熱工自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū).doc

前 言本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)是根據(jù)杭州天科教儀設(shè)備有限公司推出的全新TKJ-2型、TKJ-3型高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置的相關(guān)內(nèi)容編寫(xiě)的，可以滿足各大高等院校所開(kāi)設(shè)的傳感器檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)、過(guò)程控制、自動(dòng)化儀表、自動(dòng)控制理論、計(jì)算機(jī)控制等課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求。過(guò)程控制是生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的簡(jiǎn)稱，這是自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。通常是指石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、核能等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期與程序進(jìn)行的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)程控制技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面起著越來(lái)越大的作用。TKJ-2型、TK-3型過(guò)程控制系統(tǒng)是以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備為背景，以現(xiàn)行教材的教學(xué)內(nèi)容為依據(jù)研發(fā)出的新一代的實(shí)驗(yàn)裝置。它不僅能滿足本、?？乒I(yè)自動(dòng)化、自動(dòng)控制等專業(yè)的相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，而且也適用于研究生對(duì)課題的研究與開(kāi)發(fā)。例如，在這兩套實(shí)驗(yàn)裝置中增加了如比值控制、解耦控制和Smith預(yù)估控制等復(fù)雜控制的內(nèi)容。本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)共分兩大部分。第一部分是實(shí)驗(yàn)裝置的使用說(shuō)明，講述了系統(tǒng)的組成、硬件的特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)、軟件的使用介紹。第二部分是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目部分，敘述了實(shí)驗(yàn)的原理、步驟及注意事項(xiàng)等。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置各個(gè)儀表的原理、工作情況及實(shí)驗(yàn)原理、軟硬件的詳細(xì)介紹，既使教師和學(xué)生對(duì)TKJ-2型、TKJ-3型高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置有一個(gè)充分的認(rèn)識(shí)，又有益于他們對(duì)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的了解。由于本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)編寫(xiě)時(shí)間較為倉(cāng)促，書(shū)中的缺點(diǎn)和錯(cuò)誤在所難免，敬請(qǐng)各大專院校師生和廣大讀者批評(píng)指正。 緒 論過(guò)程控制通常是指石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、核能等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期程序進(jìn)行的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制，它是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)程控制技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面起著越來(lái)越大的作用?！癟KJ-2型 熱工自動(dòng)化過(guò)程檢查與控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置”是為了配合過(guò)程控制工程與自動(dòng)化儀表、計(jì)算機(jī)控制等相關(guān)課程的教學(xué)而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著工程化、參數(shù)化、現(xiàn)代化、開(kāi)放性、綜合性人才的培養(yǎng)原則出發(fā)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象采用當(dāng)今工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的對(duì)象，如水箱、鍋爐。儀表采用具有人工智能算法及通訊接口的智能調(diào)節(jié)儀，上位機(jī)監(jiān)控軟件采用MCGS工控組態(tài)軟件。對(duì)象系統(tǒng)還留有擴(kuò)展連接口，擴(kuò)展信號(hào)接口便于控制系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)，以便進(jìn)行DCS控制，亞當(dāng)模塊控制，PLC控制開(kāi)發(fā)。學(xué)生通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的了解和使用，進(jìn)入企業(yè)后能很快地適應(yīng)環(huán)境進(jìn)入角色。同時(shí)該系統(tǒng)也為教師和研究生提供一個(gè)高水平的學(xué)習(xí)和研究開(kāi)發(fā)平臺(tái)。在當(dāng)今高校教學(xué)改革的大潮中，各高校的老師明顯地意識(shí)到學(xué)生素質(zhì)教育的重要性，國(guó)內(nèi)一些重點(diǎn)、名牌大學(xué)為了更好地提高學(xué)校的知名度，要求建設(shè)高檔次、開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)室，甚至有些學(xué)校為了擴(kuò)大研究生的招生，要求建設(shè)研究生實(shí)驗(yàn)基地等。但目前各高校的教學(xué)中理論和實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)，基于這一現(xiàn)象，并響應(yīng)各大高校的呼吁，征求了廣大教師的意見(jiàn)，我公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了“TKJ-2型 熱工自動(dòng)化過(guò)程檢查與控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置”。學(xué)生在本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)后可掌握以下內(nèi)容：1、傳感器特性的認(rèn)識(shí)和零點(diǎn)遷移；2、自動(dòng)化儀表的初步使用；3、變頻器的基本原理和初步使用；4、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性和原理；5、測(cè)定被控對(duì)象特性的方法；6、單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定；7、串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定；8、復(fù)雜控制回路系統(tǒng)的參數(shù)整定；9、控制參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)的要求；10、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析、接線、投運(yùn)等綜合能力培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程的基本程序：1、明確實(shí)驗(yàn)任務(wù)；2、提出實(shí)驗(yàn)方案；3、畫(huà)實(shí)驗(yàn)接線圖；4、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，做好觀測(cè)和記錄；5、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在進(jìn)行本書(shū)中的綜合實(shí)驗(yàn)時(shí)，上述程序應(yīng)盡量讓學(xué)生獨(dú)立完成，老師給予必要的指導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，要做好各主題實(shí)驗(yàn)，就應(yīng)做到：實(shí)驗(yàn)前有準(zhǔn)備；實(shí)驗(yàn)中有條理，實(shí)驗(yàn)后有分析。第一部分 TKJ-2型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)的概述一、系統(tǒng)簡(jiǎn)介“TKJ-2型 熱工自動(dòng)化過(guò)程檢查與控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置”是基于工業(yè)過(guò)程的物理模擬對(duì)象，它集自動(dòng)化儀表技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置是本企業(yè)根據(jù)自動(dòng)化及其它相關(guān)專業(yè)教學(xué)的特點(diǎn)，吸收了國(guó)內(nèi)外同類實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和長(zhǎng)處，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，多次實(shí)驗(yàn)和反復(fù)論證，推出了一套全新的實(shí)驗(yàn)裝置，該系統(tǒng)包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)，單回路控制，串級(jí)控制，前饋反饋控制，比值控制，解耦控制等多種控制形式。本裝置還可根據(jù)用戶的需要設(shè)計(jì)構(gòu)成DDC，DCS，PLC，F(xiàn)CS 等多種控制系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)裝置既可作為本科，專科，高職過(guò)程控制課程的實(shí)驗(yàn)裝置，也可為研究生及科研人員對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)、先進(jìn)控制系統(tǒng)的研究提供物理模擬對(duì)象和實(shí)驗(yàn)手段。二、系統(tǒng)組成本實(shí)驗(yàn)裝置由被控對(duì)象和控制儀表兩部分組成。系統(tǒng)動(dòng)力支路分兩路：一路由丹麥泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；另一路由西門(mén)子變頻器、丹麥泵（220V變頻）、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。1、 被控對(duì)象由不銹鋼儲(chǔ)水箱、上、中、下三個(gè)串接有機(jī)玻璃圓筒形水箱、4.5千瓦電加熱鍋爐(由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼冷卻鍋爐夾套構(gòu)成)、冷熱水交換盤(pán)管和敷塑不銹鋼管道組成。水箱：包括上水箱和儲(chǔ)水箱。 上水箱采用優(yōu)質(zhì)淡藍(lán)色圓筒型有機(jī)玻璃，不但堅(jiān)實(shí)耐用，而且透明度高，便于學(xué)生直接觀察液位的變化和記錄結(jié)果。上水箱尺寸均為：d=25cm,h=20 cm；水箱結(jié)構(gòu)非常獨(dú)特，有三個(gè)槽，分別是緩沖槽，工作槽，出水槽。儲(chǔ)水箱是采用不銹鋼板制成，尺寸為：長(zhǎng)寬高=68cm5243 完全能滿足水箱的實(shí)驗(yàn)需要。儲(chǔ)水箱內(nèi)部有三個(gè)橢圓形塑料過(guò)濾網(wǎng)罩，防止三套動(dòng)力支路進(jìn)水時(shí)有雜物進(jìn)入泵中。鍋爐汽包：不銹鋼精制而成，可利用它進(jìn)行虛假水位模擬實(shí)驗(yàn)。模擬鍋爐：本裝置采用模擬鍋爐進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)，此鍋爐采用不銹鋼精制而成，設(shè)計(jì)巧妙，由二層組成：加熱層（內(nèi)膽）和冷卻層（夾套）。做溫度單回路實(shí)驗(yàn)時(shí)，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都有溫度傳感器檢測(cè)其溫度，可完成溫度的串級(jí)控制，前饋-反饋控制，解耦控制等實(shí)驗(yàn)。盤(pán)管：長(zhǎng)37米（43圈），可做溫度純滯后實(shí)驗(yàn)，在盤(pán)管上有三個(gè)不同的溫度檢測(cè)點(diǎn)，它們的滯后時(shí)間常數(shù)不同，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需要選擇不同的滯后時(shí)間常數(shù)。盤(pán)管出來(lái)的水既可以回流到鍋爐內(nèi)膽，也可以經(jīng)過(guò)渦輪流量計(jì)完成流量滯后實(shí)驗(yàn)。管道：整個(gè)系統(tǒng)管道采用敷塑不銹鋼管組成，所有的水閥采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。有效提高了實(shí)驗(yàn)裝置的使用年限。其中儲(chǔ)水箱底有一個(gè)出水閥，當(dāng)水箱需要更換水時(shí)，將球閥打開(kāi)將水直接排出。2、檢測(cè)裝置壓力傳感器、變送器：采用工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，含不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。壓力傳感器用來(lái)對(duì)上水箱的液位和鍋爐汽包進(jìn)行檢測(cè)，其精度為0.5級(jí)，因?yàn)闉槎€制，故工作時(shí)需串接24V直流電源。溫度傳感器：本裝置采用六個(gè)Pt100傳感器，分別用來(lái)檢測(cè)上水箱出口、鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套以及盤(pán)管的水溫。經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器的溫度變送器，可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成4 20mADC電流信號(hào)。 Pt100傳感器精度高，熱補(bǔ)償性較好。流量傳感器、轉(zhuǎn)換器：流量傳感器分別用來(lái)對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤(pán)管出口支路的流量進(jìn)行測(cè)量。渦輪流量計(jì)型號(hào)：LWGY-10，流量范圍：01.2m3/h，精度：1.0%。輸出：420mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。本裝置用了三套渦輪流量傳感器、變送器。3執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：采用智能型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來(lái)進(jìn)行控制回路流量的調(diào)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)為：QSVP-16K。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，控制信號(hào)為420mA DC或15V DC，輸出420mA DC的閥位信號(hào)，使用和校正非常方便。技術(shù)指標(biāo)：電源220VAC 50HZ輸入控制信號(hào)：420mA DC或15V DC公稱壓力：1.6Mpa公稱直徑：20mm重復(fù)精度：1%介質(zhì)溫度：4200行程：10mm功耗：5VA變頻器：本裝置采用西門(mén)子(MM420)變頻器，控制信號(hào)輸入為010VDC，220V變頻輸出用來(lái)驅(qū)動(dòng)丹麥泵。 水泵：本裝置采用丹麥泵，型號(hào)為UPS25-60和UPS25-80。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長(zhǎng)?？梢葡郤CR調(diào)壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號(hào)為420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。輸出電壓用來(lái)控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。電磁閥：在本裝置中作為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號(hào)為：2W-160-25 ；工作壓力：最小壓力為0Kg/2，最大壓力為7Kg/2 ；工作溫度：580。4控制器本實(shí)驗(yàn)裝置基本配置的控制器有調(diào)節(jié)儀表、比值器/前饋-反饋補(bǔ)償器、解耦裝置。(還可根據(jù)需要擴(kuò)展遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和PLC可編程控制系統(tǒng))調(diào)節(jié)儀表本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置采用廈門(mén)宇光儀表有限公司的AI系列儀表，其主要特點(diǎn)有： AI系列儀表操作方便、通俗易學(xué)，且不同功能檔次相互兼容。 具有國(guó)際上同類儀表的幾乎所有功能，通用性強(qiáng)、技術(shù)成熟可靠。 全球通用的85246VAC范圍開(kāi)關(guān)電源或者24VDC電源供電，并具備多種外形尺寸。 輸入采用數(shù)字校正系統(tǒng)，內(nèi)置常用熱電偶和熱電阻非線性校正表格，測(cè)量精確穩(wěn)定。 采用先進(jìn)的AI人工智能調(diào)節(jié)算法，無(wú)超調(diào)，具備自整定（AT）功能。 采用先進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu)，提供豐富的輸出規(guī)格，能滿足各種應(yīng)用場(chǎng)合的需要。 通過(guò)ISO9002質(zhì)量認(rèn)證，品質(zhì)可靠。具備符合要求的抗干擾性能。本裝置有4臺(tái)調(diào)節(jié)器。其中三臺(tái)型號(hào)是AI-818，另一臺(tái)型號(hào)是AI-708。（1）技術(shù)規(guī)格熱電偶：K、S、R、E、J、T、B、N熱電阻：Cu50、Pt100線性電壓：05V、15V、01V、0100mV、020mV等線性電流（需外接分流電阻）：010mA、020mA、420mA等（2）測(cè)量范圍K（-501300）、s（-501700）、R（-501650）、T（-200550）E（0800）、J（01000）、B（01800）、N（01300）Cu50（-50150）、Pt100（-200600）（3）測(cè)量精度0.2級(jí)（熱電阻、線性電壓、線性電流及熱電偶輸入且采用銅電阻補(bǔ)償或冰點(diǎn)補(bǔ)償冷端時(shí)）0.2%FS2.0（熱電偶輸入且采用儀表內(nèi)部元件測(cè)溫補(bǔ)償冷端時(shí)）（4）響應(yīng)時(shí)間0.5秒（設(shè)置數(shù)字濾波參數(shù)dL=0時(shí)）注：儀表對(duì)B分度號(hào)熱電偶在0600范圍時(shí)可以進(jìn)行測(cè)量，但測(cè)量精度無(wú)法達(dá)到0.2級(jí)，在600-1800范圍可保證0.2級(jí)測(cè)量精度。位式調(diào)節(jié)方式（回差可調(diào)）（5）AI人工智能調(diào)節(jié)，包含模糊邏輯PID調(diào)節(jié)及參數(shù)自整定功能的先進(jìn)控制算法。（6）輸出規(guī)格（模塊化）繼電器觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)輸出（常開(kāi)+常閉）：250VAC/1A或30VDC/1A可控硅無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)輸出（常開(kāi)或常閉）：100-240VAC/0.2A（持續(xù)），2A（20mS瞬時(shí)，重復(fù)周期大于5S）SSR電壓輸出：12VDC/30mA（用于驅(qū)動(dòng)SSR固態(tài)繼電器）可控硅觸發(fā)輸出：可觸發(fā)5-500A的雙向可控硅、2個(gè)單向可控硅反并聯(lián)連接或可控硅功率模塊線性電流輸出：0-10 mA可4-20 mA可定義（安裝X模塊時(shí)輸出電壓10.5V；X4模塊輸出電壓7V）（7）報(bào)警功能上限、下限、正偏差、負(fù)偏差等4種方式，最多可輸出3路，有上電免除報(bào)警選擇功能。（8）手動(dòng)功能自動(dòng)/手動(dòng)雙向無(wú)擾動(dòng)切換（僅A1-808/808P系列具備此功能）（9）電源：100-240VAC，-15%，+10%50-60HZ；電源消耗：5W（10）環(huán)境溫度：0-50比值器、前饋-反饋裝置此控制器與調(diào)節(jié)器一起使用既可以實(shí)現(xiàn)流量的單閉環(huán)比值、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，又可以實(shí)現(xiàn)液位與流量、溫度與流量的前饋-反饋控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。解耦控制裝置此控制器與調(diào)節(jié)器一起使用可以實(shí)現(xiàn)鍋爐內(nèi)膽與鍋爐夾套的溫度、上水箱液位與出口溫度的解耦控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。三、儀表綜合控制臺(tái)儀表控制臺(tái)面板由三部分組成：1、電源控制屏面板：充分考慮人身安全保護(hù)，帶有漏電保護(hù)空氣開(kāi)關(guān)、電壓型漏電保護(hù)器、電流型漏電保護(hù)器。2、儀表面板：1塊變頻調(diào)速器面板、3塊AI/818A智能調(diào)節(jié)儀面板、1塊智能位式調(diào)節(jié)AI/708A儀、解耦裝置面板，比值器/前饋-反饋裝置面板，各裝置外接線端子通過(guò)面板上自鎖緊插孔引出。3、I/O信號(hào)接口面板：該面板的作用主要是將各傳感器檢測(cè)及執(zhí)行器控制信號(hào)同面板上自鎖緊插孔相連，再通過(guò)航空插頭同對(duì)象系統(tǒng)連接，便于學(xué)生自行連線組成不同的控制系統(tǒng)，進(jìn)行幾十種過(guò)程控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。四、系統(tǒng)特點(diǎn)1.被控參數(shù)全面，涵蓋了連續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的液位、壓力、流量及溫度等典型參數(shù)。2.本裝置由控制對(duì)象、智能儀表綜合控制臺(tái)、計(jì)算機(jī)三部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局合理，造型美觀大方。3.真實(shí)性、直觀性、綜合性強(qiáng)，控制對(duì)象組件全部來(lái)源于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。4.具有廣泛的擴(kuò)展性和后續(xù)開(kāi)發(fā)功能，所有I/O信號(hào)全部采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC信號(hào)，可通過(guò)信號(hào)接口電纜與任何后續(xù)智能化控制平臺(tái)連接。5.執(zhí)行器中既有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥儀表類執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又有變頻器、可控硅移相調(diào)壓裝置、接觸器位式控制裝置等。6.調(diào)節(jié)系統(tǒng)除了有調(diào)節(jié)器的設(shè)定值階躍擾動(dòng)外，還可以通過(guò)對(duì)象中電磁閥和手動(dòng)操作閥制造各種擾動(dòng)。7.一個(gè)被調(diào)參數(shù)可在不同動(dòng)力源、不同執(zhí)行器、不同的工藝管路下演變成多種調(diào)節(jié)回路，以利于討論、比較各種調(diào)節(jié)方案的優(yōu)劣。8.系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使2個(gè)信號(hào)在本對(duì)象中存在著相互耦合，二者同時(shí)需要對(duì)原獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)進(jìn)行整定，或進(jìn)行解耦實(shí)驗(yàn)，以符合工業(yè)實(shí)際的性能要求。9.能進(jìn)行單變量到多變量控制系統(tǒng)及復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。10.各種控制算法和調(diào)節(jié)規(guī)律在開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)上都可以實(shí)現(xiàn)。11.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖表在MCGS軟件系統(tǒng)中很容易存儲(chǔ)及調(diào)用，以實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后的比較和分析。12.采用強(qiáng)弱電插座及相應(yīng)的導(dǎo)線，提高實(shí)驗(yàn)的安全性和可靠性。五、系統(tǒng)軟件MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運(yùn)行于Microsoft Windows95/98/NT/2000等操作系統(tǒng)。MCGS5.5為用戶提供了解決實(shí)際工程問(wèn)題的完整方案和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。使用MCGS5.5，用戶無(wú)須具備計(jì)算機(jī)編程的知識(shí)，就可以在短時(shí)間內(nèi)輕而易舉地完成一個(gè)運(yùn)行穩(wěn)定，功能成熟，維護(hù)量小且具備專業(yè)水準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。MCGS5.5具有操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)、高性能、高可靠性等突出特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于石油化工、能源原材料、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、航空航天等領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)各種現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品相比，MCGS5.5組態(tài)軟件具有如下特點(diǎn)：1.全中文、可視化、面向窗口的組態(tài)開(kāi)發(fā)界面，符合中國(guó)人的使用習(xí)慣和要求，真正的32位程序，支持多任務(wù)、多線程，可運(yùn)行于Microsoft Windows 95/98/NT/2000等操作系統(tǒng)。2.龐大的標(biāo)準(zhǔn)圖形庫(kù)、完備的繪圖工具集以及豐富的多媒體支持，讓您能夠快速地開(kāi)發(fā)出集圖像、聲音、動(dòng)畫(huà)等于一體的漂亮、生動(dòng)的工程畫(huà)面。3.全新的ActiveX動(dòng)畫(huà)構(gòu)件，包括存盤(pán)數(shù)據(jù)處理、條件曲線、計(jì)劃曲線、相對(duì)曲線、多行文本、通用棒圖等，使您能夠更方便、更靈活地處理、顯示生產(chǎn)數(shù)據(jù)。4.支持目前絕大多數(shù)硬件設(shè)備，同時(shí)可以方便地定制各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)；此外，獨(dú)特的組態(tài)環(huán)境調(diào)試功能與靈活的設(shè)備操作命令相結(jié)合，使硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)間的配合天衣無(wú)縫。5.簡(jiǎn)單易學(xué)的Basic腳本語(yǔ)言與豐富的MCGS策略構(gòu)件，使您能夠輕而易舉地開(kāi)發(fā)出復(fù)雜的過(guò)程控制系統(tǒng)。6.強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，能夠?qū)I(yè)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以各種方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，使您能夠在第一時(shí)間獲得有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)情況的第一手?jǐn)?shù)據(jù)。7.方便的報(bào)警設(shè)置、豐富的報(bào)警類型、報(bào)警存貯與應(yīng)答、實(shí)時(shí)打印報(bào)警報(bào)表以及靈活的報(bào)警處理函數(shù)，使您能夠方便、及時(shí)、準(zhǔn)確地捕捉到任何報(bào)警信息。8.完善的安全機(jī)制，允許用戶自由設(shè)定菜單、按鈕及退出系統(tǒng)的操作權(quán)限。此外，MCGS5.5還提供了工程密碼、鎖定軟件狗、工程運(yùn)行期限等功能，以保護(hù)組態(tài)開(kāi)發(fā)者的成果。9.強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP、Moden、485/232，以及各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線電臺(tái)等多種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。10.良好的可擴(kuò)充性，可通過(guò)OPC、DDE、ODBC、ActiveX等機(jī)制，方便地?cái)U(kuò)展MCGS5.5組態(tài)軟件的功能，并與其他組態(tài)軟件、MIS系統(tǒng)或自行開(kāi)發(fā)的軟件進(jìn)行連接。六、裝置的安全保護(hù)體系1.三相四線制總電源輸入經(jīng)帶漏電保護(hù)器裝置的三相四線制斷路器進(jìn)入系統(tǒng)電源后又分為三相電源支路和三個(gè)不同相的單相支路，每一支路都帶有各自三相、單相斷路器?？傠娫丛O(shè)有三相通電指示燈和380V三相電壓指示表，三相帶燈熔斷器作為斷相指示。2.控制屏電源由接觸器通過(guò)起、停按鈕進(jìn)行控制。屏上裝有一套電壓型漏電保護(hù)裝置和一套電流型漏電保護(hù)裝置?？刂破羶?nèi)或強(qiáng)電輸出（包括實(shí)驗(yàn)中的連線）若有漏電現(xiàn)象，即告警并切斷總電源，確保實(shí)驗(yàn)進(jìn)程安全。3.控制屏設(shè)有服務(wù)管理器（即定時(shí)器兼報(bào)警記錄儀），為學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的考核提供一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。4.各種電源及各種儀表均有可靠的保護(hù)功能。5.實(shí)驗(yàn)強(qiáng)電接線插頭采用封閉式結(jié)構(gòu)，防止觸電事故的發(fā)生。6.強(qiáng)弱電連線插頭采用不同的結(jié)構(gòu)插頭，防止強(qiáng)弱電混接。第二部分 儀表控制實(shí)驗(yàn)第一章 被控對(duì)象特性測(cè)試被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立通常用下列二種方法。一種是分析法，即根據(jù)過(guò)程的機(jī)理，物料或能量平衡關(guān)系求得它的數(shù)學(xué)模型；另一種是用實(shí)驗(yàn)的方法確定。本章主要介紹被控對(duì)象對(duì)典型輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)確定它的數(shù)學(xué)模型。由于此法較簡(jiǎn)單，因而在過(guò)程控制中得到了廣泛地應(yīng)用。第一節(jié) 單容水箱特性的測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握單容水箱的階躍響應(yīng)的測(cè)試方法，并記錄相應(yīng)液位的響應(yīng)曲線。2. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的液位階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法確定被測(cè)對(duì)象的特征參數(shù)T和傳遞函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. TKJ-2型 熱工自動(dòng)化過(guò)程檢查與控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置2. 計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件3. 萬(wàn)用電表一只三、實(shí)驗(yàn)原理圖2-1單容水箱特性測(cè)試結(jié)構(gòu)圖由圖2-1可知，對(duì)象的被控制量為水箱的液位H，控制量（輸入量）是流入水箱中的流量Q1，手動(dòng)閥V1和V2的開(kāi)度都為定值，Q2為水箱中流出的流量。根據(jù)物料平衡關(guān)系，在平衡狀態(tài)時(shí)Q10-Q20=0 （1）動(dòng)態(tài)時(shí)，則有Q1-Q2= （2）式中V為水箱的貯水容積，為水貯存量的變化率，它與H的關(guān)系為，即= A （3）A為水箱的底面積。把式（3）代入式（2）得Q1-Q2=A （4）基于Q2=，RS為閥V2的液阻，則上式可改寫(xiě)為Q1-= A 即ARS+h=KQ1或?qū)懽?= （5）式中T=ARS，它與水箱的底積A和V2的RS有關(guān)；K=RS。式（5）就是單容水箱的傳遞函數(shù)。若令Q1（S）=，R0=常數(shù)，則式（5）可改為H（S）=K-對(duì)上式取拉氏反變換得h(t)=KR0(1-e-t/T) （6）當(dāng)t時(shí)，h（）=KR0，因而有K=h（）/R0=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入當(dāng)t=T時(shí)，則有h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h() 式（6）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖2-2所示。圖2-2 單容水箱的單調(diào)上升指數(shù)曲線當(dāng)由實(shí)驗(yàn)求得圖2-2所示的階躍響應(yīng)曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，就是水箱的時(shí)間常數(shù)T。該時(shí)間常數(shù)T也可以通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)T，由響應(yīng)曲線求得K和T后，就能求得單容水箱的傳遞函數(shù)。如果對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線為圖2-3，圖2-3 單容水箱的階躍響應(yīng)曲線則在此曲線的拐點(diǎn)D處作一切線，它與時(shí)間軸交于B點(diǎn)，與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于A點(diǎn)。圖中OB即為對(duì)象的滯后時(shí)間，BC為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)T，所得的傳遞函數(shù)為：H(S)=四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1按圖2-1接好實(shí)驗(yàn)線路，并把閥V1和V2開(kāi)至某一開(kāi)度，且使V1的開(kāi)度大于V2的開(kāi)度。2接通總電源和相關(guān)的儀表電源，并啟動(dòng)磁力驅(qū)動(dòng)泵。3把調(diào)節(jié)器設(shè)置于手動(dòng)操作位置，通過(guò)調(diào)節(jié)器增/減的操作改變其輸出量的大小，使水箱的液位處于某一平衡位置。4手動(dòng)操作調(diào)節(jié)器，使其輸出有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化（此增量不宜過(guò)大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便離開(kāi)原平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一定的調(diào)節(jié)時(shí)間后，水箱的液位進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，如圖2-4所示。圖2-4單容箱特性響應(yīng)曲線5啟動(dòng)計(jì)算機(jī)記下水箱液位的歷史曲線和階躍響應(yīng)曲線。6把由實(shí)驗(yàn)曲線所得的結(jié)果填入下表。 參數(shù)值測(cè)量值液位hKT正向輸入負(fù)向輸入平均值五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1寫(xiě)出常規(guī)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容。2分析用上述方法建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型有什么局限性？六、思考題1做本實(shí)驗(yàn)時(shí)，為什么不能任意改變出水口閥開(kāi)度的大??？2用響應(yīng)曲線法確定對(duì)象的數(shù)學(xué)模型時(shí)，其精度與那些因素有關(guān)？七、實(shí)驗(yàn)接線說(shuō)明：1.將下水箱液位+（正極）接到250的一端在接到智能調(diào)節(jié)儀1的正極（1-5V），下水箱液位-（負(fù)極）接到250的另一端在接到智能調(diào)節(jié)儀1的負(fù)極（1-5V）。2.將智能調(diào)節(jié)儀1的輸出端的正極接至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的420mA輸入端的+端（即正極），將智能調(diào)節(jié)儀1的輸出端的負(fù)極接至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的420mA輸入端的-（即負(fù)極）。3.單相1的電源分別接到主泵和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電源。單相II的電源接到智能調(diào)節(jié)儀1的電源。八、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置智能調(diào)節(jié)儀1的參數(shù)參數(shù)符號(hào)參數(shù)值參數(shù)符號(hào)參數(shù)值參數(shù)符號(hào)參數(shù)值Sn33dIP1dIL0dIH50oP14CF0oPL0oPH100Addr1Baud9600bit/sCtrL1 第二節(jié) 雙容水箱特性的測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉雙容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線。2. 根據(jù)由實(shí)際測(cè)得雙容液位的階躍響應(yīng)曲線，確定其傳遞函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. TKJ-2型 熱工自動(dòng)化過(guò)程檢查與控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置2. 計(jì)算機(jī)、MCGS工控組態(tài)軟件、RS232/485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根3. 萬(wàn)用表 1只三、原理說(shuō)明圖2-5 雙容水箱對(duì)象特性結(jié)構(gòu)圖 由圖2-5所示，被控對(duì)象由兩個(gè)水箱相串聯(lián)連接，由于有兩個(gè)貯水的容積，故稱其為雙容對(duì)象。被控制量是下水箱的液位，當(dāng)輸入量有一階躍增量變化時(shí)，兩水箱的液位變化曲線如圖2-6所示。由圖2-6可見(jiàn)，上水箱液位的響應(yīng)曲線為一單調(diào)的指數(shù)函數(shù)（圖2-6（(a)），而下水箱液位（鍋爐汽包）的響應(yīng)曲線則呈S形狀（圖2-6（(b)）。顯然，多了一個(gè)水箱，液位響應(yīng)就更加滯后。 由S形曲線的拐點(diǎn)P處作一切線，它與時(shí)間軸的交點(diǎn)為A，OA則表示了對(duì)象響應(yīng)的滯后時(shí)間。至于雙容對(duì)象兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)可按下述方法來(lái)確定。圖2-6 雙容液位階躍響應(yīng)曲線圖2-7 雙容液位階躍響應(yīng)曲線在圖2-7所示的階躍響應(yīng)曲線上求?。?1) h2（t）|t=t1=0.4 h2()時(shí)曲線上的點(diǎn)B和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1；(2)h2（t）|t=t2=0.8 h2()時(shí)曲線上的點(diǎn)C和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t2。 然后，利用下面的近似公式計(jì)算式 0.32t1/t20.46由上述兩式中解出T1和T2，于是求得雙容（二階）對(duì)象的傳遞函數(shù)為G（S）=四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.接通總電源和相關(guān)儀表的電源。2.接好實(shí)驗(yàn)線路，打開(kāi)手動(dòng)閥，并使它們的開(kāi)度滿足下列關(guān)系：V1的開(kāi)度V2的開(kāi)度V3的開(kāi)度3.把調(diào)節(jié)器設(shè)置于手動(dòng)位置，按調(diào)節(jié)器的增/減，改變其手動(dòng)輸出值，使下水箱（鍋爐汽包）的液位處于某一平衡位置（一般為水箱的中間位置）。4.按調(diào)節(jié)器的增/減按鈕，突增/減調(diào)節(jié)器的手動(dòng)輸出量，使下水箱的液位（鍋爐汽包）由原平衡狀態(tài)開(kāi)始變化，經(jīng)過(guò)一定的調(diào)節(jié)時(shí)間后，液位h2進(jìn)入另一個(gè)平衡狀態(tài)。5.上述實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄h2的歷史曲線和在階躍擾動(dòng)后的響應(yīng)曲線。6.把由計(jì)算機(jī)作用的實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行分析處理，并把結(jié)果填表入下表中： 參數(shù)值測(cè)量值液位hKT1T2正向輸入負(fù)向輸入平均值五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.完成常規(guī)實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容。2.對(duì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。六、思考題1.在本實(shí)驗(yàn)中，為什么對(duì)出水閥不能任意改變其開(kāi)度？2.引起雙容對(duì)象的滯后特性是什么？七、實(shí)驗(yàn)接線說(shuō)明：1.將鍋爐汽包+（正極）接到250的一端在接到智能調(diào)節(jié)儀1的正極（1-5V），鍋爐汽包-（負(fù)極）接到250的另一端在接到智能調(diào)節(jié)儀1的負(fù)極（1-5V）。2.將智能調(diào)節(jié)儀1的輸出端的正極接至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的420mA輸入端的+端（即正極），將智能調(diào)節(jié)儀1的輸出端的負(fù)極接至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的420mA輸入端的-（即負(fù)極）。3.單相1的電源分別接到主泵和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電源。單相II的電源接到智能調(diào)節(jié)儀1的電源。八、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置智能調(diào)節(jié)儀1的參數(shù)參數(shù)符號(hào)參數(shù)值參數(shù)符號(hào)參數(shù)值參數(shù)符號(hào)參數(shù)值Sn33dIP1oP14dIL0dIH50CF0oPL0oPH100Addr1Baud9600bit/sCtrL1第三節(jié) 鍋爐內(nèi)膽特性的測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解鍋爐內(nèi)膽溫度特性測(cè)試系統(tǒng)的組成。2.掌握鍋爐內(nèi)膽溫度特性的測(cè)試方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1 TKJ-2型 熱工自動(dòng)化過(guò)程檢查與控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置2.計(jì)算機(jī)、MCGS工控組態(tài)軟件、RS232/485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根。3.萬(wàn)用電表。三、實(shí)驗(yàn)原理圖2-8 鍋爐內(nèi)膽溫度特性實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖（一）鍋爐夾套不加冷卻水加滿鍋爐內(nèi)膽的水，手動(dòng)操作調(diào)節(jié)器的輸出，使可控整流電源的輸出電壓為100V左右。此電壓加在加熱管兩端，內(nèi)膽中的水溫因之而逐漸上升。根據(jù)熱平衡的原理，當(dāng)內(nèi)膽中的水溫上升到某一值時(shí)，水的吸熱和放熱作用完全相等，從而使內(nèi)膽中的水溫達(dá)到一平衡狀態(tài)。由熱力學(xué)原理可知，鍋爐內(nèi)膽水溫的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程是用一階常微分方程來(lái)描述，即其數(shù)學(xué)模型為一階慣性環(huán)節(jié)。（二）鍋爐夾套加冷卻水當(dāng)鍋爐夾套中注滿冷卻水，這相當(dāng)于改變了鍋爐內(nèi)膽環(huán)境的溫度，使其散熱作用增強(qiáng)。顯然，在這種狀況下，如果用夾套無(wú)水時(shí)一樣大小的可控電壓去加熱，在平衡狀態(tài)時(shí)，內(nèi)膽的水溫必然要低于前者。如果要使內(nèi)膽的水溫達(dá)到夾套無(wú)水時(shí)相同的值，則需要提高可控硅的整流電壓。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1按圖2-8所示的結(jié)構(gòu)圖，完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的接線。2接通總電源和相關(guān)儀表的電源。3. 開(kāi)啟手動(dòng)閥，使鍋爐內(nèi)膽注滿水，手動(dòng)操作調(diào)節(jié)器的輸出，使可控整流電源的輸出電壓為80V左右。4.啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)記錄鍋爐內(nèi)膽水溫的響應(yīng)過(guò)程。5.把內(nèi)膽中已加熱的水通過(guò)出水閥放掉，重新注滿冷水；并通過(guò)閥F1-12在夾套中注入冷卻水。手動(dòng)操作調(diào)節(jié)器的輸出，使可控整流電源的輸出電壓與步驟3）的電壓輸出值一樣大小。然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)記錄內(nèi)膽中水溫的變化過(guò)程。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.按常規(guī)內(nèi)容寫(xiě)好實(shí)驗(yàn)報(bào)告。2.對(duì)計(jì)算機(jī)在兩種不同條件下所測(cè)得的內(nèi)膽溫度變化曲線進(jìn)行分析比較。六、實(shí)驗(yàn)接線說(shuō)明：1.將I/O信號(hào)接口面板上的鍋爐溫度+（正極）接到250的一端在接到智能調(diào)節(jié)儀1的正極（1-5V），鍋爐溫度-（負(fù)極）接到250的另一端在接到智能調(diào)節(jié)儀1的負(fù)極（1-5V）。2.將智能調(diào)節(jié)儀1的輸出端（420mA）的正極接至三相SCR移相調(diào)壓裝置的420mA輸入端的+端（即正極），將智能調(diào)節(jié)儀1的輸出端（420mA）的負(fù)極接至三相SCR移相調(diào)壓裝置的420mA輸入端的-（即負(fù)極）。三相SCR移相調(diào)壓裝置的U、V、W分別接三相電源輸出的U、V、W。三相SCR移相調(diào)壓裝置U0、V0、W0分別接三相電加熱管的U0、V0、W0。3.單相1的電源分別接到主泵。單相II的電源接到智能調(diào)節(jié)儀1的電源。七、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：智能調(diào)節(jié)儀1的參數(shù)參數(shù)符號(hào)參數(shù)值參數(shù)符號(hào)參數(shù)值參數(shù)符號(hào)參數(shù)值Sn33dIP1oP14dIL0dIH100CF0oPL0oPH100Addr1Baud9600bit/sCtrL1第二章 單回路控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)第一節(jié) 單回路控制系統(tǒng)的實(shí)踐一、單回路控制系統(tǒng)的概述圖3-1 單回路控制系統(tǒng)方框圖圖3-1為單回路控制系統(tǒng)方框圖的一般形式，它是由被控對(duì)象、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器和測(cè)量變送器所組成。系統(tǒng)的給定量是一定值，要求系統(tǒng)的被控制量等于給定量所要求的值。由于這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能較好，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，故在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。二、干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響1干擾通道的放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)及純滯后的影響。干擾通道的放大系數(shù)Kf會(huì)影響干擾加在系統(tǒng)中的幅值。若系統(tǒng)是有差系統(tǒng)，則干擾通道的放大系數(shù)愈大，系統(tǒng)的靜差也就愈大。我們希望干擾通道的放大系數(shù)愈小愈好。如果干擾通道是一慣性環(huán)節(jié)，令時(shí)間常數(shù)為T(mén)f1，則階躍擾動(dòng)通過(guò)慣性環(huán)節(jié)后，其過(guò)渡過(guò)程的動(dòng)態(tài)分量被濾波而幅值變小。即時(shí)間常數(shù)Tf1越大，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差就愈小。通常干擾通道中還會(huì)有純滯后環(huán)節(jié)，使被調(diào)參數(shù)的響應(yīng)時(shí)間滯后一個(gè)值，即Y(t)= Y(t-)上式表明調(diào)節(jié)過(guò)程沿時(shí)間軸平移了一個(gè)的距離，所以干擾通道出現(xiàn)有純滯后，不會(huì)影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量。2干擾進(jìn)入系統(tǒng)中的不同位置。復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程往往有多個(gè)干擾量，如圖3-2所示。圖3-2 擾動(dòng)作用于不同位置的控制系統(tǒng)控制理論證明，同一形式大小相同的擾動(dòng)出現(xiàn)于系統(tǒng)中不同的位置所產(chǎn)生的靜差是不一樣的。對(duì)擾動(dòng)產(chǎn)生影響的僅是擾動(dòng)作用點(diǎn)前的那些環(huán)節(jié)。三、控制規(guī)律的確定選擇系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律的目的，是使調(diào)節(jié)器與調(diào)節(jié)對(duì)象能很好地匹配，使組成的控制系統(tǒng)能滿足工藝上所提出的動(dòng)、靜態(tài)性能指標(biāo)的要求。1比例(P)調(diào)節(jié)純比例調(diào)節(jié)器是一種最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)器，它對(duì)控制作用和擾動(dòng)作用的響應(yīng)都很快速。由于比例調(diào)節(jié)只有一個(gè)參數(shù)，所以整定很方便。這種調(diào)節(jié)器的主要缺點(diǎn)是使系統(tǒng)有靜差存在。2比例積分(PI)調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)器的積分部分能使系統(tǒng)的類型數(shù)提高，有利于消除靜差，但它又使PI調(diào)節(jié)器的相位滯后量減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，其傳遞函數(shù)為GC(S)=KP(1+)這種調(diào)節(jié)器在過(guò)程控制中是應(yīng)用最多的一種調(diào)節(jié)器。3比例微分(PD)調(diào)節(jié)這種調(diào)節(jié)器由于有微分的作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，比例系數(shù)的增大能加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程，減小動(dòng)態(tài)和靜態(tài)誤差，但微分不能過(guò)大，以利于抗高頻干擾。PD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為GC(S)=KP（1+TDS）4比例微分積分(PID)調(diào)節(jié)器PID是常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一種調(diào)節(jié)器。由于它具有各類調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)，因而使系統(tǒng)具有更高的控制質(zhì)量。它的傳遞函數(shù)為GC(S)=KP(1+ +TDS)四、調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定一般有兩種方法：一種是理論設(shè)計(jì)法，即根據(jù)廣義對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和性能要求，用根軌跡法或頻率法來(lái)確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，另一種方法是工程實(shí)驗(yàn)法，通過(guò)對(duì)典型輸入響應(yīng)曲線所得到的特征量，然后查照經(jīng)驗(yàn)表，求得調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。工程實(shí)驗(yàn)整定法有以下四種：(二)經(jīng)驗(yàn)法若將控制系統(tǒng)液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來(lái)分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對(duì)象往往比較接近，所以無(wú)論是控制器形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表一為經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進(jìn)一步修正。若需加微分作用，微分時(shí)間常數(shù)按TD=()TI計(jì)算。表一 經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)(%)TI(min)TD(min)溫度20603100.53流量401000.11壓力30700.43液位2080(二)臨界比例度法 這種整定方法是在閉環(huán)情況下進(jìn)行的。設(shè)TI=，TD=0，使調(diào)節(jié)器工作在純比例情況下，將比例度由大逐漸變小，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)呈現(xiàn)等幅振蕩，如圖3-3 圖3-3、具有周期TS的等幅振蕩所示。根據(jù)臨界比例度S和振蕩周期TS，按表二所列的經(jīng)驗(yàn)算式，求取調(diào)節(jié)器的參考參數(shù)數(shù)值，這種整定方法是以得到4：1衰減為目標(biāo)。表二 臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱STi(S)Td(S)P2SPI2.2STS/1.2PID1.6S0.5TS0.125TS臨界比例度法的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)單方便，但此法有一定限制。從工藝上看，允許受控變量能承受等幅振蕩的波動(dòng)，其次是受控對(duì)象應(yīng)是二階和二階以上或具有純滯后的一階以上環(huán)節(jié)，否則在比例控制下，系統(tǒng)是不會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩的。在求取等幅振蕩曲線時(shí)，應(yīng)特別注意控制閥出現(xiàn)開(kāi)、關(guān)的極端狀態(tài)。（三）阻尼振蕩法（衰減曲線法）在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動(dòng)觀察輸出響應(yīng)的衰減過(guò)程，直至出現(xiàn)圖3-4所示的4：1衰減過(guò)程為止。這時(shí)的比例度稱為4：1衰減比例度，用S表示之。相鄰兩波峰間的距離稱為4：1衰減周期TS。根據(jù)S和TS，運(yùn)用表三所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出調(diào)節(jié)器預(yù)整定的參數(shù)值。圖3-4 4：1衰減曲線法圖形表三、阻尼振蕩法計(jì)算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱（%）TI(min)TD(min)PSPI1.2S0.5TSPID0.8S0.3TS0.1 TS 四、反應(yīng)曲線法如果被控對(duì)象是一階慣性環(huán)節(jié)，或具有很小滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，若用臨界比例度法或阻尼振蕩法（4：1衰減）就有難度。對(duì)于這種情況，可采用下述的反應(yīng)曲線法來(lái)整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。圖3-5為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方框圖。令調(diào)節(jié)器的輸出X(t)為階躍信號(hào)，則圖3-5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方框圖對(duì)象經(jīng)測(cè)量變送器后的輸出Y（t），如圖3-6所示。由該圖可確定、T和K，其中K按下式確定K=圖3-6 階躍響應(yīng)曲線根據(jù)所求的K、T和，利用下表所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出對(duì)應(yīng)于衰減率為4：1時(shí)調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。表四 經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱（%）TITDP100%PI1.1100%3.3PID0.85100%20.5第二節(jié) 上水箱液位定值控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解單閉環(huán)液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成。2.掌握單閉環(huán)液位控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。3.研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1TKJ-2型 熱工自動(dòng)化過(guò)程檢查與控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置2計(jì)算機(jī)、上位機(jī)MCGS組態(tài)軟件、RS232-485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根3萬(wàn)用表 1只三、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的被控對(duì)象為上水箱，其液位高度作為系統(tǒng)的被控制量。系統(tǒng)的給定信號(hào)為一定值，它要圖3-7 上水箱液位定值控制結(jié)構(gòu)圖求被控制量上水箱的液位在穩(wěn)態(tài)時(shí)等于給定值。由反饋控制的原理可知，應(yīng)把上水箱的液位經(jīng)傳感器檢測(cè)后的信號(hào)作為反饋信號(hào)。圖3-7為本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖3-8為控制系統(tǒng)的方框圖。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下無(wú)靜差，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID。圖3-8 上水箱液位定值控制方框圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1按圖3-7要求，完成系統(tǒng)的接線。2接通總電源和相關(guān)儀表的電源。3打開(kāi)閥F1-1、F1-2、F1-6和F1-9，且把F1-9控制在適當(dāng)?shù)拈_(kāi)度。4.選用單回路控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中所述的某種調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法整定好調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。5.設(shè)置好系統(tǒng)的給定值后，用手動(dòng)操作調(diào)節(jié)器的輸出，使電動(dòng)調(diào)節(jié)閥給上水箱打水，待其液位達(dá)到給定量所要求的值，且基本穩(wěn)定不變時(shí)，把調(diào)節(jié)器切換為自動(dòng)，使系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。6.啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行MCGS組態(tài)軟件軟件，并進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)：1）當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，突加階躍擾動(dòng)（將給定量增加5%15%），觀察并記錄系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線。2）待系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，適量改變閥F1-6的開(kāi)度，以作為系統(tǒng)的擾動(dòng)，觀察并記錄在階躍擾動(dòng)作用下液位的變化過(guò)程。7適量改變PI的參數(shù)，用計(jì)算機(jī)記錄不同參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.用實(shí)驗(yàn)方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。2.列表記錄，在上述參數(shù)下求得階躍響應(yīng)的動(dòng)、靜態(tài)性能指標(biāo)。3.列表記錄，在上述參數(shù)下求得系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下響應(yīng)曲線的動(dòng)、靜態(tài)性能指標(biāo)。4.改變比例度和積分時(shí)間TI對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生什么影響？六、實(shí)驗(yàn)接線說(shuō)明：1.將上水箱液位+（正極）接到250的一端在接到智能調(diào)節(jié)儀1的正極（1-5V），上水箱液位-（負(fù)極）接到250的另一端在接到智能調(diào)節(jié)儀1的負(fù)極（1-5V）。2.將智能調(diào)節(jié)儀1的輸出端的正極接至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的420mA輸入端的+端（即正極），將智能調(diào)節(jié)儀1的輸出端的負(fù)極接至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的420mA輸入端的-（即負(fù)極）。3.單相1的電源分別接到主泵和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電源。單相II的電源接到智能調(diào)節(jié)儀1的電源。七、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置智能調(diào)節(jié)儀1的參數(shù)參數(shù)符號(hào)參數(shù)值參數(shù)符號(hào)參數(shù)值參數(shù)符號(hào)參數(shù)值CtrL1Sn33dIP1dIL0dIH50oP14oPL0oPH100CF0Baud9600bit/sAddr1 第三節(jié) 雙容水箱液位定值控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.通過(guò)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步了解雙容對(duì)象的特性。2.掌握調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定與投運(yùn)方法。3.研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的改變對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1.TKJ-2型 熱工自動(dòng)化過(guò)程檢查與控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置。2.計(jì)算機(jī)、上位機(jī)MCGS組態(tài)軟件、RS232-485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根3.萬(wàn)用表一只三、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以上水箱與下水箱（鍋爐汽包）為被控對(duì)象，下水箱（鍋爐汽包）的液位高度為系統(tǒng)的被圖3-9 雙容液位定值控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制量?；谙到y(tǒng)的給定量是一定值，要求被控制量在穩(wěn)態(tài)時(shí)等于給定量所要求的值，所以調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為PI或PID。本系統(tǒng)的執(zhí)行元件既可采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，也可用變頻調(diào)速磁力泵。如果采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥圖3-10 雙容液位定值控制系統(tǒng)方框圖作執(zhí)行元件，則變頻調(diào)速磁力泵支路中的手控閥F2-4或F2-5打開(kāi)時(shí)可分別作為上水箱或下水箱（鍋爐汽包）的擾動(dòng)。圖3-9為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖3-10為控制系統(tǒng)的方框圖。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.圖3-9所示，完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的接線。2.接通總電源和相關(guān)儀表的電源。3.打開(kāi)閥F1-1、 F1-2、F1-7、F1-10和F1-11，且使F1-10的開(kāi)度大于F1-11的開(kāi)度。4.用本章第一節(jié)實(shí)驗(yàn)中所述的臨界比例度法或4：1衰減振蕩法整定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。5.設(shè)置系統(tǒng)的給定值后，用手動(dòng)操作調(diào)節(jié)器的輸出，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥給上水箱打水，待上水箱液位基本穩(wěn)定不變且下水箱（鍋爐汽包）的液位等于給定值時(shí)，把調(diào)節(jié)器切換為自動(dòng)，使系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。6.啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行MCGS組態(tài)軟件軟件，并進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)：1）當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，突加階躍擾動(dòng)（給定量增加5%15%），觀察并記錄系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線。2）待系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，啟運(yùn)變頻器調(diào)速的磁力泵支路，分別適量改變閥F2-4或閥F2-5的開(kāi)度（加擾動(dòng)），觀察并記錄被控制量液位的變化過(guò)程。7.通過(guò)反復(fù)多次調(diào)節(jié)PI的參數(shù)，使系統(tǒng)具有較滿意的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。用計(jì)算機(jī)記錄此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1用實(shí)驗(yàn)方法確定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。2列表表示在上述參數(shù)下，系統(tǒng)階躍響應(yīng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。3列表表示在上述參數(shù)下，系統(tǒng)在擾動(dòng)作用于上水箱或下水箱（鍋爐汽包）時(shí)輸出響應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能。4列表表示經(jīng)調(diào)試后求得的調(diào)節(jié)器參數(shù)和相應(yīng)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)。六、思考題1.為什么本實(shí)驗(yàn)較上水箱液位定值控制系統(tǒng)更容易引起振蕩？如果達(dá)到同樣的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，為什么本實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)器的比例度和積分時(shí)間常數(shù)均要比前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)大？2.你能說(shuō)出下水箱（鍋爐汽包）的時(shí)間常數(shù)比上水箱時(shí)間常數(shù)大的原因嗎？七、實(shí)驗(yàn)接線說(shuō)明：1.將鍋爐汽包液位+（正極）接到250的一端在接到智能調(diào)節(jié)儀1的正極（1-5V），鍋爐汽包液位-