1、化工過程控制實驗指導書紹興文理學院教務處二零一三年三月目 錄實驗一、一階單容上水箱對象特性測試實驗3實驗二、上水箱液位PID參數整定控制實驗9實驗三、鍋爐夾套和鍋爐內膽溫度串級控制系統17實驗一、一階單容上水箱對象特性測試實驗一、實驗目的1）、熟悉單容水箱的數學模型及其階躍響應曲線。2）、根據由實際測得的單容水箱液位的階躍響應曲線，用相關的方法分別確定它們的參數。二、實驗設備1）、 AE2000A型過程控制實驗裝置：配置：萬用表、上位機軟件、計算機、RS232-485轉換器1只、串口線1根、實驗連接線。三、系統結構框圖單容水箱如圖1-1所示：圖1-1、 單容水箱系統結構圖四、實驗原理階躍響應測

2、試法是系統在開環運行條件下，待系統穩定后，通過調節器或其他操作器，手動改變對象的輸入信號（階躍信號）。同時，記錄對象的輸出數據或階躍響應曲線，然后根據已給定對象模型的結構形式，對實驗數據進行處理，確定模型中各參數。圖解法是確定模型參數的一種實用方法，不同的模型結構，有不同的圖解方法。單容水箱對象模型用一階加時滯環節來近似描述時，常可用兩點法直接求取對象參數。 如圖1-1所示，設水箱的進水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開度值。根據物料動態平衡的關系，求得：在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得： Page: 4（1）式中，T為水箱的時間常數（注意：閥V2的開度大小

3、會影響到水箱的時間常數），T=R2*C，K=R2為過程的放大倍數，R2為V2閥的液阻，C 為水箱的容量系數。令輸入流量Q1（S）=RO/S，RO為常量，則輸出液位的高度為：當t=T時，則有：h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h()即 h(t)=KR0(1-e-t/T)當t>時，h（）=KR0，因而有K=h（）/R0=輸出穩態值/階躍輸入式（1-2）表示一階慣性環節的響應曲線是一單調上升的指數函數，如圖1-2所示。當由實驗求得圖1-2所示的 圖1-2、 階躍響應曲線階躍響應曲線后，該曲線上升到穩態值的63%所對應時間，就是水箱的時間常數T，該時間常數T也可以通過坐

4、標原點對響應曲線作切線，切線與穩態值交點 所對應的時間就是時間常數T，其理論依據是：上式表示h（t）若以在原點時的速度h（）/T 恒速變化，即只要花T秒時間就可達到穩態值h（）。四、實驗內容和步驟1、 設備的連接和檢查：（1）、關閉閥1、閥22將AE2000 實驗對象的儲水箱灌滿水（至最高高度）。（2）、打開以丹麥泵、電動調節閥、渦輪流量計組成的動力支路至上水箱的出水閥門：閥1、閥4、閥6，關閉動力支路上通往其他對象的切換閥門:閥2、閥10、閥17、閥20。（3）、打開上水箱的出水閥：閥8至適當開度。（4）、檢查電源開關是否關閉2、 系統連線圖：圖1-3、 實驗接線圖1）、如圖1-3所示：將I

5、/O信號接口板上的上水箱液位的鈕子開關打到ON位置。2）、將上水箱液位+（正極）接到任意一個智能調節儀的1端（即RSV的+極），上小水箱液位-（負端）接到智能調節儀的2端（即RSV的-極）。3）、將智能調節儀的420mA輸出端的7端（即+極）接至電動調節閥的420mA輸入端的+端（即正極），將智能調節儀的420mA輸出端的5端（即-極）接至電動調節閥的420mA輸入端的-（即負極）。4）、電源控制板上的三相電源、單相、單相的空氣開關、單相泵電源開關打在關的位置。5）、電動調節閥的220V電源開關打在關的位置 。6）、智能調節儀的220V輸入的L端（即9端）和N端（即10端）也分別接單相（220

6、V/5A）的2L端和2N端。3、 啟動實驗裝置1）、將實驗裝置電源插頭接到三相380V的三相交流電源。2）、打開電源三相帶漏電保護空氣開關和總電源鑰匙開關。3）、按下電源控制屏上的啟動按鈕，即可開啟電源，電壓表指示380V。4、實驗步驟1）、開啟單相空氣開關、單相空氣開關根據儀表使用說明書和液位傳感器使用說明調整好儀表各項參數和液位傳感器的零位、增益，儀表輸出方式設為手動輸出，初始值為0。2）、啟動計算機MCGS組態軟件，進入實驗系統相應的實驗如圖所示：3）、雙擊設定輸出按鈕，進行設定輸出值的大小，或者在儀表手動狀態下，按住儀表的STOP鍵將儀表的輸出值上升到所想設定的值，這個值根據閥門開度的

7、大小來給定，一般初次設定值<5。開啟單相泵電源開關，啟動動力支路。將被控參數液位高度控制在20%處（一般為5cm）。4）、觀察系統的被調量：上水箱的水位是否趨于平衡狀態。若已平衡，應記錄調節儀輸出值，以及水箱水位的高度h1和智能儀表的測量顯示值并填入下表。儀表輸出值水箱水位高度h1儀表顯示值0100cmcm5）、迅速增加儀表手動輸出值，增加5%的輸出量，記錄此引起的階躍響應的過程參數，均可在上位軟件上獲得，以此數據繪制變化曲線。t（秒）水箱水位h1(cm)儀表讀數(cm)6）、直到進入新的平衡狀態。再次記錄平衡時的下列數據，并填入下表：儀表輸出值水箱水位高度h1儀表顯示值0100cmcm

8、7）、將儀表輸出值調回到步驟5）前的位置，再用秒表和數字表記錄由此引起的階躍響應過程參數與曲線。填入下表：t（秒）水箱水位h1(cm)儀表讀數(cm)7）、重復上述實驗步驟。五、 實驗報告要求（1）作出一階環節的階躍響應曲線。（2）根據實驗原理中所述的方法，求出一階環節的相關參數。 六、注意事項（1）做本實驗過程中，閥8不得任意改變開度大小。（2）階躍信號不能取得太大，以免影響正常運行；但也不能過小，以防止對象特性的不真實性。一般階躍信號取正常輸入信號的5%15%。（3）在輸入階躍信號前，過程必須處于平衡狀態。七、思考題（1）在做本實驗時，為什么不能任意變化閥8的開度大小？ （2）用兩點法和用

9、切線對同一對象進行參數測試，它們各有什么特點? 實驗二、上水箱液位PID參數整定控制實驗一、 實驗目的1）、通過實驗熟悉單回路反饋控制系統的組成和工作原理。2）、分析分別用P、PI和PID調節時的過程圖形曲線。3）、定性地研究P、PI和PID調節器的參數對系統性能的影響。二、 實驗設備1）、AE2000A型過程控制實驗裝置、上位機軟件、計算機、RS232-485轉換器1只、串口線1根。2）、萬用表一只三、實驗原理擾動液位給定上小水箱電動調節閥PID控制器+液位變送器圖4-1圖4-1為單回路上水箱液位控制系統，單回路調節系統一般指在一個調節對象上用一個調節器來保持一個參數的恒定，而調節器只接受一

10、個測量信號，其輸出也只控制一個執行機構。本系統所要保持的恒定參數是液位的給定高度，即控制的任務是控制上小水箱液位等于給定值所要求的高度。根據控制框圖，這是一個閉環反饋單回路液位控制，采用工業智能儀表控制。當調節方案確定之后，接下來就是整定調節器的參數，一個單回路系統設計安裝就緒之后，控制質量的好壞與控制器參數選擇有著很大的關系。合適的控制參數，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數選擇得不合適，則會使控制質量變壞，達不到預期效果。因此，當一個單回路系統組成好以后，如何整定好控制器參數是一個很重要的實際問題。一個控制系統設計好以后，系統的投運和參數整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）調

11、節器的系統是一個有差系統，比例度的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統的動態性能密切相關。比例積分（PI）調節器，由于積分的作用，不僅能實現系統無余差，而且只要參數，Ti調節合理，也能使系統具有良好的動態性能。比例積分微分（PID）調節器是在PI調節器的基礎上再引入微分D的作用，從而使系統既無余差存在，又能改善系統的動態性能（快速性、穩定性等）。在單位階躍作用下，P、PI、PID調節系統的階躍響應分別如圖5-2中的曲線、所示。 圖4-2、P、PI和PID調節的階躍響應曲線 一、 實驗內容和步驟1、設備的連接和檢查：（1）、將AE2000A 實驗對象的儲水箱灌滿水（至最高高度）。（2）、打開

12、以丹麥泵、電動調節閥、渦輪流量計組成的動力支路至上水箱的出水閥門：閥1、閥4、閥6，關閉動力支路上通往其他對象的切換閥門:閥2、閥10、閥17、閥20。（3）、打開上水箱的出水閥：閥8，至適當開度。系統結構如圖4-2所示：圖4-2、系統結構框圖（4）、檢查電源開關是否關閉。2、系統連線如圖4-3所示：圖4-3、上水箱液位PID參數整定控制接線圖1）、將I/O信號接口板上的上水箱液位的鈕子開關打到ON位置。2）、將上水箱液位+（正極）接到任意一個智能調節儀的1端（即RSV的+極），將上水箱液位-（負端）接到智能調節儀的2端（即RSV的-極）。3）、將智能調節儀的420mA輸出端的7端（即+極）接

13、至電動調節閥的420mA輸入端的+端（即正極），將智能調節儀的420mA輸出端的5端（即-極）接至電動調節閥的420mA輸入端的-（即負極）。4）、智能調節儀的220V輸入的L端（即9端）和N端（即10端）分別接單相（220V/5A）的2L端和2N端。5）、三相電源、單相、單相空氣開關打在關的位置3、啟動實驗裝置1）、將實驗裝置電源插頭接到三相380V的三相交流電源。2）、打開電源三相帶漏電保護空氣開關和總電源鑰匙開關。3）、按下電源控制屏上的啟動按鈕，即可開啟電源，電壓表指示380V。4）、開啟單相、單相空氣開關，調整好儀表各項參數（儀表初始狀態為手動且為0）和液位傳感器的零位。5）、啟動智

14、能儀表，設置好儀表參數。（一） 比例調節控制1）、啟動計算機MCGS組態軟件，進入實驗系統選擇相應的實驗，如圖所示：2）、打開電動調節閥和單相電源泵開關，開始實驗。3）、設定給定值，調整P參數。4）、待系統穩定后，對系統加擾動信號（在純比例的基礎上加擾動，一般可通過改變設定值實現）。記錄曲線在經過幾次波動穩定下來后，系統有穩態誤差，并記錄余差大小。7）、減小P重復步驟5，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。8）、增大P重復步驟5，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。9）、選擇合適的P，可以得到較滿意的過渡過程曲線。改變設定值（如設定值由50變為60），同樣可以得到一條過渡過程曲線。10）、注意：每

15、當做完一次試驗后，必須待系統穩定后再做另一次試驗。（二）、比例積分調節器（PI）控制1）、在比例調節實驗的基礎上，加入積分作用，即在界面上設置I參數不為0，觀察被控制量是否能回到設定值，以驗證PI控制下，系統對階躍擾動無余差存在。2）、固定比例P值（中等大小），改變PI調節器的積分時間常數值Ti，然后觀察加階躍擾動后被調量的輸出波形，并記錄不同Ti值時的超調量p。 表二、不同Ti時的超調量p積分時間常數Ti大中小超調量p3）、固定于某一中間值，然后改變P的大小，觀察加擾動后被調量輸出的動態波形，據此列表記錄不同值Ti下的超調量p。 表三、不同值下的p比例P大中小超調量p4）、選擇合適的P和Ti

16、值，使系統對階躍輸入擾動的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線。此曲線可通過改變設定值（如設定值由50%變為60%）來獲得。（三）、比例積分微分調節（PID）控制1）、在PI調節器控制實驗的基礎上，再引入適量的微分作用，即把軟件界面上設置D參數，然后加上與前面實驗幅值完全相等的擾動，記錄系統被控制量響應的動態曲線，并與實驗（二）PI控制下的曲線相比較，由此可看到微分D對系統性能的影響。2）、選擇合適的P、Ti和Td，使系統的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線（階躍輸入可由給定值從50%突變至60%來實現）。3）、在歷史曲線中選擇一條較滿意的過渡過程曲線進行記錄。（四）、用臨界比例度法整定調節器的

17、參數 在實現應用中，PID調節器的參數常用下述實驗的方法來確定。用臨界比例度法去整定PID調節器的參數是既方便又實用的。它的具體做法是：1）、待系統穩定后，逐步減小調節器的比例度（即1/P），并且每當減小一次比例度，待被調量回復到平衡狀態后，再手動給系統施加一個5%15%的階躍擾動，觀察被調量變化的動態過程。若被調量為衰減的振蕩曲線，則應繼續減小比例度，直到輸出響應曲線呈現等幅振蕩為止。如果響應曲線出現發散振蕩，則表示比例度調節得過小，應適當增大，使之出現等幅振蕩。圖5-2為它的實驗方塊圖。圖5-3、具有比例調節器的閉環系統2）、在圖5-3所示的系統中，當被調量作等幅蕩時，此時的比例度就是臨界

18、比例度，用k表示之，相應的振蕩周期就是臨界周期Tk。據此，按下表可確定PID調節器的三個參數、Ti和Td。 圖5-4、具有周期TK的等幅振蕩 表四 、用臨界比例度k整定PID調節器的參數調節器參數調節器名稱kTi(S)Td(S)P2kPI2.2kTk/1.2PID1.6k0.5Tk0.125Tk3）、必須指出，表格中給出的參數值是對調節器參數的一個初略設計，因為它是根據大量實驗而得出的結論。若要就得更滿意的動態過程（例如：在階躍作用下，被調參量作4：1地衰減振蕩），則要在表格給出參數的基礎上，對、Ti（或Td）作適當調整。三、 實驗報告要求1）、畫出單容水箱液位控制系統的方塊圖。2）、用接好線

19、路的單回路系統進行投運練習，并敘述無擾動切換的方法。3）、用臨界比例度法整定調節器的參數，寫出三種調節器的余差和超調量。4）、作出P調節器控制時，不同值下的階躍響應曲線。5）、作出PI調節器控制時，不同和Ti值時的階躍響應曲線。6）、畫出PID控制時的階躍響應曲線，并分析微分D的作用。7）、比較P、PI和PID三種調節器對系統無差度和動態性能的影響。四、 注意事項1）、實驗線路接好后，必須經指導老師檢查認可后方可接通電源。五、 思考題1）、實驗系統在運行前應做好哪能些準備工作？2）、為什么要強調無擾動切換？3）、試定性地分析三種調節器的參數、（、Ti）和（、Ti和Td）。的變化對控制過程各產生

20、什么影響？4）、如何實現減小或消除余差？純比例控制能否消除余差？實驗三、鍋爐夾套和鍋爐內膽溫度串級控制系統一、 實驗目的1）、熟悉串級控制系統的結構與控制特點。2）、掌握串級控制系統的投運與參數整定方法3）、研究階躍擾動分別作用在副對象和主對象時對系統主被控量的影響。二、 實驗設備AE2000A型過程控制實驗裝置： 配置：上位機軟件、計算機、RS232-485轉換器1只、串口線1根。三、系統結構框圖： 圖11-1 系統結構框圖四、實驗原理 圖11-2 溫度串級控制系統1、串級控制系統的組成圖12-2為一溫度串級控制系統。這種系統具有2個調節器和2 個閉合回路和兩個執行對象，2個調節器分別設置在

21、主、副回路中，設在主回路的調節器稱主調節器，設在副回路的調節器稱為副調節器。兩個調節器串聯連接，主調節器的輸出作為副回路的給定量，主、副調節器的輸出分別去控制二個執行元件。主對象的輸出為系統的被控制量鍋爐夾套溫度，副對象的輸出是一個輔助控制變量。2、串級系統的抗干擾能力串級系統由于增加了副回路，對于進入副環內的干擾具有很強的抑制作用，因此作用于副環的干擾對主變量的影響就比較小，系統的主回路是定值控制，而副回環是一個隨動控制。在設計串級控制系統時，要求系統副對象的時間常數要遠小于主對象。此外，為了指示系統的控制精度，一般主調節器設計成PI或PID調節器，而副調節器一般設計為比例P控制，以提高副回路的快速響應。在搭實驗線路時，要注意到兩個調節器的極性（目的是保證主、副回路都是負反饋控制）。 3、串級控制系統與單回路的控制系統相比 串級控制系統由于副回路的存在，改善了對象的特性，使等效副對象的時間常數減小，系統的工作頻率提高，改善了系統的動態性能，使系統的響應加快，控制及時。同時，由于串級系統具有主副兩只控制器的總放大倍數增大，系統的