2016熱工過程控制實(shí)驗(yàn)報(bào)告——姜栽沙

1、專業(yè)班級：新能源1402班學(xué)生姓名：姜栽沙學(xué) 號：10041402202017年 1 月組號實(shí)驗(yàn)時間通過實(shí)驗(yàn)了解幾種控制系統(tǒng)（基于智能儀表、基于計(jì)算機(jī)）的組成、工作原理、控制過程特點(diǎn)；了解計(jì)算機(jī)與智能儀表的通訊方式。了解組態(tài)軟件的功能和特點(diǎn)，熟悉態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的整個過程。掌握畫面圖素的繪制、動畫連接的使用、控制程序的編寫、構(gòu)造實(shí)時數(shù)據(jù)庫。二、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)一熱工過程控制系統(tǒng)認(rèn)識與李博、許克偉、指導(dǎo)教師（簽名）MCGS 組態(tài)軟件提供的一些基本功能，如基本MCGS 應(yīng)用成績MCGS 組1、計(jì)算機(jī)2、 MCGS 組態(tài)軟件一套3、對象：SK-1-9 型管狀電阻爐一臺；測溫?zé)犭娕家恢В↘ 型） 。

2、4、 AI818/宇電 519/LU-906K 智能調(diào)節(jié)儀組成的溫控器5、 THKGK-1 型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置（含智能儀表、PLC、變頻器、控制閥）6、 CST4001-6H 電阻爐檢定爐（含電阻爐、溫度控制器、測溫元件、接口）7、電阻爐溫度控制系統(tǒng)接線圖和方框圖如圖1-1 、 1-2 所示。31、電阻爐溫度控制系統(tǒng)（液位、流量、壓力）被控過程: 電阻爐被控變量: 電阻爐溫度2、帶檢測控制點(diǎn)的流程圖3、控制系統(tǒng)方框圖操縱變量: 電阻爐的功率主要擾動：環(huán)境溫度變化，電壓值，電流值54、控制系統(tǒng)中所用的儀表名稱、型號（檢測儀表、控制器、執(zhí)行器、顯示儀表）檢測儀表：CST4001-6H 電阻爐檢定爐

3、控制器：AI818/宇電 519/LU-906K 智能調(diào)節(jié)儀組成的溫控器執(zhí)行器：THKGK-1 型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置（含智能儀表、PLC、變頻器、控制閥）顯示儀表：計(jì)算機(jī) 5、智能儀表與計(jì)算機(jī)是怎樣進(jìn)行通訊？有哪幾種方式？智能儀表與計(jì)算機(jī)通訊一般有三種方式，分別為USB 接口， 485 接口， 232 接口，通過這些接口進(jìn)行信號傳輸，計(jì)算機(jī)得以對儀表進(jìn)行溫控。6、什么是組態(tài)軟件？組態(tài)軟件是指對系統(tǒng)的各種資源進(jìn)行配置，達(dá)到系統(tǒng)按照預(yù)定設(shè)置，自動執(zhí)行特定任務(wù)，滿足使用者要求的目的的應(yīng)用軟件。MCGS 組態(tài)界面提供電阻爐溫度控制系統(tǒng)一套完整組態(tài)界面圖（共6 個圖） ，包括主界面、運(yùn)行界面、 設(shè)備工況、

4、存盤數(shù)據(jù)、實(shí)時曲線、歷史數(shù)據(jù)。71、定值控制、隨動控制和程序控制有何區(qū)別？定值系統(tǒng)是設(shè)定值恒定，不隨時間而變；隨動控制系統(tǒng)是設(shè)定值隨時間不斷變化，而且程序控制系統(tǒng)是設(shè)定值在時間上按一定程序變化，被控量在時間2、組成一個簡單控制系統(tǒng)需要哪些基本環(huán)節(jié)？對象，檢測元件及變送器，控制器，執(zhí)行器。3、說明在計(jì)算機(jī)上完成232 接口、 USB 接口設(shè)置步驟（要配屏幕截圖）232 接口用來串口連接USB 的數(shù)據(jù)線，將接口轉(zhuǎn)為USB 后，插上USB 接口，安裝好接線的驅(qū)動即可。4、 簡述智能儀表（宇電519） 在 MCGS 組態(tài)軟件中設(shè)備窗口進(jìn)行組態(tài)配置的方法和步驟（要有屏幕截圖）。選擇設(shè)備構(gòu)件； 設(shè)置構(gòu)件屬

5、性；連接設(shè)備通道。5、設(shè)計(jì)兩種流量控制系統(tǒng)，分別畫出兩個控制系統(tǒng)的原理圖、方框圖，比較說明兩種控制 系統(tǒng)的優(yōu)劣。典型工業(yè)加熱爐燃燒過程流量控制系統(tǒng)有以下兩種：比值串級控制系統(tǒng)優(yōu)： 比值系數(shù)可以預(yù)先設(shè)定，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，通過分析煙氣含氧量計(jì)算熱效率，人工調(diào)整比值器的設(shè)定值，可以使燃燒處于較佳狀態(tài)。缺：在動態(tài)過程中，不能保持適當(dāng)?shù)目諝馊剂媳?。交叉限幅控制系統(tǒng)優(yōu)： 發(fā)生擾動時，由于高低值選擇器的限幅作用，使得系統(tǒng)能在一定的范圍內(nèi)維持空氣-燃料比，克服了一般比值調(diào)節(jié)方式的局限性。6、對電阻爐溫度進(jìn)行溫度控制時，常用的執(zhí)行器有哪幾種？各有什么特點(diǎn)？氣動執(zhí)行器：結(jié)構(gòu)簡單，輸出推力大，動作可靠，性能

6、穩(wěn)定，維護(hù)方便，價格便宜，本質(zhì)安全防爆?？刂凭容^低，雙作用的氣動執(zhí)行器，斷氣源后不能回到預(yù)設(shè)位置。單作用的氣動執(zhí)行器，斷氣源后可以依靠彈簧回到預(yù)設(shè)位置。電動執(zhí)行器：能源取用方便，信號傳輸速度快，傳送距離遠(yuǎn)，便于集中控制，靈敏度和精度較高，與電動調(diào)節(jié)儀表配合方便，安裝接線簡單。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，推力小，價格貴。#實(shí)驗(yàn)二 對象動態(tài)特性測試與識別組號李博、許克偉、成績實(shí)驗(yàn)時間指導(dǎo)教師（簽名）了解飛升曲線法（即階躍法）測量對象動態(tài)特性的方法，并根據(jù)飛升曲線識別對象的動態(tài)特性，通過數(shù)據(jù)處理建立對象的數(shù)學(xué)模型。二、實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備1、計(jì)算機(jī)2、 MCGS 組態(tài)軟件一套3、對象：SK-1-9 型管狀電阻爐

7、一臺；測溫?zé)犭娕家恢В↘ 型） 。4、 AI818/YD519/LU-906K 智能調(diào)節(jié)儀組成的溫控器一臺。1、 在實(shí)際工作中，常常用實(shí)驗(yàn) 的方法來研究對象的特性。通常采用飛升曲線（即階躍法）測量對象動態(tài)特性，通過數(shù)據(jù)處理建立對象的動態(tài)特性。 表征對象動態(tài)特性的通常用微分方程式或傳遞函數(shù)。2、對象特性的實(shí)驗(yàn)測取法有矩形脈沖法正弦波法和 隨機(jī)信號法 四種。3、表征對象特性的參數(shù)有放大系數(shù)K時間常數(shù)T 和滯后時間 。4、 對象特性的類型有無自衡非振蕩和 反向特性四種。5、時間常數(shù)可以通過和 實(shí)驗(yàn)測定求出。MCGS 組態(tài)界面圖。13接線圖：數(shù)據(jù)采集MCGS 組態(tài)界面圖：五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對象飛升曲線測試數(shù)

8、據(jù)見表1.表 1 對象飛升曲線測試記錄時間（分）012345爐溫（）100132190270300320爐溫變化值 （）03258803020加階躍前電爐初始電壓（V）50加階躍前電爐溫度 0（）100 加階躍后電爐120注： = n- 0; n 每分鐘讀得的溫度值（）。根據(jù)對象飛升曲線測試數(shù)據(jù)，繪制響應(yīng)特性曲線（要求用坐標(biāo)紙畫準(zhǔn)，或者用作圖軟件。1、簡述實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)測取時，就是在所研究的對象上加上一個人為的干擾，然后測取表征對象特性的物即輸出參數(shù)隨時間變化的規(guī)律，得出一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線，并對這些數(shù)據(jù)或曲線加2、根據(jù)飛升曲線，求取放大系數(shù)、時間常數(shù)和滯后時間。放大系數(shù)：曲線上A 點(diǎn)的切線斜率

9、值。K LF時間常數(shù)：T。滯后時間：123、通過數(shù)據(jù)處理，求出對象特性的數(shù)學(xué)模型。T dydtty t Kx tdy tdty t Kx t17組號實(shí)驗(yàn)時間本實(shí)驗(yàn)是通過對電阻爐的溫度測量與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及安裝、掌握及應(yīng)用能力。二、實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備列出實(shí)驗(yàn)中用到的主要設(shè)備的名稱、型號、規(guī)格、技術(shù)指標(biāo)1、控制器：智能控制儀表、計(jì)算機(jī)、2、執(zhí)行器：可控硅調(diào)壓主回路、中間繼電器、交流接觸器3、檢測元件：實(shí)驗(yàn)三電阻爐溫度的檢測與控制綜合實(shí)驗(yàn)李博、許克偉、指導(dǎo)教師（簽名）PLC、單片機(jī)、溫度變送器K 分度熱電偶、K 分度鎧裝熱電偶、Pt100 熱電阻1、 調(diào)節(jié)器基本控制規(guī)律有P 、積分時間T I 、 微分時

10、間T DPI成績調(diào)試， 加深已學(xué)過知識的PID ，對應(yīng)設(shè)置的三個參數(shù)為、2、比例度增大，調(diào)節(jié)器輸出信號 分時間增大，調(diào)節(jié)器輸出信號增大減小減小 。微3、智能儀表的通訊接口是USB485和 232 兩種。4、在對電阻爐進(jìn)行溫度控制時，如果要連續(xù)穩(wěn)定控溫，執(zhí)行器應(yīng)選用可控硅調(diào)壓回路如果對溫度采用位式控制，執(zhí)行器可選用請畫出電阻爐溫度控制系統(tǒng)原理圖、方框圖，電阻爐溫度控制系統(tǒng)主要設(shè)備如圖 示，請畫出設(shè)備接線圖。1 所2 電阻爐溫度控制系統(tǒng)主要設(shè)備原理圖：方框圖：五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、設(shè)計(jì)電阻爐溫度控制系統(tǒng)，完成電阻爐溫度控制系統(tǒng)方框圖、接線圖、設(shè)備組態(tài)圖。方框圖和接線圖如四、實(shí)驗(yàn)裝置示意圖所示。設(shè)備組態(tài)圖

11、：2、 描述智能儀表控制組態(tài)(包括設(shè)定值改變、檢測元件設(shè)定、輸入信號確認(rèn)、控制參數(shù) ( P、I 、 D )設(shè)定與查詢)的過程。檢測元件將生產(chǎn)工藝參數(shù)檢測出來，通過信號調(diào)節(jié)電路處理，傳輸給A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所能接收的數(shù)據(jù)，組態(tài)軟件對其所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，運(yùn)算與輸出控制等，處理結(jié)果可通過ODBC 、 DDE 及 OPC 等被其它應(yīng)用程序使用，并傳送到遠(yuǎn)程終端。3、電阻爐溫度控制MCGS 主界面、運(yùn)行界面六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，概括PID 控制特性。理想 PID 控制的特性方程可以用如下微分方程表示。u(t) Kp(e 1 edt Td de)G(s) Kp(11Tds)TidtT

12、is由比例單元P、積分單元I 和微分單元D 組成。 PID 控制的基礎(chǔ)是比例控制；積分控制可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能增加超調(diào)；微分控制可加快大慣性系統(tǒng)響應(yīng)速度以及減弱超調(diào)趨勢。2、分析電阻爐溫度變化曲線特點(diǎn)，說明電阻爐溫度控制系統(tǒng)采用什么控制規(guī)律。比例微分控制規(guī)律不能消除余差，為使電阻爐溫度能夠穩(wěn)定，比例微分系統(tǒng)的控制質(zhì)量仍不夠理想，為了消除余差，得到更合適的控制質(zhì)量，所以應(yīng)采用PID 控制規(guī)律。19實(shí)驗(yàn)四、單容水箱液位PID 控制系統(tǒng)組號 同組成員成績 23實(shí)驗(yàn)時間 指導(dǎo)教師（簽名） 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過實(shí)驗(yàn)熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理。2、研究系統(tǒng)分別用P、 PI 和 PID 調(diào)節(jié)器

13、時的階躍響應(yīng)。3、研究系統(tǒng)分別用P、 PI 和 PID 調(diào)節(jié)器時的抗擾動作用。4、定性地分析P、 PI 和 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。二、實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備列出實(shí)驗(yàn)中用到的主要設(shè)備的名稱、型號、規(guī)格、技術(shù)指標(biāo)1、液位傳感器：THKGK-1 型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置LWGY-42、控制器：THKGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置GK-043、變頻器：THKGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置GK-074、控制閥：THKGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置GK-03 三、預(yù)習(xí)填空1、在階躍信號輸入作用下，一般希望控制過渡過程衰減比n 為 410 。常用的單項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)還有超調(diào)量、 余差 及 過渡時間。2、對于階躍擾動作用

14、的系統(tǒng)，若將比例度 減小，則過渡過程最大偏差減小 ，衰減比減小 ，振蕩頻率減小 。3、采用積分 控制規(guī)律能消除余差。4、 微分作用能改善控制指標(biāo)的主要原因是微分輸出的大小與偏差變化速度及微分時間成正比，即使偏差很小，但只要出現(xiàn)變化趨勢，即可馬上進(jìn)行控制，即超前控制。但微分時間過大，會引起系統(tǒng)振蕩。 加上適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔煤螅粢３衷p比不變，則應(yīng)相應(yīng)減小 比例度。5、描述一階阻容環(huán)節(jié)的特性參數(shù)有放大系數(shù)K 、 時間常數(shù)T 和滯后時間 。 控制通道是指以操縱量作為輸入，被控量作為輸出的通道， 擾動通道是指以擾動量作為輸入，被控量作為輸出的通道。6、差壓變送器測量液位時，經(jīng)常遇到零點(diǎn)遷移問題，其實(shí)

15、質(zhì)是同時改變差壓變送器的上限與下限（即測量范圍），而不改變量程；其目的（作用）使變送器的輸出信號下限與測量范圍的下限值相對應(yīng)，適用現(xiàn)場安裝變送器的工作條件。1）液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單容水箱液位檢測與控制工藝流程如圖1 所示， 請畫出帶檢測控制點(diǎn)的流程圖和控制系2 所示，請畫出液位控制系統(tǒng)設(shè)備接線圖。1 單容水箱液位控制流程圖2 液位控制系統(tǒng)主要設(shè)備2）液位控制系統(tǒng)MCGS 組態(tài)的主界面（組態(tài)界面上要有參與實(shí)驗(yàn)人員名字）五實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1、如何實(shí)現(xiàn)減小或消除余差？純比例控制能否消除余差？適當(dāng)增加積分作用可以消除余差；純比例控制不能消除余差，因?yàn)楸壤饔每刂频妮斎胼敵鲂盘栆灰粚?yīng)，輸入信號為e，當(dāng)被控

16、對象的負(fù)荷發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)必須移動到某一與負(fù)荷相適應(yīng)的位置，才能使系統(tǒng)相平衡，因此不可避免的存在余差。2、試定性地分析三種調(diào)節(jié)器的參數(shù) 、 （ 、 Ti）和（ 、 Ti 和Td）的變化對控制過程。P 調(diào)節(jié)器：K P 越大或 越小則控制作用越強(qiáng)，余差越小，最大偏差越??；K P 太大或 太小則控制作用太強(qiáng)，穩(wěn)定性降低、甚至使系統(tǒng)失穩(wěn)。PI 調(diào)節(jié)器： 越小則控制作用越強(qiáng)， 余差越小，最大偏差越?。辉谕瑯拥谋壤?下，Ti，積分作用，容易消除余差，有利的一面；Ti，積分作用，系統(tǒng)振蕩加劇，有不易穩(wěn)定的傾向，Ti 越短，振蕩越強(qiáng)烈，甚至發(fā)散，不利的一面。PID 調(diào)節(jié)器：比例控制參數(shù)對動態(tài)特性的影響：

17、比例控制加大，使系統(tǒng)的動作靈敏提高，速度加快，偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。當(dāng)太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。若太小， 又會使系統(tǒng)的動作緩慢。對穩(wěn)態(tài)特性的影響：在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，加大比例控制，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但加大只是減少穩(wěn)態(tài)誤差，卻不能完全消除誤差。積分控制參數(shù)對動態(tài)特性的影響：積分控制Ti 通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。Ti 太小系統(tǒng)將不穩(wěn)定；Ti 偏小，振蕩次數(shù)較多；Ti 太大，對系統(tǒng)性能的影響減少。對穩(wěn)態(tài)特性的影響：積分控制Ti 能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但是若Ti 太大時，積分作用太弱，以至不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。微分控制參數(shù)微分控制可以改善動態(tài)特性， 如超調(diào)

18、量減少，調(diào)節(jié)時間縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。當(dāng)Td 偏大或偏小時，都會使超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較長，只有Td 合適時，可以得到比較滿意的過渡過程。3、 P 調(diào)節(jié)時，作出不同 值下的階躍響應(yīng)曲線。254、 PI 調(diào)節(jié)時，分別作出Ti 不變、不同 值時的階躍響應(yīng)曲線和 不變、不同Ti 值時的階躍響應(yīng)曲線。1 Ti 不變、不同值時的階躍響應(yīng)曲線2 不變、不同 Ti 值時的階躍響應(yīng)曲線5、畫出PID 控制時的階躍響應(yīng)曲線，并分析微分D 的作用。微分控制參數(shù)微分控制可以改善動態(tài)特性， 如超調(diào)量減少，調(diào)節(jié)時間縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。當(dāng)Td 偏大或偏小時

19、，都會使超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較長，只有Td 合適時，可以得到比較滿意的過渡過程。6、比較P、 PI 和 PID 三種調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)余差和動態(tài)性能的影響P 調(diào)節(jié)器：K P 越大或 越小則控制作用越強(qiáng)，余差越小，最大偏差越小；K P 太大或 太小則控制作用太強(qiáng)，穩(wěn)定性降低、甚至使系統(tǒng)失穩(wěn)。PI 調(diào)節(jié)器： 越小則控制作用越強(qiáng)， 余差越小，最大偏差越??；在同樣的比例度 下，Ti，積分作用，容易消除余差，有利的一面； Ti，積分作用，系統(tǒng)振蕩加劇，有不易穩(wěn)定的傾向，Ti 越短，振蕩越強(qiáng)烈，甚至發(fā)散，不利的一面。PID 調(diào)節(jié)器：比例控制參數(shù)對動態(tài)特性的影響：比例控制加大，使系統(tǒng)的動作靈敏提高，速度加快，偏大

20、，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。當(dāng)太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。若太小， 又會使系統(tǒng)的動作緩慢。對穩(wěn)態(tài)特性的影響：在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，加大比例控制，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但加大只是減少穩(wěn)態(tài)誤差，卻不能完全消除誤差。積分控制參數(shù)對動態(tài)特性的影響：積分控制 Ti 通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。Ti 太小系統(tǒng)將不穩(wěn)定；Ti 偏小，振蕩次數(shù)較多；Ti 太大，對系統(tǒng)性能的影響減少。對穩(wěn)態(tài)特性的影響：積分控制Ti 能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但是若Ti 太大時，積分作用太弱，以至不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。微分控制參數(shù)微分控制可以改善動態(tài)特性， 如超調(diào)量減少，調(diào)節(jié)時間縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤

21、差減小，提高控制精度。當(dāng)Td 偏大或偏小時，都會使超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較長，只有Td 合適時，可以得到比較滿意的過渡過程。實(shí)驗(yàn)五、流量PID 控制系統(tǒng)組號 同組成員 成績 實(shí)驗(yàn)時間 指導(dǎo)教師（簽名）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解流量計(jì)的結(jié)構(gòu)及其使用方法。2、熟悉單回路流量控制系統(tǒng)的組成。3、研究P、 PI 和 PID 調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)的控制效果。4、改變P、 PI 和 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)，觀察它們對系統(tǒng)性能所產(chǎn)生的影響。二、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備列出實(shí)驗(yàn)中用到的主要設(shè)備的名稱、型號、規(guī)格、技術(shù)指標(biāo)1、 流量傳感器：渦輪流量計(jì)LWGY-42、控制器：THKGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置GK-043、變頻器：THKGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置GK-07-24、控制閥：THKGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置GK-03三、預(yù)習(xí)填空1 、渦輪流量計(jì)的是通過測量葉輪 旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速測流量，渦街流量計(jì)通過測量卡門渦街的 頻率 來測量流量。容積式流量計(jì)是通過測量旋轉(zhuǎn)體的 轉(zhuǎn)動次數(shù)來測量流量。2、 均速管流量計(jì)是通過測量管道中液體的速度 和 壓力 ， 得到 流速 來測量液體流量，測點(diǎn)分布時采用對數(shù)-線性方法。3、電磁流量計(jì)根據(jù)電磁感應(yīng)原理進(jìn)行流量測量，流量測量時管道內(nèi)無可動部件，