過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用實驗

1、實驗內(nèi)容一：單容自衡水箱液位特性測試實驗實驗學(xué)時：2學(xué)時實驗類型：（驗證、綜合、設(shè)計）實驗要求：（必修、選修）一、實驗?zāi)康?掌握單容水箱的階躍響應(yīng)測試方法，并記錄相應(yīng)液位的響應(yīng)曲線；2根據(jù)實驗得到的液位階躍響應(yīng)曲線，用相應(yīng)的方法確定被測對象的特征參數(shù)K、T和傳遞函數(shù)；二、實驗設(shè)備1. THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置2. 計算機及相關(guān)軟件3. 萬用電表一只三、實驗原理所謂單容指只有一個貯蓄容器。自衡是指對象在擾動作用下，其平衡位置被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠其自身重新恢復(fù)平衡的過程。圖1-1所示為單容自衡水箱特性測試結(jié)構(gòu)圖及方框圖。閥門F1-1、F1-2和F1-8全開，設(shè)下水

2、箱流入量為Q1，改變電動調(diào)節(jié)閥V1的開度可以改變Q1的大小，下水箱的流出量為Q2，改變出水閥F1-11的開度可以改變Q2。液位h的變化反映了Q1與Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的過程。若將Q1作為被控過程的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是h與Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。圖1-1 單容自衡水箱特性測試系統(tǒng)（a）結(jié)構(gòu)圖 （b）方框圖根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有Q1-Q2=A (1-1)將式(2-1)表示為增量形式Q1-Q2=A (1-2)式中：Q1，Q2，h分別為偏離某一平衡狀態(tài)的增量； A水箱截面積。在平衡時，Q1=Q2，0；當(dāng)Q1發(fā)生變化時，液位h隨之變化，水箱出 口處的靜壓也隨之變化

3、，Q2也發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線性關(guān)系。但為了簡化起見，經(jīng)線性化處理后，可近似認(rèn)為Q2與h成正比關(guān)系，而與閥F1-11的阻力R成反比，即 Q2= 或 R= (1-3)式中：R閥F1-11的阻力，稱為液阻。 將式(1-2)、式(1-3)經(jīng)拉氏變換并消去中間變量Q2，即可得到單容水箱的數(shù)學(xué)模型為W0（s）= (1-4) 式中T為水箱的時間常數(shù)，TRC；K為放大系數(shù)，KR；C為水箱的容量系數(shù)。若令Q1（s）作階躍擾動，即Q1（s）=，x0=常數(shù)，則式(2-4)可改寫為H（s）=K-對上式取拉氏反變換得h(t)=Kx0(1-e-t/T) (1-5) 當(dāng)t時，h

4、（）-h（0）=Kx0，因而有K= (1-6) 當(dāng)t=T時，則有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h() (1-7) 式（1-5）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1-2（a）所示，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對應(yīng)的時間，就是水箱的時間常數(shù)T。也可由坐標(biāo)原點對響應(yīng)曲線作切線OA，切線與穩(wěn)態(tài)值交點A所對應(yīng)的時間就是該時間常數(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)。圖2-2 單容水箱的階躍響應(yīng)曲線如果對象具有滯后特性時，其階躍響應(yīng)曲線則為圖1-2（b），在此曲線的拐點D處作一切線，它與時間軸交于B點，與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于A點。圖中O

5、B即為對象的滯后時間，BC為對象的時間常數(shù)T，所得的傳遞函數(shù)為：H(S)= (1-8) 四、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇下水箱作為被測對象（也可選擇上水箱或中水箱）。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-8全開，將下水箱出水閥門F1-11開至適當(dāng)開度（30%80%），其余閥門均關(guān)閉。1將“SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制” 掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算機串口1，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。圖1-3 儀表控制“單容水箱特性

6、測試”實驗接線圖2接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V開關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相、單相空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥及智能儀表上電。3打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗一、單容自衡水箱對象特性測試”，進(jìn)入“實驗一”的監(jiān)控界面。4通過調(diào)節(jié)儀將輸出值設(shè)置為一個合適的值（50%-70%）。5合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使下水箱的液位處于某一平衡位置，記錄此時的儀表輸出值和液位值。圖1-4 單容下水箱液位階躍響應(yīng)曲線6待下水箱液位平衡后，突增（或突減）智能儀表輸出量的

7、大小，使其輸出有一個正（或負(fù)）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后，水箱液位進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，記錄此時的儀表輸出值和液位測量值，液位的響應(yīng)過程曲線將如圖1-4所示。7根據(jù)前面記錄的液位值和儀表輸出值，按公式（1-6）計算K值，再根據(jù)圖1-2中的實驗曲線求得T值，寫出單容水箱的傳遞函數(shù)。8啟動計算機記下水箱液位的歷史曲線和階躍響應(yīng)曲線。9把由實驗曲線所得的結(jié)果填入下表。 參數(shù)值測量值液位hKT正向輸入負(fù)向輸入平均值五、實驗報告要求1畫出“單容水箱液位特性測試”實驗的結(jié)構(gòu)框圖。2根據(jù)實驗得到的數(shù)據(jù)及曲線，分析并計算出單容水箱

8、液位對象的參數(shù)及傳遞函數(shù)。六、思考題1做本實驗時，為什么不能任意改變出水閥F1-11開度的大小？2用響應(yīng)曲線法確定對象的數(shù)學(xué)模型時，其精度與那些因素有關(guān)？3如果采用中水箱做實驗，其響應(yīng)曲線與下水箱的曲線有什么異同？并分析差異原因。實驗內(nèi)容二：雙容水箱特性的測試實驗學(xué)時：2學(xué)時實驗類型：（驗證、綜合、設(shè)計）實驗要求：（必修、選修）一、實驗?zāi)康?掌握雙容水箱特性的階躍響應(yīng)曲線測試方法；2根據(jù)由實驗測得雙容液位的階躍響應(yīng)曲線，確定其特征參數(shù)K、T1、T2及傳遞函數(shù)；二、實驗設(shè)備（同前）三、原理說明圖2-1 雙容水箱對象特性測試系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖由圖2-1所示，被測對象由兩個不同容積的水箱

9、相串聯(lián)組成，故稱其為雙容對象。自衡是指對象在擾動作用下，其平衡位置被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠其自身重新恢復(fù)平衡的過程。根據(jù)本章第一節(jié)單容水箱特性測試的原理，可知雙容水箱數(shù)學(xué)模型是兩個單容水箱數(shù)學(xué)模型的乘積，即雙容水箱的數(shù)學(xué)模型可用一個二階慣性環(huán)節(jié)來描述：G(s)=G1(s)G2(s)= (2-1) 式中Kk1k2，為雙容水箱的放大系數(shù)，T1、T2分別為兩個水箱的時間常數(shù)。本實驗中被測量為下水箱的液位，當(dāng)中水箱輸入量有一階躍增量變化時，兩水箱的液位變化曲線如圖2-1所示。由圖2-1可見，上水箱液位的響應(yīng)曲線為一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)（圖2-1 (a)）；而下水箱液位的響應(yīng)曲線則呈S形

10、曲線（圖2-1 (b)），即下水箱的液位響應(yīng)滯后了，它滯后的時間與閥F1-10和F1-11的開度大小密切相關(guān)。圖2-2 雙容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線（a）中水箱液位 （b）下水箱液位雙容對象兩個慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)可按下述方法來確定。在圖2-3所示的階躍響應(yīng)曲線上求?。?1) h2（t）|t=t1=0.4 h2()時曲線上的點B和對應(yīng)的時間t1；(2) h2（t）|t=t2=0.8 h2()時曲線上的點C和對應(yīng)的時間t2。圖2-3 雙容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線 然后，利用下面的近似公式計算式 (2-2) (2-3) (2-4) 0.32t1/t20.46 由上述兩式中解出T1和T2，于是得到如式（2

11、-1）所示的傳遞函數(shù)。在改變相應(yīng)的閥門開度后，對象可能出現(xiàn)滯后特性，這時可由S形曲線的拐點P處作一切線，它與時間軸的交點為A，OA對應(yīng)的時間即為對象響應(yīng)的滯后時間。于是得到雙容滯后（二階滯后）對象的傳遞函數(shù)為：G（S）= (2-5) 四、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇中水箱和下水箱串聯(lián)作為被測對象（也可選擇上水箱和中水箱）。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-7全開，將中水箱出水閥門F1-10、下水箱出水閥門F1-11開至適當(dāng)開度（要求F1-10開度稍大于F1-11的開度），其余閥門均關(guān)閉。1將SA-12掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控

12、制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算機串口1，并按照單容水箱控制屏接線圖2-3連接實驗系統(tǒng)。將“LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。2接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V開關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相、單相空氣開關(guān)，給智能儀表及電動調(diào)節(jié)閥上電。3打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗二、雙容自衡水箱對象特性測試”，進(jìn)入“實驗二”的監(jiān)控界面。4通過調(diào)節(jié)儀表將輸出值設(shè)置為一個合適的值（一般為最大值的50%70%，不宜過大，以免水箱中水溢出）。5合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動

13、泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使下水箱的液位處于某一平衡位置，記錄此時的儀表輸出值和液位測量值。6液位平衡后，突增（或突減）儀表輸出量的大小，使其輸出有一個正（或負(fù)）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后，水箱液位進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，記錄此時的儀表輸出值和液位值，液位的響應(yīng)過程曲線將如圖2-4所示。圖2-4 雙容水箱液位階躍響應(yīng)曲線7根據(jù)前面記錄的液位和儀表輸出值，按公式（2-2）計算K值，再根據(jù)圖2-3中的實驗曲線求得T1、T2值，寫出對象的傳遞函數(shù)。8、上述實驗用計算機實時記錄h2的歷史曲線和在階躍擾動后的

14、響應(yīng)曲線。9、把由計算機作用的實驗曲線進(jìn)行分析處理，并把結(jié)果填表入下表中： 參數(shù)值測量值液位hKT1T2正向輸入負(fù)向輸入平均值五、實驗報告要求1畫出雙容水箱液位特性測試實驗的結(jié)構(gòu)框圖。2根據(jù)實驗得到的數(shù)據(jù)及曲線，分析并計算出雙容水箱液位對象的參數(shù)及傳遞函數(shù)。3綜合分析以上五種控制方案的實驗效果。六、思考題1做本實驗時，為什么不能任意改變兩個出水閥門開度的大??？2用響應(yīng)曲線法確定對象的數(shù)學(xué)模型時，其精度與那些因素有關(guān)？3如果采用上水箱和中水箱做實驗，其響應(yīng)曲線與用中水箱和下水箱做實驗的曲線有什么異同？并分析差異原因。4引起雙容對象滯后的因素主要有哪些？實驗內(nèi)容四：溫度定值控制系統(tǒng)實驗學(xué)時：2學(xué)時

15、實驗類型：（驗證、綜合、設(shè)計）實驗要求：（必修、選修）一、實驗?zāi)康?了解單回路溫度控制系統(tǒng)的組成與工作原理。2研究P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對溫度系統(tǒng)的控制作用。3了解PID參數(shù)自整定的方法及其參數(shù)整定在整個系統(tǒng)中的重要性。4分析鍋爐內(nèi)膽動態(tài)水溫與靜態(tài)水溫在控制效果上有何不同之處？二、實驗設(shè)備（同前）三、實驗原理本實驗以鍋爐內(nèi)膽作為被控對象，內(nèi)膽的水溫為系統(tǒng)的被控制量。本實驗要求鍋爐內(nèi)膽的水溫穩(wěn)定至給定量，將鉑電阻檢測到的鍋爐內(nèi)膽溫度信號TT1作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制三相調(diào)壓模塊的輸出電壓（即三相電加熱管的端電壓），以達(dá)到控制鍋爐內(nèi)膽水溫的目的。在鍋爐內(nèi)膽水

16、溫的定值控制系統(tǒng)中，其參數(shù)的整定方法與其它單回路控制系統(tǒng)一樣，但由于加熱過程容量時延較大，所以其控制過渡時間也較長，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器可選擇PD或PID控制。本實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖4-1所示。圖4-1 鍋爐內(nèi)膽溫度特性測試系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖可以采用兩種方案對鍋爐內(nèi)膽的水溫進(jìn)行控制：（一） 鍋爐夾套不加冷卻水（靜態(tài)）（二） 鍋爐夾套加冷卻水（動態(tài)）顯然，兩種方案的控制效果是不一樣的，后者比前者的升溫過程稍慢，降溫過程稍快，過渡過程時間稍短。四、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇鍋爐內(nèi)膽水溫作為被控對象，實驗之前將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F2-1、F2-6、F1-13全開，將鍋爐出水閥門F2

17、-12關(guān)閉，其余閥門也關(guān)閉。將變頻器輸出A、B、C三端連接到三相磁力驅(qū)動泵（220V），打開變頻器電源并手動調(diào)節(jié)其頻率，給鍋爐內(nèi)膽貯一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的紅線位置），然后關(guān)閉閥F1-13，打開閥F1-12，為給鍋爐夾套供冷水做好準(zhǔn)備。1將SA-11、SA-12掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算機串口1，并按照如下控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。2接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，按下啟動按鈕，合上單相空氣開關(guān)，給智能儀表上電。3打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入

18、MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗六、鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制”，進(jìn)入“實驗六”的監(jiān)控界面。4將智能儀表設(shè)置為“手動”，并將輸出值設(shè)置為一個合適的值（50%70%），此操作可通過調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)。5合上三相電源空氣開關(guān)，三相電加熱管通電加熱，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使鍋爐內(nèi)膽的水溫平衡于設(shè)定值。6按經(jīng)驗法或動態(tài)特性參數(shù)法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，選擇PID控制規(guī)律，并按整定后的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。7待鍋爐內(nèi)膽水溫穩(wěn)定于給定值時，將調(diào)節(jié)器切換到“自動”狀態(tài)，待水溫平衡后，突增（或突減）儀表設(shè)定值的大小，使其有一個正（或負(fù)）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過大，一般為設(shè)定值的515%為宜

19、），于是鍋爐內(nèi)膽的水溫便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時間后，水溫穩(wěn)定至新的設(shè)定值，記錄此時智能儀表的設(shè)定值、輸出值和儀表參數(shù)，內(nèi)膽水溫的響應(yīng)過程曲線將如圖4-2所示。圖4-2 鍋爐內(nèi)膽水溫階躍響應(yīng)曲線8適量改變調(diào)節(jié)儀的PID參數(shù)，重復(fù)步驟7，用計算機記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。9打開變頻器電源開關(guān)，給變頻器上電，將變頻器設(shè)置在適當(dāng)?shù)念l率（19Hz左右），變頻器支路開始往鍋爐夾套打冷水，重復(fù)步驟48，觀察實驗的過程曲線與前面不加冷水的過程有何不同。10分別采用P、PI、PD控制規(guī)律重復(fù)實驗，觀察在不同的PID參數(shù)值下，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。五、實驗報告要求1畫出鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制實驗的結(jié)構(gòu)框圖

20、。2用實驗方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，寫出整定過程。3根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動作用下的靜、動態(tài)性能。4比較不同PID參數(shù)對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。5分析P、PI、PD、PID四種控制方式對本實驗系統(tǒng)的作用。六、思考題1在溫度控制系統(tǒng)中，為什么用PD和PID控制，系統(tǒng)的性能并不比用PI控制時有明顯地改善？2為什么內(nèi)膽動態(tài)水的溫度控制比靜態(tài)水時的溫度控制更容易穩(wěn)定，動態(tài)性能更好？實驗內(nèi)容六：盤管出水口水溫與鍋爐內(nèi)膽的串級控制實驗學(xué)時：2學(xué)時實驗類型：（驗證、綜合、設(shè)計）實驗要求：（必修、選修）一、實驗?zāi)康?熟悉溫度串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成。2掌握溫度串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定與投運方法。3研究

21、階躍擾動分別作用于副對象和主對象時對系統(tǒng)主控制量的影響。4主、副調(diào)節(jié)器參數(shù)的改變對系統(tǒng)性能的影響。二、實驗設(shè)備（同前）三、實驗原理本實驗系統(tǒng)的主控量為盤管出口的水溫T1，副控量為鍋爐內(nèi)膽的水溫T2，它是一個輔助的控制變量。執(zhí)行元件為內(nèi)膽內(nèi)的電熱管，它控制鍋爐內(nèi)膽中的水溫大小，以改變流到盤管出口的水溫。同前面第四節(jié)的串級控制一樣，系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制，副回路則采用P控制規(guī)律。顯然，由于盤管出口的水溫升降是通過鍋爐內(nèi)膽的溫度控制來實現(xiàn)的，因而其過程容量時延較大，所以其控制過渡時間也較長。本實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖6-1所示。圖6-1 盤管出口水溫與鍋爐內(nèi)膽水溫串級控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖四、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇盤管水溫和鍋爐內(nèi)膽水溫組成串級控制系統(tǒng)。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F2-1、F2-6、F1-13全開，將鍋爐出水閥門F2-12關(guān)閉，其余閥門也關(guān)閉。將變頻器A、B、C三端連接到三相磁力驅(qū)動泵（220V），打開變頻器電源并手動調(diào)節(jié)變頻器頻率，給鍋爐內(nèi)膽貯適量水（要求至少高于液位指示玻璃管的紅線位置），然后關(guān)閉變頻器、關(guān)閉閥F2-1、F2-6、F2-9、F2-10，打開閥F2-2、F2-7、F2-8，為給盤管供熱水作好準(zhǔn)備。1將兩