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过程控制系统实验指导书自动化工程学院自动控制系实验一 实验装置 * 学时数：2实验目的：(1) 了解过程控制系统实验装置的总体组成部分。(2) 了解各部分的主要构件及作用。(3) 特别应知道以下内容：各种被控对象的位置、检测元件的位置及用途、执行器件(动力器件) 的位置及用途、供水管线各阀门与供水方式间的关系、智能仪表的调节方式及含意。实验原理: 一 概述“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”是由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。本装置还可根据用户的需要设计构成AI智能仪表，DDC远程数据采集，DCS分布式控制，PLC可编程控制，FCS现场总线控制等多种控制系统。被控对象实验对象总貌图如图1-1所示：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。检测装置(1) 压力传感器、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) 流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对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。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：QSVP-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。二 控制屏组件电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，装有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。图1-2为电源控制屏示意图。合上总电源空气开关及钥匙开关，此时三只电压表均指示380V左右，定时器兼报警记录仪数显亮，停止按钮灯亮。此时打开照明开关、变频器开关及24V开关电源即可提供照明灯，变频器和24V电。按下启动按钮，停止按钮灯熄，启动按钮灯亮，此时合上三相电源、单相、单相、单相空气开关即可提供相应电源输出，作为其他设备的供电电源。图1-2 电源控制屏示意图I/O信号接口面板：该面板的作用主要是通过航空插头（一端与对象系统连接）将各传感器检测信号及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，便于学生自行连线组成不同的控制系统。交流变频控制挂件：采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH(R)型变频器，控制信号输入为420mADC或05VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。变频器常用参数设置：P 301；P 531；P 624；P 790。三相移相SCR调压装置、位式控制接触器：采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。位式控制接触器和AI-708仪表一起使用，通过AI-708仪表输出继电器触点的通断来控制交流接触器的通断，从而完成锅炉水温的位式控制实验。智能仪表控制组件：(1)AI智能调节仪表挂件采用上海万迅仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，其中SA-12智能调节仪控制挂件为AI-818型，SA-13智能位式调节仪为AI-708型。AI-818型仪表为PID控制型，输出为420mADC信号；而AI-708型仪表为位式控制型，输出为继电器触点型开关量信号。AI仪表常用参数设置：CtrL：控制方式。CtrL0，采用位式控制；CtrL1，采用AI人工智能调节/PID调节；CtrL2，启动自整定参数功能；CtrL3，自整定结束。Sn：输入规格。Sn21，Pt100热电阻输入；Sn32，0.21VDC电压输入；Sn33，15VDC电压输入。DIL：输入下限显示值，一般DIL0。DIH：输入上限显示值。输入为液位信号时，DIH50.0；输入为热电阻信号时，DIH100；输入为流量信号时，DIH100。OP1：输出方式，一般OP14为420mA线性电流输出。CF：系统功能选择。CF0为内部给定，反作用调节；CF1为内部给定，正作用调节；CF8为外部给定，反作用调节；CF9为外部给定，正作用调节。Addr：通讯地址。实验中各仪表通讯地址不允许相同。P、I、D参数可根据实验需要调整，其他参数请参考默认设置。(2)比值、前馈补偿及解耦装置挂件比值、前馈补偿装置同调节器一起使用，其原理如图1-3所示。上面一路作为比值器，输入电压经过电压跟随器、反相比例放大器、反相器输出05V电压。当上面一路作为干扰输入，下面一路作为调节器输出时，两路相加或相减（通过钮子开关切换），再经过I/V变换输出420mA电流。图1-3 比值、前馈补偿器原理图解耦装置同调节器一起使用，其原理如图1-4所示。上面一路的输入对输出的影响，以及下面一路的输入对输出的影响均为1：1的关系；两路之间相互的影响通过可调比例放大器及加法器实现。值得注意的是上面一路对下面一路的影响可通过钮子开关选择相加或相减。 图1-4 解耦装置原理图 三 实验要求及安全操作规程实验前的准备：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、相关手动阀门的位置及其作用。实验过程的基本程序：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，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在进行温度试验前，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红线位置，无水空烧易造成电加热管烧坏。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。实验仪器：THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台实验内容与步骤： 按实验内容分步讲解实验报告要求：图1-1 实验对象总貌图实验二 单容自衡水箱液位特性测试 *学时数：2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；实验原理:被控对象数学模型的建立通常采用下列二种方法。一种是分析法，即根据过程的机理，物料或能量平衡关系求得它的数学模型；另一种是用实验的方法确定。本装置采用实验方法通过被控对象对阶跃信号的响应来确定它的参数及数学模型。由于此法较简单，因而在过程控制中得到了广泛地应用。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2-1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 (2-1)将式(2-1)表示为增量形式Q1-Q2=A (2-2)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 图2-1 单容自衡水箱特性测试系统口处的静压也随之变化，Q2也发生变化 （a）结构图 （b）方框图。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，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= (2-3) 式中：R阀F1-11的阻力，称为液阻。将式(2-2)、式(2-3)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）= (2-4) 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(2-4)可改写为H（s）=×=K-对上式取拉氏反变换得h(t)=Kx0(1-e-t/T) (2-5) 当t>时，h（）-h（0）=Kx0，因而有K= (2-6) 当t=T时，则有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h() (2-7) 式（2-5）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2-2（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2-2 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2-2（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，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：H(S)= 实验仪器：THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台实验内容与步骤：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，其余阀门均关闭。按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。图2-3 仪表控制单容水箱特性测试实验接线图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、单相空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。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在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”控制，并将输出值设置为一个合适的值，此操作需通过调节仪表实现。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，记录下此时的仪表输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如图2-4所示。图2-4 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（2-6）计算K值，再根据图2-2中的实验曲线求得T值，写出对象的传递函数。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。实验三 单容液位定值控制系统 *学时数：4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三种调节器分别对液位控制的作用。实验原理：图3-6 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3-6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。若相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。实验仪器：THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台实验内容与步骤：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，其余阀门均关闭。智能仪表控制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2，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3-7 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、单相空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。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阀F1-3或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定值、输出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图3-8所示。图3-8 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。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。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。