2016熱工過程控制實驗報告——姜栽沙

1、熱工過程控制工程實驗報告專業(yè)班級：新能源1402班學生姓名：姜栽沙學 號：1004140220中南大學能源學院2017年1月實驗一 熱工過程控制系統(tǒng)認識與MCGS應用組號_ 同組成員 李博、許克偉、 成績_實驗時間_ 指導教師(簽名)_一、實驗目的通過實驗了解幾種控制系統(tǒng)（基于智能儀表、基于計算機）的組成、工作原理、控制過程特點；了解計算機與智能儀表的通訊方式。了解組態(tài)軟件的功能和特點，熟悉MCGS組態(tài)軟件實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的整個過程。掌握MCGS組態(tài)軟件提供的一些基本功能，如基本畫面圖素的繪制、動畫連接的使用、控制程序的編寫、構造實時數(shù)據(jù)庫。二、實驗裝置1、計算機 一臺2、MCGS組態(tài)軟件 一

2、套3、對象：SK-1-9型管狀電阻爐一臺；測溫熱電偶一支（K型）。4、AI818/宇電519/LU-906K智能調節(jié)儀組成的溫控器 一臺。5、THKGK-1型過程控制實驗裝置（含智能儀表、PLC、變頻器、控制閥） 一套6、CST4001-6H電阻爐檢定爐（含電阻爐、溫度控制器、測溫元件、接口） 一套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。三、實驗內容1、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 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2、帶檢測控制點的流程圖3、控制系統(tǒng)方框圖4、控制系統(tǒng)中所用的儀表名稱、型號

3、（檢測儀表、控制器、執(zhí)行器、顯示儀表）。檢測儀表：CST4001-6H電阻爐檢定爐控制器：AI818/宇電519/LU-906K智能調節(jié)儀組成的溫控器執(zhí)行器：THKGK-1型過程控制實驗裝置（含智能儀表、PLC、變頻器、控制閥）顯示儀表：計算機5、智能儀表與計算機是怎樣進行通訊？有哪幾種方式？智能儀表與計算機通訊一般有三種方式，分別為USB接口，485接口，232接口，通過這些接口進行信號傳輸，計算機得以對儀表進行溫控。6、什么是組態(tài)軟件？組態(tài)軟件是指對系統(tǒng)的各種資源進行配置，達到系統(tǒng)按照預定設置，自動執(zhí)行特定任務，滿足使用者要求的目的的應用軟件。 四、MCGS組態(tài)界面提供電阻爐溫度控制系統(tǒng)一

4、套完整組態(tài)界面圖（共6個圖），包括主界面、運行界面、設備工況、存盤數(shù)據(jù)、實時曲線、歷史數(shù)據(jù)。五、思考題1、定值控制、隨動控制和程序控制有何區(qū)別？定值系統(tǒng)是設定值恒定，不隨時間而變；隨動控制系統(tǒng)是設定值隨時間不斷變化，而且預先不知道它的變化規(guī)律；程序控制系統(tǒng)是設定值在時間上按一定程序變化，被控量在時間上也按一定程序變化。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、說明在計算機上完成232接口、USB接口設置步驟（要配屏幕截圖）。232接口用來串口連接USB的數(shù)據(jù)線，將接口轉為USB后，插上USB接口，安裝好接線的驅動即可。4、簡述智能儀表（宇電519）在

5、MCGS組態(tài)軟件中設備窗口進行組態(tài)配置的方法和步驟（要有屏幕截圖）。選擇設備構件 ； 設置構件屬性 ；連接設備通道 。5、設計兩種流量控制系統(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)可以預先設定，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行的情況下，通過分析煙氣含氧量計算熱效率，人工調整比值器的設定值，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?shù)目諝馊剂媳取＝徊嫦薹刂葡到y(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)能在一定的范圍內維持空氣-燃料比，克服了一般比值

6、調節(jié)方式的局限性。6、對電阻爐溫度進行溫度控制時，常用的執(zhí)行器有哪幾種？各有什么特點？氣動執(zhí)行器：結構簡單，輸出推力大，動作可靠，性能穩(wěn)定，維護方便，價格便宜，本質安全防爆。控制精度較低，雙作用的氣動執(zhí)行器，斷氣源后不能回到預設位置。單作用的氣動執(zhí)行器，斷氣源后可以依靠彈簧回到預設位置。電動執(zhí)行器：能源取用方便，信號傳輸速度快，傳送距離遠，便于集中控制，靈敏度和精度較高，與電動調節(jié)儀表配合方便，安裝接線簡單。結構復雜，體積較大，推力小，價格貴。實驗二 對象動態(tài)特性測試與識別組號_ 同組成員 李博、許克偉、 成績_實驗時間_ 指導教師(簽名)_一、實驗目的了解飛升曲線法（即階躍法）測量對象動態(tài)特

7、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)學模型。二、實驗儀器及設備1、計算機 一臺2、MCGS組態(tài)軟件 一套3、對象：SK-1-9型管狀電阻爐一臺；測溫熱電偶一支（K型）。4、AI818/YD519/LU-906K智能調節(jié)儀組成的溫控器一臺。三、預習填空1、在實際工作中，常常用 實驗 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、對象特性的實驗測取法有 響應曲線法 、 矩形脈沖法 、 正弦波法 和 隨機信號法 四種。3、表征對象特性的參數(shù)有 放大系數(shù)

8、K 、 時間常數(shù)T 和 滯后時間 。4、對象特性的類型有 自衡非振蕩 、 無自衡非振蕩 、 自衡振蕩 和 反向特性 四種。5、時間常數(shù)可以通過 響應曲線 和 實驗測定 求出。四、實驗裝置示意圖電阻爐特性測試原理圖、接線圖、數(shù)據(jù)采集MCGS組態(tài)界面圖。電阻爐特性測試原理圖：接線圖：數(shù)據(jù)采集MCGS組態(tài)界面圖：五、實驗數(shù)據(jù)對象飛升曲線測試數(shù)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加階躍后電爐電壓（V）120注：=n-0; n每分鐘讀得的溫度值

9、（）。五、實驗數(shù)據(jù)處理 根據(jù)對象飛升曲線測試數(shù)據(jù)，繪制響應特性曲線（要求用坐標紙畫準，或者用作圖軟件繪制）。 六、實驗結論1、簡述實驗原理實驗測取時，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理量，即輸出參數(shù)隨時間變化的規(guī)律，得出一系列實驗數(shù)據(jù)或曲線，并對這些數(shù)據(jù)或曲線加以處理，便得到表征對象動態(tài)特性的微分方程式或傳遞函數(shù)。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點的切線斜率值。時間常數(shù)：T。滯后時間：3、通過數(shù)據(jù)處理，求出對象特性的數(shù)學模型。對于一階有純滯后的則為實驗三 電阻爐溫度的檢測與控制綜合實驗組號_ 同組成員 李博、許克偉、 成績

10、_實驗時間_ 指導教師(簽名)_一、實驗目的本實驗是通過對電阻爐的溫度測量與控制系統(tǒng)的設計及安裝、調試，加深已學過知識的掌握及應用能力。二、實驗儀器及設備列出實驗中用到的主要設備的名稱、型號、規(guī)格、技術指標1、控制器：智能控制儀表、計算機、PLC、單片機、溫度變送器2、執(zhí)行器：可控硅調壓主回路、中間繼電器、交流接觸器3、檢測元件： K分度熱電偶、K分度鎧裝熱電偶、Pt100熱電阻三、預習填空1、調節(jié)器基本控制規(guī)律有 P 、 PI 、 PID ，對應設置的三個參數(shù)為 比例帶 、積分時間TI 、 微分時間TD 。2、比例度增大，調節(jié)器輸出信號 減小 。積分時間增大，調節(jié)器輸出信號 減小 。微分時間

11、增大，調節(jié)器輸出信號 增大 。3、智能儀表的通訊接口是 USB ，在控制時計算機用的通訊接口有485和232兩種。4、在對電阻爐進行溫度控制時，如果要連續(xù)穩(wěn)定控溫，執(zhí)行器應選用 可控硅調壓回路 ；如果對溫度采用位式控制，執(zhí)行器可選用 中間繼電器 。四、實驗裝置示意圖 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)主要設備如圖1 所示，請畫出設備接線圖。圖2電阻爐溫度控制系統(tǒng)主要設備原理圖：方框圖：五、實驗內容1、設計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、設備組態(tài)圖。方框圖和接線圖如四、實驗裝置示意圖所示。設備組態(tài)圖：2、描述智能儀表控制組態(tài)（包括設定值改變、檢測

12、元件設定、輸入信號確認、控制參數(shù)（P、I、D）設定與查詢）的過程。檢測元件將生產工藝參數(shù)檢測出來，通過信號調節(jié)電路處理，傳輸給A/D轉換器，轉換為計算機所能接收的數(shù)據(jù)，組態(tài)軟件對其所采集的數(shù)據(jù)進行顯示，運算與輸出控制等，處理結果可通過ODBC、DDE及OPC等被其它應用程序使用，并傳送到遠程終端。3、電阻爐溫度控制MCGS主界面、運行界面六、實驗結論1、 根據(jù)實驗觀察，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。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；微分控制可加快大慣性系統(tǒng)響應速度以及減弱超調趨勢。

13、2、分析電阻爐溫度變化曲線特點，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)的控制質量仍不夠理想，為了消除余差，得到更合適的控制質量，所以應采用PID控制規(guī)律。實驗四、單容水箱液位PID控制系統(tǒng)組號_ 同組成員_ 成績_實驗時間_ 指導教師(簽名)_一、實驗目的1、通過實驗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調節(jié)器時的階躍響應。3、研究系統(tǒng)分別用P、PI和PID調節(jié)器時的抗擾動作用。4、定性地分析P、PI和PID調節(jié)器的參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。二、實驗儀器及設備列出實驗中用到的主要設備的名稱、

14、型號、規(guī)格、技術指標1、液位傳感器：THKGK-1型過程控制實驗裝置LWGY-42、控制器： THKGK-1型過程控制實驗裝置GK-043、變頻器： THKGK-1型過程控制實驗裝置GK-074、控制閥： THKGK-1型過程控制實驗裝置GK-03三、預習填空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 。常用的單項品質指標還有 超調量 、 余差 及 過渡時間 。2、對于階躍擾動作用的系統(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的主要原因是 微分輸出的大小與偏差變化速度及微分

15、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?shù)奈⒎肿饔煤?，若要保持原衰減比不變，則應相應減小 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，經常遇到 零點遷移 問題，其實質是 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，適用現(xiàn)場安裝變送器的工作條件 。四、實驗

16、裝置示意圖與接線圖1）液位控制系統(tǒng)設計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的流程圖和控制系統(tǒng)方框圖；液位控制系統(tǒng)主要設備如圖2所示，請畫出液位控制系統(tǒng)設備接線圖。圖1單容水箱液位控制流程圖圖2 液位控制系統(tǒng)主要設備液位控制系統(tǒng)方框圖：2）液位控制系統(tǒng)MCGS組態(tài)的主界面（組態(tài)界面上要有參與實驗人員名字）。五實驗結果與分析1、如何實現(xiàn)減小或消除余差？純比例控制能否消除余差？適當增加積分作用可以消除余差；純比例控制不能消除余差，因為比例作用控制的輸入輸出信號一一對應，輸入信號為e，當被控對象的負荷發(fā)生變化后，調節(jié)機構必須移動到某一與負荷相適應的位置，才能使系統(tǒng)相平衡，因此不

17、可避免的存在余差。2、試定性地分析三種調節(jié)器的參數(shù)、（、Ti）和（、Ti和Td）的變化對控制過程。P調節(jié)器：KP越大或越小則控制作用越強 ，余差越小，最大偏差越??；KP 太大或太小則控制作用太強 ，穩(wěn)定性降低、甚至使系統(tǒng)失穩(wěn)。PI調節(jié)器：越小則控制作用越強 ，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，振蕩越強烈，甚至發(fā)散，不利的一面。PID調節(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，振蕩次數(shù)加多，調節(jié)時間加長。當太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。若太小，又

18、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，如超調量減少，調節(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Td 偏大或偏小時，都會使超調量較大，調節(jié)時

19、間較長，只有Td 合適時，可以得到比較滿意的過渡過程。3、P調節(jié)時，作出不同值下的階躍響應曲線。4、PI調節(jié)時，分別作出Ti不變、不同值時的階躍響應曲線和不變、不同Ti值時的階躍響應曲線。圖1 Ti不變、不同值時的階躍響應曲線 圖2 不變、不同Ti值時的階躍響應曲線5、畫出PID控制時的階躍響應曲線，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，如超調量減少，調節(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Td 偏大或偏小時，都會使超調量較大，調節(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三種調節(jié)器對系統(tǒng)余差和動態(tài)性能的影響P調

20、節(jié)器：KP越大或越小則控制作用越強 ，余差越小，最大偏差越小；KP 太大或太小則控制作用太強 ，穩(wěn)定性降低、甚至使系統(tǒng)失穩(wěn)。PI調節(jié)器：越小則控制作用越強 ，余差越小，最大偏差越?。辉谕瑯拥谋壤认?，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，振蕩越強烈，甚至發(fā)散，不利的一面。PID調節(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，振蕩次數(shù)加多，調節(jié)時間加長。當太大時，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

21、，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，如超調量減少，調節(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Td 偏大或偏小時，都會使超調量較大，調節(jié)時間較長，只有Td 合適時，可以得到比較滿意的過渡過程。實驗五、流量PID控制系統(tǒng)組號_ 同組成員_ 成

22、績_實驗時間_ 指導教師(簽名)_一、實驗目的1、了解流量計的結構及其使用方法。2、熟悉單回路流量控制系統(tǒng)的組成。3、研究P、PI和PID調節(jié)器對系統(tǒng)的控制效果。4、改變P、PI和PID調節(jié)器的參數(shù)，觀察它們對系統(tǒng)性能所產生的影響。二、實驗儀器設備 列出實驗中用到的主要設備的名稱、型號、規(guī)格、技術指標1、流量傳感器：渦輪流量計LWGY-42、控制器： THKGK-1型過程控制實驗裝置GK-043、變頻器： THKGK-1型過程控制實驗裝置GK-07-24、控制閥： THKGK-1型過程控制實驗裝置GK-03三、預習填空1、渦輪流量計的是通過測量 葉輪 旋轉的 轉速 測流量，渦街流量計通過測量 卡門渦街 的 頻率 來測量流量。容積式流量計是通過測量 旋轉體 的 轉動次數(shù) 來測量流量。2、均速管流量計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，測點分布時采用 對數(shù)-線性 方法。3、電磁流量計根據(jù) 電磁感應 原理進