《过程控制系统》实验指导书(修改)

《过程控制系统》实验指导书实验设备简介A3000对象系统包含三个水箱，一个大的蓄水箱，一个锅炉，一个工业用板式换热器，两个水泵，大功率加热棒，滞后系统以及加热联锁保护系统。传感器和执行器包含5个温度、3个液位、1个压力、1个电磁流量计，1个涡轮流量计,1个电动调节阀，2个电磁阀，以及2个锅炉液位开关。结构工艺图如下图0-1所示：、图0-1A3000高级过程控制系统结构工艺图实验一单容自衡水箱液位比例控制实验一．实验目的：⑴通过实验了解单回路控制系统的原理及采用纯比例控制时的特点；⑵分析比例控制时，比例系数改变时对系统稳态指标和静态指标的影响；二．实验设备：A3000高级过程控制实验设备，计算机监控系统。三．实验原理实验原理图如下：四．实验内容与步骤：1．系统连接⑴在A-3000设备上，打开手动调节阀JV201、JV206，其余阀门关闭。⑵将下水箱液位变送器输出连接到PLC的输入端子AI0，PLC的输出端子AO0连接到电动调节阀上控制信号端(注意红黑线不要接错)。⑶打开A3000设备电源，启动右边水泵。⑷启动计算机组态软件，进入实验系统，选择“单容液位定值控制实验”。2．P控制⑴调节下水箱出口闸板开度到某一刻度（如下闸板顶到槽顶距离（开度）5mm）；⑵设定一个液位给定值SP（例如30），将比例系数设定为某一个较小的值，并设定积分时间常数为最大，微分时间常数为0，启动系统。⑶待系统达到稳态时，用抓图的方法记录所得的响应曲线；⑷按电脑监控界面的停止按钮，停止系统。将出水闸板开度加大，将水箱水放掉，待水放完之后，重新将出水闸板开度设定为5mm。⑸仍然设定为纯比例控制下（设定方法见步骤⑵），增大比例系数，重新做步骤⑵和⑶。⑹重复上述步骤⑸，重新记录响应曲线，上述响应曲线至少测得3组，包括单调曲线2组、衰减振荡曲线1组。注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。五．实验报告要求：⑴抓取不同比利系数时所得到的响应曲线，打印出来并附在实验报告上。⑵根据所获得3组响应曲线，计算稳态误差sse、超调量(%)和调整时间st。⑶回答思考题。六．思考题：分析随着比例系数的增大，对系统的稳态指标（稳态误差sse）和动态指标（超调量(%)和调整时间st）有什么影响？实验二单容自衡水箱液位PID控制实验一．实验目的：⑴通过实验了解单回路控制系统的原理及采用P、PI、PID控制时的特点；⑵分析PI控制时，积分时间常数及微分时间常数改变时对系统稳态指标和静态指标的影响；二．实验设备：A3000高级过程控制实验设备，计算机监控系统。三．实验原理实验原理图如下：四．实验内容与步骤：1．系统连接⑴在A-3000设备上，打开手动调节阀JV201、JV206，其余阀门关闭。⑵将下水箱液位变送器输出连接到PLC的输入端子AI0，PLC的输出端子AO0连接到电动调节阀上控制信号端(注意红黑线不要接错)。⑶打开A3000设备电源，启动右边水泵。⑷启动计算机组态软件，进入实验系统，选择“单容液位定值控制实验”。2．PI控制⑴调节下水箱出口闸板开度到某一刻度（如下闸板顶到槽顶距离（开度）5mm）；⑵在实验一比例调节测试的基础上（在计算机监控画面中设定P值为某个数值如2或3），加入积分作用。即在计算机监控界面上设置I参数为不是特别大的数。固定比例P值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后给定值加阶跃扰动，观察给定值加阶跃扰动后被调量的输出波形，并抓取并记录两组不同Ti值时的输出曲线。⑶通过上一步的实验观察，选择一组合适的P和Ti值，使系统对给定值阶跃扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线，记录这条响应曲线。3．PID控制⑴在获得上述满意的PI控制器参数的基础上，固定此PI参数，再引入适量的微分作用，即在监控软件界面上设置D参数，然后加上与前面PI调节时幅值完全相等的给定值扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线。⑵逐渐增大Td和反复试凑，选择合适的Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线，并抓取记录此响应曲线。（注意：按上述步骤，本实验至少应记录3条响应曲线：PI控制2-3条，PID控制至少1条）五．实验报告要求：⑴在上述的给定值加阶跃扰动条件下，将抓取的2组不同Ti值时的输出曲线（在同一比例系数P值下）打印出来并附在实验报告上。⑵计算这2条曲线的超调量(%)和调整时间st。⑶将实验中获得的较为满意的PI和PID控制下的输出曲线打印出来并附在实验报告上。⑷回答思考题。六．思考题：1.积分的引入对闭环控制有何影响？积分作用过强和过弱有何不同？2.微分控制一般应用在什么场合？微分的引入会对闭环系统产生什么影响？微分过强与过弱有何不同？（以上思考题从闭环系统的动态和静态特性方面回答）实验三电动调节阀流量特性测量实验一．实验目的：⑴通过实验验证直线型调节阀的理想流量特性，并加深理解；⑵理解影响调节阀流量的因素；⑶通过控制电动调节阀的阀前压力，熟悉和掌握管道压力的单回路调节原理。二．实验设备：A3000高级过程控制实验设备，计算机监控系统。三、实验原理：本实验通过控制电动调节阀的阀前压力来控制电动调节阀两端的压力为恒定值（由于电动调节阀的阀后压力基本等于大气压），从而来测定电动调节阀的理想流量特性。由调节阀理想流量的关系式，maxvvqlfqL，其中maxvq是对应于调节阀处于全开（控制电流等于20mA时，电动调节阀处于全开）时流过调节阀的流量，maxvq通过实验可测得。实验中，使用智能调节仪表分别手动给电动调节阀的控制输入端输入4～20mA的直流电流信号即可使电动调节阀处于某个稳定的开度上。并可由输入的电流值算出相对开度。测出此相对开度下的相对流量值，反复测出几组相对开度对应的相对流量与的值，绘制成理想流量特性曲线，进而得到电动调节阀的理想流量特性。实验原理图如下图3.1图3.1电动调节阀流量特性测试原理图四．实验内容与步骤：⒈在A-3000设备上，根据水流方向，打开相应手动调节阀，其余阀门关闭。⒉调节下水箱出口闸板开度到某一刻度（开度可稍微大一些）；⒊将压力变送器输出连接到AI0，AO0输出到变频器信号输入端。⒋将调节阀控制信号端连接到智能控制仪表的MV端（控制信号端）。⒌启动计算机组态软件，进入实验系统，选择“电动调节阀特性测量实验”。⒍在监控界面上输入压力给定值，例如可取给定压力为30。⒎给定智能调节仪表的输出为8-16mA中的某一值，并等到调节阀不动为止。调节PID参数，直到使压力信号的动态特性和静态特性都比较好。⒏固定压力值和PID参数值，调节智能控制仪表的控制信号为4mA，观察管道压力的变化情况，待到压力进入稳态后，读取此时通过调节阀的流量（可通MPC101PT101变频器M储水箱V104下水箱V103过现场的智能流量计来读取，或连接到另一块智能控制仪表上读取）。⒐分别设定智能控制仪表的输出控制信号为8mA、12mA、16mA和20mA(或再多取几个值)，重新做步骤⑶，将步骤⑵、⑶所得结果记录到如下表格3-1中。表3-1调节阀控制量（mA）计算开度管道压力调节阀流量4812162010．实验结束，关闭水泵，关闭所有电源，拆下所有连接线。五．实验报告要求：⑴完成表3-1；⑵根据表3-1中的数据，绘制出电动调节阀的理想流量特性曲线。⑶回答实验思考题。六．思考题⑴从理性流量特性考虑，直线阀与等百分比阀的不同在哪里？⑵选择控制阀的流量特性时主要需要考虑哪几方面的因素？实验四流量调节阀控制实验一．实验目的：⑴通过实验掌握用调节阀控制流量的原理；⑵进一步掌握单回路控制的特点及对控制效果的评价；⑶进一步熟悉单回路PID控制中，PID参数整定的一般原则。二．实验设备：A3000高级过程控制实验设备，计算机监控系统。三、实验原理：本实验控制系统是一个单回路的流量定值控制系统，控制目的是使被控管道的流量等于设定值。其中水泵P102处于工频运行，流量检测使用电磁流量计FT103，其检测的管道流量信号送给流量控制器FC101，FC101使用PLC进行控制，FC101输出的控制信号送给电动调节阀，通过控制电动调节阀的开度来控制管道的流量等于设定值。实验原理图如下图所示：四．实验内容与步骤：⒈在A-3000设备上，打开手动调节阀JV201、JV206，其余阀门关闭。⒉调节下水箱出口闸板开度到某一刻度（开度可稍微大一些）；⒊将电磁流量计FT102输出连接到AI0，AO0输出到电动调节阀上。⒊打开A3000设备电源，启动右边水泵。⒋启动计算机组态软件，进入实验系统，选择“流量调节阀控制实验”。⒌应用前三个实验使用的整定PID参数的经验和方法整定PID参数，使流量调节过程曲线呈现单调过程，并尽量缩短调节时间，记录此时对应的PID参数及所得响应曲线，求取过渡过程时间st。⒍使用同样的方法整定PID参数，使流量调节过程曲线呈现衰减振荡过程，并尽量减少超调量和缩短调节时间，记录此时对应的PID参数及所得曲线，并计算超调量(%)和过渡过程时间st。⒎使用同样的方法整定PID参数，使流量调节过程曲线呈现等幅振荡过程，记录所得曲线及其振荡周期。⒏实验结束，整理所获得的曲线和数据。关闭水泵，关闭阀门，关闭全部电源设备，拆下连接线。五．实验报告要求：⑴将实验所得曲线打印出来并附在实验报告上。⑵根据实验步骤中的要求计算各动态指标参量（(%)、st）。⑶回答思考题。六．思考题⑴用经验法整定PID参数的一般原则有哪些？实验五双容自衡水箱液位定值控制实验一．实验目的：⑴通过实验了解双容被控对象的内涵和特点；⑵进一步熟悉单回路PID控制中，PID参数整定的一般原则。⑶理解单容液位与双容液位PID调节的不同点。二．实验设备：A3000高级过程控制实验设备，计算机监控系统。三．实验原理图：四．实验内容与步骤：3．系统连接⑴在A-3000设备上，使用2支路和中水箱、下水箱。沿水流方向检查，打开相应的手动调节阀，其余阀门关闭。⑵调节中水箱和下水箱出口闸板开度到某一刻度，中水箱闸板开度可稍大于下水箱。例如中水箱闸板开度1～1.5cm，下水箱闸板开度0.5～1cm。（可体会为什么?）⑶将液位变送器LT103输出连接到PLC的AI0，PLC的AO0输出接到电动调节阀的控制输入端。⑷打开A3000设备电源，启动右边水泵。⑸启动计算机组态软件，进入实验系统，选择“双容水箱液位调节阀控制实验”。4．P控制⑴在组态界面上将I参数设为最大取消I控制，将D参数设为0取消D控制。⑵在组态界面上设置P参数为两个大小不同的值，记录相应曲线。⑶计算稳态误差。3．PI控制⑴在组态界面上设置PI参数进行PI控制。⑵整定PI参数，获得较好的动态控制品质，并记录响应曲线。⑶计算超调量和调节时间。４．PID控制⑴在组态界面上设置PID参数进行PID控制。⑵整定PID参数，获得较好的动态控制品质，并记录响应曲线。⑶计算超调量和调节时间。五．实验报告要求：⑴将实验所得曲线打印出来并附在实验报告上。⑵根据实验步骤中的要求计算各动态指标参量（(%)、st）和稳态误差。⑶回答思考题。六．思考题⑴分析对双容液位进行P、PI、PID控制时，控制性能有何不同。