儀表自動控制實驗報告

1、化工專業(yè)實驗報告實驗名稱： 儀表自動控制 實驗人員： 吳志尚 同組人： 吳思、吳迪 實驗地點：天大化工技術實驗中心 302 室實驗時間： 2016年4月18日 班級/學號：2014級 化工1班 2組 3014207025 指導教師： 郭紅宇 實驗成績： 一、實驗目的1、 學習AI型控制儀表的使用和接線，了解該類型儀表的控制原理。2、 學習溫度傳感器的分類和選型原則、學習補償導線和熱電偶的連接。3、 學習控溫儀表各控制參數的意義和使用設置。4、 學習交流接觸器、電子繼電器的原理和連線使用。5、 學習用儀表來進行反應器的控溫和測溫電路連接和操作。6、 通過對不同電路的調試和數據測量，初步掌握儀表自

2、控技術。二、實驗原理空格儀表自動控制在現(xiàn)代化工業(yè)生產中是極其重要的，它可以減少大量的手工操作，尤其是在化工生產和實驗中使操作人員遠離工作條件惡劣、危險的環(huán)境，還可以使大量的重復性、簡單的手工操作由儀器儀表自動控制裝置完成。并可在極大的程度上提高實驗和工業(yè)生產上的操作精度及數據測量的準確性，可完成數據的遠程傳輸?？崭駸犭娕迹═hermocouple）是根據熱電效應測量溫度的傳感器，是溫度測量儀表中常用的測溫元件。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結構卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表、記錄儀表及電子調節(jié)器配套使用。空格熱電偶測溫的基本原理

3、是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(Seebeck effect）。兩種不同成份的均質導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據熱電動勢與溫度的函數關系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。當有兩種不同的導體或半導體A 和B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結點處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為T0 ，稱為自由端（也稱參考端）或冷端，回路中將產生一個電動勢，

4、該電動勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關。這種現(xiàn)象稱為“熱電效應”，兩種導體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導體稱為“熱電極”，產生的電動勢則稱為“熱電動勢”（一） 熱電阻工作原理熱電阻是利用金屬的電阻值隨溫度變化而變化的特性來進行溫度測量阻值與溫度關系如下式：Rt =Rto1+(t-to)Rt =Rtot式中：Rt 溫度為t 時的電阻值。Rto 溫度為to ( 通常為0 ) 時的電阻值。 電阻溫度系數。t 溫度的變化值。Rt 電阻值的變化量。熱電偶與熱電阻相比有以下不同之處：1、 熱電偶所測量的是電勢，可進行遠距離傳輸。而熱電阻在遠距離傳輸時，導線電阻會隨著傳輸距離的增加而增大，使

5、測量誤差加大。2、 熱電偶所測量的是一個點的溫度，而熱電阻所測量的是一個面上的平均電阻，也可以說是一個面上的平均溫度。3、 熱電偶的測量精度低于熱電阻的測量精度（熱電阻的測量精度是由金屬本身的純度所決定的）。4、 一般說來，熱電偶多用于測量高溫，熱電阻則多用于測量低溫。本實驗就是儀表自動控制在化工生產和實驗中非常重要的一個分支溫度的儀表自動控制。位式控制屬于非線性控制系統(tǒng)，控制的物理量只有：開關、通斷、有無之差別，當溫度回落到要求的啟動值時、啟動加熱，溫度上升到工藝要求溫度值時、停止加熱，區(qū)域可以自由設定。位式控制具有接線簡單、可靠性高成本低廉的優(yōu)點，但調節(jié)速度較慢，過沖量較大。位式控制屬于非

6、線性控制系統(tǒng)，控制的物理量只有：開關、通斷、有無之差別，當溫度回落到要求的啟動值時、啟動加熱，溫度上升到工藝要求溫度值時、停止加熱，區(qū)域可以自由設定。位式控制具有接線簡單、可靠性高成本低廉的優(yōu)點，但調節(jié)速度較慢，過沖量較大。SSR 固態(tài)繼電器工作原理：固態(tài)繼電器是一種無觸點通斷電子開關，為四端有源器件。其中兩個端子為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端。在輸入端加上直流或脈沖信號，輸出端就能從關斷狀態(tài)轉變成導通狀態(tài)（無信號時呈阻斷狀態(tài)），從而控制較大負載?？蓪崿F(xiàn)相當于常用的機械式電磁繼電器一樣的功能（四）固態(tài)調壓器原理固態(tài)調壓器其內部集移相觸發(fā)電路，阻容吸收回路，雙向可控硅于一體，通過電位器手動調

7、節(jié)以改變阻性負載上的電壓，來達到調節(jié)輸出功率的目的。（如圖13）。三、實驗儀器控溫儀表（AI-T08），測溫儀表（AI-T08），熱電偶2個，中間繼電器（C5×2 0910），固態(tài)繼電器（SSR-10 DA），固態(tài)調壓器（XSSVR-2410），電流表(69L9)，開關，保險絲（RT18-32），導線若干，工具(螺絲刀2個)，電加熱釜式反應器。四、實驗步驟1. 檢查工具箱內的工具：一般有萬用電表、電烙鐵、焊錫、焊錫膏、剝線鉗、扁口鉗、十字螺絲刀、試電筆、絕緣膠布等工具和電工材料。2. 每組2 名成員，分組確定后，首先到指定的實驗位置，再檢查應配有一個工具箱、一個管式反應器、電線及必須

8、的電子元件等。3. 控溫儀表為AI-708 型，熱電偶為E 型，用來控制反應器中段加熱，使用加熱測溫的熱電偶，放在反應管外壁和電加熱爐瓦之間的位置。該儀表輸入信號為反應器的加熱控制熱電偶。4. 測溫儀表為AI-702 型，只能用來測量溫度。實驗中用來測量管內催化劑的床層溫度。一般反應器都是用一個儀表控制反應管外壁溫度，同時用另一臺儀表，測量催化劑床層內的真實溫度。5. 根據指導教師提供的儀表、電器元件及電加熱爐等、通過學習教材的原理，把電源開關、繼電器、控溫儀表、測溫儀表、熱電偶、電子繼電器、電子調壓器和管式反應器連接在一起，組裝成儀表自動控制加熱系統(tǒng)。6. 組裝完畢后，檢查無誤，需經指導教師

9、檢查后方可通電。7. 設置控制儀表參數和溫度，為安全期間，一般實驗中反應溫度不超過150。8. 設定好控制溫度，然后開始加熱，記錄控制溫度和反應器內溫度的測升溫曲線(每間隔2 分鐘進行一次記錄)，當反應器內溫度，達到設定溫度后（溫度波動不超過±1），再記錄10 分鐘，準備下一步實驗。9. 在反應溫度恒定10 分鐘后，拉動反應器內的測溫熱電偶，每次拉出高度0.5cm，同時記錄下溫度值，測出反應器內催化劑床層的軸向溫度分布（共測20 個點）。10. 設定溫度為150，改變控制參數Ctrl、dF、Ctl 觀察位式控制和模糊控制的區(qū)別及效果，并每間隔2 分鐘記錄選取，至少記錄20 分鐘時間，

10、觀察不同控制方式對溫度的影響。11. 實驗完畢后，拆除控制電路。所用儀表、元器件、工具等放回原處，實驗報告經老師過目后，方可離開。五、實驗數據記錄如表-1、表-2所示分別是加熱釜升溫數據記錄和加熱釜軸向溫度分布數據記錄。表-1 加熱釜升溫數據記錄時間記錄時間間隔/min控制溫度/顯示溫度/時間記錄時間間隔/min控制溫度/顯示溫度/11:20029.719.711:3717119.845.411:22245.421.111:3919120.047.511:25559.724.111:4121120.048.411:27773.728.311:4323120.148.811:29984.631.

11、811:4525120.149.111:311195.335.111:4727120.149.211:3313113.941.111:4929120.149.211:3515119.142.911:5131120.049.0表-2 加熱釜軸向溫度分布數據記錄測溫點距底部距離/cm溫度/測溫點距底部距離/cm溫度/測溫點距底部距離/cm溫度/048.93.578.07.097.00.553.54.081.57.598.51.057.64.585.18.0100.31.561.85.087.78.5102.22.066.65.590.59.0103.52.569.96.091.89.5105.13

12、.074.46.595.010.0106.6六、數據處理根據表-1 、表-2可以繪制加熱釜升溫圖(圖5)和圖加熱釜穩(wěn)態(tài)軸向溫度分布圖（圖6）。加熱腔控制溫度反應芯顯示溫度圖5 加熱釜溫升圖 圖6 加熱釜穩(wěn)態(tài)軸向溫度分布圖空格由加熱釜溫升圖（圖5）可知，隨著時間的推移，加熱釜的加熱腔溫度上升很快，前12分鐘變化很快，12分鐘以后基本保持穩(wěn)定于120左右，反應芯顯示的溫度也在加熱釜溫度上升的同時不斷上升，但上升速度較慢，這是由于反應芯溫度的上升還需要經過一個壁面熱傳導的過程，壁面導熱能力影響傳熱速率，反應芯溫度同樣在12分鐘以后基本維持于48左右?？崭裼杉訜岣€(wěn)態(tài)軸向溫度分布圖可知，隨著測溫點與底

13、部距離加大，測溫儀測得的溫度逐漸上升，理論上溫度值存在一個最高點，及反應器的熱點溫度，且所有軸向溫度應該相對于熱點溫度對稱分布，但本次實驗測溫點僅要求與底部距離從010cm變化，在更大的范圍內可使溫度分布圖更加接近“凸”字形。七、分析與討論本實驗旨在學習儀表自動化測量溫度的方法，實驗測量了加熱釜的加熱腔和反應芯的溫度隨加熱時間的變化以及穩(wěn)態(tài)時反應芯內溫度的軸向分布。從數據圖可以得出結論，加熱腔和反應芯之間的壁傳熱導致反應芯內的溫度上升變緩了，相比加熱腔內要慢得多。溫度穩(wěn)定時，內外溫度相差很大，可能有如下兩個原因：1，腔與芯之間的傳熱壁傳熱效率很低，所以在實際生產中應該避免使用低導熱系數的反應器

14、壁；2，加熱爐絲距底部較遠，故反應芯溫度變化存在一個停留時間值，因而在自動控制中需要設置成比例積分制度。在實際生產中應該對爐絲加熱的變化快慢加以考慮。從數據圖中還可以推斷爐絲與反應芯的位置。本實驗反應芯相距爐絲尚有一段距離，可使用matlab等工具對數據進行擬合得出正態(tài)分布方程，擬合圖像的中點即為反應芯處。如此測量存在一定的誤差，主要有：1，實驗選取的樣本有限，有限的樣本可建立的數據模型非常多，無法確定真正適合的溫度分布模型；2，加熱爐絲的位置未知，無法從查閱參考資料來明確認定此加熱體系內溫度一定為正態(tài)分布，或許有一定程度的偏差；3熱電偶本身的系統(tǒng)誤差。八、思考題1，熱電偶冷端的溫度補償有幾種

15、方法，并敘述。答：1）冷端恒溫法：將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫容器中，使其溫度保持0不變，它可消除t0不等于0而引入的誤差。2）計算修正法：當熱電偶的冷端溫度不等于0時，測得的熱電勢E(t,t0)與冷端為0時測的E(t,0)不同，可利用下式：E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)來修正，右式第一項為毫伏表直接測得的熱電勢，第二項是由t0在該熱電偶分度表查出的補償值，二者相加即可。3）儀表機械零點調整法：當熱電偶的冷端溫度比較恒定，對測量精度要求不太高時，可將機械零點調整至熱電偶實際所處的t處，相當于在輸入熱電偶的電勢前就給儀表預輸入一個電勢，此法雖有一定誤差，但很簡便常用。4）

16、電橋補償法：此法是利用不平衡電橋產生的不平衡電壓來自動補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。5）補償導線法：此法將熱電偶的冷端溫度從溫度較高、變化大的地方轉移到溫度較低、變化小的方向，等于延長了熱電偶。2，如果為冷端補償溫度為20，測量儀表顯示的溫度為30，則測量點的真實溫度是多少？E(t,20)=E(t,0)-E(20,0)=E(30,0) 故E(t,0)= E(30,0)+ E(20,0)=1801+1192=2993uV查E熱電偶分度表可知t=49.143、什么叫位式控制？位式控制需要設定幾個溫度？位式控制又稱通斷式控制，是將測量值與設定值相比較之差值經放大處理后，對調節(jié)對象作開

17、或關控制的調節(jié)。需要設定上限和下限兩個溫度。4、什么叫PID 控制？需要設定幾個溫度？在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PID控制器（比例-積分-微分控制器）是一個在工業(yè)控制應用中常見的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。僅需要設定一個溫度。5. 簡要描述PID 控制中，P、I、D 三個字母的含義。a.比例運算（P）比例控制是建立與設定值（SV）相關的一種運算，并根據偏差在求得運算值（控制輸出量）。如果當前值（PV）小，運算值為100%。如果當前值在比例帶內，運算值根據偏差比例求得并逐漸減小直到SV和PV匹配（即，直到偏差為0），此時運算值回復到先前值（前饋運算）。若出現(xiàn)靜差（殘余偏差），可用減小P方法減小