自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)-過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)課

第四講：高級(jí)過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

電話：辦公室：9號(hào)教學(xué)樓西4012高級(jí)過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)高級(jí)過程控制系統(tǒng)介紹實(shí)驗(yàn)要求和注意事項(xiàng)水箱液位控制實(shí)驗(yàn)單容水箱特性測(cè)試單容水箱定值控制鍋爐內(nèi)膽水溫控制實(shí)驗(yàn)鍋爐內(nèi)膽特性測(cè)試鍋爐內(nèi)膽靜態(tài)水溫控制高級(jí)過程控制系統(tǒng)介紹過程控制是自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。通常是指石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、核能等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期與程序進(jìn)行的生產(chǎn)過程自動(dòng)控制。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，過程控制技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面起著越來越大的作用。實(shí)驗(yàn)要求及注意事項(xiàng)實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)之前仔細(xì)閱讀相關(guān)手冊(cè)資料，作好充分的預(yù)習(xí)工作，包括實(shí)驗(yàn)裝置，PID控制算法，無模型自適應(yīng)控制算法等。

實(shí)驗(yàn)過程的基本程序明確實(shí)驗(yàn)任務(wù)；提出實(shí)驗(yàn)方案；畫實(shí)驗(yàn)接線圖；進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，做好觀測(cè)和記錄；整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)要求及注意事項(xiàng)要求掌握內(nèi)容：傳感器特性的認(rèn)識(shí)和零點(diǎn)遷移；自動(dòng)化儀表的初步使用；電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性和原理；測(cè)定被控對(duì)象特性的方法；單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定；控制參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)的要求；控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析、接線、投運(yùn)。實(shí)驗(yàn)要求及注意事項(xiàng)

實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)實(shí)驗(yàn)之前確保所有電源開關(guān)均處于“關(guān)”的位置。接線或拆線必須在切斷電源的情況下進(jìn)行，接線時(shí)要注意電源極性。完成接線后，正式投入運(yùn)行之前，應(yīng)嚴(yán)格檢查安裝、接線是否正確，并請(qǐng)指導(dǎo)老師確認(rèn)無誤后，方能通電。投運(yùn)之前，請(qǐng)先檢查管道及閥門是否已按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求打開，儲(chǔ)水箱中是否充水至三分之二以上，以保證磁力驅(qū)動(dòng)泵中充滿水，磁力驅(qū)動(dòng)泵無水空轉(zhuǎn)易造成水泵損壞。進(jìn)行溫度試驗(yàn)前，請(qǐng)先檢查鍋爐內(nèi)膽內(nèi)水位，至少保證水位超過液位指示玻璃管上面的紅線位置，無水空燒易造成電加熱管燒壞。實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)進(jìn)行變送器零位和量程的調(diào)整，調(diào)整時(shí)應(yīng)注意電位器的調(diào)節(jié)方向，并分清調(diào)零電位器和滿量程電位器。儀表應(yīng)通電預(yù)熱15分鐘后再進(jìn)行校驗(yàn)。小心操作，切勿亂扳硬擰，嚴(yán)防損壞儀表。被控對(duì)象建模（單容水箱）被控對(duì)象建模（單容水箱）被控對(duì)象建模（單容水箱）不同控制規(guī)律時(shí)具有相同衰減率的響應(yīng)過程PID控制器參數(shù)整定理論計(jì)算根軌跡頻率相應(yīng)法工程實(shí)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)法臨界比例度法衰減曲線法（阻尼振蕩法）衰減曲線法（阻尼振蕩法）動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法若將控制系統(tǒng)按照液位、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1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。經(jīng)驗(yàn)法表1經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)系

統(tǒng)參

數(shù)δ(%)TI(min)TD(min)溫

度20～603～100.5～3流

量40～1000.1～1

壓

力30～700.4～3

液

位20～80

圖4：1衰減曲線法圖形衰減曲線法（阻尼振蕩法）在閉環(huán)系統(tǒng)中，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)右圖所示的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δS表示之。相鄰兩波峰間的距離稱為4：1衰減周期TS。根據(jù)δS和TS，運(yùn)用表3-3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。

調(diào)節(jié)器參數(shù)δ（%）TI(min)TD(min)PδS

PI1.2δS0.5TS

PID0.8δS0.3TS0.1TS根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算的方法，即根據(jù)對(duì)象特性的階躍響應(yīng)曲線測(cè)試法測(cè)得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)（K、T、τ等），利用表4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)。如果被控對(duì)象是一階慣性環(huán)節(jié)，或具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，此時(shí)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法進(jìn)行整定。表4經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解單容水箱液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成。2．掌握單容水箱液位控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法。3．研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能的影響。4．了解P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對(duì)液位控制的作用。實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成本實(shí)驗(yàn)需要：水箱系統(tǒng)及控制屏一套，智能儀表一臺(tái)，計(jì)算機(jī)一臺(tái)，通訊電纜一根；單容水箱控制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟5、在上位機(jī)監(jiān)控界面中點(diǎn)擊“配置”。進(jìn)行端口號(hào)、對(duì)應(yīng)水箱、對(duì)應(yīng)執(zhí)行器、對(duì)應(yīng)控制率、控制率參數(shù)配置、目標(biāo)設(shè)定值的選擇。6、合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，然后點(diǎn)擊程序中的“運(yùn)行”按鈕，開始運(yùn)行程序，使中水箱的液位平衡于設(shè)定值，并且在上位機(jī)上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前液位情況。7、參考第一節(jié)中調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法，選擇不同控制規(guī)律，并按整定后的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。8、分別適量改變參數(shù)，重復(fù)步驟7，用計(jì)算機(jī)記錄不同參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。1．畫出單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖。2．用實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下的靜、動(dòng)態(tài)性能。4．比較不同PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求單容水箱控制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解鍋爐內(nèi)膽溫度特性測(cè)試系統(tǒng)的組成原理。2．掌握鍋爐內(nèi)膽溫度特性的測(cè)試方法。實(shí)驗(yàn)設(shè)備（同前）實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)以鍋爐內(nèi)膽作為被控對(duì)象，內(nèi)膽的水溫為系統(tǒng)的被控制量，其動(dòng)態(tài)變化過程可用一階常微分方程來描述，即其數(shù)學(xué)模型為一階慣性環(huán)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)要求鍋爐內(nèi)膽的水溫穩(wěn)定至給定量，將鉑電阻TT1檢測(cè)到的鍋爐內(nèi)膽溫度信號(hào)作為反饋信號(hào)，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(shí)延較大，所以其控制過渡時(shí)間也較長(zhǎng)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器可選擇PD或PID控制。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖所示。鍋爐水溫控制實(shí)驗(yàn)圖3-1鍋爐內(nèi)膽溫度控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖鍋爐水溫控制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟4、打開上位機(jī)C++builder軟件，并打開相應(yīng)“鍋爐溫度控制主界面”運(yùn)行環(huán)境，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕或鍵盤快捷鍵F9，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)的監(jiān)控界面。5、在上位機(jī)監(jiān)控界面中點(diǎn)擊“配置”。進(jìn)行端口號(hào)、對(duì)應(yīng)水箱、對(duì)應(yīng)執(zhí)行器、對(duì)應(yīng)控制率、控制率參數(shù)配置、目標(biāo)設(shè)定值的選擇。6、合上三相電源空氣開關(guān)，“三相電加熱管”上電加熱，然后點(diǎn)擊程序中的“運(yùn)行”按鈕，開始運(yùn)行程序，使鍋爐溫度平衡于設(shè)定值，并且在上位機(jī)上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前鍋爐溫度情況。7、參考第一節(jié)中調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法，選擇不同控制規(guī)律，并按整定后的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。8、分別適量改