离心泵性能测试与控制综合实验.docx
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离心泵性能测试与控制综合实验
离心泵性能测试与控制综合实验
一、实验装置简介………………………………………………………………1
二、离心泵恒转速性能测定实验………………………………………………3
三、离心泵恒流量控制实验……………………………………………………6
四、离心泵恒压力控制实验……………………………………………………10
过程设备与控制基本实验综合实验台示意图
图中：
11-1——转速显示；
11-2——主水泵流量显示Q；
11-3——流量自动/手动控制按钮，弹起时为手动，按下后为自动；
11-4——主水泵出口压力显示P2；
11-5——压力自动/手动控制按钮，弹起时为手动，按下后为自动；
11-6——主水泵运行选择开关，向左为变频调速运转方式，向右为直接运转方式，中间为空档；
11-7——压力调节旋钮（调节主水泵的转速）；
11-8——流量调节旋钮（调节电动调节阀的开度）；
11-9——主水泵开按钮；
11-10——主水泵关按钮；
11-11——副水泵关按钮；
11-12——副水泵开按钮;
11-13——总控制开关，顺时针转为开，逆时针转为关。
实验一
离心泵性能测定实验
一、实验目的
1．测定离心泵在恒定转速下的性能，绘制出该泵在恒定转速下的扬程—流量（H-Q）曲线；轴功率—流量（N-Q）曲线和泵效率—流量（η-Q）曲线；
2．熟悉离心泵的操作方法，了解压力、流量、转速和转矩的原理以及实验台的使用方法，进一步巩固离心泵的有关知识。
二、实验装置
过程设备与控制基本实验综合实验台
三、基本原理
1．扬程H的测定
根据柏努利方程，泵的扬程H可由下式计算：
（1-1）
式中：
H——泵的扬程，m水柱；
——真空表读数（为负值），Pa；
——压力表读数，Pa；
——真空表测量点接头处管内水流速度，根据流量和接头处管内径确定，m/s；
——压力表测量点接头处管内水流速度，根据流量和接头处管内径确定，m/s；
——压力表与真空表测量点之间的垂直距离，m；
——水的密度，
=1000
；
——重力加速度，9.81
。
在本实验装置中，
=0、真空表测量点接头处管内径d
=25mm、压力表测量点接头处管内径d
=25mm
2．功率测定
（1）轴功率N（电动机传到泵轴上的功率）
kW（1-2）
式中：
M——转矩，N·m;
n——泵转速，r.p.m。
（2）有效功率Ne（单位时间内离心泵所做的有用功）
kW（1-3）
式中：
Q——流量，
3．效率η
（1-4）
四、实验步骤
（一）实验台阀门操作
打开阀门F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F9、F10，关闭阀门F8、F11；
（二）控制台操作
1.向右扳动控制台面板上的总控开关11-13，启动控制台；
2.流量自动/手动控制按钮11-3置于手动位置，顺时针旋转11-7旋钮，打开电动调节阀；
3.开启工控机，在桌面上打开“基本实验主程序”，点击“实验选择”按钮，选择“离心泵性能测定实验”菜单，点击“进入”按钮，进入“离心泵性能测定实验”画面，点击“清空数据库”按钮，清空数据库。
4.向右扳动选择开关“11-6”，将水泵运行设置成直接启动方式；
5.按下水泵启动按钮“11-9”主水泵开始运转；
6.调节主水泵出口阀门F7，改变流量
，使流量从0.64到0.05L/s,每间隔0.05L/s作为一个工况点，每个工况点确定后，单击“记录”按钮，记录一次数据。
7.所有的工况点测试完毕后，点击“数据处理”按钮，进入“离心泵性能测定数据处理”画面。
8.选择“离心泵性能测定实验”菜单，点击“进入”按钮，进入“离心泵性能实验”画面；点击“数据处理”按钮，输入班级、学号、姓名后，可自动生成离心泵性能曲线和实验数据表。
9.点击“导出数据”按钮，可生成实验数据文本文件，输入文件名、文件类型，按“保存”按钮，保存数据文件。
10.点击“打印”按钮，打印实验数据和离心泵性能曲线。
11.点击“退出”按钮，退出实验程序。
五、要求
1．写出实验报告。
2．进行比例换算，绘制泵在恒定转速下的H-Q,N-Q,η-Q曲线，并进行分析。
3．回答思考题。
思考题
1．泵的性能曲线有何作用？
2．离心泵启动前为什么要引水灌泵？
表1-1实验测量结果
泵出口流量
Q
（L/s）
泵进口压力Pb
（MPa）
泵出口压力
Pc
（MPa）
泵转矩
M
（N·m）
泵转速
n
（r.p.m）
1
2
3
4
5
6
7
8
表1-2实验计算结果
流量Q
（L/s）
扬程H
（m）
轴功率N
（kW）
有效功率
（kW）
效率η
（%）
1
2
3
4
5
6
7
8
实验二离心泵恒流量控制实验
一．实验目的
1．测定离心泵恒流量控制系统在阶跃干扰作用下，离心泵出口流量的过渡过程，利用最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间等参数评价离心泵恒流量控制系统的控制质量。
2．掌握比例度P、积分时间I参数在流量控制系统中的作用和对过渡过程品质指标的影响。
二、实验装置
过程设备与控制基本实验综合实验台
三、实验原理
离心泵恒流量控制系统图如图2-1所示，控制系统方框图如图2-2所示。
图2-1离心泵恒流量控制系统图
图2-2离心泵恒流量控制系统方框图
离心泵恒流量控制系统为单回路简单控制系统，安装在离心泵出口管路上涡轮流量传感器LT将离心泵出口流量转换成脉冲信号，其脉冲频率经频率/电压转换器转换成电压信号后输出至流量调节器LC，LC将流量信号与流量给定值比较后，按PI调节规律输出4—20mA控制信号，驱动电动调节阀改变调节阀的开度，达到恒定离心泵出口流量的目的。
控制参数如下：
1.被控变量y：
离心泵出口流量Q。
2.给定值（或设定值）ys：
对应于被控变量所需保持的工艺参数值，在本实验中取0.3L/s。
3.测量值ym：
由传感器检测到的被控变量的实际值，在本实验中为离心泵出口流量值Q。
4.操纵变量：
实现控制作用的变量，在本实验中为离心泵出口流量。
使用电动调节阀作为执行器对离心泵出口流量进行控制。
电动调节阀的输入信号范围：
4—20mA；输出：
阀门开度0-16mm。
5.干扰（或外界扰动）f：
干扰来自于外界因素，将引起被控变量偏离给定值。
在本实验中可采用突然改变离心泵转速的方法，改变离心泵出口压力，模拟外界扰动给被控变量造成干扰。
6.偏差信号e被控变量的实际值与给定值之差，e=ys-ym。
ym---离心泵出口流量值Q；
ys---离心泵出口流量设定值。
7.控制信号u工业调节器将偏差按一定规律计算得到的量。
离心泵恒流量控制系统采用比例积分控制规律（P1）对离心泵流量进行控制。
比例积分控制规律是比例与积分两种控制规律的组合，理想的PI调节规律的数学表达式为：
（2-1）
PI规律在生产中得到了广泛应用。
假定在时间t=0之前，系统稳定，且被调参数---离心泵的出口流量Q等于设定值。
若在t=0时刻，外加压力阶跃干扰，离心泵出口流量随之变化，经过一段时间后，离心泵出口流量逐渐趋于稳定。
完成了一次过渡过程。
压力P
0t0时间t
图7-4阶跃干扰信号
四、实验步骤
（一）实验台阀门操作
打开阀门F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F9、F10，关闭阀门F8、F11；
（二）控制台操作
1．向右扳动控制台面板上的总控开关11-13，启动控制台；
2．流量自动/手动控制按钮11-3置于手动位置，顺时针旋转11-7旋钮，打开电动调节阀；
3．启动工控机，在桌面上打开“基本实验主程序”，点击“实验选择”按钮，选
择“离心泵恒流量控制实验”菜单，点击“进入”按钮，进入“离心泵恒流量控制实验”画面，点击“清空数据库”按钮，清空数据库；
4．向左扳动选择开关“11-6”，将水泵运行设置成变频启动方式；
5．点击实验画面上的“仪表设置”按钮，进入“控制参数设置”画面，设置流量表的控制参数：
设定值SV=0.3L/s，比例带P=70，积分常数I=4；
6．按下水泵启动按钮“11-9”启动变频器，顺时针旋转压力调节旋钮“11-7”使主水泵开始运转，至主水泵压力表“11-4”升至0.3MPa左右；
7．调节流量调节旋钮“11-8”，使流量表“11-2”显示值为0.3L/s；
8．按下流量自动/手动控制按钮“11-3”，等待流量值稳定在设定值附近；
9．当流量稳定后，点击“清空数据库”按钮，再点击“开始记录”按钮，开始记录数据；
10．调节压力调节旋钮使压力改变0.05Mpa左右，造成人为干扰，观察流量的过渡过程；
11．待流量过渡过程结素后，点击“停止记录”按钮，再点击“数据处理”按钮，进入“离心泵恒流量控制实验”画面；
12．点击“数据处理”按钮，从数据库读出实验数据，生成实验曲线；
13．点击“导出数据”按钮，可生成实验数据文本文件，输入文件名、文件类型，按“保存”按钮，保存数据文件。
14．点击“打印”按钮，打印实验数据和实验曲线。
15．重复第5步，改变控制参数P、I值，可得到不同的流量过渡过程。
16．点击“退出”按钮，退出实验程序。
五、计算过渡过程质量指标
1．最大偏差A：
被调参数的最大值。
2．余差
：
当过渡过程终了时，被调参数所达到的新的稳态值与给定值之差。
（2-2）
3．衰减比n：
过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比：
（2-3）
一般n在4～10之间为宜。
4．振荡周期：
过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。
5．过渡时间ts：
从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间。
六、要求
1．写出实验报告。
2．回答思考题。
思考题
1．离心泵恒流量控制系统在压力阶跃干扰作用下，比例度P的大小对过渡过程会产生什么影响？
2．离心泵恒流量控制系统在阶跃压力干扰作用下，积分常数I的大小对过渡过程会产生什么影响？
实验三离心泵恒压力控制实验
一、实验目的
1．测定离心泵恒压力控制系统在阶跃干扰作用下，离心泵出口压力的过渡过程，利用最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间等参数评价离心泵恒压力控制系统的控制质量。
2．掌握比例度P、积分时间I参数在压力控制系统中的作用和对过渡过程品质指标的影响。
二、实验装置
过程设备与控制基本实验综合实验台
三、实验原理
离心泵恒压力控制系统图如图3—1所示。
图3-1离心泵恒压力控制系统图
离心泵恒压力控制系统为单回路简单控制系统。
安装在离心泵出口管路上压力传感器PT将离心泵出口压力转换成电压信号，经放大器放大后输出至工业调节器PC，PC将压力信
号与压力给定值比较后，按PI调节规律输出4—20mA信号，驱动变频调速器控制电机的转速，达到恒定离心泵出口压力的目的。
离心泵恒压力控制系统方框图如图3-2所示。
图3-2离心泵恒压力控制系统方框图
控制参数如下：
1.被控变量y：
离心泵出口压力P。
2.给定值（设定值）ys：
对应于被控变量所需保持的工艺参数值，在本实验中取0.4MPa。
3.测量值ym：
由传感器检测到的被控变量的实际值，在本实验中为离心泵出口压力值P。
4.操纵变量：
实现控制作用的变量，在本实验中为离心泵转速n。
使用交流变频调速器作为执行器对离心泵转速进行控制。
交流变频调速器的输入信号范围：
4—20mA；输出：
380V，0—50Hz。
5.干扰（或外界扰动）f：
干扰来自于外界因素，将引起被控变量偏离给定值。
在本实验中采用突然改变泵出口流量的方法，人为模拟外界扰动给被控变量造成干扰。
6.偏差信号e被控变量的实际值与给定值之差，e=ys-ym。
ym---离心泵出口压力值P；
ys---离心泵出口压力设定值。
7．控制信号u工业调节器将偏差按一定规律计算得到的量。
离心泵恒压力控制系统采用比例积分控制规律（PI）对离心泵出口压力进行控制。
比例积分控制规律是比例与积分两种控制规律的组合，数学表达式为：
（3-1）
PI规律将比例控制反应快和积分控制能消除余差的优点结合在一起，因而在生产中得到了广泛应用。
流量Q
0t0时间t
图3-3阶跃干扰信号
假定在时间t=0之前，系统稳定，且被调参数---离心泵的出口压力P等于设定值。
若在t=0时刻，外加流量阶跃干扰（图3-3），离心泵出口压力开始变化并按衰减振荡的规律经过一段时间后，离心泵出口压力逐渐趋于稳定。
完成了一次过渡过程。
四、实验步骤
（一）实验台阀门操作
打开阀门F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F9、F10，关闭阀门F8、F11；
（二）控制台操作
1．向右扳动控制台面板上的总控开关11-13，启动控制台；
2．流量自动/手动控制按钮11-3置于手动位置，顺时针旋转11-7旋钮，打开电动调节阀；
3．启动工控机，在桌面上打开“基本实验主程序”，点击“实验选择”按钮，选
4．择“离心泵恒压力控制实验”菜单，点击“进入”按钮，进入“离心泵恒压力控制实验”画面，点击“清空数据库”按钮，清空数据库；
5．向左扳动选择开关“11-6”，将水泵运行设置成变频启动方式；
6．点击实验画面上的“仪表设置”按钮，进入“控制参数设置”画面，设置压力表参数：
设定值SV=0.3MPa，比例带P=70，积分常数I=20；
7．按下水泵启动按钮“11-9”启动变频器，顺时针旋转压力调节旋钮“11-7”使主水泵开始运转，至主水泵压力表“11-4”升至0.3MPa左右；
8．调节流量调节旋钮“11-8”，使流量表“11-2”显示值为0.3L/s；
9．按下压力自动/手动控制按钮“11-5”，等待泵出口压力稳定在设定值附近；
10．待泵出口压力稳定后，点击“清空数据库”按钮，再点击“开始记录”按钮，开始记录数据；
11．调节阀门F7使压力改变0.05Mpa左右，造成人为干扰，观察压力恢复过程；
11．待压力过渡过程结束后，点击“停止记录”按钮，再点击“数据处理”按钮，进入“离心泵恒压力控制实验”画面；
12．点击“数据处理”按钮，从数据库读出实验数据，生成实验曲线；
13．点击“导出数据”按钮，可生成实验数据文本文件，输入文件名称及文件类型后，按“保存”按钮，保存数据文件。
14．点击“打印”按钮，打印实验数据和实验曲线。
15．重复第5步，改变控制参数P、I值，可得到不同的过渡过程。
16．点击“退出”按钮，退出实验程序。
五、计算过渡过程质量指标：
1．最大偏差A：
被调参数的最大值。
2．余差
：
当过渡过程终了时，被调参数所达到的新的稳态值与给定值之差：
（3-2）
3．衰减比n：
过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比：
（3-3）
一般n在4～10之间为宜。
4．振荡周期：
过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。
5．过度时间ts：
从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间
六、要求
1．写出实验报告。
2．回答思考题。
思考题
1．离心泵恒压力控制系统在流量阶跃干扰作用下，比例度P的大小对过渡过程会产生什么影响？
2．离心泵恒压力控制系统在流量阶跃干扰作用下，积分常数I的大小对过渡过程会产生什么影响？
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