热工过程控制实验报告姜栽沙资料.docx
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热工过程控制实验报告姜栽沙资料
热工过程控制工程
实验报告
专业班级：
新能源1402班
学生姓名：
姜栽沙
学号：
1004140220
中南大学能源学院
2017年1月
实验一热工过程控制系统认识与MCGS应用
组号______同组成员李博、许克伟、成绩__________
实验时间__________指导教师（签名）___________
一、实验目的
通过实验了解几种控制系统（基于智能仪表、基于计算机）的组成、工作原理、控制过程特点；了解计算机与智能仪表的通讯方式。
了解组态软件的功能和特点，熟悉MCGS组态软件实现自动控制系统的整个过程。
掌握MCGS组态软件提供的一些基本功能，如基本画面图素的绘制、动画连接的使用、控制程序的编写、构造实时数据库。
二、实验装置
1、计算机一台
2、MCGS组态软件一套
3、对象：
SK-1-9型管状电阻炉一台；测温热电偶一支（K型）。
4、AI818/宇电519/LU-906K智能调节仪组成的温控器一台。
5、THKGK-1型过程控制实验装置（含智能仪表、PLC、变频器、控制阀）一套
6、CST4001-6H电阻炉检定炉（含电阻炉、温度控制器、测温元件、接口）一套
7、电阻炉温度控制系统接线图和方框图如图1-1、1-2所示。
三、实验内容
1、电阻炉温度控制系统（液位、流量、压力）
被控过程:
电阻炉被控变量:
电阻炉温度
操纵变量:
电阻炉的功率主要扰动：
环境温度变化，电压值，电流值
2、带检测控制点的流程图
3、控制系统方框图
4、控制系统中所用的仪表名称、型号（检测仪表、控制器、执行器、显示仪表）。
检测仪表：
CST4001-6H电阻炉检定炉
控制器：
AI818/宇电519/LU-906K智能调节仪组成的温控器
执行器：
THKGK-1型过程控制实验装置（含智能仪表、PLC、变频器、控制阀）
显示仪表：
计算机
5、智能仪表与计算机是怎样进行通讯？
有哪几种方式？
智能仪表与计算机通讯一般有三种方式，分别为USB接口，485接口，232接口，通过这些接口进行信号传输，计算机得以对仪表进行温控。
6、什么是组态软件？
组态软件是指对系统的各种资源进行配置，达到系统按照预定设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的的应用软件。
四、MCGS组态界面
提供电阻炉温度控制系统一套完整组态界面图（共6个图），包括主界面、运行界面、设备工况、存盘数据、实时曲线、历史数据。
五、思考题
1、定值控制、随动控制和程序控制有何区别？
定值系统是设定值恒定，不随时间而变；随动控制系统是设定值随时间不断变化，而且预先不知道它的变化规律；程序控制系统是设定值在时间上按一定程序变化，被控量在时间上也按一定程序变化。
2、组成一个简单控制系统需要哪些基本环节？
对象，检测元件及变送器，控制器，执行器。
3、说明在计算机上完成232接口、USB接口设置步骤（要配屏幕截图）。
232接口用来串口连接USB的数据线，将接口转为USB后，插上USB接口，安装好接线的驱动即可。
4、简述智能仪表（宇电519）在MCGS组态软件中设备窗口进行组态配置的方法和步骤（要有屏幕截图）。
选择设备构件 ； 设置构件属性 ；连接设备通道 。
5、设计两种流量控制系统，分别画出两个控制系统的原理图、方框图，比较说明两种控制系统的优劣。
典型工业加热炉燃烧过程流量控制系统有以下两种：
①比值串级控制系统
优：
比值系数可以预先设定，在系统稳定运行的情况下，通过分析烟气含氧量计算热效率，人工调整比值器的设定值，可以使燃烧处于较佳状态。
缺：
在动态过程中，不能保持适当的空气燃料比。
②交叉限幅控制系统
优：
发生扰动时，由于高低值选择器的限幅作用，使得系统能在一定的范围内维持空气-燃料比，克服了一般比值调节方式的局限性。
6、对电阻炉温度进行温度控制时，常用的执行器有哪几种？
各有什么特点？
①气动执行器：
结构简单，输出推力大，动作可靠，性能稳定，维护方便，价格便宜，本质安全防爆。
控制精度较低，双作用的气动执行器，断气源后不能回到预设位置。
单作用的气动执行器，断气源后可以依靠弹簧回到预设位置。
②电动执行器：
能源取用方便，信号传输速度快，传送距离远，便于集中控制，灵敏度和精度较高，与电动调节仪表配合方便，安装接线简单。
结构复杂，体积较大，推力小，价格贵。
实验二对象动态特性测试与识别
组号______同组成员李博、许克伟、成绩__________
实验时间__________指导教师（签名）___________
一、实验目的
了解飞升曲线法（即阶跃法）测量对象动态特性的方法，并根据飞升曲线识别对象的动态特性，通过数据处理建立对象的数学模型。
二、实验仪器及设备
1、计算机一台
2、MCGS组态软件一套
3、对象：
SK-1-9型管状电阻炉一台；测温热电偶一支（K型）。
4、AI818/YD519/LU-906K智能调节仪组成的温控器一台。
三、预习填空
1、在实际工作中，常常用实验的方法来研究对象的特性。
通常采用飞升曲线（即阶跃法）测量对象动态特性，通过数据处理建立对象的动态特性。
表征对象动态特性的通常用微分方程式或传递函数。
2、对象特性的实验测取法有响应曲线法、矩形脉冲法、正弦波法和随机信号法四种。
3、表征对象特性的参数有放大系数K、时间常数T和滞后时间τ。
4、对象特性的类型有自衡非振荡、无自衡非振荡、自衡振荡和反向特性四种。
5、时间常数可以通过响应曲线和实验测定求出。
四、实验装置示意图
电阻炉特性测试原理图、接线图、数据采集MCGS组态界面图。
电阻炉特性测试原理图：
接线图：
数据采集MCGS组态界面图
：
五、实验数据
对象飞升曲线测试数据见表1.
表1对象飞升曲线测试记录
时间（分）
0
1
2
3
4
5
……
炉温（℃）
100
132
190
270
300
320
……
炉温变化值
ΔΤ（℃）
0
32
58
80
30
20
加阶跃前电炉初始电压（V）
50
加阶跃前电炉温度Τ0（℃）
100
加阶跃后电炉电压（V）
120
注：
ΔΤ=Τn-Τ0;Τn—每分钟读得的温度值（℃）。
五、实验数据处理
根据对象飞升曲线测试数据，绘制响应特性曲线（要求用坐标纸画准，或者用作图软件绘制）。
六、实验结论
1、简述实验原理
实验测取时，就是在所研究的对象上加上一个人为的干扰，然后测取表征对象特性的物理量，即输出参数随时间变化的规律，得出一系列实验数据或曲线，并对这些数据或曲线加以处理，便得到表征对象动态特性的微分方程式或传递函数。
2、根据飞升曲线，求取放大系数、时间常数和滞后时间。
放大系数：
曲线上A点的切线斜率值。
时间常数：
T。
滞后时间：
3、通过数据处理，求出对象特性的数学模型。
对于一阶有纯滞后的则为
实验三电阻炉温度的检测与控制综合实验
组号______同组成员李博、许克伟、成绩__________
实验时间__________指导教师（签名）___________
一、实验目的
本实验是通过对电阻炉的温度测量与控制系统的设计及安装、调试，加深已学过知识的掌握及应用能力。
二、实验仪器及设备
列出实验中用到的主要设备的名称、型号、规格、技术指标
1、控制器：
智能控制仪表、计算机、PLC、单片机、温度变送器
2、执行器：
可控硅调压主回路、中间继电器、交流接触器
3、检测元件：
K分度热电偶、K分度铠装热电偶、Pt100热电阻
三、预习填空
1、调节器基本控制规律有P、PI、PID，对应设置的三个参数为比例带δ、积分时间TI、微分时间TD。
2、比例度增大，调节器输出信号减小。
积分时间增大，调节器输出信号减小。
微分时间增大，调节器输出信号增大。
3、智能仪表的通讯接口是USB，在控制时计算机用的通讯接口有485和232两种。
4、在对电阻炉进行温度控制时，如果要连续稳定控温，执行器应选用可控硅调压回路；如果对温度采用位式控制，执行器可选用中间继电器。
四、实验装置示意图
请画出电阻炉温度控制系统原理图、方框图，电阻炉温度控制系统主要设备如图1所示，请画出设备接线图。
图2电阻炉温度控制系统主要设备
原理图：
方框图：
五、实验内容
1、设计电阻炉温度控制系统，完成电阻炉温度控制系统方框图、接线图、设备组态图。
方框图和接线图如四、实验装置示意图所示。
设备组态图：
2、描述智能仪表控制组态（包括设定值改变、检测元件设定、输入信号确认、控制参数（P、I、D）设定与查询）的过程。
检测元件将生产工艺参数检测出来，通过信号调节电路处理，传输给A/D转换器，转换为计算机所能接收的数据，组态软件对其所采集的数据进行显示，运算与输出控制等，处理结果可通过ODBC、DDE及OPC等被其它应用程序使用，并传送到远程终端。
3、电阻炉温度控制MCGS主界面、运行界面
六、实验结论
1、根据实验观察，概括PID控制特性。
理想PID控制的特性方程可以用如下微分方程表示。
由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。
PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。
2、分析电阻炉温度变化曲线特点，说明电阻炉温度控制系统采用什么控制规律。
比例微分控制规律不能消除余差，为使电阻炉温度能够稳定，比例微分系统的控制质量仍不够理想，为了消除余差，得到更合适的控制质量，所以应采用PID控制规律。
实验四、单容水箱液位PID控制系统
组号______同组成员_______________________成绩__________
实验时间__________指导教师（签名）___________
一、实验目的
1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的阶跃响应。
3、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的抗扰动作用。
4、定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响。
二、实验仪器及设备
列出实验中用到的主要设备的名称、型号、规格、技术指标
1、液位传感器：
THKGK-1型过程控制实验装置LWGY-4
2、控制器：
THKGK-1型过程控制实验装置GK-04
3、变频器：
THKGK-1型过程控制实验装置GK-07
4、控制阀：
THKGK-1型过程控制实验装置GK-03
三、预习填空
1、在阶跃信号输入作用下，一般希望控制过渡过程衰减比n为4~10。
常用的单项品质指标还有超调量、余差及过渡时间。
2、对于阶跃扰动作用的系统，若将比例度δ减小，则过渡过程最大偏差减小，衰减比减小，振荡频率减小。
3、采用积分控制规律能消除余差。
4、微分作用能改善控制指标的主要原因是微分输出的大小与偏差变化速度及微分时间成正比，即使偏差很小，但只要出现变化趋势，即可马上进行控制，即超前控制。
但微分时间过大，会引起系统振荡。
加上适当的微分作用后，若要保持原衰减比不变，则应相应减小比例度。
5、描述一阶阻容环节的特性参数有放大系数K、时间常数T和滞后时间τ。
控制通道是指以操纵量作为输入，被控量作为输出的通道，扰动通道是指以扰动量作为输入，被控量作为输出的通道。
6、差压变送器测量液位时，经常遇到零点迁移问题，其实质是同时改变差压变送器的上限与下限（即测量范围），而不改变量程；其目的（作用）使变送器的输出信号下限与测量范围的下限值相对应，适用现场安装变送器的工作条件。
四、实验装置示意图与接线图
1）液位控制系统设计
单容水箱液位检测与控制工艺流程如图1所示，请画出带检测控制点的流程图和控制系统方框图；液位控制系统主要设备如图2所示，请画出液位控制系统设备接线图。
图1单容水箱液位控制流程图
图2液位控制系统主要设备
液位控制系统方框图：
2）液位控制系统MCGS组态的主界面（组态界面上要有参与实验人员名字）。
五．实验结果与分析
1、如何实现减小或消除余差？
纯比例控制能否消除余差？
适当增加积分作用可以消除余差；纯比例控制不能消除余差，因为比例作用控制的输入输出信号一一对应，输入信号为e，当被控对象的负荷发生变化后，调节机构必须移动到某一与负荷相适应的位置，才能使系统相平衡，因此不可避免的存在余差。
2、试定性地分析三种调节器的参数δ、（δ、Ti）和（δ、Ti和Td）的变化对控制过程。
P调节器：
KP越大或δ越小则控制作用越强，余差越小，最大偏差越小；KP太大或δ太小则控制作用太强，稳定性降低、甚至使系统失稳。
PI调节器：
δ越小则控制作用越强，余差越小，最大偏差越小；在同样的比例度δ下，Ti↓，积分作用↑，容易消除余差，有利的一面；Ti↓，积分作用↑，系统振荡加剧，有不易稳定的倾向，Ti越短，振荡越强烈，甚至发散，不利的一面。
PID调节器：
比例控制参数——对动态特性的影响：
比例控制加大，使系统的动作灵敏提高，速度加快，偏大，振荡次数加多，调节时间加长。
当太大时，系统会趋于不稳定。
若太小，又会使系统的动作缓慢。
对稳态特性的影响：
在系统稳定的情况下，加大比例控制，可以减小稳态误差，提高控制精度，但加大只是减少稳态误差，却不能完全消除误差。
积分控制参数——对动态特性的影响：
积分控制Ti通常使系统的稳定性下降。
Ti太小系统将不稳定；Ti偏小，振荡次数较多；Ti太大，对系统性能的影响减少。
对稳态特性的影响：
积分控制Ti能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。
但是若Ti太大时，积分作用太弱，以至不能减小稳态误差。
微分控制参数——微分控制可以改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。
当Td偏大或偏小时，都会使超调量较大，调节时间较长，只有Td合适时，可以得到比较满意的过渡过程。
3、P调节时，作出不同δ值下的阶跃响应曲线。
4、PI调节时，分别作出Ti不变、不同δ值时的阶跃响应曲线和δ不变、不同Ti值时的阶跃响应曲线。
图1Ti不变、不同δ值时的阶跃响应曲线图2δ不变、不同Ti值时的阶跃响应曲线
5、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。
微分控制参数——微分控制可以改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。
当Td偏大或偏小时，都会使超调量较大，调节时间较长，只有Td合适时，可以得到比较满意的过渡过程。
6、比较P、PI和PID三种调节器对系统余差和动态性能的影响
P调节器：
KP越大或δ越小则控制作用越强，余差越小，最大偏差越小；KP太大或δ太小则控制作用太强，稳定性降低、甚至使系统失稳。
PI调节器：
δ越小则控制作用越强，余差越小，最大偏差越小；在同样的比例度δ下，Ti↓，积分作用↑，容易消除余差，有利的一面；Ti↓，积分作用↑，系统振荡加剧，有不易稳定的倾向，Ti越短，振荡越强烈，甚至发散，不利的一面。
PID调节器：
比例控制参数——对动态特性的影响：
比例控制加大，使系统的动作灵敏提高，速度加快，偏大，振荡次数加多，调节时间加长。
当太大时，系统会趋于不稳定。
若太小，又会使系统的动作缓慢。
对稳态特性的影响：
在系统稳定的情况下，加大比例控制，可以减小稳态误差，提高控制精度，但加大只是减少稳态误差，却不能完全消除误差。
积分控制参数——对动态特性的影响：
积分控制Ti通常使系统的稳定性下降。
Ti太小系统将不稳定；Ti偏小，振荡次数较多；Ti太大，对系统性能的影响减少。
对稳态特性的影响：
积分控制Ti能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。
但是若Ti太大时，积分作用太弱，以至不能减小稳态误差。
微分控制参数——微分控制可以改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。
当Td偏大或偏小时，都会使超调量较大，调节时间较长，只有Td合适时，可以得到比较满意的过渡过程。
实验五、流量PID控制系统
组号______同组成员_______________________成绩__________
实验时间__________指导教师（签名）___________
一、实验目的
1、了解流量计的结构及其使用方法。
2、熟悉单回路流量控制系统的组成。
3、研究P、PI和PID调节器对系统的控制效果。
4、改变P、PI和PID调节器的参数，观察它们对系统性能所产生的影响。
二、实验仪器设备
列出实验中用到的主要设备的名称、型号、规格、技术指标
1、流量传感器：
涡轮流量计LWGY-4
2、控制器：
THKGK-1型过程控制实验装置GK-04
3、变频器：
THKGK-1型过程控制实验装置GK-07-2
4、控制阀：
THKGK-1型过程控制实验装置GK-03
三、预习填空
1、涡轮流量计的是通过测量叶轮旋转的转速测流量，涡街流量计通过测量卡门涡街的频率来测量流量。
容积式流量计是通过测量旋转体的转动次数来测量流量。
2、均速管流量计是通过测量管道中液体的速度和压力，得到流速来测量液体流量，测点分布时采用对数-线性方法。
3、电磁流量计根据电磁感应原理进行流量测量，流量测量时管道内无可动部件，因此，压力损失很小，可以测量不可压缩牛顿流体。
4、流量控制通常有气动执行器和电动执行器两种执行器；前者是通过改变阀芯与阀座间的流通面积来控制流量，后者是通过改变电流大小来调节流量，更节能的是气动执行器。
四、实验装置示意图与接线图
1）流量控制系统设计
（1）带检测控制点的流程图：
单容水箱供水系统工艺流程如图1所示，请画出带检测控制点的流程图和控制系统方框图；流量控制系统主要设备如图2所示，请画出流量控制系统设备接线图。
图1单容水箱供水工艺流程图图2流量控制系统主要设备
流量控制系统方框图：
（2）流量控制系统MCGS组态的主界面（组态界面上要有参与实验人员名字）。
五、思考题
1、流量控制通常有两种方案，分别画出两种流量控制系统的原理图、方框图，对两种控制方案进行比较，哪种方案更好。
根据工艺简况可知，液体贮槽的液位要求维持在某给定值上下，或在某一小范围内变化，这是保证生产正常进行的工艺指标，所以其液位是直接指标（直接参数），即为被控参数。
从液仪贮罐的生产过程来看，影响液位有两个量，一是流入贮槽的流量，二是流出贮槽的流量。
调节这两个流量的大小都可改变其液位高低。
这样构成液位控制系统就有两种控制方案，如图所示。
选择流出量或流入量为操纵量。
a）方案控制系统方框图
b）方案控制系统方框图
2、由实验分别求出系统在P、PI、PID调节器控制下的余差和超调量。
在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图4-3中的曲线①、②、③所示。
3、作出P调节器控制时，不同δ值下的阶跃响应曲线。
4、作出PI调节器控制时，不同δ和Ti值时的阶跃响应曲线。
图1Ti不变、不同δ值时的阶跃响应曲线图2δ不变、不同Ti值时的阶跃响应曲线
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