过程控制实验指导书201435

1《过程控制系统》实验指导书吴建国、姬文亮、陆平编写2014.32目录1.实验一:典型过程的工程建模2.实验二:单回路控制系统设计及其工程整定3.实验三:串级控制系统设计及其工程整定4.实验四:集散控制系统实验5.附录一:JX300X系统6.附录二:900系列智能控制器3实验一典型过程的工程建模1、实验目的掌握典型过程的工程建模方法。其实验原理为：被调对象选为锅炉液位或锅炉温度；改变其操纵量使其产生阶跃扰动，测试阶跃变化时过渡过程曲线，并用阶跃响应法来实验辨识系统的数学模型τ、T0、K0（参见图1以及教材）。图1阶跃响应曲线2、实验准备（被调对象选为锅炉液位）实验采用静压法测量锅炉液位的扩散硅压力变送器LT-3、1#调节器、LIC－3进水电动调节阀M1+VC1，以及被调对象构成了锅炉液位调节系统。2.1配管操作锅炉液位调节系统的流程图(用水箱水源和进水阀)见图2,按图2进行下列配管操作,去改变对象的工艺流程。2.1用带快速接头的软管将阀门相连通。2.2配线操作实验的仪表配线见图进行插棒连线(6根弱电,4根强电)。2.3记录曲线的方法(取其中之一即可)42.3.1在DCS系统上记录数据;2.3.2人工记录智能仪表上的数据.3、实验步骤3.1阶跃响应法辨识数学模型3.2系统调整到相对稳定关闭锅炉出水阀，手操1#调节器使锅炉的液位为200mm左右。然后改变1#调节器阀位使进水流量FIT-1为常用值(20-30%),手操锅炉出水阀使出水流量FIT-2与FIT-1相等，等待几分钟看液位基本不变，即达到系统相对稳定。3.3系统的正向阶跃扰动系统在相对稳定的基础上,手操1#调节器阀位阶跃增加5-10%。同时记录手动(开环)时锅炉液位LT-3的阶跃响应曲线,分析求解系统数模的三大特性参数:τ、T0、K0。3.4系统的反向阶跃扰动系统在正向阶跃扰动达到稳定后,再手操1#调节器阀位阶跃减少5-10%，同时记录锅炉液位LT-3的阶跃响应曲线,分析求解系统的τ、T0、K0。正、反向阶跃扰动求得的τ、T0、K0求平均值。4、实验报告4.1根据本实验3.1测试到的锅炉液位的正、反向阶跃响应曲线，分别求解系统数学模型的三大特性参数：（1）时延时间τ、（2）时间常数T0、（3）过程放大倍数K0；再求其平均值。4.2PID参数的整定。根据测试出的τ、Ｔ０、Ｋ０计算Ｐ、Ｉ、Ｄ参数。5.实验研究5改变3.2中的平衡位置（200mm），以及改变出水阀门的开度，重新按照3.3和3.4的步骤进行，求得的τ、T0、K0求平均值与原先有何区别？6图2锅炉液位实验框图7实验二单回路控制系统设计及其工程整定1、实验目的以锅炉液位控制为例，掌握单回路控制系统的设计方法和调节器参数的工程整定方法。通过对PID参数的修改，研究PID参数对性能指标的影响1.1实验原理（锅炉液位控制为例）静压法测量锅炉液位的扩散硅压力变送器LT-3、1#调节器、LIC－3进水电动调节阀M1+VC1，以及被调对象构成了锅炉液位调节系统。在实验一的基础上，对PID参数进行整定，分析锅炉液位调节过程。。1.2PID参数影响测试并分析不良的P.I.D参数对过程控制性能指标的影响,掌握人工整定PID参数的方法。1.3调节器参数设置熟悉掌握调节器的参数设置和手动、自动的操作方法。2、实验准备2.1配管操作锅炉液位调节系统的流程图(用水箱水源和进水阀)见图2,按实验要求进行配管操作,改变对象的工艺流程。实验设计为进水调节阀调节，出水调节可采用调节阀的形式、也可采用手操阀的形式，后者的阀门开度要合适。2.2配线操作实验的仪表配线见图1，按图1对2台P909调节器进行插棒连线(6根弱电,4根强电)。2.3调节器的参数设置1#P909调节器用于LIC-3(锅炉液位的显示和调节),需要设8置的参数如下:(未列出者用厂商缺省值)一、在LEVEL1中，设置（1）输出限制OUTL=100%（2）报警设定AL1=150.0(mm)二、在LEVEL2中，设置根据实验一计算的PID参数设置：（1）比例带、（2）积分时间、（3）微分时间。三、在LEVEL3中，设置（1）输入另位ANL1=0.0(2)输入满度ANH1=600.0(mm)(3)小数点DP1=000.0(4)报警模式Ald1=16(绝对值低报警)(5)通讯地址IdNO=X(6)单位选择UNIT=A(无单位)(7)正反作用OUD=HEAT(反作用)3、实验步骤3.1测试分析设定值扰动下的过渡过程曲线根据实验一中测试出系统的τ、T0、Ｋ０特性参数计算出Ｐ、Ｉ、Ｄ参数，设置到调节器并投入自动运行。分别进行设定值的正、反向阶跃扰动，同时纪录在自动（闭环）时锅炉液位ＬＴ－３的过渡过程曲线，求解自控系统的时域性能指标n、б、e（∞）、tＳ。分析这些指标再进行人工微调ＰＩＤ参数以求最佳。3.2测试分析对象扰动下的过渡过程曲线用插棒连接KA1继电器的线圈供电，进水电磁阀VD1打开；改变手阀V11的开度可改变被调介质的扰动量。同理测试分析n、б、e（∞）、tS指标并人工微调PID参数。3.3测试不良比例带对过渡过程的影响在最佳PID参数的基础上,较大幅度地增减比例带P,测试9其在设定置阶跃扰动和对象阶跃扰动下的过渡过程曲线,并求解其n、б、e（∞）、tS指标。3.4测试不良积分时间对过渡过程的影响较大幅度地增、减积分时间I,同理进行测试求解其n、б、e（∞）、ts。４、实验报告4.1根据τ、Ｔ０、Ｋ０计算Ｐ、Ｉ、Ｄ参数。４.2根据本实验3.2测试到的系统在设定值正、反向阶跃扰动下的各个过渡过程曲线，分别求解系统的时域性能指标：（1）衰减比n=Y1/Y3，（2）超调量б=Y1/Y（∞）*100%，（3）残余偏差e（∞）=SV-PV（∞），（4）调节时间ts。（参见教材Pg6）4.3根据本实验测试到的系统在对象阶跃扰动下的过渡过程曲线,求解系统的时域性能指标n、б、e（∞）、ts。4.4根据本实验测试到的较大幅度增、减比例带P后的系统过渡过程曲线，求解的时间域性能指标n、б、e（∞）、ts，分析其因。4.5根据本实验测试到的较大幅度增、减积分时间I后的系统过程过渡曲线，求解系统的时域性能指标并分析其原因。5实验研究5.1若改为出水调节阀实现液位控制，实验中需改变的内容有哪些？5.2对于液位控制，最佳的PID控制器结构是哪一种？10实验三串级控制系统设计及其工程整定1、实验目的以流量、液位串级控制为例，掌握串级控制的构成与原理。并对比单回路控制，掌握串级控制的优越性。2、系统组成图3串级控制方块图2.1主回路组成由静止法测量锅炉液位的扩散硅压力变送器LT-3（0～600mm）、锅炉液位显示和控制的1#调节器LIC-3组成了串级控制的主回路。2.2副回路组成由测量进水流量的电磁流量传感器FE-1及其变送器FIT-1（0～300L/h）、主调节器LIC-3的输出4～20mA作为2#副调节器的串级外给定RSV、外给定控制开关RSV-K、进水流量显示和控制的2#副调节器FIC-1、进水电动调节阀M1+VC1以及被调对象组成了串级控制的副回路。2.3对象扰动之一由KA1继电器、进水电磁阀VD1、手阀V11组成了本实11验的对象阶跃扰动之一。2.4对象扰动之二由4#调节器的手操H-4、作执行器的交流变频器MMV、水泵及其对象组成了本实验的对象阶跃扰动之二。3、实验内容3.1建立数学模型掌握用阶跃响应法先后来实验辨识副回路控制系统的数学模型特性参数τ2、T02、K02和主回路控制系统的数学模型特性参数τ1、T01、K01，并以此计算主、副调节器的P、TI、TD调节参数。3.2测试系统的性能指标当给定值或对象介质阶跃扰动时，掌握测试控制系统的过渡过程曲线方法并计算其性能指标。3.3分析PID参数影响测试并分析不良的P、I、D参数对控制系统性能指标的影响,掌握人工整定PID参数的方法。3.4调节器的使用熟悉掌握串级控制系统中主、副调节器的参数设置和主、副回路的手动、自动的切换方法。4、实验准备4.1对象的配管操作根据设计的工艺流程图用带快装接头的软管连接相应的阀门。4.2仪表的配线操作对控制台上的1#调节器的输入、输出、电源，2#调节器的PV输入、RSV输入、RSV-K开关（插棒线）、输出、电源，124#调节器的输出、电源；对变频器的给定和使能开关信号；对KA4继电器输入、输出，分清强、弱电，分别用插棒一一连接。在实验中间，需用插棒连接KA1继电器的线圈（输入）以制造对象阶跃扰动。4.3调节器的参数设置4.3.11#调节器(P909)用于LIC-3(锅炉液位的显示和控制),其需要设置的参数如下:(未列出者用出厂默认值)在LEVEL1中，设置：（1）输出限制OUTL=100.0(%)（2）自整定AT=NO(非自整定)在LEVEL2中，设置：（1）比例带（2）积分时间（3）微分时间在LEVEL3中，设置：（1）小数点dP1=000.0（2）测量下限LSPL=0.0(mm)（3）测量上限USPL=600.0(mm)（4）通讯地址IdNO=1(参考值)（5）正反作用oud=HEAT(反作用)4.3.22#副调节器的参数设置2#副调节器用于FIC－1(进水流量的显示和调节)，选用台湾泛达公司的P909智能调节器，其需要设置的参数如下：(未列出者用出厂默认值)在LEVEL1中，设置：13（1）输出限制OUTL=100.0(%)（2）自整定AT=NO(非自整定)在LEVEL2中，设置：（1）比例带）（2）积分时间（3）微分时间在LEVEL3中，设置：（1）小数点dP1=000.0（2）测量下限LSPL=0.0(L/h)（3）测量上限USPL=300.0(L/h)（4）通讯地址IdNO=2(参考值)（5）正反作用Oud=HEAT（反作用）4.3.34#调节器(手动)的参数设置4#调节器用于PIH-2(压力显示和手操作变频器给定),其需要设置的参数如下:(未列出者用出厂默认值)在LEVEL1中，设置：（1）输出限制OUTL=100.0(%)（2）自整定AT=NO(非自整定)在LEVEL3中，设置：（1）小数点dP1=000.0（2）测量下限LSPL=0.0(KPa)（3）测量上限USPL=100.0(KPa)（4）通讯地址IdNO=4(参考值)将4#调节器设置为手动状态(MAN灯亮)。5、实验步骤5.1阶跃响应法（反应曲线法）辨识数学模型145.1.1副回路数学模型的辨识将副回路的2#调节器设置为手动，其数学模型的辨识方法与一般的单回路控制系统相同，辨识方法如下：开环系统调整到相对稳定先将锅炉液位控制系统投入自动并达到相对稳定，再手操2#调节器改变VC2开度，使进水流量达到常用范围（例75L/h），待高位水箱溢流,本开环系统处于相对稳定状态。开环系统的正向阶跃扰动开环系统在相对稳定的基础上,手操2#调节器阀位阶跃增加10%；同步记录系统开环时进水流量FT-1的阶跃响应曲线,求解系统数学模型的三大特性参数:τ、T0、K0。开环系统的反向阶跃扰动开环系统在正向阶跃扰动达到稳定后,再手操2#调节器阀位阶跃减少10%；同步记录进水流量FT-1的阶跃响应曲线,求解系统的τ、T0、K0及其平均值。5.1.2主回路数学模型的辨识在副回路数学模型辨识得到特性参数τ2、T02、K02，从而计算出2#调节器的P、TI调节参数，将比例带P扩大后设置到2#调节器，2#调节器为偏弱的纯比例调节作用串级副回路投入自动，（连接RSV的输入和RSV-K的开关）。由于副调节器可等效为一个比例环节，它作为主调节器广义对象的一部分，因此主回路的数学模型的辨识方法也可采用一般单回路控制系统的辨识方法。开环系统调整到相对稳定先关闭锅炉出水阀VA2,1#调节器置手动，手操到最大阀位进水,待锅炉液位达到常用范围(例300mm)时再打开VA2阀，待15高位水箱溢流;手操1#调节器改变输出阀位使进水流量变送器（对象上）FIT-1为常用值(20-30%)；再调整手阀VA2开度，使出水流量变送器（对象上）FIT-2与FIT-1相等，等待几分钟看液位基本不变，即开环系统处于