《过程控制系统实验指导书(共16页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制系统实验指导书(共16页).doc（16页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精选优质文档-倾情为你奉上过 程 控 制 系 统实验指导书王永昌 西安交通大学自动化系 2015.3 实验一 先进智能仪表控制实验一、 实验目的1 学习YS170、YS1700等仪表的使用；2 掌握控制系统中PID参数的整定方法；3 熟悉Smith补偿算法。二、 实验内容1熟悉YS-1700单回路调节器与编程器的操作方法与步骤，用图形编程器编写简单的PID仿真程序； 2重点进行Smith补偿器法改善大滞后对象的控制仿真实验； 3设置SV与仿真参数，对PID参数进行整定，观察仿真结果，记录数据。 4了解单回路控制，串级控制及顺序控制的概念，组成方式。三、 实验原理1、YS1700介绍YS1700
2、 产于日本横河公司，是一款用于过程控制的指示调节器，除了具有YS170一样的功能外，还带有可编程运算功能和2回路控制模式，可用于构建小规模的控制系统。其外形图如下：YS1700 是一款带有模拟和顺序逻辑运算的智能调节器，可以使用简单的语言对过程控制进行编程（当然，也可不使用编程模式）。高清晰的LCD提供了4种模拟类型操作面板和方便的双回路显示，简单地按前面板键就可进行操作。能在一个屏幕上对串级或两个独立的回路进行操作。标准配置I/O状态显示、预置PID控制、趋势、MV后备手动输出等功能，并且可选择是否通信及直接接收热偶、热阻等现场信号。对YS1700编程可直接在PC机上完成。SLPC内的控制模
3、块有三种功能结构，可用来组成不同类型的控制回路：（1） 基本控制模块BSC，内含1个调节单元CNT1，相当于模拟仪表中的l台PID调节器，可用来组成各种单回路调节系统。 （2） 串级控制模块CSC，内含2个互相串联的调节单元CNTl、CNT2，可组成串级调节系统。（3） 选择控制模块SSC，内含2个并联的调节单元CNTl、CNT2和1个单刀三掷切换开关CNT3，可组成选择控制系统。当YS1700处于不同类型的控制模式时，其内部模块连接关系可以表示如下：（1）、单回路控制模式（2）、串级控制模式（3）、选择控制模式单回路控制器具有丰富和灵活可变的运算控制功能；即具有连续控制功能，也具有一定的顺序
4、控制及处理批量生产过程的能力。具有通信功能，能与集中监视操作站及上位计算机交互信息，构成集散控制系统。具有自诊断功能，有助于系统维护。4、单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数恒定，而调节器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。单回路控制系统主要由四个基本环节组成，即被控对象(简称对象)、测量变送装置、控制器和执行器。5、SLPC内的控制模块有三种功能结构，可用来组成不同类型的控制回路：(1)基本控制模块BSC，内含1个调节单元CNT1，相当于模拟仪表中的l台PID调节器，可用来组成各种单回路调节系统。(2)串级控制模块CSC，内含2个互相串联的调节单元CNT
5、l、CNT2，可组成串级调节系统(3)选择控制模块SSC，内含2个并联的调节单元CNTl、CNT2和1个单刀三掷切换开关CNT3，可组成选择控制系统。6、Smith补偿法改善大滞后对象在过程控制中，常遇到纯滞后时间很长的对象，特别是纯滞后时间L与其惯性时间常数T之比较大的对象，使用常规PID调节效果不佳。为此，在对象数学模型确知的情况下，采用Smith补偿法可以取得的较好的效果。Smith补偿结构是先估计一个没有滞后环节的系统模型，用PID算法对该模型进行控制，这样等同于对原系统进行控制。由于控制回路中没有滞后环节，因此对于大滞后的对象，Smith补偿能取得很好的效果。Smith补偿的困难之处
6、在于对象模型估计的准确性，估计的准不准直接关系到控制效果的好坏。(1)Smith补偿控制器的预测控制器结构(2)标准Smith补偿控制器的数字调节器实现 实验二 三容水箱液位控制系统一、实验目的1了解三容水箱液位定值控制系统的结构和组成。2掌握三阶系统调节器参数的整定与投运方法。3研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。4分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实验系统的作用。5综合分析五种控制方案的实验效果。二、实验设备（实验对象总貌图）1实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS需两台计算机）、万用表一个；2SA-12挂件一
7、个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；3SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个；4SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根； 5SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线；6SA-42挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。三、实验原理图3-14 三容液位定值控制系统(a)结构图 (b)方框图本实验系统结构图和方框图如图3-14所示。本实验以上、中、下三只水箱串联作被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。由第二章双容特性测试实验可推知，三容对象是一个三阶系统，可用三个惯性环节来描述。本实验要求下水箱液位稳
8、定至给定量，将压力传感器LT3检测到的下水箱液位信号作为反馈信号，与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。调节器参数的整定方法调节器参数的整定一般有两种方法：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程实验整定法有以下四种：（一）经验法若将控制系统按照液位、流
9、量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。表3-1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微分作用，微分时间常数按TD=()TI计算。表3-1 经验法整定参数系 统参 数(%)TI(min)TD(min)温 度20603100.53流 量401000.11压 力30700.43液 位2080(二)临界比例度法图3-4 具有周期TS的等幅振荡这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图3-4所
10、示。根据临界比例度k和振荡周期TS，按表3-2所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到4：1衰减为目标。表3-2 临界比例度法整定调节器参数 调节器参数调节器名称TI(S)TD(S)P2kPI2.2kTS/1.2PID1.6k0.5TS0.125TS临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。（三）衰减曲线法（阻尼振荡法）在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用
11、，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图3-5所示的4：1衰减过程为止。这时的比例度称为4：1衰减比例度，用S表示之。相邻两波峰间的距离称为4：1衰减周期TS。根据S和TS，运用表3-3所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。表3-3 衰减曲线法计算公式 调节器参数调节器名称（%）TI(min)TD(min)PSPI1.2S0.5TSPID0.8S0.3TS0.1 TS （四）动态特性参数法所谓动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据第二章中对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数（K、T、等），利用表3-
12、4所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：1时调节器的相关参数。如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（4：1衰减）就有难度，此时应采用动态特性参数法进行整定。表3-4 经验计算公式调节器参数调节器名称（%）TITDP100%PI1.1100%3.3PID0.85100%20.5四、实验内容1） 熟悉液位控制系统的操作方法与步骤。2） 利用组态王软件画出液位控制系统工艺流程图，连接控制系统。3） 适量增加给定值，观察液位变化，组态画面中曲线变化，跟踪情况及表上数值的变化。4） 观察电动调节阀的开度变化规律。5） 改变几组P I D参数，领会其
13、对控制系统的影响。6） 观察控制效果，分析控制数据。7) 利用手动阀加扰动，观察液位控制系统的调节过程。本实验选择上、中、下三只水箱串联组成三容对象（三阶系统）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9、中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求阀门开度F1-9 F1-10 F1-11），其余阀门均关闭。五、实验报告要求1画出三容水箱液位定值控制实验的结构框图。2用实验方法确定调节器的相关参数，并写出整定过程。3根据实验数据和曲线，分析三阶系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。4比较在相同的阶跃扰动下不同PID参
14、数对系统性能产生的影响。5比较在相同的PID参数下，阶跃扰动作用在不同位置对系统性能产生的影响。6分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实验系统的作用。7综合分析五种控制方案的实验效果。六、思考题1为什么对三个水箱的出水阀开度大小要求不同？ 2改变比例度和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？3如果在相同阶跃信号作用下，要求系统的被控制量具有与前面两个实验完全相同的动态性能指标，本实验中调节器的PID参数应如何设置？附录1 实验装置介绍第一节 系统概述一、概述“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”是由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。它是本企业根据工业自动化及其
15、他相关专业的教学特点，并吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证而推出的一套全新的综合性实验装置。本装置结合了当今工业现场过程控制的实际，是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。本装置还可根据用户的需要设计构成AI智能仪表，DDC远程数据采集，DCS分布式控制，PLC可编程控制，FCS现场总线控制等多种控制系统，它既可作为本科，专科，高职过程控制课程的实验装置，也可
16、为教师、研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供一个物理模拟对象和实验平台。 学生通过本实验装置进行综合实验后可掌握以下内容：1传感器特性的认识和零点迁移；2自动化仪表的初步使用；3变频器的基本原理和初步使用；4电动调节阀的调节特性和原理；5测定被控对象特性的方法；6单回路控制系统的参数整定；7串级控制系统的参数整定；8复杂控制回路系统的参数整定；9控制参数对控制系统的品质指标的要求；10控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力培养；11各种控制方案的生成过程及控制算法程序的编制方法。二、系统特点l 真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。l 被控参数全
17、面，涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。l 具有广泛的扩展性和后续开发功能，所有I/O信号全部采用国际标准IEC信号。l 具有控制参数和控制方案的多样化。通过不同被控参数、动力源、控制器、执行器及工艺管路的组合可构成几十种过程控制系统实验项目。l 各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。实验数据及图表在上位机软件系统中很容易存储及调用，以便实验者进行实验后的比较和分析。l 多种控制方式：可采用AI智能仪表控制、DCS分布式控制、S7-200或S7-300PLC可编程控制、DDC远程数据采集控制等多种控制方式。l 充分考虑了各大高校自动化专业的大纲要求，
18、完全能满足教学实验、课程设计、毕业设计的需要，同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、创造性过程控制系统实验的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的能力。三、实验装置的安全保护体系1三相四线制总电源输入经带漏电保护装置的三相四线制断路器进入系统电源之后又分为一个三相电源支路和三个不同相的单相支路，每一支路都带有各自三相、单相断路器。总电源设有三相通电指示灯和380V三相电压指示表，三相带灯熔断器作为断相指示。2控制屏上装有一套电压型漏电保护和一套电流型漏电保护装置。3控制屏设有服务管理器（即定时器兼报警记录仪），为学生实验技能的考核提供一个统一的标准。4各种电源及各种仪
19、表均有可靠的自保护功能。5强电接线插头采用封闭式结构，以防止触电事故的发生。6强弱电连接线采用不同结构的插头、插座，防止强弱电混接。第二节 THSA-1型过控综合自动化控制系统对象实验对象总貌图如图1-1所示：图1-1 实验对象总貌图本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。一、被控对象由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、4.5KW三相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅
20、炉夹套构成)、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。1水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控
21、制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长宽高=68cm5243，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。2模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。3盘管：模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米（43圈），在盘管上有三个不同的温度检测
22、点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。盘管的出水通过手动阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。4管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。二、检测装置1压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为05KP，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采
23、用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：420mADC。2温度传感器：装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。Pt100测温范围：-200+420。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成420mA直流电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。3流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。流
24、量范围：01.2m3/h；精度：1.0%；输出：420mADC。三、执行机构1电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。2水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱
25、动，另一只为三相变频220V输出驱动。3电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/2 ；工作温度：580；工作电压：24VDC。4三相电加热管：由三根1.5KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温，每根加热管的电阻值约为50左右。第三节 实验要求及安全操作规程一、实验前的准备实验前应复习教科书有关章节，认真研读实验指导书，了解实验目的、项目、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题，并按实验项目准备记录等。实验前应了解实验装置中的对象、水泵、变频器和所用控制组件的名称、作用及其所
26、在位置。以便于在实验中对它们进行操作和观察。熟悉实验装置面板图，要求做到：由面板上的图形、文字符号能准确找到该设备的实际位置。熟悉工艺管道结构、每个手动阀门的位置及其作用。认真作好实验前的准备工作，对于培养学生独立工作能力，提高实验质量和保护实验设备都是很重要的。二、实验过程的基本程序1明确实验任务；2提出实验方案；3画实验接线图；4进行实验操作，做好观测和记录；5整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。在进行本书中的综合实验时，上述程序应尽量让学生独立完成，老师给予必要的指导，以培养学生的实际动手能力，要做好各主题实验，就应做到：实验前有准备；实验中有条理，实验后有分析。三、实验安全操作规程1
27、实验之前确保所有电源开关均处于“关”的位置。2接线或拆线必须在切断电源的情况下进行，接线时要注意电源极性。完成接线后，正式投入运行之前，应严格检查安装、接线是否正确，并请指导老师确认无误后，方能通电。3在投运之前，请先检查管道及阀门是否已按实验指导书的要求打开，储水箱中是否充水至三分之二以上，以保证磁力驱动泵中充满水，磁力驱动泵无水空转易造成水泵损坏。4在进行温度试验前，请先检查锅炉内胆内水位，至少保证水位超过液位指示玻璃管上面的红线位置，无水空烧易造成电加热管烧坏。5实验之前应进行变送器零位和量程的调整，调整时应注意电位器的调节方向，并分清调零电位器和满量程电位器。6仪表应通电预热15分钟后再进行校验。7小心操作，切勿乱扳硬拧，严防损坏仪表。 专心-专注-专业