过程控制系统实验指导书02详解.docx

1、过程控制系统实验指导书02详解过程控制系统实验指导书目 录第一章 实验装置说明1第二章 实验要求及安全操作规程4实验一 单容自衡水箱液位特性测试5实验二 双容水箱特性的测试9实验三 单容水箱液位定值控制系统12实验四 单闭环流量定值控制系统15实验五 锅炉内胆水温定值控制系统17实验六 锅炉内胆水温位式控制系统19第一章 实验装置说明实验对象总貌图如图1-1所示：图1-1 实验对象总貌图本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）

2、、涡轮流量计及手动调节阀组成。一、被控对象由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、4.5KW三相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。1水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作

3、槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长宽高=68cm5243，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。2模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度

4、，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。3盘管：模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米（43圈），在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。盘管的出水通过手动阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。4管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。二、检测装置1压力传感器

5、、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为05KP，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：420mADC。2温度传感器：装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。Pt100测温范围：-200+420。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成420mA直流电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。3模拟转换器：三个模拟转换器（涡轮流量计）分别用来对

6、由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。流量范围：01.2m3/h；精度：1.0%；输出：420mADC。三、执行机构1电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSTP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。2水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号

7、为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。3电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/2 ；工作温度：580；工作电压：24VDC。4三相电加热管：由三根1.5KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温，每根加热管的电阻值约为50左右。第二章 实验要求及安全操作规程一、实验前的准备实验前应复习教科书有关章节，认真研读实验指导

8、书，了解实验目的、项目、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题，并按实验项目准备记录等。实验前应了解实验装置中的对象、水泵、变频器和所用控制组件的名称、作用及其所在位置, 以便于在实验中对它们进行操作和观察。熟悉实验装置面板图，要求做到：由面板上的图形、文字符号能准确找到该设备的实际位置。熟悉工艺管道结构、每个手动阀门的位置及其作用。认真作好实验前的准备工作，对于培养学生独立工作能力，提高实验质量和保护实验设备都是很重要的。二、实验过程的基本要求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，做好观测和记录；5整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。在进行本书中的综合实验时，上述

9、要求应尽量让学生独立完成，老师给予必要的指导，以培养学生的实际动手能力 ，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。三、实验安全操作规程1实验之前确保所有电源开关均处于“关”的位置。2接线或拆线必须在切断电源的情况下进行，接线时要注意电源极性。完成接线后，正式投入运行之前，应严格检查安装、接线是否正确，并请指导老师确认无误后，方能通电。3在投运之前，请先检查管道及阀门是否已按实验指导书的要求打开，储水箱中是否充水至三分之二以上，以保证磁力驱动泵中充满水，磁力驱动泵无水空转易造成水泵损坏。4在进行温度实验前，请先检查锅炉内胆内水位，至少保证水位超过液位指示玻璃管上面的

10、红线位置，以免造成实验失败。5实验之前应进行变送器零位和量程的调整，调整时应注意电位器的调节方向，并分清调零电位器和满量程电位器。6仪表应通电预热15分钟后再进行校验。7小心操作，切勿乱扳硬拧，严防损坏仪表。8严格遵守实验室有关规定。实验一 单容自衡水箱液位特性测试一、实验目的1掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线；2根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K、T和传递函数；3掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。二、实验设备1实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台、万用表一个；2SA-12挂

11、件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；3SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个；4SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器一个，网线两根； 5SA-41挂件一个、CP5611专用网卡一个、MPI编程电缆一根；6SA-44挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。三、实验原理所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图1-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀

12、V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有 Q1-Q2=A (1-1)将式(1-1)表示为增量形式Q1-Q2=A (1-2)式中：Q1，Q2，h分别为偏离某一平衡状态的增量； A水箱截面积。在平衡时，Q1=Q2，0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出 口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下， 图1-1 单容自衡水箱特性测试系统

13、液位h与流量之间为非线性关系。但为 （a）结构图 （b）方框图了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q2与h成正比关系，而与阀F1-11的阻力R成反比，即 Q2= 或 R= (1-3)式中：R阀F1-11的阻力，称为液阻。将式(1-2)、式(1-3)经拉氏变换并消去中间变量Q2，即可得到单容水箱的数学模型为W0（s）= (1-4) 式中T为水箱的时间常数，TRC；K为放大系数，KR；C为水箱的容量系数。若令 Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=，x0=常数，则式(1-4)可改写为H（s）=K-对上式取拉氏反变换得 h(t)=Kx0(1-e-t/T) (1-5)当t时，h（）-h（0）=Kx0，

14、因而有K= (1-6)当t=T时，则有: h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h() (1-7)式（1-5）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1-2（a）所示，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。图1-2 单容水箱的阶跃响应曲线如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图1-2（b），在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间，B

15、C为对象的时间常数T，所得的传递函数为：H(S)= (1-8) 四、实验内容与步骤本实验选择下水箱作为被测对象（也可选择上水箱或中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（30%80%），其余阀门均关闭。具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。1将“SA-12智能调节仪控制” 挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。

16、将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相、单相空气开关，给电动调节阀及智能仪表上电。3打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入“实验一”的监控界面。4通过调节仪将输出值设置为一个合适的值（50%-70%）。5合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。6待下水箱液位平衡后，突增（或突减）智能仪表输出量的大

17、小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录此时的仪表输出值和液位测量值，液位的响应过程曲线将如图1-4所示。图1-3 仪表控制“单容水箱特性测试”实验接线图图1-4 单容下水箱液位阶跃响应曲线7根据前面记录的液位值和仪表输出值，按公式（1-6）计算K值，再根据图1-2中的实验曲线求得T值，写出单容水箱的传递函数。五、实验报告要求1画出“单容水箱液位特性测试”实验的结构框图。2根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出单容水箱液位对象的参数及传递函数。六、思考题1做本实验时

18、，为什么不能任意改变出水阀F1-11开度的大小？2用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？3如果采用中水箱做实验，其响应曲线与下水箱的曲线有什么异同？并分析差异原因。实验二 双容水箱特性的测试一、实验目的1掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；2根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T1、T2及传递函数；二、实验设备（同前）三、实验原理图2-1 双容水箱对象特性测试系统(a)结构图 (b)方框图由图2-1所示，被测对象由两个不同容积的水箱相串联组成，故称其为双容对象。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复

19、平衡的过程。根据本章第一节单容水箱特性测试的原理，可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：G(s)=G1(s)G2(s)= (2-1)式中Kk1k2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。本实验中被测量为下水箱的液位，当中水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2-2所示。由图2-2可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图2-2(a)）；而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图2-2 (b)），即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1-10和F1-11的开度大小密切相关。图2-2 双容水

20、箱液位的阶跃响应曲线（a）中水箱液位 （b）下水箱液位双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。在图2-3所示的阶跃响应曲线上求取：(1) h2（t）|t=t1=0.4 h2()时曲线上的点B和对应的时间t1；(2) h2（t）|t=t2=0.8 h2()时曲线上的点C和对应的时间t2。图2-3 双容水箱液位的阶跃响应曲线 然后，利用下面的近似公式计算式 (2-2) (2-3) (2-4) 0.32t1/t20.46由上述两式中解出T1和T2，于是得到如式（2-1）所示的传递函数。在改变相应的阀门开度后，对象可能出现滞后特性，这时可由S形曲线的拐点P处作一切线，它与时间轴的交点为A，O

21、A对应的时间即为对象响应的滞后时间。于是得到双容滞后（二阶滞后）对象的传递函数为： G（S）= (2-5)四、实验内容与步骤本实验选择中水箱和下水箱串联作为被测对象（也可选择上水箱和中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求F1-10开度稍大于F1-11的开度）。具体实验内容与步骤如下： 1将实验控制器相关控制种类挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线接好。2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，打开相关部件电源。3打开上位机组态环境，进入本节实验项目的控制工程运行环境。 4在上位机监控

22、界面中将控制器设置为“手动”输出，并将输出值设置为一个合适的值（一般为最大值的4070%，不宜过大，以免水箱中水溢出）。5打开三相电源开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少控制器的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的控制器输出值和液位值。6液位平衡后，突增（或突减）控制器输出量的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录下此时的控制器的输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如图2-4所示。图2-4 双容水箱液位阶跃响应曲线7根据前面记录的液位和控制器输

23、出值，按公式（2-2）计算K值，再根据图2-3中的实验曲线求得T1、T2值，写出对象的传递函数。五、实验报告要求1画出双容水箱液位特性测试实验的结构框图。2 根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出双容水箱液位对象的参数及传递函数。六、思考题1做本实验时，为什么不能任意改变两个出水阀门开度的大小？2用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？3如果采用上水箱和中水箱做实验，其响应曲线与用中水箱和下水箱做实验的曲线有什么异同？并分析差异原因。4引起双容对象滞后的因素主要有哪些？实验三 单容水箱液位定值控制系统一、实验目的1了解单容液位定值控制系统的结构与组成。2掌握单容液位定值控制系统

24、调节器参数的整定和投运方法。3研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。4了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。二、实验设备（同前）三、实验原理图3-1 中水箱单容液位定值控制系统 (a)结构图、(b)方框图本实验系统结构图和方框图如图3-1所示。被控量为中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。四、实验内容与步

25、骤本实验选择中水箱作为被控对象。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度（20%80%），其余阀门均关闭。1将“SA-12智能调节仪控制”挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。图3-2 智能仪表控制“单容液位定值控制”实验接线图2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相、单相空

26、气开关，给电动调节阀及智能仪表上电。3打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制系统”，进入“实验三”的监控界面。4在上位机监控界面中点击“启动仪表”。将智能仪表设置为“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。5合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使中水箱的液位平衡于设定值。6按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。7待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待

27、液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：（1）突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面三种仅供参考）（2）将电动调节阀的旁路F1-4（同电磁阀）开至适当开度；（3）将下水箱进水阀F1-8开至适当开度；（改变负载）（4）接上变频器电源，并将变频器输出接至磁力泵，然后打开阀门F2-1、F2-4，用变频器支路以较小频率给中水箱打水。以上几种干扰均要求扰动量为控制量的515，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设

28、定值、输出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图3-3所示。图3-3 单容水箱液位的阶跃响应曲线8分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。9分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤48，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。五、实验报告要求1画出单容水箱液位定值控制实验的结构框图。2用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。3根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。4比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。5分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。六、思考题1如果采用下水箱做实验，其响应曲线与中

29、水箱的曲线有什么异同？并分析差异原因。2改变比例度和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？实验四 单闭环流量定值控制系统一、实验目的1了解单闭环流量控制系统的结构组成与原理。2掌握单闭环流量控制系统调节器参数的整定方法。3研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。4研究P、PI、PD和PID四种控制分别对流量系统的控制作用。二、实验设备（同前）三、实验原理图4-1 单闭环流量定值控制系统(a)结构图 (b)方框图本实验系统结构图和方框图如图4-1所示。被控量为电动调节阀支路（也可采用变频器支路）的流量，实验要求电动阀支路流量稳定至给定值。将涡轮流量计FT1检测到的流量信号作为反馈信号，

30、并与给定量比较，其差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制管道流量的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI控制，并且在实验中PI参数设置要比较大。四、实验内容与步骤本实验选择电动阀支路流量作为被控对象。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8、F1-11全开，其余阀门均关闭。将“FT1电动阀支路流量”钮子开关拨到“ON”的位置。具体实验内容与步骤可根据本实验的目的与原理参照前面的单闭环定值控制中相应方案进行，下面只给出实验的接线图。五、实验报告要求1画出单闭环流量定值控制实验的结构框图。2用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。3根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。4比较不同PI参数对系统的性能产生的影响。5分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实验系统的作用。六、思考题1改变比例度和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？2在本实验中为什么采用PI控制规律，而不用纯P控制规律？ 实验五