过程控制仪表实验指导书改.docx

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过程控制仪表实验指导书改

电工学院

《过程控制仪表》

实验指导书

陈湘萍编写

适用专业：

测控技术与仪器

贵州大学

二OO七年八月

前言

本课程实验的目的是让学生模拟实际生产过程控制中广泛使用的主要控制仪表，调节器、变送器在整个控制系统中的作用。

教学的基本要求：

1．掌握典型调节器的构成原理、线路结构和调校方法，掌握调节器中PID参数的作用和调校方法。

2．掌握差压变送器、温度变送器的构成原理以及调校方法。

本课程设置两个实验：

实验一变送器的构成和调校

该实验是在学习了传感器零点和量程相互影响的相关知识的基础上开设，通过动手进行量程和零点的调校，有利于学生加深对这一知识点的理解。

本实验属于验证性实验。

实验二一阶、二阶系统的模拟调节

该实验是在学习了PID调节器的基础上开设，实验目的是通过反复调节调节器的PID参数并在获得水箱响应曲线的基础上，体验比例（P），积分（I），微分（D）在实际调节过程中对控制对象的不同作用。

加深对不同调节环节作用的理解，本实验属于综合性实验

1、实验一：

变送器的构成和调校································································4

2、实验二：

一阶、二阶系统的模拟调节····················································7

3、实验报告基本内容要求·············································································11

4、实验报告格式·····························································································12

实验一：

变送器的构成和调校

实验学时：

2学时

实验类型：

验证性

实验要求：

必修

一、实验目的

1）、掌握实验装置的基本操作与变送器仪表的调整方法

2）、掌握差压传感器零点的迁移方法。

3）、加深理解传感器零点与量程的相互影响

二、实验内容

1、设备组装与检查：

2、系统接线

3、启动实验装置：

4、仪表调整：

三、实验原理、方法和手段

系统结构框图如下所示

图1-1、水位、压力、流量控制系统框图

四、实验组织运行要求

采用集中授课形式，以教师讲授实验原理及实验步骤、学生动手操作为主。

五、实验条件

TKGK-1实验台、万用表

六、实验步骤

1、设备组装与检查：

1）、将GK-07、GK-06、GK-05、GK-04挂件由左至右依次挂于实验屏上。

并

将挂件的三蕊插头插于相应插座中。

2）、检查挂件电源开关是否关闭。

3）、用万用表检查挂件的电源保险丝是否完好。

2、系统接线

1）、按照装置使用说明书中的GK-07交流变频调速控制箱的常用使用方法进行接线。

2）、将GK-05正给定信号接至GK-07变频器的VIA与GND端子。

3、启动实验装置：

1）、将实验装置电源插头接到220V市电电源。

2）、打开电源空气开关与电源总钥匙开关。

3）、按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源，电压表指示220V。

4、仪表调整：

在GK-02模块左侧，设有四个控制参数的数显仪表，其输入接线柱分别接LT1、PT、LT2、FT、TT等相应传感器检测信号的输出（标准信号为0~5VDC）。

表头的右侧各有二个电位器，可通过这些电位器调整零位和增益，在传感器校验实验时要使用，同时在实验进行之前，每次都应调整好传感器的零位和增益。

5．调试步骤如下：

1）、打开阀1、阀3，关闭阀7、阀8，（或者打开阀7、阀8，关闭阀1、阀3）关闭阀2、阀4，然后开启变频器，启动水泵，给上下水箱供水，使其液面上升至10cm高度，关闭变频器。

2）、用三根ø6的橡皮导气管（约0.6m长），使其一端（上端）竖直地插入上、

下水箱底部（上水箱插两根，下水箱插一根）。

另一端（下端）完全裸露在大气中。

3）、将三根导气管的下端接到三个差压传感器（MPX2010DP）的正压室。

4）、将各增益调节电位器置于中间位置，然后调节零位调节电位器，使LT1

两端的输出电压为3.33V（显示器显示10.00），LT2两端的输出电压为3.33V（显示器显示10.00），PT两端的输出电压为3.33V（显示器显示980）。

5）、开始零位调节：

a、打开阀2、阀4，排空上、下水箱中的水，关闭阀2、阀4。

b、调节“零位调节”电位器，使LT1、LT2和PT输出为零伏，显示器显示为00.00cm。

注：

稳定几分钟后进入下一步。

6）、开始增益调节：

a、启动齿轮泵，使上、下水箱水位上升至于10cm高度，然后再关闭齿轮泵。

b、调节“增益调节”电位器，使LT1、LT2显示器显示10.00cm，Pa显示器显示980Pa。

7）、重复5、6步骤，复调零位和增益，以满足系统要求（传感器输出电压为3.33V伏时，LT1与LT2的显示值为10.00cm，Pa的显示值为980Pa）。

七、思考题

1．为什么零点和量程是相互影响的

实验二：

一阶、二阶系统的模拟调节

实验学时：

4学时

实验类型：

综合性

实验要求：

必修

一、实验目的

1）、熟悉单回路单容、双容液位控制系统的组成和工作原理。

2）、研究系统分别用P、PI和PID调节时的控制性能。

3）、定性地分析P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。

二、实验内容

（一）、比例（P）调节器控制

（二）、比例积分调节器（PI）控制

（三）、比例积分微分调节器（PID）控制

三、实验原理、方法和手段

图2-1、双容水箱液位控制系统的方框图

图2-1为双容水箱液位控制系统。

这也是一个单回路控制系统，它是有两个水箱相串联，控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度；具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。

显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于调节器Gc（S）的结构和参数的合理选择。

由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。

对于阶跃输入（包括阶跃扰动），这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度成正比，若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数δ和Ti调节得合理，也能使系统具有良好的动态性能。

比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。

四、实验组织运行要求

采用集中授课形式，以教师讲授实验原理及实验步骤、学生动手操作为主。

五、实验条件

TKGK-1实验台、万用表、秒表.

六、实验步骤

（一）、比例（P）调节器控制

1）、按图2-1所示的结构接成单回路的实验系统。

其中被控对象是下水箱，被控制量是下水箱的液位高度。

2）、把调节器置于“手动”状态，其积分是时间常数置于最大处，微分作用开关设在“关”的位置，比例度设置于最大值处，“正-反”开关拔到“反”的方向，即此时的调节器为比例调节（P）。

3）、启动工艺流程并开启相关仪器和计算机程序，在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被调量调到给定值（一般把液面高度控制在水箱高度的50%处）。

4）、观察计算机显示屏的曲线，待被调量基本稳定于给定值后，即可将调节器的开关由“手动”位置拔到“自动”状态，使系统变为闭环控制运行。

5）、待系统的输出趋于平衡不变后，加入阶跃扰动信号（一般可通过改变设定值的大小来实现），经过一段时间运行后，系统进入了新的平衡状态。

利用秒表和LT2液位指示仪表记录整个过渡过程曲线,计算系统的余差ess和超调量σp的大小。

（二）、比例积分调节器（PI）控制

1）、在比例调节器控制实验的基础上，加上积分作用，即把“I”（积分）由最大处（“关”）旋至中间某一位置，观察被控制量是否能回到原设定值的位置，以验证系统在PI调节器控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。

2）、固定比例度δ值（中等大小），给定一积分时间Ti值。

然后加一阶跃扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线、调节时间tS、超调量σP。

注意:

过小的δ和过小的Ti都可能会导致系统的不稳定。

（三）、比例积分微分调节器（PID）控制

1）、在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把D打开。

然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与实验

（二）PI控制下的曲线相比较，以看出微分D对系统性能的影响。

2）、选择合适的δ、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从50%增至60%来实现）。

七、思考题

1）、实验系统在运行前应做好哪些准备工作？

2）、为什么双容液位控制系统比单容液位控制系统难于稳定？

3）、有人说：

由于积分作用增强，系统会不稳定，为此在积分作用增强的同时应增大比例度δ，你认为对吗？

为什么？

4）、试用控制原理的相关理论分析PID调节器的微分作用为什么不能太大？

5）、为什么微分作用的引入必须缓慢进行？

这时的比例度δ是否要改变？

为什么？

6）、调节器参数（δ、Ti和Td）的改变对整个控制过程有什么影响？

八、实验报告

1）、画出、PI、PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D对系统性能的影响。

2）、综合评价P、PI、和PID三种调节器对系统性能的影响。

实验报告的基本内容及要求

1．实验预习

在实验前每位同学都需要对本次实验进行认真的预习，并写好预习报告，在预习报告中要写出实验目的、要求，需要用到的仪器设备、物品资料以及简要的实验步骤，形成一个操作提纲。

对实验中的安全注意事项及可能出现的现象等做到心中有数，但这些不要求写在预习报告中。

2．实验记录

学生开始实验时，应该将记录本放在近旁，将实验中所做的每一步操作、观察到的现象和所测得的数据及相关条件如实地记录下来。

3．实验总结

主要内容包括对实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。

贵州大学实验报告

学院：

专业：

班级：

姓名

学号

实验组

实验时间

指导教师

成绩

实验项目名称

实验目的

实验要求

实验原理

实验仪器

实验步骤

实验内容

实验数据

实验总结

指导教师意见

签名：

年月日