化學(xué)工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書2008.3修改

1、化學(xué)工程學(xué)院化工自動(dòng)化及儀表實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書適用專業(yè) 化工學(xué)院各專業(yè)貴州大學(xué)二00七年八月前言化工自動(dòng)化及儀表是針對(duì)化工學(xué)院化工類各專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，基本內(nèi)容為生產(chǎn)過程自動(dòng)化基本理論及自動(dòng)化儀表的基礎(chǔ)知識(shí)。 通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念如自動(dòng)控制系統(tǒng)組成、自動(dòng)控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)、基本理論如自動(dòng)控制系統(tǒng)分析方法、對(duì)象數(shù)學(xué)模型建立方法；了解自動(dòng)化儀表基本知識(shí)如儀表分類、儀表品質(zhì)指標(biāo)、儀表的校驗(yàn)，能夠在專業(yè)實(shí)踐中應(yīng)用所學(xué)知識(shí)。為了使學(xué)生更好地理解和把握這些知識(shí)，開設(shè)化工自動(dòng)化及儀表實(shí)驗(yàn)課程，提高學(xué)生的動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力并在此基礎(chǔ)上，增強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生在工程應(yīng)用中的創(chuàng)造性思維、能

2、在本專業(yè)學(xué)習(xí)和工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用自動(dòng)控制方面的知識(shí)提高工程設(shè)計(jì)質(zhì)量、水平。本實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：實(shí)驗(yàn)一：儀表基礎(chǔ)知識(shí)及壓力儀表校驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)二：溫度控制系統(tǒng)組成及溫度儀表校驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)三：自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn) （包含1、對(duì)象數(shù)學(xué)模型建立 ；2、單回路控制系統(tǒng)實(shí)踐； 3、水箱液位定值控制控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)； 4、水位串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；5、水位前饋-反饋控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)） 本指導(dǎo)編寫是按照總學(xué)時(shí)48學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行編寫，在具體使用中，根據(jù)不同的課程總學(xué)時(shí)安排實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不低于10學(xué)時(shí)。綜合實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)可以分為單個(gè)實(shí)驗(yàn)來做，指導(dǎo)書編寫時(shí)按照2學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)來分開寫，前三個(gè)實(shí)驗(yàn)為必做，后兩個(gè)選做

3、。對(duì)不同專業(yè)選修情況的說明：本實(shí)驗(yàn)為化工類各專業(yè)的都涉及的通用性實(shí)驗(yàn)，因此適用于各專業(yè)。37目錄1、 實(shí)驗(yàn)一：儀表基礎(chǔ)知識(shí)及壓力儀表校驗(yàn)32、實(shí)驗(yàn)二：溫度控制系統(tǒng)組成及溫度儀表校驗(yàn)53、實(shí)驗(yàn)三：自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)94、實(shí)驗(yàn)報(bào)告基本內(nèi)容要求 245、實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式 25附：THJ-2型高級(jí)過程控制系統(tǒng)介紹28實(shí)驗(yàn) 一 ：儀表基礎(chǔ)知識(shí)及壓力儀表校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)類型：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)要求：必修一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鉁y(cè)量儀表基本知識(shí)，掌握常用測(cè)量儀表的型號(hào)規(guī)格、精度等級(jí)等指標(biāo)的選擇掌握校驗(yàn)彈簧管壓力表的方法二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、了解以精度1.5級(jí)的普通彈簧管壓力表作被校表，用“標(biāo)準(zhǔn)表比較法”鑒定它的基本誤差

4、、變差，標(biāo)尺內(nèi)校驗(yàn)點(diǎn)不少于5個(gè)。2、了解壓力變送器的工作過程三、實(shí)驗(yàn)原理、方法和手段1、利用活塞式壓力計(jì)作為壓力源，通過人工搖動(dòng)手柄改變壓力，將標(biāo)準(zhǔn)壓力表和普通壓力表同時(shí)承受該相同壓力，記錄兩塊儀表的指示值，可比較出普遍壓力表的測(cè)量誤差，變差，進(jìn)而可求出壓力表的精度等級(jí)及判斷其是否合格。2、利用活塞式壓力計(jì)產(chǎn)生的壓力，接通壓力變送器，測(cè)量壓力變送器的輸出，從而了解變送器的工作特點(diǎn)。四、實(shí)驗(yàn)組織運(yùn)行要求根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)、要求和具體條件，采用以學(xué)生自主訓(xùn)練為主的開放模式組織教學(xué)，學(xué)生自己預(yù)習(xí)和操作實(shí)驗(yàn)。五、實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)設(shè)備：活塞式壓力計(jì) 普通壓力表 標(biāo)準(zhǔn)壓力表 壓力變送器六、實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)處理1、

5、 將壓力表校驗(yàn)器平放在工作臺(tái)上，并調(diào)好平衡。2、 將工作液（變壓器油）注入校驗(yàn)器打開針閥4、搖動(dòng)手輪7，將手搖泵活塞推到底部。旋開油杯閥，揭開油杯蓋，將工作液注入油杯2（23）。關(guān)閉針閥4，反向旋轉(zhuǎn)手輪7，將工作液吸入手輪泵（應(yīng)使油杯內(nèi)有適量的工作液），裝上油杯蓋。3、排除傳壓系統(tǒng)內(nèi)的空氣關(guān)閉油杯閥，打開針閥4，輕搖手論7，直至看到兩壓力表接頭處有工作液溢出時(shí)，關(guān)閉閥4，打開油杯閥，反向旋轉(zhuǎn)手輪7，.給手搖泵補(bǔ)足工作液，再關(guān)閉油杯閥。4、校驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)壓力表和被校壓力表裝上后，（左側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)表，右側(cè)為被校表，一定要裝在一個(gè)平面內(nèi)，不得歪斜），打開閥4，用手搖輪7加壓即可進(jìn)行壓力表的比較校驗(yàn)將被校表按

6、量程大小，均分為5個(gè)或6個(gè)點(diǎn)依次進(jìn)行上行程校驗(yàn)，對(duì)于每一個(gè)點(diǎn)輕敲前、后分別讀出和記錄相應(yīng)的實(shí)測(cè)值，不得有過沖現(xiàn)象。上行程校驗(yàn)完畢后，將加壓到量程的102處，停留2分鐘然后進(jìn)行反行程的的校驗(yàn)。對(duì)于每一個(gè)點(diǎn)輕敲前、后分別讀出和記錄相應(yīng)的實(shí)測(cè)值，不得有過沖現(xiàn)象。5、計(jì)算儀表的基本誤差、變差，畫出壓力表的校驗(yàn)曲線，判斷被校壓力表是否合格。七、思考題1、為什么要排除壓力表校驗(yàn)儀內(nèi)的空氣。2、被校表的量程不合適時(shí)，應(yīng)如何進(jìn)行調(diào)整。八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)報(bào)告的基本內(nèi)容及要求見附件，本實(shí)驗(yàn)要求總結(jié)所校驗(yàn)的壓力表的精度等級(jí)及判斷其是否合格。實(shí)驗(yàn) 二 ：溫度控制系統(tǒng)組成及溫度儀表校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)類型：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)

7、要求：必修一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鉁囟瓤刂葡到y(tǒng)的組成。了解溫度顯示儀表的構(gòu)造及原理，了解位式控制中被控參數(shù)的變化情況。了解測(cè)溫元件的種類與使用方法 掌握測(cè)溫元件與顯示儀表的正確配接方法 學(xué)會(huì)校驗(yàn)溫度檢測(cè)儀表。 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、熟悉自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)的組成；了解電阻爐溫度控制系統(tǒng)組成中的各環(huán)節(jié)設(shè)備之間的信號(hào)聯(lián)系，了解位式控制系統(tǒng)中被控參數(shù)變化情況及控制精度。2、 熱電偶與數(shù)字式溫度顯示儀表配接3、 熱電偶與電子電位差計(jì)配接 4、 利用電阻爐控制系統(tǒng)校驗(yàn)熱電偶溫度儀表。 三、實(shí)驗(yàn)原理、方法和手段熱電偶與顯示儀表配套測(cè)溫實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：圖 2-1 是實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，圖 2-2 是爐溫控制系統(tǒng)方框圖。通過拆裝與接

8、線，掌握系統(tǒng)的組成及各部分之間的關(guān)系。通過通電升溫及降溫過程中數(shù)字儀表的溫度顯示值，得出溫度儀表的測(cè)量誤差。四、實(shí)驗(yàn)組織運(yùn)行要求根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)、要求和具體條件，采用以學(xué)生自主訓(xùn)練為主的開放模式組織教學(xué)，學(xué)生自己預(yù)習(xí)和操作實(shí)驗(yàn)。五、實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)設(shè)備：管式爐及其溫度控制系統(tǒng) 數(shù)字溫度顯示儀表 熱電偶（K分度，S分度） 手動(dòng)電子電位差計(jì)六、實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)處理1、了解管式爐溫度控制系統(tǒng)的組成2、通過觀察接線掌握溫度控制系統(tǒng)各控制環(huán)節(jié)之間的信號(hào)傳遞關(guān)系及控制原理3、安裝熱電偶及連接熱電偶與顯示儀表4、通電，將設(shè)定/測(cè)量開關(guān)放到“設(shè)定”，設(shè)定溫度給定值150,然后將開關(guān)打在“測(cè)量”位置，觀察被控參數(shù)溫度

9、的變化以及控制系統(tǒng)的工作情況（加熱電源的通/斷），掌握位式控制規(guī)律及控制參數(shù)的變化。5、將設(shè)定值調(diào)到800，然后將開關(guān)放到“測(cè)量”位置，同時(shí)觀察記錄溫度控制系統(tǒng)中數(shù)字溫度儀表的顯示值與頂部安裝的熱電偶所顯示的溫度值，每隔50記錄一組數(shù)據(jù)，待升到800后，將設(shè)定值調(diào)到0，讓爐子自然冷卻，同時(shí)記錄兩塊顯示儀表的數(shù)據(jù)，隔50記錄一次。到200即可。6、在升溫和降溫過程中，塊溫度顯示儀表的顯示值可能差別會(huì)很大，分析原因。七、思考題1、為什么兩塊溫度儀表的顯示值差別可能會(huì)很大？與熱電偶的安裝位置是否有關(guān)？2、校驗(yàn)熱電偶時(shí)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被校熱電偶可以處于不同條件嗎？八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)報(bào)告的基本內(nèi)容及要求見附件

10、，本實(shí)驗(yàn)要求對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差計(jì)算及分析。實(shí)驗(yàn) 三 ：自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：4實(shí)驗(yàn)類型：綜合性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)要求：必修 5個(gè)實(shí)驗(yàn)選擇兩個(gè)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)，對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行全面的理解二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、對(duì)象數(shù)學(xué)模型建立 ；2、單回路控制系統(tǒng)實(shí)踐； 3、水箱液位定值控制控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)； 4、水位串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；5、水位前饋-反饋控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)）三、實(shí)驗(yàn)原理、方法和手段1、對(duì)象數(shù)學(xué)模型建立實(shí)驗(yàn)原理：圖3-1單容水箱特性測(cè)試結(jié)構(gòu)圖由圖3-1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

11、，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)

12、，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。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%圖3-2 單容水箱的單調(diào)上升指數(shù)曲線所對(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，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

13、得的傳遞函數(shù)為：H(S)=圖3-3 單容水箱的階躍響應(yīng)曲線2單回路控制系統(tǒng)實(shí)踐原理：A.單回路控制系統(tǒng)的概述圖3-4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。 圖3-4 單回路控制系統(tǒng)方框圖在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，不僅需要對(duì)被控對(duì)象有深入地認(rèn)識(shí)，而且還應(yīng)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)的工藝、設(shè)備也有深入的了解。只有這樣，才能設(shè)計(jì)出一個(gè)性能優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的控制系統(tǒng)。B.干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響a、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

14、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Tf1，則階躍擾動(dòng)通過慣性環(huán)節(jié)后，其過渡過程的動(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。b、干擾進(jìn)入系統(tǒng)中的不同位置。復(fù)雜的生產(chǎn)過程往往有多個(gè)干擾量，如圖3-5所示。 圖3-5 擾動(dòng)作用于不同位置的控制系統(tǒng)控制理論證明

15、，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)。C、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。a、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。b、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)

16、節(jié)器在過程控制中是應(yīng)用最多的一種調(diào)節(jié)器。c、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)過程，減小動(dòng)態(tài)和靜態(tài)誤差，但微分不能過大，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）d、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)D、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確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，另一種方法是工

17、程實(shí)驗(yàn)法，通過對(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：a.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2080b.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)

18、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)。圖3-6、具有周期TS的等幅振蕩 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

19、蕩曲線時(shí)，應(yīng)特別注意控制閥出現(xiàn)開、關(guān)的極端狀態(tài)。C.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)的衰減過程，直至出現(xiàn)圖3-4所示的4：1衰減過程為止。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 d.反應(yīng)曲線法如果被控對(duì)象是一階慣性環(huán)節(jié)，或具

20、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3-7 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3-8所示。由該圖可確 圖3-8 階躍響應(yīng)曲線定、T和K，其中K按下式確定K=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%20.53.液位控制系統(tǒng)原理本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的被控對(duì)象為上水箱，

21、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，它要求被控制量上水箱的液位在穩(wěn)態(tài)時(shí)等于給定值。由圖3-9 上水箱液位定值控制結(jié)構(gòu)圖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)作用下無靜差，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID。圖3-10 上水箱液位定值控制方框圖4串級(jí)控制原理A液位串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖411 圖411 液位串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖本實(shí)驗(yàn)為水箱液位的串級(jí)控制系統(tǒng)，它是由主、副兩個(gè)回路組成。每一個(gè)回路中都有一個(gè)屬于自己的調(diào)節(jié)器和控制對(duì)象，即主回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制

22、對(duì)象為下水箱，作為系統(tǒng)的被控對(duì)象，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為中水箱，又稱副對(duì)象，它的輸出是一個(gè)輔助的控制變量。本系統(tǒng)控制的目的不僅使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，且在穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的被控制量等于給定值，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。當(dāng)有擾動(dòng)出現(xiàn)于副回路時(shí)，由于主對(duì)象的時(shí)間常數(shù)大于副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，因而當(dāng)被控制量（下水箱的液位）未作出反映時(shí)，副回路已作出快速響應(yīng)，及時(shí)地消除了擾動(dòng)對(duì)被控制量的影響。此外，如果擾動(dòng)作用于主對(duì)象，由于副回路的存在，使副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)大大減小，從而加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，改善了動(dòng)態(tài)性能。圖5-2為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖412為相應(yīng)控制系統(tǒng)的方框圖

23、。 圖412 液位串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖5前饋反饋控制系統(tǒng)原理A、前饋反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖313 圖313 前饋-反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖反饋控制是按照被控參數(shù)與給定值之差進(jìn)行控制的。它的特點(diǎn)是，調(diào)節(jié)器必須在被控參數(shù)出現(xiàn)偏差后才能對(duì)它進(jìn)行調(diào)節(jié)，補(bǔ)償干擾對(duì)被控參數(shù)的影響。基于過程控制系統(tǒng)總具有滯后特性，因而從干擾的產(chǎn)生到被控參數(shù)的變化，需要一定長的時(shí)間后，才能使調(diào)節(jié)器產(chǎn)生對(duì)它進(jìn)行調(diào)節(jié)作用，從而對(duì)干擾產(chǎn)生的影響得不到及時(shí)地抑止。為了解決這個(gè)問題，提出一種與反饋控制在原理上完全不同的控制方法。由于這種方法是一種開環(huán)控制，因而它只對(duì)干擾進(jìn)行及時(shí)地補(bǔ)償，而不會(huì)影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。即當(dāng)擾動(dòng)一產(chǎn)生，補(bǔ)償器

24、立即根據(jù)擾動(dòng)的性質(zhì)和大小，改變執(zhí)行器的輸入信號(hào)，從而消除干擾對(duì)被控量的影響。由于這種控制是在擾動(dòng)發(fā)生的瞬時(shí)，而不是在被控制量產(chǎn)生變化后進(jìn)行的，故稱其為前饋控制。前饋反饋控制系統(tǒng)中的主要擾動(dòng)由前饋部分進(jìn)行補(bǔ)償，這種擾動(dòng)能測(cè)定，其它所有擾動(dòng)對(duì)被控制量所產(chǎn)生的影響均由負(fù)反饋系統(tǒng)來消除。這樣就能使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差大大減小。B.前饋補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)圖314為本實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，被控制量是下水箱的液位，擾動(dòng)為流量F。圖8-7為該控制系統(tǒng)的方框圖。圖8-7 控制系統(tǒng)的方框圖圖中GC（S）調(diào)節(jié)器 G0（S）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、中水箱與下水箱Gf（S）干擾通道的傳遞函數(shù) GB（S）前饋補(bǔ)償器 H（S）液位變送器由圖8-7可知

25、，擾動(dòng)F（S）得到全補(bǔ)償?shù)臈l件為F（S）Gf（S）F（S）GB（S）G0（S）0GB（S）（4）上式給出的條件由于受到物理實(shí)現(xiàn)條件的限制，顯然只能近似地得到滿足，即前饋控制不能全部消除擾動(dòng)對(duì)被控制量的影響，但如果它能去掉擾動(dòng)對(duì)被控制量的大部分影響，則認(rèn)為前饋控制已起到了應(yīng)有的作用。為使補(bǔ)償器簡(jiǎn)單起見，GB（S）用比例器來實(shí)現(xiàn)，其值按本章式（2）來計(jì)算。四、實(shí)驗(yàn)組織運(yùn)行要求根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)、要求和具體條件，采用以學(xué)生自主訓(xùn)練為主的開放模式組織教學(xué)，學(xué)生自己預(yù)習(xí)和操作實(shí)驗(yàn)。過程為1、明確實(shí)驗(yàn)任務(wù)；2、提出實(shí)驗(yàn)方案；3、畫實(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

26、實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在進(jìn)行本書中的綜合實(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。五、實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)設(shè)備：THJ-2型高級(jí)過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置 計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件 萬用表六、實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)處理1. 閱讀實(shí)驗(yàn)裝置說明書，熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用。2. 液位控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立步驟A按圖3-1接好實(shí)驗(yàn)線路，并把閥V1和V2開至某一開度，且使V1的開度大于V2的開度。B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。C把調(diào)節(jié)器設(shè)置于手動(dòng)操作位置，通過調(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

27、置。D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3-4所示。圖3-4單容箱特性響應(yīng)曲線E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。F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 3.液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)步驟A按圖3-7要求，完成系統(tǒng)的接線。B接通總電源和相關(guān)儀表的電源。C打開閥F1-1、F1-2、F1-6和F1-9，且把F1-9控制在適當(dāng)?shù)拈_度。D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)。

28、E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)。F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)：a）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。b）待系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，適量改變閥F1-6的開度，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程。G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。4.串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)步驟1、按圖5-2要求，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、打開閥F1-1、F

29、1-2、F1-7、F1-10、F1-11，且使閥F1-10的開度略大于F1-11。4、按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)先設(shè)置好副調(diào)節(jié)器的比例度。5、調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié)器的比例度，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)出現(xiàn)4：1的衰減度，記下此時(shí)的比例度S和周期TS。據(jù)此，按經(jīng)驗(yàn)表查得PI的參數(shù)對(duì)主調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定。6、手動(dòng)操作主調(diào)節(jié)器的輸出，以控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路給中水箱送水的大小，等中、下水箱的液位相對(duì)穩(wěn)定，且下水箱的液位趨于給定值時(shí)，把主調(diào)節(jié)器切換為自動(dòng)。7、打開計(jì)算機(jī)，運(yùn)行MCGS組態(tài)軟件，并進(jìn)行如下的實(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/減5%15%），觀察并記錄系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線。2）適量打開閥F2-4，觀察并記錄階

30、躍擾動(dòng)作用于副對(duì)象（中水箱）時(shí)，系統(tǒng)被控制量（下水箱液位）的響應(yīng)過程。3）將閥F2-4關(guān)閉，去除副對(duì)象的階躍擾動(dòng)，且待系統(tǒng)再次穩(wěn)定后，再適量打開閥F2-5，觀察并記錄階躍擾動(dòng)作用于主對(duì)象時(shí)對(duì)系統(tǒng)被控制量的影響。8、通過反復(fù)對(duì)主、副調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較滿意的動(dòng)、靜態(tài)性能。用計(jì)算機(jī)記錄此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。5.前饋-反饋控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)步驟1、按圖8-6所示的結(jié)構(gòu)組成液位前饋反饋控制系統(tǒng)，并完成系統(tǒng)的接線。2、合上總電源和相關(guān)儀表的電源。3、按單回路參數(shù)的整定方法整定PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)。4、用本章第一節(jié)中所述補(bǔ)償器參數(shù)的工程整定方法，實(shí)時(shí)求出補(bǔ)償器的KB值。5、在不加擾動(dòng)時(shí)，先用手動(dòng)使系統(tǒng)的

31、輸出量液位接近于穩(wěn)態(tài)值，然后投入自動(dòng)運(yùn)行。6、加一適量擾動(dòng)（變頻器支路定值打水），觀察并記錄被控制量H的變化過程。7、引入前饋補(bǔ)償器后，再加同樣大小的擾動(dòng)，觀察并記錄被控制量H的變化過程。七、思考題1（1）做本實(shí)驗(yàn)時(shí)，為什么不能任意改變出水口閥開度的大??？（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)？ 2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？3. (1)試述串級(jí)控制系統(tǒng)為什么對(duì)主擾動(dòng)（二次擾動(dòng)）具有很強(qiáng)的抗擾能力？如果副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)與主對(duì)象的時(shí)間常數(shù)大小接近時(shí)，二次擾動(dòng)對(duì)主控制量是否仍很小，為什么？(2)當(dāng)一次擾動(dòng)作用于主對(duì)象時(shí)，試問由于副回路的存在，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能

32、比單回路系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有何改進(jìn)？(3)一步整定法的依據(jù)是什么？(4)串級(jí)控制系統(tǒng)投運(yùn)前需要作好那些準(zhǔn)備工作？主、副調(diào)節(jié)器的正反作用方向如何確定？(5)為什么本實(shí)驗(yàn)中的副調(diào)節(jié)器為比例（P）調(diào)節(jié)器？(6)、改變副調(diào)節(jié)器的比例度，對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和抗擾性能有何影響，試從理論上給予說明。(7)評(píng)述串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量高的原因？4. (1)試證明前饋補(bǔ)償器是一種開環(huán)控制。(2)有了前饋補(bǔ)償器后，試問反饋控制系統(tǒng)部分是否還具有抗擾動(dòng)的功能。八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)報(bào)告的基本內(nèi)容及要求:實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)體現(xiàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)記錄和實(shí)驗(yàn)報(bào)告,要求三個(gè)報(bào)告在一個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告中完成,具體格式見附件一.對(duì)于實(shí)驗(yàn)三中的實(shí)

33、驗(yàn)報(bào)告的要求補(bǔ)充如下內(nèi)容:1. (1)寫出常規(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？2.(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)3. (1)畫出本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方框圖。(2)通過實(shí)驗(yàn)求出輸出響應(yīng)呈4：1衰減時(shí)的主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。(3)根據(jù)擾動(dòng)分別作用于主、副對(duì)象時(shí)系統(tǒng)輸出的響應(yīng)曲線，對(duì)此作出評(píng)述。(4)觀察并分析副調(diào)節(jié)器的比例度大小對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。(5)觀察并分析主調(diào)節(jié)器比例度和積分時(shí)間常數(shù)Ti的改變對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。4.(

34、1) 畫出液位前饋-反饋控制系統(tǒng)的方框圖。(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)，確定前饋補(bǔ)償器的系數(shù)KB。(3)畫出不加前饋補(bǔ)償器時(shí)，系統(tǒng)在擾動(dòng)作用下被控制量的響應(yīng)曲線。(4)畫出加上前饋補(bǔ)償器后，系統(tǒng)在同樣擾動(dòng)作用下被控制量的響應(yīng)曲線。(5)根據(jù)所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。.實(shí)驗(yàn)報(bào)告的基本內(nèi)容及要求1實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)在實(shí)驗(yàn)前每位同學(xué)都需要對(duì)本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行認(rèn)真的預(yù)習(xí)，并寫好預(yù)習(xí)報(bào)告，在預(yù)習(xí)報(bào)告中要寫出實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求，需要用到的儀器設(shè)備、物品資料以及簡(jiǎn)要的實(shí)驗(yàn)步驟，形成一個(gè)操作提綱。對(duì)實(shí)驗(yàn)中的安全注意事項(xiàng)及可能出現(xiàn)的現(xiàn)象等做到心中有數(shù)（不要求寫在預(yù)習(xí)報(bào)告中）。2實(shí)驗(yàn)記錄學(xué)生開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該將記錄本放在近旁，將實(shí)驗(yàn)中所做的每一步操作

35、、觀察到的現(xiàn)象和所測(cè)得的數(shù)據(jù)及相關(guān)條件如實(shí)地記錄下來（實(shí)驗(yàn)記錄中應(yīng)有指導(dǎo)教師的簽名）。3實(shí)驗(yàn)總結(jié)主要內(nèi)容包括對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)中的特殊現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)操作的成敗、實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)等內(nèi)容進(jìn)行整理、解釋、分析總結(jié)，回答思考題，提出實(shí)驗(yàn)結(jié)論或提出自己的看法等。貴州大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)院： 專業(yè)： 班級(jí)：姓名學(xué)號(hào)實(shí)驗(yàn)組實(shí)驗(yàn)時(shí)間指導(dǎo)教師成績實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)總結(jié)指導(dǎo)教師意見簽名： 年 月 日注：各學(xué)院可根據(jù)教學(xué)需要對(duì)以上欄木進(jìn)行增減。表格內(nèi)容可根據(jù)內(nèi)容擴(kuò)充。附件二: THJ-2型高級(jí)過程控制系統(tǒng)介紹一、系統(tǒng)簡(jiǎn)介“THJ-2型高級(jí)過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置”是基于工業(yè)過程的物

36、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)，吸收了國內(nèi)外同類實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和長處，經(jīng)過精心設(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

37、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：一路由三（380V交流）磁力驅(qū)動(dòng)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；另一路由日本三菱變頻器、三相磁力驅(qū)動(dòng)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)、冷熱水交換盤管和敷塑不銹鋼管道組成。水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲(chǔ)水箱。 上、中、下水箱采用優(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、中水箱尺寸均為：

38、d=25cm,h=20 cm；下水箱尺寸為：d=35cm,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。上、中、下水箱可以組合成一階、二階、三階液位單回路控制實(shí)驗(yàn)和雙閉環(huán)、三閉環(huán)液位串級(jí)控制等實(shí)驗(yàn)。儲(chǔ)水箱是采用不銹鋼板制成，尺寸為：長寬高=68cm5243 完全能滿足上、中、下水箱的實(shí)驗(yàn)需要。儲(chǔ)水箱內(nèi)部有兩個(gè)橢圓形塑料過濾網(wǎng)罩，防止兩套動(dòng)力支路進(jìn)水時(shí)有雜物進(jìn)入泵中。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

39、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)。盤管：長37米（43圈），可做溫度純滯后實(shí)驗(yàn)，在盤管上有三個(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)。盤管出來的水既可以回流到鍋爐內(nèi)膽，也可以經(jīng)過渦輪流量計(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

40、，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。壓力傳感器用來對(duì)上、中、下水箱的液位進(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，分別用來檢測(cè)上水箱出口、鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套以及盤管的水溫。經(jīng)過調(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對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤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

41、。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：本裝置采用日本三菱(FR-S520S-0.4K-CH(R)變頻器，控制信號(hào)輸入為420mADC或0

42、5VDC，220V變頻輸出用來驅(qū)動(dòng)三相磁力驅(qū)動(dòng)泵。 水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ-8P，流量為32升/分，揚(yáng)程為8米，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動(dòng)泵。一只為三相380V恒壓驅(qū)動(dòng)，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動(dòng)?？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)

43、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)裝置采用上海萬迅儀表有限公司的AI系列儀表，其主要特點(diǎn)有：l 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。l 具有國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。l 全球通用的85246VAC范圍開關(guān)電源或者24VDC電源供電，并具備多種外形尺寸。l 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。l 采用先進(jìn)的AI人工智能調(diào)節(jié)算法，無超調(diào)，具備自整定（AT）功能。l 采用先進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu)，提供豐富的輸出規(guī)格，能

44、滿足各種應(yīng)用場(chǎng)合的需要。l 通過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

45、）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)開關(guān)輸出（常開+常閉）：250VAC/1A或30VDC/1A可控硅無觸點(diǎn)開關(guān)輸出（常開或常閉）：100-240VAC/0.2A（

46、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

47、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AI/708A智能位式調(diào)節(jié)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面板上自鎖緊插孔引出。3、I/O信號(hào)接口

48、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)行幾十種過程控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。四、系統(tǒng)特點(diǎn)l 被控參數(shù)全面，涵蓋了連續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)過程中的液位、壓力、流量及溫度等典型參數(shù)。l 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。l 直實(shí)性、直觀性、綜合性強(qiáng)，控制對(duì)象組件全部來源于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。l 具有廣泛的擴(kuò)展性和后續(xù)開發(fā)功能，所有I/O信號(hào)全部采用國際標(biāo)準(zhǔn)IEC信號(hào)，可通過信號(hào)接口電纜與任何后續(xù)智能化控制平臺(tái)連接。l 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。l 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，還可以通過對(duì)象中電磁閥和手動(dòng)操作閥制造各種擾動(dòng)。l 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。l 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)