过程装备控制技术及应用实验.doc

实验内容一：单容自衡水箱液位特性测试实验实验学时：2学时实验类型：（验证、综合、设计）实验要求：（必修、选修）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；二、实验设备1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置2. 计算机及相关软件3. 万用电表一只三、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。图1-1 单容自衡水箱特性测试系统（a）结构图 （b）方框图根据动态物料平衡关系有Q1-Q2=A (1-1)将式(2-1)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，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= (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(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) (1-5) 当t>时，h（）-h（0）=Kx0，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，BC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。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“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。图1-3 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。图1-4 单容下水箱液位阶跃响应曲线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。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。8启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。9把由实验曲线所得的结果填入下表。 参数值测量值液位hKT正向输入负向输入平均值五、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，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。实验内容二：双容水箱特性的测试实验学时：2学时实验类型：（验证、综合、设计）实验要求：（必修、选修）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、原理说明图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2-1所示。由图2-1可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图2-1 (a)）；而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图2-1 (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，OA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，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开，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），其余阀门均关闭。1将SA-12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，并按照单容水箱控制屏接线图2-3连接实验系统。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“实验二、双容自衡水箱对象特性测试”，进入“实验二”的监控界面。4通过调节仪表将输出值设置为一个合适的值（一般为最大值的50%70%，不宜过大，以免水箱中水溢出）。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测量值。6液位平衡后，突增（或突减）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 双容水箱液位阶跃响应曲线7根据前面记录的液位和仪表输出值，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。8、上述实验用计算机实时记录h2的历史曲线和在阶跃扰动后的响应曲线。9、把由计算机作用的实验曲线进行分析处理，并把结果填表入下表中： 参数值测量值液位hKT1T2正向输入负向输入平均值五、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。3综合分析以上五种控制方案的实验效果。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？实验内容四：温度定值控制系统实验学时：2学时实验类型：（验证、综合、设计）实验要求：（必修、选修）一、实验目的1了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。2研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用。3了解PID参数自整定的方法及其参数整定在整个系统中的重要性。4分析锅炉内胆动态水温与静态水温在控制效果上有何不同之处？二、实验设备（同前）三、实验原理本实验以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。本实验要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻检测到的锅炉内胆温度信号TT1作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。在锅炉内胆水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于加热过程容量时延较大，所以其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。本实验系统结构图和方框图如图4-1所示。图4-1 锅炉内胆温度特性测试系统(a)结构图 (b)方框图可以采用两种方案对锅炉内胆的水温进行控制：（一） 锅炉夹套不加冷却水（静态）（二） 锅炉夹套加冷却水（动态）显然，两种方案的控制效果是不一样的，后者比前者的升温过程稍慢，降温过程稍快，过渡过程时间稍短。四、实验内容与步骤本实验选择锅炉内胆水温作为被控对象，实验之前将储水箱中贮足水量，然后将阀门F2-1、F2-6、F1-13全开，将锅炉出水阀门F2-12关闭，其余阀门也关闭。将变频器输出A、B、C三端连接到三相磁力驱动泵（220V），打开变频器电源并手动调节其频率，给锅炉内胆贮一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的红线位置），然后关闭阀F1-13，打开阀F1-12，为给锅炉夹套供冷水做好准备。1将SA-11、SA-12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，并按照如下控制屏接线图连接实验系统。2接通总电源空气开关和钥匙开关，按下启动按钮，合上单相空气开关，给智能仪表上电。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“实验六、锅炉内胆水温定值控制”，进入“实验六”的监控界面。4将智能仪表设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值（50%70%），此操作可通过调节仪表实现。5合上三相电源空气开关，三相电加热管通电加热，适当增加/减少智能仪表的输出量，使锅炉内胆的水温平衡于设定值。6按经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PID控制规律，并按整定后的PID参数进行调节器参数设置。7待锅炉内胆水温稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待水温平衡后，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（即阶跃干扰，此增量不宜过大，一般为设定值的515%为宜），于是锅炉内胆的水温便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水温稳定至新的设定值，记录此时智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，内胆水温的响应过程曲线将如图4-2所示。图4-2 锅炉内胆水温阶跃响应曲线8适量改变调节仪的PID参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。9打开变频器电源开关，给变频器上电，将变频器设置在适当的频率（19Hz左右），变频器支路开始往锅炉夹套打冷水，重复步骤48，观察实验的过程曲线与前面不加冷水的过程有何不同。10分别采用P、PI、PD控制规律重复实验，观察在不同的PID参数值下，系统的阶跃响应曲线。五、实验报告要求1画出锅炉内胆水温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在温度控制系统中，为什么用PD和PID控制，系统的性能并不比用PI控制时有明显地改善？2为什么内胆动态水的温度控制比静态水时的温度控制更容易稳定，动态性能更好？实验内容六：盘管出水口水温与锅炉内胆的串级控制实验学时：2学时实验类型：（验证、综合、设计）实验要求：（必修、选修）一、实验目的1熟悉温度串级控制系统的结构与组成。2掌握温度串级控制系统的参数整定与投运方法。3研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。4主、副调节器参数的改变对系统性能的影响。二、实验设备（同前）三、实验原理本实验系统的主控量为盘管出口的水温T1，副控量为锅炉内胆的水温T2，它是一个辅助的控制变量。执行元件为内胆内的电热管，它控制锅炉内胆中的水温大小，以改变流到盘管出口的水温。同前面第四节的串级控制一样，系统的主调节器应为PI或PID控制，副回路则采用P控制规律。显然，由于盘管出口的水温升降是通过锅炉内胆的温度控制来实现的，因而其过程容量时延较大，所以其控制过渡时间也较长。本实验系统结构图和方框图如图6-1所示。图6-1 盘管出口水温与锅炉内胆水温串级控制系统(a)结构图 (b)方框图四、实验内容与步骤本实验选择盘管水温和锅炉内胆水温组成串级控制系统。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F2-1、F2-6、F1-13全开，将锅炉出水阀门F2-12关闭，其余阀门也关闭。将变频器A、B、C三端连接到三相磁力驱动泵（220V），打开变频器电源并手动调节变频器频率，给锅炉内胆贮适量水（要求至少高于液位指示玻璃管的红线位置），然后关闭变频器、关闭阀F2-1、F2-6、F2-9、F2-10，打开阀F2-2、F2-7、F2-8，为给盘管供热水作好准备。1将两个SA-12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。图6-2 智能仪表控制“温度串级控制”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，给电动调节阀及智能仪表1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“实验十、水箱液位串级控制系统”，进入“实验十”的监控界面。4将主控仪表设置为“手动”，并将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/减少主调节器的输出量，使下水箱的液位平衡于设定值，且中水箱液位也稳定于某一值（此值一般为35cm，以免超调过大，水箱断流或溢流）。6. 按一种整定方法整定调节器参数，并按整定得到的参数进行调节器设定。7适量改变主、副控调节仪的PID参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。五、实验报告内容1、根据结构图，画出本实验系统的方框图。2、按4：1衰减度，由查表求得调节器的参数，并把最终调试所得参数填入下表中。 数据调节器实验数据由查表求得的参数最终整定的参数STS%TI/min%TI/min主调节器副调节器3、在不同调节器参数下，比较系统的性能。 性能指标 主调节器超调量%调整时间TS/S稳态误差ess4、画出扰动作用于主、副对象时系统的输出响应曲线，并分析之。六、思考题本实验中若出现作用在副回路中的二次扰动使系统的主控制量有较大的影响，试分析这是由什么原因引起？