过程控制工程实验指导书(XXXX版)412

第页1过程控制工程实验指导书华东理工大学2015年4月2前言《过程控制工程实验》是《过程控制工程》课程教学体系中不可缺少的重要环节，旨在通过动手实践操作，加深学生对理论知识和基本概念的理解与掌握，培养学生的工程实施能力，激发学生的创造力。本实验课程由基本实验、演示实验、设计实验、计算机仿真实验和DCS控制系统实训实验组成。基本实验以模拟对象装置、控制器、记录仪等仪器、仪表为工具，通过线路连接搭成各种控制回路并进行调试，使学生认识对象特性及控制参数调整对过程的影响；演示实验和设计实验以小型温度、压力、液位控制系统实验装置为工具，通过演示或实际设计操作，使学生认识实际生产装置的控制方法；计算机仿真实验使学生了解计算机仿真对自动控制系统的意义、作用和基本方法，了解MATLAB软件包仿真过程的方法，并进一步了解过程参数的测试方法和控制系统的工程整定方法。PLC、DCS控制系统的实训实验可以让学生通过实验掌握目前工业领域上主流先进的PLC、DCS控制系统的回路控制的构成、软硬件组成，能基于其上的求取控制系统数学模型的特性，并学会使用ABBPLC、DCS控制系统进行控制系统的设计。通过熟悉DELTAVDCS控制系统的现场总线系统的架构，掌握DELTAVDCS控制系统FF现场总线设备的基本类型和操作方法，并学习现场总线设备的信息查询和硬件连接方式、方法。基于数字虚拟仿真工厂的控制系统设计及调试实验，可以通过目前工业上标准的OPC接口技术实现远程的虚拟过程控制工程实验。同时，基于真实的HoneywellPKSDCS控制系统，控制采用Aspenplus软件平台搭建整个与石化工业乙烯生产实际过程中完全一致的虚拟的乙炔加氢、绿油吸收和乙烯精馏生产过程。可以实现控制系统实验的虚拟化。本实验指导书适用于自动化专业和测控技术与仪器专业，由孙京诰、刘漫丹、杨洁、王为国等教师共同编写。华东理工大学信息学院2015年4月3目录2014～2015学年第2学期实验安排...........................................................................4实验要求..................................................................................................................5实验1对象动态特性测试.........................................................................................5实验2控制器参数对控制质量的影响.....................................................................7实验3用曲线拟合法估计模型参数.........................................................................8实验4干扰位置对控制质量的影响.......................................................................10实验5前馈控制系统...............................................................................................11实验6串级控制系统...............................................................................................13实验7DELTAVDCS控制系统的三容压力对象特性的测试...............................14实验8DELTAVDCS系统控制器的参数整定（三阶对象）...............................15实验9DELTAVDCS系统基于现场总线设备的三阶液位对象控制...................16实验10复杂控制系统仿真及参数整定...................................................................17实验11液位控制综合实验.......................................................................................18实验12温度控制综合实验.......................................................................................24实验13基于数字虚拟仿真工厂的控制系统设计及调试.......................................30附1：MATLAB仿真程序说明.................................................................................31附2：小型模拟对象仪的使用说明...........................................................................32附3：PID自整定控制器的使用说明.......................................................................35附4：液晶无纸记录仪的使用说明...........................................................................39附5：DELTAVDCS控制系统的操作站基本操作指导..........................................3642014～2015学年第2学期实验安排1．时间安排（以下时间安排为暂定，具体时间安排需等协商后通知大家）：本学期实验课程暂定为第7周——第15周。实际实验安排根据具体实验进程机动调整。创新实验：根据2015年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛考题，3人为一组提交报告！创新实验请利用课余时间完成，答疑时间另行商定。创新实验请各班班长帮助协调完成。全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛2015年大赛赛题网址:://=23703创新实验报告请班长收齐提交到奉贤校区信息大楼教务沈亮老师办公室上课时间表：1-2节08:00-09:403-4节09:55-11:30中午11:35-13:155-6节13:30-15:057-8节15:25-17:002．实验地点、内容安排：实验1，对象动态特性测试；奉贤校区信息大楼204实验2，控制器参数对控制质量的影响；奉贤校区信息大楼204实验3，用曲线拟合法估计模型参数；奉贤校区信息大楼机房暂定211机房实验4，干扰位置对控制质量的影响；奉贤校区信息大楼204实验5，前馈控制系统；奉贤校区信息大楼机房暂定211机房实验6，串级控制系统；奉贤校区信息大楼204实验11，液位控制综合实验；奉贤校区信息大楼208东实验12，温度控制综合实验；奉贤校区信息大楼208东实验9，DELTAVDCS系统基于现场总线设备的三阶液位对象控制；奉贤信息楼203实验10，复杂控制系统仿真及参数整定。奉贤校区信息大楼机房暂定211机房备注：、、......代表实验1、实验2、实验3......5实验要求1)每次实验前，必须预习实验内容，实验结束后，必须书写实验报告。2)实验报告中应写明如下内容：1)实验名称，姓名、班级、学号，若是分组实验，则写明同组合作者姓名；2)实验的目的、实验设备；3)实验的基本原理；4)实验设备连接图或仿真模块连接图、计算机程序等；5)实验详细步骤；6)实验结果，包括数据、图、表、曲线等；7)实验计算及分析、结论等；8)实验思考题、心得体会及建议等。3)实验结束后，须关闭仪表电源，整理好仪表。实验1对象动态特性测试实验目的：1)了解对象动态特性测试的阶跃响应法；2)掌握对象动态特性测试的数据处理方法。实验设备：模拟对象仪一台，控制器一台，无纸记录仪一台。实验原理：对象输入信号为阶跃信号时，对象的输出称为阶跃响应，根据阶跃响应曲线测试对象动态特性称为阶跃响应测试法。阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，手动地给对象加入的阶跃输入信号，同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定的对象模型结构，对实验数据进行处理，确定模型中的各参数。对于工业生产过程中最常见的自衡的非振荡过程，常采用两点法和曲线拟合法进行对象参数的确定。两点法：当对象模型可以用一阶加时滞环节来近似描述时，可用两点法直接求取对象参数。6当对象输入阶跃信号000)(ttrtu，对象的传递函数用seTSKsG1)(近似描述时，对象的输出响应曲线计算公式为：)1()(TteKrty在响应曲线上取两点),(11ytA和),(22ytB，联立求解得2121122112MMMtMtMMttT其中，)1ln(11KryM，)1ln(22KryM。实验要求：1)对一个一阶对象进行动态特性测试；2)对一个高阶对象进行动态特性测试；3)画出对象的标准响应曲线，与测试曲线进行比较。结果分析：被测对象111STK)1)(1)(1(321321STSTSTKKK实际设置值K1=T1=K1=K2=K3=T1=T2=T3=正向阶跃反向阶跃正向阶跃反向阶跃阶跃响应曲线参数估计K1=T1=K1=T1=K1*K2*K3=T=τ=K1*K2*K3=T=τ=思考问题：1．采用两点法进行图解时，为什么通常取1y、2y在0.284至0.865间的值？2．除了阶跃响应法测试对象特性外，还可以用哪些方法？7实验2控制器参数对控制质量的影响实验目的：1)了解控制器的比例度δ、积分时间Ti及微分时间Td的改变对控制质量的影响。2)了解控制系统参数整定的方法。实验设备：模拟对象仪一台，控制器一台，无纸记录仪一台。实验原理：当控制系统确定后，控制器的参数整定就直接影响控制质量的好坏，控制质量的好坏可用品质指标来衡量，也可用积分准则来衡量。对于定值控制系统和随动控制系统，由于控制的要求不同，因此所希望的质量指标也不同，控制器参数的整定值也会有所不同。比例控制作用是最基本的控制作用，比例度过小，会使控制系统变得不稳定，但余差减小，积分作用的引入主要是改善控制系统的静态品质，即消除余差，但会使系统的动态品质恶化，选择微分时间应适合，使引入微分作用后相位超前起主导作用，而幅值增大不大，这样才能改善控制系统的动态品质。控制系统的参数整定是基于上述知识，根据经验法、半经验法等进行的。实验要求：1．利用模拟对象仪和控制器，构造一个具有干扰通道的三阶对象单回路控制系统；2．分别对定值控制系统和随动控制系统进行δ、Ti、Td参数的对比实验，记录响应的控制品质指标，画出相应的输出响应曲线；3．分别分析讨论δ、Ti、Td参数对系统过渡过程的影响。结果分析：序号控制系统δTiTd衰减比n阻尼比ζ超调量σ最大偏差A回复时间Ts余差C稳定性1定值减小⁄⁄/2随动减小⁄⁄/3定值不变减小⁄/4随动不变减小⁄/5定值不变不变减小/思考问题：1)实验过程中，若因参数选择不当使系统振荡发散，应如何操作使系统尽快回复到稳定状态？2)有人说，由于积分作用增强，系统会不稳定，因此，在增强