化学工程学院实验指导书3修改.docx
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化学工程学院实验指导书3修改
化学工程学院
《化工自动化及仪表》
实验指导书
适用专业化工学院各专业
贵州大学
二00七年八月
前言
《化工自动化及仪表》是针对化工学院化工类各专业开设的专业基础课程，基本内容为生产过程自动化基本理论及自动化仪表的基础知识。
通过本课程的学习，使学生了解自动控制系统的基本概念如自动控制系统组成、自动控制系统品质指标、基本理论如自动控制系统分析方法、对象数学模型建立方法；了解自动化仪表基本知识如仪表分类、仪表品质指标、仪表的校验，能够在专业实践中应用所学知识。
为了使学生更好地理解和把握这些知识，开设化工自动化及仪表实验课程，提高学生的动手能力、设计能力并在此基础上，增强培养学生在工程应用中的创造性思维、能在本专业学习和工程设计中应用自动控制方面的知识提高工程设计质量、水平。
本实验课程设置实验项目有：
实验一：
仪表基础知识及压力仪表校验；实验二：
温度控制系统组成及温度仪表校验；实验三：
自动控制系统综合实验（包含1、对象数学模型建立；2、单回路控制系统实践；3、水箱液位定值控制控制系统实验；4、水位串级控制系统实验；5、水位前馈-反馈控制系统实验）
本指导编写是按照总学时48学时实验学时16学时实验进行编写，在具体使用中，根据不同的课程总学时安排实验学时和实验内容，但实验学时不低于10学时。
综合实验中的实验可以分为单个实验来做，指导书编写时按照2学时实验来分开写，前三个实验为必做，后两个选做。
对不同专业选修情况的说明：
本实验为化工类各专业的都涉及的通用性实验，因此适用于各专业。
1、实验一：
仪表基础知识及压力仪表校验…………………………………………3
2、实验二：
温度控制系统组成及温度仪表校验……………………………………5
3、实验三：
自动控制系统综合实验…………………………………………………9
4、实验报告基本内容要求…………………………………………………………24
5、实验报告格式……………………………………………………………………25
附：
THJ-2型高级过程控制系统介绍………………………………………………28
实验一：
仪表基础知识及压力仪表校验
实验学时：
2
实验类型：
验证性实验
实验要求：
必修
一、实验目的：
了解测量仪表基本知识，掌握常用测量仪表的型号规格、精度等级等指标的选择
掌握校验弹簧管压力表的方法
二、实验内容
1、了解以精度1.5级的普通弹簧管压力表作被校表，用“标准表比较法”鉴定它的基本误差、变差，标尺内校验点不少于5个。
2、了解压力变送器的工作过程
三、实验原理、方法和手段
1、利用活塞式压力计作为压力源，通过人工摇动手柄改变压力，将标准压力表和普通压力表同时承受该相同压力，记录两块仪表的指示值，可比较出普遍压力表的测量误差，变差，进而可求出压力表的精度等级及判断其是否合格。
2、利用活塞式压力计产生的压力，接通压力变送器，测量压力变送器的输出，从而了解变送器的工作特点。
四、实验组织运行要求
根据本实验的特点、要求和具体条件，采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学，学生自己预习和操作实验。
五、实验条件
实验设备：
活塞式压力计
普通压力表
标准压力表
压力变送器
六、实验步骤及数据处理
1、 将压力表校验器平放在工作台上，并调好平衡。
2、 将工作液（变压器油）注入校验器
打开针阀4、摇动手轮7，将手摇泵活塞推到底部。
旋开油杯阀，揭开油杯盖，将工作液注入油杯2（2／3）。
关闭针阀4，反向旋转手轮7，将工作液吸入手轮泵（应使油杯内有适量的工作液），装上油杯盖。
3、排除传压系统内的空气
关闭油杯阀，打开针阀4，轻摇手论7，直至看到两压力表接头处有工作液溢出时，关闭阀4，打开油杯阀，反向旋转手轮7，.给手摇泵补足工作液，再关闭油杯阀。
4、校验
在标准压力表和被校压力表装上后，（左侧为标准表，右侧为被校表，一定要装在一个平面内，不得歪斜），打开阀4，用手摇轮7加压即可进行压力表的比较校验
将被校表按量程大小，均分为5个或6个点依次进行上行程校验，对于每一个点轻敲前、后分别读出和记录相应的实测值，不得有过冲现象。
上
行程校验完毕后，将加压到量程的102％处，停留2分钟然后进行反行程的的校验。
对于每一个点轻敲前、后分别读出和记录相应的实测值，不得有过冲现象。
5、计算仪表的基本误差、变差，画出压力表的校验曲线，判断被校压力表是否合格。
七、思考题
1、为什么要排除压力表校验仪内的空气。
2、被校表的量程不合适时，应如何进行调整。
八、实验报告
实验报告的基本内容及要求见附件，本实验要求总结所校验的压力表的精度等级及判断其是否合格。
实验二：
温度控制系统组成及温度仪表校验
实验学时：
2
实验类型：
验证性实验
实验要求：
必修
一、实验目的：
了解温度控制系统的组成。
了解温度显示仪表的构造及原理，
了解位式控制中被控参数的变化情况。
了解测温元件的种类与使用方法
掌握测温元件与显示仪表的正确配接方法
学会校验温度检测仪表。
二、实验内容
1、熟悉自动温度控制系统的组成；了解电阻炉温度控制系统组成中的各环节设备之间的信号联系，了解位式控制系统中被控参数变化情况及控制精度。
2、热电偶与数字式温度显示仪表配接
3、热电偶与电子电位差计配接
4、利用电阻炉控制系统校验热电偶温度仪表。
三、实验原理、方法和手段
热电偶与显示仪表配套测温实验内容：
图2-1是实验装置示意图，图2-2是炉温控制系统方框图。
通过拆装与接线，掌握系统的组成及各部分之间的关系。
通过通电升温及降温过程中数字仪表的温度显示值，得出温度仪表的测量误差。
四、实验组织运行要求
根据本实验的特点、要求和具体条件，采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学，学生自己预习和操作实验。
五、实验条件
实验设备：
管式炉及其温度控制系统
数字温度显示仪表
热电偶（K分度，S分度）
手动电子电位差计
六、实验步骤及数据处理
1、 了解管式炉温度控制系统的组成
2、通过观察接线掌握温度控制系统各控制环节之间的信号传递关系及控制原理
3、安装热电偶及连接热电偶与显示仪表
4、通电，将设定/测量开关放到“设定”，设定温度给定值150℃,然后将开关打在“测量”位置，观察被控参数温度的变化以及控制系统的工作情况（加热电源的通/断），掌握位式控制规律及控制参数的变化。
5、将设定值调到800℃，然后将开关放到“测量”位置，同时观察记录温度控制系统中数字温度仪表的显示值与顶部安装的热电偶所显示的温度值，每隔50℃记录一组数据，待升到800℃后，将设定值调到0℃，让炉子自然冷却，同时记录两块显示仪表的数据，隔50℃记录一次。
到200℃即可。
6、在升温和降温过程中，块温度显示仪表的显示值可能差别会很大，分析原因。
七、思考题
1、为什么两块温度仪表的显示值差别可能会很大？
与热电偶的安装位置是否有关？
2、校验热电偶时标准热电偶与被校热电偶可以处于不同条件吗？
？
八、实验报告
实验报告的基本内容及要求见附件，本实验要求对记录数据进行误差计算及分析。
实验三：
自动控制系统综合实验
实验学时：
4
实验类型：
综合性实验
实验要求：
必修5个实验选择两个
一、实验目的：
通过自动控制系统综合实验，对所学知识进行全面的理解
二、实验内容
1、对象数学模型建立；2、单回路控制系统实践；3、水箱液位定值控制控制系统实验；4、水位串级控制系统实验；5、水位前馈-反馈控制系统实验）
三、实验原理、方法和手段
1、对象数学模型建立实验原理：
图3-1单容水箱特性测试结构图
由图3-1可知，对象的被控制量为水箱的液位H，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1，手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。
根据物料平衡关系，在平衡状态时
Q10-Q20=0
（1）
动态时，则有
Q1-Q2=
（2）
式中V为水箱的贮水容积，
为水贮存量的变化率，它与H的关系为
，即
=A
（3）
A为水箱的底面积。
把式（3）代入式
（2）得
Q1-Q2=A
（4）
基于Q2=
，RS为阀V2的液阻，则上式可改写为
Q1-
=A
即
ARS
+h=KQ1
或写作
=
（5）
式中T=ARS，它与水箱的底积A和V2的RS有关；K=RS。
式（5）就是单容水箱的传递函数。
若令Q1（S）=
，R0=常数，则式（5）可改为
H（S）=
×
=K
-
对上式取拉氏反变换得
h（t）=KR0（1-e-t/T）（6）
当t—>∞时，h（∞）=KR0，因而有
K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入
当t=T时，则有
h（T）=KR0（1-e-1）=0.632KR0=0.632h（∞）
式（6）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示。
当由实验求得图2-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%
图3-2单容水箱的单调上升指数曲线
所对应的时间，就是水箱的时间常数T。
该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。
如果对象的阶跃响应曲线为图2-3，则在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。
图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间
常数T，所得的传递函数为：
H（S）=
图3-3单容水箱的阶跃响应曲线
2．单回路控制系统实践原理：
A.单回路控制系统的概述
图3-4为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器所组成。
系统的给定量是一定值，要求系统的被控制量等于给定量所要求的值。
由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中被广泛应用。
图3-4单回路控制系统方框图
在系统设计前，不仅需要对被控对象有深入地认识，而且还应对整个生产的工艺、设备也有深入的了解。
只有这样，才能设计出一个性能优良、经济实用的控制系统。
B.干扰对系统性能的影响
a、干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后的影响。
干扰通道的放大系数Kf会影响干扰加在系统中的幅值。
若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。
我们希望干扰通道的放大系数愈小愈好。
如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为Tf1，则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。
即时间常数Tf1越大，则系统的动态偏差就愈小。
通常干扰通道中还会有纯滞后环节，使被调参数的响应时间滞后一个τ值，即
Yτ（t）=Y（t-τ）
上式表明调节过程沿时间轴平移了一个τ的距离，所以干扰通道出现有纯滞后，不会影响系统调节质量。
b、干扰进入系统中的不同位置。
复杂的生产过程往往有多个干扰量，如图3-5所示。
图3-5扰动作用于不同位置的控制系统
控制理论证明，同一形式大小相同的扰动出现于系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。
对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。
C、控制规律的确定
选择系统调节规律的目的，是使调节器与调节对象能很好地匹配，使组成的控制系统能满足工艺上所提出的动、静态性能指标的要求。
a、比例（P）调节
纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快速。
由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。
这种调节器的主要缺点是使系统有静差存在。
b、比例积分（PI）调节
PI调节器的积分部分能使系统的类型数提高，有利于消除静差，但它又使PI调节器的相位滞后量减小，系统的稳定性变差，其传递函数为
GC（S）=KP（1+
）
这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。
c、比例微分（PD）调节
这种调节器由于有微分的作用，能增加系统的稳定度，比例系数的增大能加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分不能过大，以利于抗高频干扰。
PD调节器的传递函数为
GC（S）=KP（1+TDS）
d、比例微分积分（PID）调节器
PID是常规调节器中性能最好的一种调节器。
由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。
它的传递函数为
GC（S）=KP（1+
+TDS）
D、调节器参数的整定方法
调节器参数的整定一般有两种方法：
一种是理论设计法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率法来确定调节器的相关参数，另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。
工程实验整定法有以下四种：
a.经验法
若将控制系统液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。
表一为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作
进一步修正。
若需加微分作用，微分时间常数按TD=（
～
）TI计算。
表一经验法整定参数
系统
参数
δ（%）
TI（min）
TD（min）
温度
20～60
3～10
0.5～3
流量
40～100
0.1～1
压力
30～70
0.4～3
液位
20～80
b.临界比例度法
这种整定方法是在闭环情况下进行的。
设TI=∞，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图3-3所示。
根据临界比例度δS和振荡周期TS，按表二所列的经验算式，求取调节器的参考参数数值，这种整定方法是以得到4：
1衰减为目标。
图3-6、具有周期TS的等幅振荡
表二临界比例度法整定调节器参数
调节器参数
调节器名称
δS
Ti（S）
Td（S）
P
2δS
PI
2.2δS
TS/1.2
PID
1.6δS
0.5TS
0.125TS
临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。
从工艺上看，允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。
在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。
C.阻尼振荡法（衰减曲线法）
在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图3-4所示的4：
1衰减过程为止。
这时的比例度称为4：
1衰减比例度，用δS表示之。
相邻两波峰间的距离称为4：
1衰减周期TS。
根据δS和TS，运用表三所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。
图3-44：
1衰减曲线法图形
表三、阻尼振荡法计算公式
调节器参数
调节器名称
δ（%）
TI（min）
TD（min）
P
δS
PI
1.2δS
0.5TS
PID
0.8δS
0.3TS
0.1TS
d.反应曲线法
如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（4：
1衰减）就有难度。
对于这种情况，可采用下述的反应曲线法来整定调节器的参数。
图3-5为实验系统的方框图。
令调节器的输出X（t）为阶跃信号，则
图3-7实验系统方框图
对象经测量变送器后的输出Y（t），如图3-8所示。
由该图可确
图3-8阶跃响应曲线
定τ、T和K，其中K按下式确定
K=
根据所求的K、T和τ，利用下表所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：
1时调节器的相关参数。
表四经验计算公式
调节器参数
调节器名称
δ（%）
TI
TD
P
×100%
PI
1.1
×100%
3.3τ
PID
0.85
×100%
2τ
0.5τ
3.液位控制系统原理
本实验系统的被控对象为上水箱，其液位高度作为系统的被控制量。
系统的给定信号为一定值，它要求被控制量上水箱的液位在稳态时等于给定值。
由
图3-9上水箱液位定值控制结构图
反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。
图3-7为本实验系统的结构图，图3-8为控制系统的方框图。
为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下无静差，系统的调节器应为PI或PID。
图3-10上水箱液位定值控制方框图
4．串级控制原理
A．液位串级控制系统的结构如图4－11
图4－11液位串级控制系统的结构图
本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主、副两个回路组成。
每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量。
副回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，它的输出是一个辅助的控制变量。
本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值，实现无差调节。
当有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当被控制量（下水箱的液位）未作出反映时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对被控制量的影响。
此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。
图5-2为实验系统的结构图，图4－12为相应控制系统的方框图。
图4－12液位串级控制系统的方框图
5．前馈－反馈控制系统原理
A、前馈反馈控制系统的结构图如图3－13
图3－13前馈-反馈控制系统的结构图
反馈控制是按照被控参数与给定值之差进行控制的。
它的特点是，调节器必须在被控参数出现偏差后才能对它进行调节，补偿干扰对被控参数的影响。
基于过程控制系统总具有滞后特性，因而从干扰的产生到被控参数的变化，需要一定长的时间后，才能使调节器产生对它进行调节作用，从而对干扰产生的影响得不到及时地抑止。
为了解决这个问题，提出一种与反馈控制在原理上完
全不同的控制方法。
由于这种方法是一种开环控制，因而它只对干扰进行及时地补偿，而不会影响控制系统的动态品质。
即当扰动一产生，补偿器立即根据扰动的性质和大小，改变执行器的输入信号，从而消除干扰对被控量的影响。
由于这种控制是在扰动发生的瞬时，而不是在被控制量产生变化后进行的，故称其为前馈控制。
前馈－反馈控制系统中的主要扰动由前馈部分进行补偿，这种扰动能测定，其它所有扰动对被控制量所产生的影响均由负反馈系统来消除。
这样就能使系统的动态误差大大减小。
B.前馈补偿器的设计
图3－14为本实验的系统结构图，被控制量是下水箱的液位，扰动为流量F。
图8-7为该控制系统的方框图。
图8-7控制系统的方框图
图中
GC（S）－调节器 G0（S）－电动调节阀、中水箱与下水箱
Gf（S）－干扰通道的传递函数 GB（S）－前馈补偿器
H（S）－液位变送器
由图8-7可知，扰动F（S）得到全补偿的条件为
F（S）Gf（S）＋F（S）GB（S）G0（S）＝0
GB（S）＝－
（4）
上式给出的条件由于受到物理实现条件的限制，显然只能近似地得到满足，即前馈控制不能全部消除扰动对被控制量的影响，但如果它能去掉扰动对被控制量的大部分影响，则认为前馈控制已起到了应有的作用。
为使补偿器简单起见，GB（S）用比例器来实现，其值按本章式
（2）来计算。
四、实验组织运行要求
根据本实验的特点、要求和具体条件，采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学，学生自己预习和操作实验。
过程为1、明确实验任务；
2、提出实验方案；
3、画实验接线图；
4、进行实验操作，做好观测和记录；
5、整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。
在进行本书中的综合实验时，上述程序应尽量让学生独立完成，老师给予必要的指导，以培养学生的实验动手能力，要做好各主题实验，就应做到：
实验前有准备；实验中有条理，实验后有分析。
五、实验条件
实验设备：
THJ-2型高级过程控制系统实验装置
计算机及相关软件
万用表
六、实验步骤及数据处理
1.阅读实验装置说明书，熟悉实验设备的使用。
2.液位控制系统数学模型建立步骤
A．按图3-1接好实验线路，并把阀V1和V2开至某一开度，且使V1的开度大于V2的开度。
B．接通总电源和相关的仪表电源，并启动磁力驱动泵。
C．把调节器设置于手动操作位置，通过调节器增/减的操作改变其输出量的大小，使水箱的液位处于某一平衡位置。
D．手动操作调节器，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一定的调节时间后，水箱的液位进入新的平衡状态，如图3-4所示。
图3-4单容箱特性响应曲线
E．启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。
F．把由实验曲线所得的结果填入下表。
参数值
测量值
液位h
K
T
τ
正向输入
负向输入
平均值
3.液位控制系统实验步骤
A．按图3-7要求，完成系统的接线。
B．接通总电源和相关仪表的电源。
C．打开阀F1-1、F1-2、F1-6和F1-9，且把F1-9控制在适当的开度。
D．选用单回路控制系统实验中所述的某种调节器参数的整定方法整定好调节器的相关参数。
E．设置好系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，使电动调节阀给上水箱打水，待其液位达到给定量所要求的值，且基本稳定不变时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。
F．启动计算机，运行MCGS组态软件软件，并进行下列实验：
a）当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增加5%～15%），观察并记录系统的输出响应曲线。
b）待系统进入稳态后，适量改变阀F1-6的开度，以作为系统的扰动，观察并记录在阶跃扰动作用下液位的变化过程。
G．适量改变PI的参数，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。
4.串级控制系统实验步骤
1、按图5-2要求，完成实验系统的接线。
2、接通总电源和相关仪表的电源。
3、打开阀F1-1、F1-2、F1-7、F1-10、F1-11，且使阀F1-10的开度略大于F1-11。
4、按经验数据预先设置好副调节器的比例度。
5、调节主调节器的比例度，使系统的输出响应出现4：
1的衰减度，记下此时的比例度δS和周期TS。
据此，按经验表查得PI的参数对主调节器进行参数整定。
6、手动操作主调节器的输出，以控制电动调节阀支路给中水箱送水的大小，等中、下水箱的液位相对稳定，且下水箱的液位趋于给定值时，把主调节器切换为自动。
7、打开计算机，运行MCGS组态软件，并进行如下的实验：
1）当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增/减5%～15%），观察并记录系统的输出响应曲线。
2）适量打开阀F2-4，观察并记录阶跃扰动作用于副对象（中水箱）时，系统被控制量（下水箱液位）的响应过程。
3）将阀F2-4关闭，去除副对象的阶跃扰动，且待系统再次稳定后，再适量打开阀F2-5，观察并记录阶跃扰动作用于主对象时对系统被控制量的影响。
8、通过反复对主、副调节器参数的调节，使系统具有较满意的动、静态性能。
用计算机记录此时系统的动态响应曲线。
5.前馈-反馈控制系统实验步骤
1、按图8-6所示的结构组成液位前馈反馈控制系统，并完成系统的接线。
2、合上
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