《自动化专业综合实验》指导书全.docx
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《自动化专业综合实验》指导书全
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自动化专业《综合实验》指导书
目录
引言…………………………………………………………………………2
综合实验项目
实验准备、差压传感器的零点迁移和性能测试…………………………3
实验一（A）、大水箱一阶单容系统对象特性测试………………………6
实验一（B）、二阶双容系统对象特性测试………………………………10
实验二、大水箱液位控制系统 ………………………………………14
实验三、小加温箱温度控制系统………………………………………20
实验四、锅炉内胆水温控制系统………………………………………25
实验五、涡轮流量计流量控制系统…………………………………28
实验六、上、下小水箱液位串级控制系统…………………………31
实验七、锅炉夹套和锅炉内胆温度串级控制系统…………………35
实验八、换热器出口温度和大水箱液位串级控制系统……………38
实验九、换热器出口温度和锅炉内胆温度串级控制系统…………42
过程控制《综合实验》是为了配合过程控制工程与检测仪表、计算机控制等相关课程的教学而设置的一门独立的实践教学环节。
课程设计是完成教学计划达到学生培养目标的重要环节，是教学计划中进行综合训练的重要实践环节，是有助于培养应用性人才的一种教学形式，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得到系统性的训练。
学生在进行综合实验后可掌握以下内容：
1、传感器特性的认识和零点迁移；
2、自动化仪表的综合认识及使用；
3、变频器的基本原理和综合使用；
4、电动调节阀的调节特性和原理；
5、测定被控对象特性的方法；
6、单回路控制系统的控制参数整定；
7、复杂控制回路系统的控制参数整定；
8、控制系统对控制参数品质指标的要求；
9、控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力的培养。
实验过程的基本程序：
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。
在进行综合实验时，上述程序应尽量让学生独立完成，老师给予必要的指导，以培养学生的实验动手能力，要做好各主题实验，就应做到：
实验前有准备；实验中有条理；实验后有分析。
实验准备、差压传感器的零点迁移和性能测试
一、实验目的：
（1）了解差压传感器的结构原理和使用方法。
（2）掌握差压传感器零点的迁移方法。
（3）测试和分析差压传感器的特性。
二、实验设备：
（1）THJ-2型高级过程控制系统实验装置；
（2）万用表1只；
（3）小一字螺丝刀1把。
三、实验原理：
1、差压传感器零点的迁移
在使用差压传感器测量水箱液位时，其差压△P（△P=P正-P负）与水箱液位高度H之间有着如下的关系：
△P=ρ*g*H
式中ρ为液体密度，g为重力加速度。
在“无迁移”时，即H=0，作用在正、负压室的压力应该相等。
然而， 图0-1、差压传感器
在实际应用中，由于多种原因常会出现当H=0时，△P≠0的情况，如图0-1中的直线
（1）所示。
H=0时，变送器的输出不为4mA；H=Hmax时，变送器输出不为20mA。
零点迁移的方法就是改变P负的大小，使得输出与液面满量程一致，迁移的实质是改变变送器的零点，如图0-1的a，b，c各点所示。
迁移的同时改变了测量范围的上下限，相当于测量范围的平移，但不会改变量程的大小。
2、差压传感器的线性度和偏差
任何测量过程都存在一定的误差，因此检测时必须知道精确程度，以便估计测量结果与真实值的差距，即估计测量值的误差大小。
精确度不仅与绝对误差有关，而且还与其测量范围有关。
变差是指在外界条件不变的情况下，对被测量在测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行程和反行程所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。
线性度是表征输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度
四、实验内容和步骤
1、设备的连接和检查：
（以大水箱液位零点迁移为例）
（1）关闭阀24，将THJ-2实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。
（2）打开以丹麦泵、电磁阀、涡轮流量计组成的动力支路至大水箱的进水阀门：
阀23、阀21、阀22、阀19，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门:
阀11、阀8、阀9、阀22。
（3）检查电源开关是否关闭
2、系统连线
（1）将I/O信号接口板上的大水箱液位的钮子开关打到ON位置。
（2）三相电源、单相Ⅰ、单相Ⅱ、单相Ⅲ的空气开关打在关的位置。
（3）将大水箱250Ω液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV
的+极），大水箱液位-（负极）接到智能调节仪的2端（即RSV的-极）。
（4）单相水泵电动机的1L端接THJ-2电源控制屏上对应的单相Ⅰ（220V/5A）的1L端，将1N端接至单相Ⅰ（220V/5A）的1N端。
（5）智能调节仪的～220V输入的L端（即9端）和N端（即10端）也分别接单相Ⅲ（220V/5A）的3L端和3N端。
（6）将电压指示切换钮子开关打在24V输出位置。
将直流24V输出“+”端接直流电磁阀VD11端，直流24V输出“-”端接直流电磁阀24V（-）端。
3、启动实验装置
（1）将实验装置电源插头接到三相380V的三相四线制交流电源插座上。
（2）打开电源三相带漏电保护空气开关和总电源钥匙开关，电源指示灯亮，电压表指示380V，停止按钮红灯亮。
（3）按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源。
4、实验步骤
（1）将智能调节仪对应的电源空气开关拉上，此时根据人工智能调节仪的使用说明书和传感器的原理特性，先调节传感器的零位电位器使得传感器的输出在仪表上显示为0（即调零）。
（2）将单相水泵电动机的电源开关拉上，此时给大水箱供水。
（3）当大水箱的水接近于满量程（65cm左右）时，此时把单相水泵电动机的电源关掉。
（4）用卷尺测量大水箱里的水柱高度，然后通过调节传感器的满量程电位器（即调增益）将智能调节器的输出显示值与所测的实际液位值相对应。
（5）再将大水箱的出水阀14打开将水放掉，这个过程中可以用卷尺跟踪测试液柱下降时每一时刻的高度能否与智能仪表的输出显示值对应上（测试传感器的线性度）。
t（秒）
水箱水位
h1（cm）
仪表读数
（cm）
（6）当大水箱的水放完以后,看智能仪表的输出显示是否为零，再将阀14关闭，拉上单相水泵电动机的电源开关，再次给大水箱灌水，这个过程中也可以用卷尺跟踪测试液柱上升时每一时刻的高度能否与智能仪表的输出显示值对应上（测试传感器的线性度）。
t（秒）
水箱水位
h1（cm）
仪表读数
（cm）
（7）通过重复
（1）——（5）的调节过程，反复调节传感器零位和增益电位器，使得最终大水箱实际液位与传感器实时输出显示一一对应。
五、注意事项
1、在实验过程中切勿同时调整零位和增益电位器；
2、在大水箱静态水位测量水柱高度时切记将阀19关闭，以免大水箱中的水回流。
六、思考题
1、零点迁移的实质是什么？
2、在本实验中，是正迁移还是负迁移？
迁移量为多少？
3、在水位上升和下降中同一测试点处测得传感器输出电流的大小为何有差异？
实验一（A）、大水箱一阶单容系统对象特性测试
一、实验目的
（1）熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
（2）根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。
二、实验设备
（1）THJ-2型高级过程控制系统实验装置；
（2）计算机、MCGS工控组态软件、RS232/485转换器1只、串口线1根、万用表1只、加密狗1只。
三、系统结构框图
单容水箱控制系统结构图如图1（A）-１
图2-1、单容大水箱控制系统结构图
四、实验原理
阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。
同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。
图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。
单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。
设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定
于某一开度值。
根据物料动态平衡的关系，求得：
在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：
式中，T为水箱的时间常数（注意：
阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R2*C，K=R2为过程的放大倍数，R2为V2阀的液阻，C为水箱的容量系数。
令输入流量Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位的高度为：
对上式取拉氏反变换,得
h（t）=KR0（1-e-t/T）（1-1）
当t—>∞时，h（∞）=KR0，因而有
K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入
当t=T时，则有
h（T）=KR0（1-e-1）=0.632KR0=0.632h（∞）
式（1-1）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1（A）-2所示。
当由实验求得图1（A）2-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的
时间常
图1（A）-2、阶跃响应曲线
数T.该时间常数T也可以通过坐标
原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交
点所对应的时间就是时间常数T，其理论
依据是：
上式表示h（t）若以在原点时的速度h（∞）/T恒速变化，即只要花T秒时间就可达到稳态值h（∞）。
五、实验内容和步骤
1、设备的连接和检查：
（1）关闭阀24，将THJ-2实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。
（2）打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至大水箱的进水阀门：
阀23、阀22、阀19，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门:
阀21、阀8、阀11、阀9。
（3）打开大水箱的出水阀：
阀14至适当开度。
（4）检查电源开关是否关闭
2、系统连线
（1）三相电源、单相Ⅰ、单相Ⅱ、单相Ⅲ的空气开关打在关的位置。
（2）将I/O信号接口板上的大水箱液位的钮子开关打到ON位置。
（3）将大水箱液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV的+极），大水箱液位-（负端）接到智能调节仪的2端（即RSV的-极）。
（4）将智能调节仪的4～20mA输出端的7端（即+极）接至电动调节阀的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-极）接至电动调节阀的4～20mA输入端的-（即负极）。
（5）单相水泵电动机的1L端接THJ-2电源控制屏上对应的单相Ⅰ（220V/5A）的1L端，将1N端接至单相Ⅰ（220V/5A）的1N端。
（6）电动调节阀的～220输入的L端接单相Ⅲ（220V/5A）的3L端，N端接单相Ⅲ（220V/5A）的3N端。
（7）智能调节仪的～220V输入的L端（即9端）和N端（即10端）也分别接单相Ⅱ（220V/5A）的2L端和2N端。
3、启动实验装置
（1）将实验装置电源插头接到三相四线制～380V的交流电源插座上。
（2）打开电源三相带漏电保护空气开关和总电源钥匙开关，电源指示灯亮，电压表指示380V，停止按钮红灯亮。
（3）按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源。
4、实验步骤
（1）开启单相Ⅱ空气开关，根据仪表使用说明书和液位传感器使用说明调整好仪表各项参数和液位传感器的零位、增益，仪表输出方式设为手动输出，初始值为0。
（2）启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验一。
（3）在仪表手动状态下，按住仪表的STOP键将仪表的输出值上升到一定的值，这个值根据阀门开度的大小来给定。
开启单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，启动动力支路。
将被控参数液位高度控制在30%处（一般为20cm）。
（4）观察系统的被控制量——水箱的水位是否趋于平衡状态。
若已平衡，应记录调节仪输出值，以及水箱水位的高度h1和智能仪表的测量显示值并填入下表。
仪表输出值
水箱水位高度h1
仪表显示值
0～100
cm
cm
（5）迅速增加仪表手动输出值，增加10%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，均可在上位软件上获得，以此数据绘制变化曲线。
T（秒）
水箱水位
h1（cm）
仪表读数
（cm）
（6）直到进入新的平衡状态。
再次记录平衡时的下列数据，并填入下表：
仪表输出值
水箱水位高度h1
仪表显示值
0～100
cm
cm
（7）将仪表输出值调回到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。
填入下表：
T（秒）
水箱水位
h1（cm）
仪表读数
（cm）
（8）重复上述实验步骤。
六、实验报告要求
（1）绘制一阶环节的阶跃响应曲线。
（2）根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。
七、注意事项
（1）做本实验过程中，阀14不得任意改变开度大小。
（2）阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。
一般阶跃信号取正常输入信号的5%～15%。
（3）在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。
八、思考题
（1）在做本实验时，为什么不能任意变化出水口阀14的开度大小？
（2）用两点法和用切线法对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点?
实验一（B）、二阶双容系统对象特性测试
一、实验目的
（1）熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
（2）根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的飞升特性。
二、实验设备
（1）THJ-2型高级过程控制系统实验装置；
（2）算机、MCGS工控组态软件、RS232/485转换器1只、串口线1根、加密狗1只。
三、原理说明
图1（B）-1双容水箱液位控制系统结构图
如图1（B）-1所示：
这是由两个一阶非周期惯性环节串联组成，被控制量是下水箱的液位h2。
当输入量有一个阶跃增量
Q1时，被控制量变化的反应曲线如图1（B）-2的（C）中所示的
h2曲线。
这是呈S形的一条曲线。
由于多了一个容器,从而使调节对象的飞升特性在时间上更加滞后。
在图中S形曲线的拐点P上作切线，它在时间轴上截出一段时间OA。
这段时间近似地描述由于多了一个容量而使响应过程向后延迟的量，因此称容量滞后，通常以τC表示。
设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度h2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：
式中K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分别为阀V2
和V3的液阻，C1和C2分别为上水箱和下水箱的
容量系数。
式中的K、T1和T2是从由实验求得的
阶跃响应曲线上求出。
具体做法是在图1（B）
-3所示的阶跃响应曲线上求取：
（1）h2（t）稳态值的渐近线h2（∞）；
（2）h2（t）|t=t1=0.4h2（∞）时曲线上的
点A和对应的时间t1；
（3）h2（t）|t=t2=0.8h2（∞）时曲线上的点B和
对应的时间t2。
然后，利用下面的近似公式计算式
3-1中的参数K、T1和T2。
其中：
图
对于式（3-1）所示的二阶过程，应满足0.32〈t1/t2〈0.46。
四、实验步骤图1-（B）-2双容液位阶跃响应曲线
1、设备的连接和检查：
（1）关闭阀24，将储水箱灌满水（至最高高度）。
（2）开通以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计到上小水箱的阀23、阀22、阀8所组成的水路系统;关闭通往其它对象的切换阀21、阀19、阀11、阀9。
（3）打开上小水箱的出水阀7；并将下小水箱的出水阀6开至适当开度。
（4）检查电源开关是否关闭。
2、系统连线
（1）三相电源、单相Ⅰ、单相Ⅱ、单相Ⅲ的空气开关打在关的位置。
（2）将“下小水箱液位+（正端）”接到任意一个智能调节仪的信号输入端“1”（即RSV的+极），“下小水箱液位-（负端）”接到智能调节仪的“2”端（即RSV的-极），并将“下小水箱液位”的钮子开关打到“ON”位置。
（3）将智能调节仪的4～20mA输出端的“7”端（即+极）接至电动调节阀的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-极）接至电动调节阀的4～20mA输入端的“-”端（即负极）。
（4）单相水泵电动机的1L端接THJ-2电源控制屏上对应的单相Ⅰ（220V/5A）的1L端，将1N端接至单相Ⅰ（220V/5A）的1N端。
（5）电动调节阀的～220输入的L端接单相Ⅲ（220V/5A）的3L端，N端接单相Ⅲ（220V/5A）的3N端。
（6）智能调节仪的～220V输入的L端（即9端）和N端（即10端）分别接单相Ⅱ（220V/5A）的3L端和3N端。
3、启动实验装置
（1）将实验装置电源插头接到三相四线制380V的交流电源插座上。
（2）打开电源三相带漏电保护空气开关和总电源钥匙开关，电源指示灯亮，电压表指示380V，停止按钮红灯亮。
（3）按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源。
4、实验步骤
（1）开启单相Ⅱ空气开关，下小水箱液位传感器输出信号为1～5V电压信号，调整好仪表输入规格参数与其它各项参数，开始校准液位传感器的零位和增益，仪表输出方式设为手动输出，初始值为0。
（2）启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验。
（3）开启单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，启动动力支路，手动将仪表的输出值迅速上升到适当的值，将被控参数液位高度控制在20%处（一般为10cm）。
（4）观察系统的被控制量——水箱的水位是否趋于平衡状态。
若已平衡，应记录调节仪输出值，以及水箱水位的高度h2和智能仪表的测量显示值并填入下表。
仪表输出值
水箱水位高度h2
仪表显示值
0～100
cm
cm
（5）迅速增加仪表手动输出值，增加10%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，均可在上位软件上获得各项参数和数据，并绘制过程的变化曲线。
t（秒）
水箱水位
h2（cm）
仪表读数
（cm）
（6）当进入新的平衡状态,再次记录测量数据，并填入下表：
仪表输出值
水箱水位高度h2
仪表显示值
0～100
cm
cm
（7）将仪表输出值调回到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。
填入下表：
T（秒）
水箱水位
h2（cm）
仪表读数
（cm）
（8）重复上述实验步骤。
五、注意事项
（1）做本实验过程中，阀6不得任意改变开度大小。
（2）阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。
一般阶跃信号取正常输入信号的5%～15%。
（3）在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。
六、实验报告要求
（1）绘制二阶环节的阶跃响应曲线。
（2）根据实验原理中所述的方法，求出二阶环节的相关参数。
（3）试比较二阶环节和一阶环节的不同之处。
七、思考题
（1）在做本实验时，为什么不能任意变化阀6的开度大小？
（2）用两点法和用切线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点？
实验二、大水箱液位控制系统
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）分析分别用P、PI和PID调节时的过渡过程曲线。
（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
（1）THJ-2型高级过程控制系统实验装置；
（2）计算机、MCGS工控组态软件、RS232/485转换器1只、串口线1根、万用表1只、加密狗1只。
三、实验原理
系统结构示意图：
给定
＋
液位
扰动
─
AI-818调节仪
大水箱
电动调节阀
压力变送器
图2-1、单容大水箱控制系统方框图
图2-1为单回路大水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对
图2-2、单容大水箱控制系统结构
象上用一个调节器来控制一个被控制量，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只能控制一个执行机构。
本系统的阶跃输入是液位的给定高度，即控制的任务是使大水箱的液位达到给定值所要求的高度。
本实验采用的调节器为工业上常用的AI智能调节仪。
众所周知,系统控制质量的好坏与调节器的控制参数选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以获得满意的控制效果。
反之，控制器的控制参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，甚至不能正常工作。
因此，当一个单回路系统组成后，系统的投运和参数的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密切相关。
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设置合理，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、稳定性等）。
在单位阶跃信号作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2-3中的曲线①、②、
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