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1、自动化专业实验课第四讲：高级过程控制实验系统 金尚泰北京交通大学先进控制系统研究所电话：51684105办公室：9号教学楼西401 2高级过程控制实验系统高级过程控制系统介绍实验要求和注意事项水箱液位控制实验单容水箱特性测试单容水箱定值控制锅炉内胆水温控制实验锅炉内胆特性测试锅炉内胆静态水温控制高级过程控制系统介绍过程控制是自动化技术的一个重要组成部分。通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期与程序进行的生产过程自动控制。在现代工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越
2、大的作用。实验要求及实验要求及注意事项注意事项实验前的准备实验前的准备实验之前仔细阅读相关手册资料，作好充分的预习工作，包括实验装置，PID控制算法，无模型自适应控制算法等。实验过程的基本程序实验过程的基本程序明确实验任务；提出实验方案；画实验接线图；进行实验操作，做好观测和记录；整理实验数据，得出结论，撰写实验报告实验要求及实验要求及注意事项注意事项要求掌握内容：传感器特性的认识和零点迁移；自动化仪表的初步使用；电动调节阀的调节特性和原理；测定被控对象特性的方法；单回路控制系统的参数整定；控制参数对控制系统的品质指标的要求；控制系统的设计、计算、分析、接线、投运。实验要求及实验要求及注意事项
3、注意事项 实验实验注意事项注意事项实验之前确保所有电源开关均处于“关”的位置。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。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。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。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。仪表
4、应通电预热15分钟后再进行校验。小心操作，切勿乱扳硬拧，严防损坏仪表。被控对象建模（单容水箱）被控对象建模方法分析法（根据过程运行机理）实验法单容水箱建模阶跃响应法确定被控对象的传递函数被控对象建模（单容水箱）被控对象建模（单容水箱）被控对象建模（单容水箱）PID控制规律1比例(P)调节对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。2比例积分(PI)调节PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。3.比例微分(PD)调节这种调节器
5、由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。因此一般不用于流量和液位控制系统。4比例积分微分(PID)调节器PID是常规调节器中性能最好的一种调节器。由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程PID控制器参数整定理论计算根轨迹频率相应法工程实验法经验法临界比例度法衰减曲线法（阻尼振荡法）衰减曲线法（阻尼振荡法）动态特性参数法若将控制系统按照液位、流量、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
6、整定的参数均可相互参考。表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。经验法经验法表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，如图所示。根据临界比例度k和振荡周期TS，按表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2 临界比例度法整定调节器
7、参数 调节器参数TI(S)TD(S)P2kPI2.2kTS/1.2PID1.6k0.5TS0.125TS调节器名称图图 具有周期具有周期TS的等幅振荡的等幅振荡临界比例度法图 4：1衰减曲线法图形衰减曲线法（阻尼振荡法）在闭环系统中，把调节器设置为纯比例作用，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，直至出现右图所示的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。调节器参数（%）TI(min)TD(min)PSPI1.2S0.5TSPID0.
8、8S0.3TS0.1 TS 根据系统开环阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据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4 经验计算公式动态特性参数法实验实验目的目的1了解单容水箱液位控制系统的结构与组成。2掌握单容水箱液位控制系统调节器参数的整定方法。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了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控
9、制的作用。实验实验设备设备完成本实验需要：水箱系统及控制屏一套，智能仪表一台，计算机一台，通讯电缆一根；单容水箱控制实验实验内容与步骤实验内容与步骤 本实验选择下水箱作为被测对象（也可选择上水箱或中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度，其余阀门均关闭。1、将控制屏右侧RS232通讯线连接到计算机串口2、“三相电源”输出接“三相磁力泵（380V）”；“单相”电源接“智能调节仪”的电源（220V输入）；“单相”电源接“电动调节阀”的电源（220V输入）；“压力变送器”中将“LT1下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位
10、置，并将线连接至“智能调节仪”1、2输入（15V）；将“智能调节仪”420mA标准电流输出端接到“电动调节阀”的420mA输入控制端。3、接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相、单相空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。4、打开上位机C+builder软件，并打开相应水箱液位控制工程运行环境，点击运行按钮或键盘快捷键F9，进入实验的监控界面。单容水箱控制实验实验内容与步骤实验内容与步骤5、在上位机监控界面中点击“配置”。进行端口号、对应水箱、对应执行器、对应控制率、控制率参数配置、目标设定值的选择。6、合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水
11、，适当增加/减少智能仪表的输出量，然后点击程序中的“运行”按钮，开始运行程序，使中水箱的液位平衡于设定值，并且在上位机上实时动态显示当前液位情况。7、参考第一节中调节器参数整定方法，选择不同控制规律，并按整定后的参数进行调节器参数设置。8、分别适量改变参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。1画出单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，写出整定过程。3根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。4比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。实验实验报告要求报告要求单容水箱控制实验实验实验目的目的1了解锅炉内胆温度特性测试系统的组成
12、原理。2 掌握锅炉内胆温度特性的测试方法。实验实验设备设备（同前）（同前）实验原理实验原理本实验以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量，其动态变化过程可用一阶常微分方程来描述，即其数学模型为一阶惯性环节。本实验要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻TT1检测到的锅炉内胆温度信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。在锅炉内胆水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于加热过程容量时延较大，所以其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。本实验系统结构
13、图和方框图如图所示。锅炉水温控制实验图3-1 锅炉内胆温度控制系统(a)结构图 (b)方框图锅炉水温控制实验实验内容与步骤实验内容与步骤本实验选择锅炉内胆水温作为被控对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F2-1、F2-6、F1-13全开，将锅炉出水阀门F2-12关闭，其余阀门也关闭。将变频器输出A、B、C三端连接到三相磁力驱动泵（220V），打开变频器电源并手动调节其频率，给锅炉内胆贮一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的红线位置），然后关闭阀F1-13，打开阀F1-12，为给锅炉夹套供冷水做好准备。1、将控制屏右侧RS232通讯线连接到计算机串口2、“三相电源”接入“三相SCR移
14、相调压装置”的三相电源输入端，它的输出端接入“三相电加热管输入端”；“单相”电源接“智能调节仪”的电源；“铂电阻”中将“TT1锅炉”线连接至“智能调节仪”1、2输入；将“智能调节仪”420mA标准电流输出连接到“电动调节阀420mA输入”控制端。3、接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相空气开关，给智能仪表及“三相SCR移相调压装置”上电。锅炉水温控制实验实验内容与步骤实验内容与步骤4、打开上位机C+builder软件，并打开相应“锅炉温度控制主界面”运行环境，点击运行按钮或键盘快捷键F9，进入实验的监控界面。5、在上位机监控界面中点击“配置
15、”。进行端口号、对应水箱、对应执行器、对应控制率、控制率参数配置、目标设定值的选择。6、合上三相电源空气开关，“三相电加热管”上电加热，然后点击程序中的“运行”按钮，开始运行程序，使锅炉温度平衡于设定值，并且在上位机上实时动态显示当前锅炉温度情况。7、参考第一节中调节器参数整定方法，选择不同控制规律，并按整定后的参数进行调节器参数设置。8、分别适量改变参数，重复步骤47，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。1画出锅炉温度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，写出整定过程。3根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。4比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。实验实验报告要求报告要求锅炉水温控制实验