过控实验指导书.docx
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过控实验指导书
过程控制系统
实验指导书
电子工程学院自动化系
2014年3月
前言
本实验指导书是根据求是公司最新推出的PCT-I型过程控制系统实验装置的相关内容编写的，可满足《过程控制》、《过程控制与仪表》、《计算机控制》、《自动化仪表》等相关课程的实验教学要求。
过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。
PCT-I型过程控制系统实验装置根据现行教材教学的要求，设置了压力、流量、液位、温度等单回路、串级、比值及前馈等实验。
实验指导书叙述了实验装置的各个仪表的原理、工作情况，实验项目及实验原理。
并讲述了系统的一些硬件的特点和技术指标。
本书试图通过对各实验原理的认识到对实验的实践，使学生对PCT-I型过程控制系统实验装置和系统原理有一个较为深刻的认识。
同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、设计性过程控制系统实验的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的能力。
若有疏漏，恳请批评指正！
第一章概述
浙江求是科教设备有限公司生产的PCT系列过程控制实验系统装置，可以非常好地满足过程控制课程实验的要求。
在这套设备由被控对象和控制台组成，通过手动或计算机控制，可以将被控对象转变成不同特性的过控对象，因此，在此基础上可以进行简单的温度、压力、流量、液位的单回路控制，而且也可以进行一系例复杂控制系统实验如：
变比值控制、Simth预估控制、解耦控制、三容液位控制、换热器温度控制等。
一、PCT系列过程控制实验装置特点:
1、装置由控制对象、控制屏、计算机三部分组成，也可以把控制屏换成DCS（分散控制系统），对象构布局合理，造型美观大方。
2、真实性、直观性、综合性强，控制对象元件全部来源于工业现场。
控制屏正面有完整的系统结构图案，便于学生系统接线。
3、参数全面，涵盖了液位、流量、压力、温度等典型的热工量参数。
4、PCT系列过程控制实验装置具有控制参数和控制方案的多样化。
该装置可通过对其管路上的阀门（电磁阀）切换和对模拟信号接线板上信号的连接组合，可构成数十种过程控制实验。
电磁阀可以手动和自动控制。
5、在PCT系列过程控制实验装置中充分考虑了工业自动化专业的大纲要求，完全能满足教学实验、课程设计、毕业设计的需要，同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、创造性过程控制系统实验的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的能力。
6、可为学校教师和研究生进行复杂控制系统的计算机控制算法的研究工作提供一个实实在在的物理模型。
二、本实验装置可以灵活搭配，进行多方面的实验，有利于学生掌握下列内容：
1、自动化仪表的初步使用，其中包括检测仪表、变送单元、执行单元和控制仪表。
2、测定控制对象特性的方法。
3、变频器的基本工作原理和初步使用。
4、单回路控制系统的参数整定。
5、复杂控制系统的参数整定。
6、控制参数对控制系统品质指标的影响。
7、控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力。
8、了解计算机控制系统的组成。
9、了解牛顿模块的分类、使用以及RS-485通讯原理。
10、学习组态王控制软件的功能、使用和编程。
三、实验的基本程序：
1、明确实验任务。
2、提出实验方案。
3、画实验接线图。
4、进行实验操作，作好观测和记录，调整控制参数。
5、整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。
在进行本书中的综合实验时，上述程序应让学生独立完成，教师给予必要的指导，以培养学生的动手能力。
要做好各主要实验，就应做到：
实验前做准备，实验中有条理，实验后勤分析。
第二章实验要求及注意事项
一、学生实验守则
1、上实验课前，学生应做好实验预习。
着重领会实验目的、要求。
掌握实验原理、步骤和方法。
2、遵守实验室各项规章制度，服从实验室工作人员的指挥。
文明实验，不能穿拖鞋进入实验室，不准乱扔杂物，不准在实验室内嬉戏、喧哗。
3、严格遵守仪器设备的操作规程。
独立思考细心观察、如实记录，对实验现象和数据进行分析和处理。
4、鼓励学生自行设计实验，使用前必须经过实验指导人员的同意方可进行。
5、对实验室的公共财物要爱护，厉行节约，不准损坏和带出实验室，违者要追究责任。
6、实验操作结束后，学生必须整理好所用的实验器材并填写仪器使用记录，经过实验指导人员签字后，方可离开实验室，并独立完成实验报告。
二、操作规程
1、熟悉各种控制仪表和设备，懂得各种仪器的用途及各自的操作方法。
2、外观检查，接线时注意电源极性，最好预热半小时。
3、在检验差压变送器时，操作顺序是：
启动时，先通电，再加压，停止时先卸压，再断电，4、要看清楚差压变送器的测量范围，用定值器加压时，不允许超过此范围，否则打坏压力表以及损坏变送器。
5、使用螺丝刀进行仪表的零位、终点调整时，用力要均匀，防止损害元件。
标准电位差计应水平放置，注意电位差计的检流计旋扭，调整时，动作要缓慢，实验完成后，开关置“断”。
第三章实验项目
实验一PCT-1主要过控设备的认识和校验
一、实验目的：
1、了解压力、液位变送器的结构、工作原理及其特性的理解，熟悉压力、液位变送器的安装及使用方法。
通过实验，掌握压力、液位变送器的零点、量程的调整方法，零点迁移方法和精度测试方法。
2、了解调节器的构造及各部件的作用、调节器的原理及工作特性。
掌握调节器的操作方法，掌握调节器的主要技术性能的调校、测试方法。
3、熟悉电动调节阀的结构组成，了解其工作过程。
二、实验设备：
压力变送器、液位变送器、调节器、电动调节阀。
三、实验指导：
1、液位变送器的主要技术指标：
测量范围
0～６Kpa
输出电流
4～20mA
负载能力
250～300Ω
工作电源
24（1±5%）VDC
2、调节器接线端子说明及调节器的主要性能技术指标：
1——2端1～5V电压输入端。
2——3端0.2～1V电压输入端。
4——5端4～20mA电流输出端。
输入信号：
1～5VDC外给定信号：
0.2～1V
输出信号：
4～20mADC负载电阻：
250～750Ω
电源：
100～240VAC
3、电动调节阀主要性能技术指标：
基本允许误差
±4%
变差
1.0%
灵敏限
0.1%
输入信号
4～20mA
四、实验内容：
1、液位变送器的零点及量程调校
（1）零点调整在水箱没水时，观察输出电流表的读数是否为4mA，如果不对，则调整调零电位器，直至读数为4mA。
（2）满量程调整零点调好后，给水箱加水，液位增加到水箱满刻度处。
将液位变送器的输出接到调节器（调节器中测量范围上限参数值设置为450）。
根据实际刻度与调节器显示的读数之间的差值调整，直到两者一致。
（3）满量程调整后会影响零点，因此零点、满量程需反复多次调整。
直至满足要求为止。
2、熟悉调节器的型号，外形，正面板布置，观察各可调部件的位置。
（1）仪表通电后观察自动/手动能否切换。
（2）观察调节器的内/外给定是否随信号的输入变化而变化。
3、电动调节阀流量特性的测试。
（1）记录阀体在不同时开度时流量计的流量，分别取阀体的开度为5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%相对应的流量。
绘制开度-流量关系曲线，即可得到执行器的流量特性。
（2）零点的调整。
给调节阀输入4mADC的信号，输出电压信号为20KPa，执行器刚好启动，如不符，可调节调零电位器。
五、实验报告：
1、整理实验数据，计算被校仪表的各项误差，确定精度等级，完成仪表校验记录单。
2、分析液位变送器的静态特性，画出液位变送器的输入-输出静态特性曲线。
3．给出708、818调节器基本参数的设置。
4、根据实验数据记录的结果，绘制电动调节阀开度—流量曲线。
实验二上水箱特性测试实验
一、实验目的
通过实验掌握对象特性的曲线的测量的方法，测量时应注意的问题，对象模型参数的求取方法。
二、实验属性
验证性实验。
三、实验仪器及设备器材
PCT-I型过程控制实验设备（套），计算机（台）
四、实验要求
了解实验装置中的对象，水泵、变频器和所用仪表的名称、作用及其所在的位置。
以便于在实验中对仪表进行操作和观察。
熟悉实验装置面板图，要求做到：
由面板上的每只仪表的图形、文字符号能准确地找到该仪表的实际位置。
熟悉工艺管道结构、每个手动阀门的位置及其作用。
五、实验步骤：
1．实验装置的认识，此实验是调节器输出控制调节阀，计算机采集并记录数据。
流程图如下3.1图。
2．按上水箱特性测试（调节器控制）实验接线图接好实验线路，打开手动阀门V3，V19，根据调节器外给定电流的大小来适当调节手动阀门V6的开度。
3．接通总电源、各仪表的电源。
4．设置调节器处于手动位置，按调节器的增/减键改变手动输出值，使系统在液位处于某一平衡位置，记下此时手动输出。
5．按调节器的增/减键增加调节器手动输出，使系统输入幅值适宜的阶跃信号（阶跃信号不要太大，估计上水箱水不溢流出来），这时系统输出也有一个变化的信号，使系统在较高液位也能达到平衡状态。
6．观察计算机上的液位1的阶跃响应适时和历史曲线，直至达到新的平稳为止。
7.调节器的手动输出回到原来的输出电流值，记录一条液位下降的曲线。
8．曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理。
9.按要求编写实验报告。
实验三压力单闭环实验（调节器控制）
一、实验目的
通过实验掌握单回路控制系统的构成。
学生可自行设计，构成单回路流量、单容液位、双容液位和温度控制系统。
掌握用临界比例度法、经验试凑法及衰减曲线法等整定单回路控制系统的PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用调节器仪表进行PID参数的整定和自动控制的投运。
熟悉掌握调节器的参数设置和手动自动的方法。
二、实验属性
验证性实验。
三、实验仪器及设备器材
PCT-I型过程控制实验设备（套），计算机（台）
四、实验要求
了解实验装置中的对象，水泵、变频器和所用仪表的名称、作用及其所在的位置。
以便于在实验中对仪表进行操作和观察。
熟悉实验装置面板图，要求做到：
由面板上的每只
图3.3压力单闭环实验流程图
仪表的图形、文字符号能准确地找到该仪表的实际位置。
熟悉工艺管道结构、每个手动阀门的位置及其作用。
实验系统流程图如图3.3
。
实验框图如图3.4
五、实验步骤
1.按接线图接好实验导线，将阀门V19、V3打开，V16、V17、V18关闭。
2.接通总电源，各仪表电源。
将PCT-2面板上的钮子开关掷到外控端。
3.整定参数值的计算：
选取工程中常用的整定方法（经验试凑法、临界比例度法、衰减曲线法等）的一种或两种，按照每种整定方法不同的整定步骤，计算和整定压力单回路P、I、D参数。
4.将计算所得的PID参数值置于调节器中，系统投入闭环运行。
加入扰动信号观察各被测量的变化，直至过渡过程曲线符合要求为止。
注意每改变一次整定参数，系统必须处于稳定状态下再加阶跃信号。
5.曲线的分析处理：
对实验的记录曲线进行分析和处理，描绘几组典型的整定曲线，分别标出得到每组曲线时所设定的PID参数值，计算每条整定曲线的超调量、峰值时间、调节时间等指标并分析比较哪组曲线整定效果相对最佳并给出合理的解释，总结P、I或D参数对过渡曲线性能指标的影响。
6.按要求整理实验报告。
六、调节器的参数设置
调节器选用上海万迅仪表有限公司的AI708，AI818（有的实验设备用AI808）。
压力控制时调节器能自整定出比较理想的参数，如将调节器参数Ctrl=2，则调节器进入自整定调节状态，调节完毕，Ctrl=3。
其需要设置的参数如下（708）：
（未列出者用出厂默认值）
M5=10（参考值）
P=6（参考值）
T=1（参考值）
Sn=33（1-5V电压输入）
Dip=0（小数点位数为零）
Dil=0
Dih=100
Sc=0
Op1=4
CF=2
Run=2
Loc=808
具体请详细阅读调节器使用手册。
图3.5压力单闭环实验（调节器）接线图
实验四温度单闭环实验（调节器控制）
一、实验目的：
通过实验掌握单回路控制系统的构成。
学生可自行设计，构成温度控制单回路系统，采用临界比例度法、阶跃反应曲线法和整定单回路控制系统的PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用调节器仪表进行PID参数的自整定和自动控制的投运。
二、实验设备：
水泵、变频器、压力变送器、调节器（708型）、主回路调节阀、副回路调节阀、可控硅、热电阻、温度变送器、调节器（818型）。
图3.7温度单闭环实验（调节器控制）框图
图3.8温度单闭环（调节器接线）
三、实验步骤：
阶跃反应曲线法
1、将温度单闭环实验所用的设备，按系统框图接好实验线路。
2、接通总电源，打开电磁阀V1，将加热圆筒内注满水。
3、将电磁阀V2打开，使约9~11%流量的水始终流入加热器外筒内，用于加热器散热。
4、确认加热器内筒有水，且接线无误，打开加热器电源。
5、整定参数值的计算。
设定过渡过程的衰减比为4：
1，整定参数值可按以下“阶跃反应曲线整定参数表”进行计算。
表3-1阶跃反应曲线整定参数表
整定参数
调节规律
δ
TI
TD
P
δS
PI
1.2δS
0.5TS
PID
0.8δS
0.3TS
0.1TS
6、根据计算所得的PID参数值，设置调节器参数。
7、观察计算机上温度曲线的变化。
8、待系统稳定后，给调节器加个阶跃信号，观察其温度变化曲线。
9、曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表格3-2。
表3-2阶跃响应曲线数据处理记录表
参数值
测量情况
特性测试的参数
K
T
τ
阶跃1
阶跃2
平均值
四、调节器的参数设置
本参数适用于上海万迅仪表有限公司的AI708型、AI818型。
进行压力、温度、液位控制时，该型号的调节器能够自整定出比较理想的参数。
设置调节器参数Ctrl=2，则调节器进入自整定调节状态。
调节完毕，参数Ctrl=3。
本实验所采用的AI708型，需要设置的参数如下（本表未列出者一般不做改动，采用出厂默认值）：
参数名
参数值
说明
参数名
参数值
说明
dF
3
回差（死区、滞环）
dIL
0
输入下限显示值
P
195
速率参数
dIH
100
输入上限显示值
t
43
滞后时间
Sc
0
主输入平移
Ctl
5
输出周期（秒）
oP1
4
输出方式
Sn
33
输入规格（Cu50）
CF
2
系统功能选择
diP
0
小数点位数
run
2
运行状态
具体请详细阅读调节器使用手册。
四、试验报告：
根据试验结果编写实验报告，并根据K、T、τ平均值写出广义的传递函数。
附录C过程控制系统管路图
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