过程控制系统实验指导书2007-1

1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（参见教材）。2、实验准备（被调对象选为锅炉液位）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1.2,按图进行下列配管操作,去改变对象的工艺流程。2.1.1用4根带快速接头的软管分别将VA1与VI1(A1与IＮ1)、VO1与VB1（O∪T1与B1）、VA2与VI2（A2与IN2）、VO2与VB2（O∪T2与B2）四对阀门相连通，并将这8只阀门全开。2.1.2将低压进水阀V13、出水换向阀V19、水箱出水阀V21全开。水箱进水阀V24半开。其它手阀全关。2.2配线操作实验的仪表配线见图1.2，按图1.2对2台AI-818调节器进行插棒连线(6根弱电,4根强电)。2.3记录曲线的方法(取其中之一即可)2.3.1在DCS系统上记录数据。2.3.2记录智能仪表上的数据3、实验步骤:3.1阶跃响应法(反应曲线法)辨识数学模型3.2系统调整到相对稳定先关闭锅炉出水阀VA2,1#调节器手操用最大阀位进水,待锅炉液位达到常用范围(例200mm)并且高位水箱溢流;再手操1#调节器改变阀位使进水流量FIT-1为常用值(20-30%),手操2#调节器使出水流量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2T0、（3）过程放大倍数K0；再求其平均值。再根据τ、Ｔ０、Ｋ０计算Ｐ、Ｉ、Ｄ参数。3实验二单回路控制系统设计及其工程整定1、实验目的以锅炉温度或锅炉液位控制为例，掌握单回路控制系统的结构和调节器参数的工程整定方法。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。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1.2,按图进行下列配管操作,去改变对象的工艺流程。2.1.1用4根带快速接头的软管分别将VA1与VI1(A1与IＮ1)、VO1与VB1（O∪T1与B1）、VA2与VI2（A2与IN2）、VO2与VB2（O∪T2与B2）四对阀门相连通，并将这8只阀门全开。2.1.2将低压进水阀V13、出水换向阀V19、水箱出水阀V21全开。水箱进水阀V24半开。其它手阀全关。2.2配线操作实验的仪表配线见图1.2，按图1.2对2台AI-818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（1）比例带P1=40%（参考值）（2）积分时间I1=40（秒）（参考值）（3）微分时间d1=10（秒）（参考值）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4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实验三串级控制系统设计及其工程整定1、实验目的1.1系统组成1.1.1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。1.1.2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。1.1.3对象扰动之一由KA1继电器、进水电磁阀VD1、手阀V11组成了本实验的对象阶跃扰动之一。1.1.4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。1.2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。1.3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。1.4PID的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。1.5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。2、实验准备2.1对象的配管操作本实验的工艺流程图见图9.1，在对象和水塔上进行下列配管操作，去改变对象的工艺流程：2.1.1用4根带快装接头的软管分别将VA6与VB6(A6与B6)、VA1与VI1（A1与IN1）、VD1与VB1（OUT1与B1）、VA2与VB2（A2与B2）四对阀门相连通，将VA6与VA2半开，其它6只手阀全开。2.1.2将水泵出水阀V22、高压进水阀V14、出水换向阀V19全开，调整水箱进水阀V24的开度，使水泵出水压力表PI-1显示约0.04Mpa，变频器工作频率调整约为35HZ，其它手阀全关（低压进水阀V13要关闭）。2.2仪表的配线操作6本实验的仪表配线见图9.2和图9.3，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，4#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。2.3记录曲线的方法(取其中之一即可)2.3.1DCS集散控制系统（例浙大中控的JX-300X）或PLC可编程控制器，与控制台的J1、J2的I/O信号（1～5V/4～20mA）插座相连，其上位机的历史曲线功能可实现之。2.3.2电脑配RS232/RS485转换卡成为上位计算机,通过控制台的J3插座与各个调节器的RS485通讯口连接,上位机的工控软件包历史曲线功能可实现之。2.3.3电脑配I/O卡成为工控机,与控制台的J1、J2的I/O信号插座相连，用工控机的工控软件包历史曲线功能可实现之。2.3.4用台式X-Y自动平衡记录仪从控制台信号板0.2～1Ｖ插孔取出信号。2.3.5在控制台信号板的4～20mA插孔上并接精密电阻使之输出mV信号(I/V转换开关Ki放置电流I挡),用长图记录仪与mV信号连接。2.4调节器的参数设置2.4.11#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)2.4.1.1在LEVEL1中，设置：（1）输出限制OUTL=100.0(%)（2）自整定AT=NO(非自整定)2.4.1.2在LEVEL2中，设置：（1）比例带P1=40.0(%)（参考值）（2）积分时间I1=20（S）（参考值）（3）微分时间d1=5（S）（参考值）2.4.1.3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)2.4.22#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)2.4.2.1在LEVEL1中，设置：（1）输出限制OUTL=100.0(%)（2）自整定AT=NO(非自整定)2.4.2.2在LEVEL2中，设置：（1）比例带P1=150.0(%)（参考值）（2）积分时间I1=10（秒）（参考值）（3）微分时间d1=0（秒）（参考值）2.4.2.3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）72.4.34#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)2.4.3.1在LEVEL1中，设置：（1）输出限制OUTL=100.0(%)（2）自整定AT=NO(非自整定)2.4.3.2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)2.4.3.3将4#调节器设置为手动状态(MAN灯亮)。3、实验步骤3.1阶跃响应法（反应曲线法）辨识数学模型3.1.1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：3.1.1.1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