到稳定工况。

此时，手动调整V4的开度为55%，V5的开度为55%，V6的开度为60%，反应器液位LIC-01的设定值为70%，反应温度TIC-01的设定值为70℃。

系统工况稳定时，F4=718Kg/h，F5=1505Kg/h，F6=88.8Kg/h，T1=70℃，L4=70%。

3）将反应温度控制器TIC-01切手动，将控制器的输出减小10%左右，使当前反应的冷却量不足，反应温度按指数规律上升得越来越快，大约200多秒钟温度上升到报警限，见图2-16记录曲线。

此时如果不采取紧急措施，将发生爆炸事故。

这是连续反应温度的正向非自衡现象。

4）当T1上升到接近100℃时，及时将TIC-01切自动，控制器立即加大夹套冷却水流量，经过自动控制，T1回到70℃，并稳定在70℃上。

5）将反应温度控制器TIC-01切手动，将控制器的输出加大10%左右，使当前反应的冷却量超出所需量，反应温度则不断下降，直到停止反应，大约460秒钟后回到常温。

这是连续反应温度的反向非自衡现象，见图2-17记录曲线。

此种情况虽然没有危险，但反应会减弱直到停止，即工厂减产或停工，也是不允许的。

7、实验结果记录

详见图3-3和图3-4所记录的T1、V8和F8随时间变化的历史曲线，图3-3是连续反应温度的正向非自衡过程的记录；图3-4是连续反应温度的反向非自衡过程的记录。

图3-3趋势记录画面之一

图3-4趋势记录画面之二

8、实验分析与结论

9、思考题

1）什么是非自衡过程？

有何特点？

2）简要解释过程非自衡的原理。

3）举例说明何种液位系统无法自衡。

4）各写两种自衡过程和非自衡过程的传递函数模型，说明其特征。

5）导致连续反应温度非自衡的原因是什么？

可能导致什么危险？

6）为什么非自衡过程需要安全保护控制？

常用哪些保护控制方法？

实验5：

一阶惯性通道传递函数模型测试

1、实验目的：

1）正确应用阶跃响应法测试通道动态特性。

2）通过阶跃响应曲线判别通道传递函数表达方式。

3）应用作图法测定通道一阶惯性传递函数的增益K和时间常数T。

4）应用作图法测定通道一阶惯性加纯滞后传递函数的增益K、时间常数T和

纯滞后时间τ。

2、实验原理

1）通道模型

建立工业过程的数学模型是对通道影响关系的深入揭示，在过程控制中，建立通道模型的用途主要是：

辅助控制系统方案的分析和研究；直接用来作为先进控制系统中的数学模型；辅助控制系统的调试；进行PID控制器的参数整定；辅助安全评价和决定安全保护控制方案；用于故障诊断；用于仿真训练等。

工业过程的数学模型主要分为静态模型和动态模型。

通道动态模型是表达输入变量和输出变量之间随时间变化的数学描述。

数学模型的结构为微分方程，常用传递函数表示，以便采用代数方法分析动态系统。

常见的通道传递函数模型如下：

一阶惯性模型，例如

（2-7）

一阶惯性加纯滞后模型，例如

（2-8）

二阶惯性加纯滞后模型，例如

（2-9）

高阶惯性加纯滞后模型，例如

（2-10）

2）阶跃响应法测试通道模型

本方法测试简便，在工业控制中应用广泛。

测试的前提是过程处于稳定状态，且所有的控制器置手动，防止系统的变化被控制作用所掩盖。

为了确保系统处于稳定状态，先利用自动控制稳定工况，然后置手动也是有效的方法。

当确认系统稳定后，将所选定通道的输入变量（一般是用阀门调整）快速变化一个幅度，相当于输入一个阶跃变化。

记录输入和输出随时间变化的曲线。

当输出变量达到一个新的稳态值并保持稳定时，即完成一次测试。

显然，本方法仅适用于自衡过程，而且，应当在输入变量处于不同负荷（高、中、低）下各重复数次，一方面要确认在相同负荷下的测试数据是否准确，应取平均值；另一方面要确认不同负荷下响应规律是否有变化，如果有变化，系统特性是非线性的。

利用所测试的阶跃响应曲线可以得到通道传递函数模型，可有如下三种情况。

①一阶惯性特性

如果阶跃响应曲线没有纯滞后或纯滞后时间相对很小，且响应曲线起始变化率很大可看成一阶惯性特性。

可直接从曲线上用作图法测得时间常数T和通道开环增益K。

见图4-1所示，T等于从起始稳态变化到新的稳态63.2%处的时间，K等于前后两个稳态值y1、y2的差与输入阶跃变化的增幅之比。

图4-1作图法测量T和K

（1）一阶惯性加纯滞后特性

如果阶跃响应曲线有明显的纯滞后，且响应曲线呈现S形，通道为高阶特性，常用一阶惯性加纯滞后近似。

即需要得到纯滞后时间τ、时间常数T和通道开环增益K，可直接从曲线上用作图法测得。

见图4-2所示，在S形曲线的中间拐点处作切线，与前后两个稳态值y1、y2的交点对应的时间差为通道时间常数T，从阶跃扰动起始时刻到切线与y1水平线交点所对应时刻的时间差为τ，K等于前后两个稳态值y1、y2的差与输入阶跃变化的增幅之比。

（2）二阶或n阶惯性加纯滞后

当阶跃响应是S形单调曲线，也可以用两个或多个一阶惯性环节近似，可望得到更好的拟合精度。

通道增益K的求取方法同前。

从阶跃干扰产生时刻沿响应曲线没有变化到刚开始变化的时刻确定纯滞后时间τ。

余下的工作是决定如何用二阶或n阶惯性环节拟合截去纯滞后部分的阶跃响应特性。

依据阶跃响应曲线上的两个点的数据，可以确定二阶或n阶惯性环节的时间常数。

例如，可在响应曲线总变化范围的40%和80%处测定出时间t1和t2，见图4-3所示。

求取各环节时间常数的方法如下。

当0.32

图4-2作图法测量K、T、τ

（2-11）

当t1/t2=0.46时，二阶惯性环节的两个时间常数T1和T2相等，即T2=T1，T1由下式求得。

（2-12）

当t1/t2>0.46时，该阶跃响应特性具有更高的阶次。

为了便于计算，令所有的惯性环节时间常数相等，确定惯性环节阶次n和时间常数T的方法是，先计算t1/t2从数据表4-1查得阶次n，然后用下式计算时间常数T。

（2-13）

表4-1模型阶次

t1/t2

0.32

0.46

0.53

0.58

0.62

0.65

0.67

0.685

0.71

0.735

0.75

n

1

2

3

4

5

6

7

8

10

12

14

图4-3两点作图法测量K、T、τ、n

2、实验工艺过程描述

工艺过程同实验1，流程图见图1-1。

通过自动控制液位L1维持上游稳定，手动调整V2的开度产生阶跃扰动，记录泵出口流量F2的变化趋势曲线，通过记录曲线得出V2对F2的通道传递函数模型。

3、实验设备及连接

1）在上位计算机启动测试软件，选择并进入离心泵及液位工程。

2）盘台上线路连接。

同实验1。

4、控制系统组态

1）保留液位L1控制系统，以便尽快进入测试前的稳定工况。

2）完成趋势画面组态，选择F2需要趋势记录。

趋势画面见图2-31。

3）阀门V1、V2选线性特性。

5、实验步骤

1）将测试软件选定为运行状态。

2）参照第一部分，第二单元操作规程将本系统开车到稳定工况。

此时，手动调整V2的开度为50%，L1给定值设为50%，通过自动控制将L1稳定在50%。

3）为了计算V2至F2通道静态增益K，需要F2在V2最大开度（100%）的流量。

手动将V2开大到100%，记录稳定后的F2=17.7kg/s。

4）手动将V2的开度关小到60%，等系统达到稳定状态，记录此时的流量F2=10.64kg/s。

5）手动快速将V2开度提升到65%，等系统达到稳定状态，记录此时的流量

F2=11.53kg/s。

6）重复4）和5）两次，记录F2在V2变化开度前后的稳态值，用三次测试的平均值为最终结果。

7）在高负荷，例如，V2从85%变化到90%；在低负荷，例如，V2从30%变化到35%，重复以上试验，记录测试结果。

6、实验结果记录

详见图4-4记录的V2变化引起F2变化趋势。

测试得到的一组数据如表4-2。

表4-2测试实验案例012实验记录

V2（%）

100

60

65

F2（kg/s）

17.7

10．64

11．53

在记录曲线上得到时间常数为T=4.5s。

计算通道静态增益

（2-14）

通道传递函数模型为

（2-15）

7、实验分析与结论

图4-4通道模型测试记录曲线

实验6：

衰减振荡法液位PID控制器参数整定

1、实验目的

1）掌握衰减振荡法PID控制器参数整定技能。

2）熟悉控制器参数整定的常用标准。

3）掌握衰减振荡法PID控制器参数估算方法。

4）了解衰减振荡法PID控制器参数整定的适用范围。

2、实验原理

由于工业生产安全稳定性要求，不允许进行等幅振荡试验，或者对象特性无法达到等幅振荡的场合，可以采用衰减振荡法进行PID控制器参数整定。

与临界比例度法比较而言，参数整定步骤完全相同，唯一的区别是采用纯比例作用得到4:

1衰减的阶跃干扰的响应曲线为参数整定计算依据。

令KS为4:

1衰减振荡时的纯比例增益，TS为4:

1衰减振荡周期，PID参数估算方法参见表5-1。

表5-1衰减振荡法PID控制器参数整定计算表

控制规律

P（KC）

I（Ti）秒

D（Td）秒

P

KS

PI

0.83KS

0.5TS

PID

1.25KS

0.3TS

0.1TS

衰减振荡法控制器参数整定的优点是，整定质量较好、对工艺过程干扰较小、安全可靠。

缺点是，对于时间常数小的系统不易测取衰减振荡周期TS，干扰频繁的系统也不宜使用。

3、实验工艺过程描述

衰减振荡法PID控制器参数整定选三级液位流程中的第二级液位L3，具体流程见图3-1。

工艺过程的描述详见第一部分，第二单元。

为了防止L1和L4超限，分别采用PID单回路控制。

本试验针对L3进行衰减振荡法PID控制器参数整定。

图5-1三级液位流程图画面

流程说明

见图5-2，第一级液位系统为卧式储罐，其上游设双效阀V1，入口流量F1，储罐液位L1，储罐下部出口快开阀S1（开关），离心泵，离心泵入口压力P2，离心泵出口压力P3，离心泵出口流量F2，离心泵高点排气阀S3（开关），排气完成指示灯D1，离心泵出口双效阀V2。

第一级液位系统和离心泵另设独立的实验项目，系统结构及所有内容与三级液位的第一级完全相同。

离心泵一般由电动机带动。

启动前须在离心泵的壳体内充满被输送的液体。

当电机通过联轴结带动叶轮高速旋转时，液体受到叶片的推力同时旋转，由于离心力的作用，液体从叶轮中心被甩向叶轮外沿，以高速流入泵壳，当液体到达蜗形通道后，由于