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过程控制实验指导书

过程控制实验指导书

南阳理工学院自动化教研室

2010年10月

目录

第一部分：

基于“孝”字号过程控制实验装置的实验指导

实验一恒压供水控制……………………………………………………………5

实验二水箱液位单回路PID控制………………………………………………9

实验三管道流量单回路PID控制………………………………………………11

实验四锅炉温度单回路PID控制………………………………………………13

实验五上下水箱液位串级控制…………………………………………………16

实验六液位—流量串级控制……………………………………………………19

第二部分：

基于“悌”字号过程控制实验装置的实验指导

实验一恒压供水控制……………………………………………………………26

实验二水箱液位单回路PID控制………………………………………………30

实验三管道流量单回路PID控制………………………………………………33

实验四锅炉温度单回路PID控制………………………………………………36

实验五上下水箱液位串级控制…………………………………………………40

实验六液位—流量串级控制……………………………………………………42

过程控制实验利用自制的两台过程控制实验装置进行，这两台设备分别命名为“孝”字号过程控制实验装置和“悌”字号过程控制实验装置。

由于这两台设备的硬件配置不一样，所以实验指导的内容不一样，但是实验项目都是一样的。

在“孝”字号上主要用智能仪表做实验，在“悌”字号上主要用力控组态软件和ADAM模块做实验。

第一部分：

基于“孝”字号过程控制实验装置的实验指导

“孝”字号过程控制实验装置实验台后部接线端子排列图：

依次为上排、中排、下排端子

实验一恒压供水控制

恒压供水控制系统的设计主要完成水泵供水时保持恒压，为整个实验装置供水。

该控制系统用智能仪表作为调节器，压力变送器作为反馈单元，把检测到的水泵出口水压信号传到智能仪表上，用智能仪表控制变频器，变频器驱动水泵变频调速运行，以达到恒压供水的目的。

设置调整智能仪表的PID等参数，实现闭环控制。

一、实验目的：

1.认识过程控制实验装置

2.认识恒压供水控制系统的组成，掌握实验原理

3.掌握智能仪表的使用和参数整定

4.掌握实验装置的基本操作

二、实验设备：

1.“孝”字号过程控制实验装置：

交流变频器MMV440（PY101）

智能仪表（PIC101）

压力变送器（PIT101）

磁力驱动泵（PY101）

250欧的标准电阻

2.万用表

三、实验控制指标：

被控变量：

磁力泵供水压力

设定值：

40KPa

稳态误差§≤±2%

四、实验原理：

1、控制系统方框图

图1恒压供水系统方框

2、变频器的设置和接线

本实验装置使用的是SIEMENS公司的MICROMASTER440系列交流变频调速器，功率是0.37KW。

本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。

因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。

其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。

全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。

（1）实际接线：

模拟量输入：

选用端子（3）“ADC1+”和端子（4）“ADC1-”向变频器传送信号。

数字量输入：

用5，7，9三个端子输，5、9两端子用作电机开关，用来控制电机的启动。

而7、9两端子表示电机的复位作用。

实际接线图如图4。

图2仪表输出控制变频器的模拟量信号接线图

（2）工厂设置值：

变频器的缺省设置（与变频器的型号和容量有关）是按4极电动机数据进行配置的：

（1）由数字输入端控制（ON/OFF命令）

（2）通过模拟输入1输入设定值P1000=2（3）感应电动机P0300=1（4）电动机冷却方式为自冷P0335=0（5）电动机的过载系数P0640=150%（6）最小频率P1080=0Hz；（7）最大频率P1082=50Hz（8）斜坡上升时间P1120=10s（9）斜坡下降时间P1121=10s（10）线性的V/f特性P1300=0。

（3）变频器上的状态显示屏：

MICROMASTER变频器前面板上有状态显示SDP，有两个LED用于显示变频器的工作状态。

五、实验步骤：

1、配置管路

仔细观察实验装置上的管路、阀门、水泵，根据图3所示配置阀门和管道：

打开手阀HV01、HV02、HV04、HV07、HV08；关闭手阀HV03、HV09、HV11、HV13、HV15、HV16、HV17、HV18构成管路。

图3恒压供水管道仪表流程图

2、实验接线

仔细观察实验台上的仪表、传感器、接线端子排，按照图4所示进行接线。

由于从现场过来的压力信号是4-20mA，所以在进入仪表PIC101的17、18端时，要在17、18端并上一个250欧的电阻将电流信号转化成1-5V电压信号。

图4恒压供水系统回路仪表接线图

3、设置仪表参数

闭合实验台上的仪表电源开关，设定智能仪表相应的参数，然后设置控制设定值（仪表面板操作及参数意义参考仪表说明书）。

本次实验的设定值就是供水压力。

实验时可将参数CtrL设置为2，进行参数自整定，观察自整定效果；再进行人工P、I、D参数设置，比较两者效果。

给出仪表参数供参考

参数代号

参数含义

参数代号

参数含义

HIAL

9999

LoAL

-1999

dHAL

9999

dLAL

9999

dF

0.4

CtrL

4

M5

1.9

P

2

T

1

Ctl

4

Sn

33

dIP

1

dIL

0

dIH

150

Sc

0．0

oP1

4

oPL

0

oPH

100

ALP

1

CF

4

Addr

1

bAud

9600

dL

3

run

1

Loc

808

EP1-EP8

…

4、PID参数的整定

根据所学过的工程整定方法对P、I、D三参数进行整定。

首先必须认清各参数的作用以及增大或减小后对系统的大概影响。

M5、P、t参数与P、I、D参数的对应关系：

M5值越小，系统积分作用越强。

P值类似PID调节器的比例带，但变化相反。

P值越大，比例、微分作用成正比增强，而P值越小，比例、微分作用相应减弱。

P参数与积分作用无关。

AI系列仪表中t参数值单位是秒。

t参数的正确设定值与PID调节中微分时间相等。

如果设置t≤CtI时，系统的微分作用被取消。

具体的调节方法：

注意观察仪表面板设定值与当前值的对比情况，如果是短周期振荡，可减小P（优先），加大M5及t；如果是长周期振荡，可加大M5（优先），加大P，t；如果无振荡而是静差太大，可减小M5（优先），加大P；如果最后能稳定控制但时间太长，可减小t（优先），加大P，减小M5。

调试时还可用逐试法，即将MPT参数之一增加或减少30~50%，如果控制效果变好，则继续增加或减少该参数，否则往反方向调整，直到效果满足要求。

一般可先修改M5，如果无法满足要求再依次修改P、t和ctI参数，直到满足要求为止。

由于此系统并不是很复杂,用仪表自整定也能得到很好的控制效果.注参考参数CTRL:

4P:

2M5:

1.9t：

1.

5、将水泵、变频器通电，智能仪表就会控制水泵的运行。

随着水泵转速的逐渐提升，供水压力也在提升。

6、观察实验结果，调试PID参数值，以达到实验的要求。

7、记录实验数据，撰写实验报告。

实验二水箱液位单回路PID控制

本实验由智能仪表、液位传感器及变送器、智能电动调节阀和一个水箱对象构成液位单回路闭环控制系统。

此系统实现水箱动态水液位的定值控制。

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.认识PID调节器的参数变化对系统性能的影响。

二、实验主要设备:

AI-808智能仪表（XIC102）液位变送器（LT202）

智能电动调节阀（FV102）

1、液位传感器及变送器

在实验中用到合肥.安徽科学研究所生产的KY-B3804型压力变送器检测液位信号,该变送器能将0-600mm的液位转化为4-20mADC的电信号。

采用工业用的扩散硅压力变送器，不锈纲隔膜片，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。

零点、量程正负迁移可调，操作方便，且互不影响。

采用信号剥离技术，对传感温度漂移跟随补偿。

型号:

KY-B3803；量程:

6KPa；电源:

24VDC；精度:

0.25%；输出:

4-20mA

2.液位变送器接线方法：

电源（＋）黑、兰；电源（－）红、黄。

三、实验控制指标

被控变量：

中水箱的液位

稳态误差§≤±2%

四、实验原理及构成

在液位单闭环控制系统中，主要使用到的是液位变送器。

五、实验步骤

1、认清实验所用的管道流程图和接线图：

打开手阀HV02、HV07、HV09；关闭手阀HV01、HV08、HV13、HV16、HV17；微开手阀HV05构成管路。

（实验时可以活动手阀HV05作为扰动量），由于仪表安装等问题，设定液位与实际液位有一定偏差，实验效果（误差计算）以仪表显示为准。

实验过程扰动较大。

由于从现场过来的液位信号是4-20mA，所以在信号进入XIC102的17、18端时要在17、18端并上一个250欧电阻将信号转化成1-5V电压信号。

图1液位单回路管道仪表流程图

图2液位单回路仪表接线图

2、闭合仪表电源开关，设定相应的参数和设定值（仪表操作及仪表参数意义参考仪表说明书）

给出仪表参数供参考：

参数代号

参数含义

参数代号

参数含义

HIAL

9999

LoAL

-1999

dHAL

9999

dLAL

9999

dF

0.0

CtrL

3

M5

0.4

P

20

T

3

Ctl

4

Sn

33

dIP

1

dIL

0

dIH

60.0

Sc

0

oP1

4

oPL

0

oPH

100

ALP

3353

CF

0

Addr

4

bAud

9600

dL

3

run

1

Loc

808

EP1-EP8

…

3、PID参数的整定

根据所学过的工程整定方法对P、I、D三参数进行整定。

首先必须认清各参数的作用以及增大或减小后对系统的大概影响。

具体整定步骤参考实验一。

参考：

CTRL:

4P:

5M5:

4t：

4

4、通电运行系统并运行力控监控实时曲线

5、观察实验结果，调试PID参数值，以达到实验的要求。

6、记录实验数据，撰写实验报告

实验三管道流量单回路PID控制

本实验主要由流量传感器、智能仪表、智能电动调节阀和流水管道组成流量单回路闭环控制系统。

一、实验目的

1.了解流量计的结构及使用方法。

2.熟悉单回路流量控制系统的组成。

3.认识PID调节器参数变化对系统性能所产生的影响。

二、实验主要设备:

AI-808（XIC101）、808H（FIT102）智能仪表

涡轮流量计（FE102）

三、实验指标

被控变量：

管路中水流的流量

压力设定：

50KPa

稳态误差§≤±2%

四、实验原理

五、实验步骤

1.认清实验所用的管道流程图和接线图：

打开手阀HV02、HV07、HV08；关闭手阀HV01、HV09、HV13、HV16、HV17构成管路。

压力的大小对流量扰动大，须谨慎设置。

由于从FIT102出来的引号也是4-20mA的标准信号，所以在进入XIC101的17、18端时也要在此两端并上一个250欧电阻转化成1-5V电压信号。

图1流量单回路管道仪表流程图

图2流量单回路仪表接线图

2、闭合仪表电源开关，设定相应的参数和设定值（仪表操作及参数意义参考仪表说明书）

给出仪表参数供参考：

（1）XIC101参数

参数代号

参数含义

参数代号

参数含义

HIAL

9999

LoAL

-1999

dHAL

9999

dLAL

9999

dF

0.0

CtrL

3

M5

10

P

30

T

15

Ctl

5

Sn

33

dIP

1

dIL

0.0

dIH

150.0

Sc

0.0

oP1

0.0

oPL

0.0

oPH

100

ALP

3353

CF

0

Addr

3

bAud

9600

dL

1

run

1

Loc

808

EP1-EP8

…

（2）FIT102主要参数

参数代号

参数含义

参数代号

参数含义

FHLA

2200

FLOA

2200

FDF

0

CHIA

100

Sn

0

FSB

0

Frd

1230

Fdip

0

FdIH

1200

FSC

0

FdL

4

bc

0

FoH

1200

Addr

6

bRUd

9600

FLJH

0

FLJL

349

FJH

0

FJL

350

Loc

808

IOL

40

IOH

200

3、PID参数的整定

根据所学过的工程整定方法对P、I、D三参数进行整定。

首先必须认清各参数的作用以及增大或减小后对系统的大概影响。

4、通电运行系统并运行力控监控实时曲线

5、观察实验结果，调试PID参数值，以达到实验的要求。

6、记录实验数据，撰写实验报告

实验四锅炉温度单回路PID控制

温度控制系统中，锅炉内胆中有铜电阻测温（型号Cu50），温度信号反馈到智能仪表中，经智能仪表PID运算后，输出相应的输出信号，来控制可控硅的通断，实现对电加热丝的调控，从而达到控制锅炉温度的目的。

一、实验目的

1.了解温度控制系统的结构和组成。

2.掌握温度控制系统的工作原理及其调试方法。

二、实验主要设备:

AI-808P智能仪表（TIC101）固态继电器（可控硅SSR）

温度传感器（TE101）锅炉及加热器

三、实验指标

被控变量：

锅炉内胆温度

稳态误差§≤±5%

加热丝功率：

3×1.5KW

四、实验原理

1可控硅（PK25FG160）

2、AIJK3型三相移相/周波过零可控硅调功触发器

AIJK系列是应用了单片机技术的智能化三相移相触发及周波过零两用触发器,功能强大且可靠性高。

本实验装置设置为移相触发可控硅。

3、温度传感器

铜电阻温度传感器是利用金属铜在温度变化时本身电阻值也随着变化的特性来测量温度的，显示仪表将会指示出铜电阻的电阻值所对应的温度值。

其受热部分（感温元件）是用细金属铜丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上。

当被测介质中有温度梯度存在时，其回路内产生热电流的物理现象。

所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。

技术指标:

名称

分度号

测量范围℃

热响应时间

误差△℃

铜电阻

Cu50

-50~150 ℃

<45S

±（0.10+0.017t）

五、实验步骤

1、认清实验所用的管道流程图和接线图：

关闭手阀HV01、HV08、HV09、HV12、HV13、HV16；打开手阀HV02、HV07HV17往内胆中注水，注水毕可做实验（无外胆循环水）。

实验过程中也可以望外胆中注循环水，效果更佳：

关闭手阀HV02、HV03、HV12、HV15、HV18；打开手阀HV01、HV11往锅炉外胆中不断注水，观察两次实验效果。

内胆无水时不能加热防止烧毁加热丝。

图1温度单回路管道仪表流程图

为防止内胆无水时加热，烧坏加热丝，加入LISA-301仪表构成防干烧连锁图

图2防干烧连锁图

图2温度单回路控制仪表接线图

备注：

温度单回路接线图配合防干烧连锁图使用

AI808P-13接LISA101-12，AI808P-11接TY101-COM

2、闭合仪表电源开关，设定相应的参数和设定值（仪表面板操作及参数意义参考仪表说明书）

给出仪表参数供参考：

参数代号

参数含义

参数代号

参数含义

HIAL

9999

LoAL

-1999

dHAL

9999

dLAL

9999

dF

0

CtrL

4

M5

3

P

1000

T

1

Ctl

1

Sn

20

dIP

0

dIL

0

dIH

100

Sc

0

oP1

2

oPL

0

oPH

100

ALP

3352

CF

2

Addr

2

bAud

9600

dL

1

run

26

Loc

808

EP1-EP8

主要是设定各段的温度值及相应的时间，具体请参照说明书。

3、PID参数的整定

根据所学过的工程整定方法对P、I、D三参数进行整定。

首先必须认清各参数的作用以及增大或减小后对系统的大概影响。

4、通电运行系统并运行力控监控实时曲线

5、观察实验结果，调试PID参数值，以达到实验的要求。

6、记录实验数据、撰写实验报告

实验五上下水箱液位串级控制

一、实验目的

1、熟悉上下水箱双容液位串级控制系统的组成和工作原理。

2、认识PID调节器的参数变化对系统性能的影响。

3、掌握串级控制整定调节器参数的方法。

二、实验设备

智能仪表（AI-808）液位变送器（KY-B3804/3803）

涡轮流量传感器（LWGY-10）调节阀（QSTP-16K）

三、实验指标

主被控变量：

下水箱的液位

副被控变量：

上水箱的液位

稳态误差§≤±5%

四、实验原理

五、实验内容与步骤

1.按实验原理图及回路接线图，将系统接成反馈控制回路。

其中被控对象是中水箱，被控制量是中水箱的液位高度：

打开手阀HV02、HV07、HV09、HV16；关闭手阀HV01、HV08、HV13、HV17构成管路。

构成串级时，主调节器（XIC102）输出信号接到副调节器（XIC101）的17、18端，并在两端并上一个250欧的电阻；从现场过来的副被控变量信号接到副调节器的18、19端，并在两端接上50欧的电阻。

图1上下水箱液位串级控制管道仪表流程

图2上下水箱液位串级控制仪表接线图

2、两步整定法

所谓两步整定法，就是第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。

两步整定法的整定步骤：

1）在工况稳定、主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用的条件下，主调节器的比例度置于100％，用单回路控制系统的衰减（如4：

1）曲线法整定，求取副调节器的比例度δ1和操作周期T1。

2）将副调节器的比例度置于所求得的数值δ1上，把副回路作为主回路中的一个环节。

用同样方法整定主回路，求取主调节器的比例度δ2和操作周期T2。

3）根据求得的δ1、T1；δ2、T2数值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度、积分时间和微分时间的数值。

4）按先副后主、先比例后积分最后微分的整定程序，设置主、副调节器的参数．再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到系统质量达到最佳为。

3、闭和仪表电源开关，设定仪表参数（仪表操作和参数意义参考仪表说明书）

给出仪表参数供参考：

主调节器为反作用，副调节器为反作用，副调节器设置为外给定

（1）XIC102参数

参数代号

参数含义

参数代号

参数含义

HIAL

9999

LoAL

-1999

dHAL

9999

dLAL

9999

dF

0

CtrL

3

M5

0.1

P

15

T

10

Ctl

1

Sn

33

dIP

1

dIL

0.0

dIH

60.0

Sc

0.0

oP1

4

oPL

0

oPH

100

ALP

3353

CF

0

Addr

4

bAud

9600

dL

1

run

1

Loc

808

EP1-EP8

…

（2）XIC101参数

参数代号

参数含义

参数代号

参数含义

HIAL

9999

LoAL

-1999

dHAL

9999

dLAL

9999

dF

0.0

CtrL

3

M5

9999

P

3

T

0

Ctl

1

Sn

32

dIP

1

dIL

0.00

dIH

100.0

Sc

0.00

oP1

4

oPL

0.00

oPH

100

ALP

3353

CF

8

Addr

3

bAud

9600

dL

1

run

1

Loc

808

EP1-EP8

…

4、运行系统并运行力控监控实时曲线

5、观察实时曲线，调节仪表参数。

6、记录实验数据，撰写实验报告。

实验六液位—流量串级控制

一、实验目的

1、利用实验装置构成液位-流量串级控制系统

2、进一步理解串级控制系统消除干扰的工作原理和特点

二、实验设备

智能仪表（AI-808/808H）液位变送器（KY-B3804）

涡轮流量传感器（LWGY-10）调节阀（QSTP-16K）

三、实验指标

主被控变量：

下水箱的液位

副被控变量：

供水管道水流量

稳态误差§≤±2%

四、实验原理

五、实验步骤

1、理解串级控制系统方框图并按照管道仪表流程图和回路仪表接线图构成控制系统：

关闭手阀HV01、HV08、HV13、HV16、HV17；打开手阀HV02、HV07、HV09。

构成串级时，由现场过来的信号接到主调节器的17、18端，并在两端接上250欧的电阻，将4-20mA的电流信号转化为1-5V的电压信号。

主调节器的输出信号接到副调节器的17、18端并在两端接上250欧的电阻。

由流量变送器出来的信号接到副调节器的18、19端，并在两端接上50欧的电阻。

图1管道仪表流程图

图2仪表回路接线图

2、按照实验五的整定方法进行参数整定，最后调试得出最佳参数

3、闭和仪表电源开关，设定仪表参数（仪表操作和参数意义参考仪表说明书）

给出仪表参数供参考：

（1）XIC102参数

参数代号

参数含义

参数代号

参数含义

HIAL

9999

LoAL

-1999

dHAL

9999

dLAL

9999

dF

0

CtrL

3

M5

12

P

15

T

3

Ctl

1

Sn

33

dIP

1

dIL

0.0

dIH

60.0

Sc

0.0

oP1

4

oPL

0

oPH

100

ALP

3323

CF

0

Addr

4

bAud

9600

dL

1

run

1

Loc

808

EP1-EP8

…

（2）XIC101参数

参数代号

参数含义

参数代号

参数含义

HIAL

9999

LoAL

-1999

dHAL

9999

dLAL

9999

dF

0

CtrL

3

M5

9999

P

2

T

0

Ctl

1

Sn

33

dIP

1

dIL

0.0

dIH

60.0

Sc

0