過程控制實訓流量計和溫度控制的PID整定

1、目錄目錄第一部分、系統(tǒng)介紹2一、AE2000B型系統(tǒng)介紹2二、AE2000B型實驗對象組成結(jié)構(gòu)2三、AE2000B型實驗對象控制臺3第二部分 流量控制42.1、實驗一 電磁流量計流量PID整定實驗42.2、實驗二、渦輪流量計流量PID整定實驗62.3、實驗三、渦輪與電磁流量比值控制系統(tǒng)實驗82.4、簡單比值控制系統(tǒng)的仿真11第三部分 溫度控制123.1、實驗一、鍋爐夾套水溫PID整定實驗（動態(tài)）123.2、實驗二. 鍋爐夾套和鍋爐內(nèi)膽溫度串級控制系統(tǒng)143.3、被控對象的仿真模型173.4、單回路控制系統(tǒng)的仿真183.5、串級控制系統(tǒng)的仿真18第四部分 實訓感想18第一部分、系統(tǒng)介紹一、AE2

2、000B型系統(tǒng)介紹AE2000B型過程控制實驗裝置是根據(jù)工業(yè)自動化及相關(guān)專業(yè)教學特點，吸取了國外同類實驗裝置的特點和長處，并與目前大型工業(yè)自動化現(xiàn)場緊密聯(lián)系，采用了工業(yè)上廣泛使用并處于領(lǐng)先的AI智能儀表加組態(tài)軟件控制系統(tǒng)、DCS(分布式集散控制系統(tǒng))，經(jīng)過精心設(shè)計，多次實驗和反復(fù)論證，推出的一套基于本科，著重于研究生教學、學科基地建設(shè)的實驗設(shè)備。該設(shè)備涵蓋了信號和信息處理、傳感技術(shù)、工程檢測、模式識別、控制理論、自動化技術(shù)、智能控制、過程控制、自動化儀表、計算機應(yīng)用和控制、計算機控制系統(tǒng)等課程的教學實驗與研究。整個系統(tǒng)美觀實用，功能多樣，使用方便，既能進行驗證性、設(shè)計性實驗，又能提供綜合性實驗

3、，可以滿足不同層次的教學和研究要求。AE2000型過程實驗裝置的檢測信號、控制信號及被控信號均采用ICE標準，即電壓15V，電流420mA。實驗系統(tǒng)供電要求：單相220V交流電，外型尺寸：1850×1450×900mm，重量：100Kg 二、AE2000B型實驗對象組成結(jié)構(gòu)過程控制實驗對象系統(tǒng)包含有：不銹鋼儲水箱（長×寬×高：850×450×400mm）、串接圓筒有機玻璃上水箱、中水箱、下水箱、單相2.5KW電加熱鍋爐（由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼冷卻鍋爐夾套組成）。系統(tǒng)動力支路分兩路組成：一路由單相增壓泵、電動調(diào)節(jié)閥、

4、渦輪流量計、自鎖緊不銹鋼水管及手動切換閥組成；另一路由增壓泵、變頻調(diào)速器、小流量渦輪流量計、自鎖緊不銹鋼水管及手動切換閥組成。如圖2-1所示：2-1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖對象系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中檢測變送和執(zhí)行元件包括：液位傳感器、溫度傳感器、渦輪流量計、壓力表、電動調(diào)節(jié)閥等。AE2000B實驗對象檢測及執(zhí)行裝置包括：檢測裝置：擴散硅壓力液位傳感器、渦輪流量傳感器、Pt100熱電阻溫度傳感器。執(zhí)行裝置：單相可控硅移相調(diào)壓裝置、電動調(diào)節(jié)閥、變頻器。三、AE2000B型實驗對象控制臺儀表控制臺面板由三部分組成：（1） 電源控制屏面板：充分考慮人身安全保護，帶有漏電保護空氣開關(guān)、電流型漏電保護器。（2） 儀表及遠程數(shù)據(jù)

5、采集模塊面板：1塊變頻調(diào)速器面板、3塊AI/818A智能調(diào)節(jié)儀面板、2塊遠程數(shù)據(jù)采集模塊面板組成，各裝置外接線端子通過面板上自鎖緊插孔引出。（3）I/O信號接口面板：該面板的作用主要是將各傳感器檢測及執(zhí)行器控制信號同面板上自鎖緊插孔相連，再通過航空插頭同對象系統(tǒng)連接，便于學生自行連線組成不同的控制系統(tǒng)，進行幾十種過程控制實驗。第二部分 流量控制2.1、實驗一 電磁流量計流量PID整定實驗一、實驗?zāi)康?）、了解電磁流量計的結(jié)構(gòu)及其使用方法。2）、熟悉單回路流量控制系統(tǒng)的組成。二、實驗設(shè)備1）、AE2000B型過程控制實驗裝置：上位機軟件、計算機、RS232-485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根。2）、萬

6、用表一只三、實驗原理 圖8-1、流量控制系統(tǒng)四、實驗內(nèi)容與步驟1）、利用實驗裝置,信號接口面板上渦輪流量計的測量信號組成圖9-4所示的單回路流量控制系統(tǒng)。如圖8-2所示：圖8-2、實驗接線圖2）、把調(diào)節(jié)器置于“手動”狀態(tài)，積分時間常數(shù)為零，微分時間常數(shù)為零，根據(jù)儀表使用說明設(shè)定比例P，設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，使調(diào)節(jié)器工作在比例調(diào)節(jié)上。3）、啟動工藝流程并開啟相關(guān)儀器和計算機系統(tǒng)，在開環(huán)狀態(tài)下，利用調(diào)節(jié)器的手動操作按鈕把被調(diào)量管道的流量調(diào)到給定值（一般把流量控制在流量量程的50%處）。4）、運行MCGS組態(tài)軟件，進入實驗系統(tǒng)相關(guān)的實驗,如圖8-3所示：圖8-3、實驗軟件界面5）、觀察計算機顯示屏上實時的

7、響應(yīng)曲線，待流量基本穩(wěn)定于給定值后，即可將調(diào)節(jié)器由“手動”狀態(tài)切換到“自動”狀態(tài)，使系統(tǒng)變?yōu)殚]環(huán)控制運行。待系統(tǒng)的流量趨于平衡不變后，加入階躍信號（一般可通過改變設(shè)定值的大小來實現(xiàn)）。經(jīng)過一段時間運行后，系統(tǒng)進入新的平穩(wěn)狀態(tài)。由記錄曲線觀察并記錄在不同的比例P下系統(tǒng)的余差和超調(diào)量。（計算超調(diào)量?。?）、記錄軟件中的實時曲線的過程數(shù)據(jù)作出一條完整的過渡過程曲線，記錄表格自擬。2.2、實驗二、渦輪流量計流量PID整定實驗一、實驗?zāi)康?）、了解渦輪流量計的結(jié)構(gòu)及其使用方法。2）、熟悉單回路流量控制系統(tǒng)的組成。二、實驗設(shè)備1）、AE2000B型過程控制實驗裝置：上位機軟件、計算機、RS232-485轉(zhuǎn)

8、換器1只、串口線1根。2）、萬用表一只三、渦輪流量計的工作原理1、 工作原理 當被測流體流經(jīng)傳感器時，傳感器內(nèi)的葉輪借助于流體的動能而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，周期性地改變磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的磁阻值，使通過線圈的磁通量周期性地發(fā)生變化而產(chǎn)生電脈沖信號。在一定的流量范圍下，葉輪轉(zhuǎn)速與流體流量成正比，即電脈沖數(shù)量與流量成正比。該脈沖喜好經(jīng)放大器放大后送至二次儀表進行流量和總量的顯示或積算。在測量范圍內(nèi)，傳感器的輸出脈沖總數(shù)與流過傳感器的體積總量成正比，其比值稱為儀表常數(shù)，以（次/L）表示。每臺傳感器都過實際標定測得儀表常數(shù)值。當測出脈沖信號的頻率f和某一段時間內(nèi)的脈沖總數(shù)N后，分別除以儀表常數(shù)（次/L）便可求得瞬

9、時流量q（L/s）和累積流量Q(L)。即：q=f/Q=N/四、實驗內(nèi)容與步驟1）、利用實驗裝置,信號接口面板上渦輪流量計的測量信號組成圖9-4所示的單回路流量控制系統(tǒng)。如圖9-2所示：圖9-2、實驗接線圖圖9-3、實驗軟件界面5）、觀察計算機顯示屏上實時的響應(yīng)曲線，待流量基本穩(wěn)定于給定值后，即可將調(diào)節(jié)器由“手動”狀態(tài)切換到“自動”狀態(tài)，使系統(tǒng)變?yōu)殚]環(huán)控制運行。待系統(tǒng)的流量趨于平衡不變后，加入階躍信號（一般可通過改變設(shè)定值的大小來實現(xiàn)）。經(jīng)過一段時間運行后，系統(tǒng)進入新的平穩(wěn)狀態(tài)。由記錄曲線觀察并記錄在不同的比例P下系統(tǒng)的余差和超調(diào)量。（計算超調(diào)量！）6）、記錄軟件中的實時曲線的過程數(shù)據(jù)作出一條完

10、整的過渡過程曲線，記錄表格自擬。2.3、實驗三、渦輪與電磁流量比值控制系統(tǒng)實驗一、實驗?zāi)康?）、了解渦輪流量計的結(jié)構(gòu)及其使用方法。2）、熟悉單回路流量控制系統(tǒng)的組成。3）、試了解比值控制在工業(yè)上的應(yīng)用。二、實驗設(shè)備1）、AE2000B型過程控制實驗裝置：上位機軟件、計算機、RS232-485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根。2）、萬用表一只三、比值系統(tǒng)組成原理在各種生產(chǎn)過程中，需要使兩種物料的流量保持嚴格的比例關(guān)系是常見的，例如，在鍋爐的燃燒系統(tǒng)中，要保持燃料和空氣量的一定比例，以保證燃燒的經(jīng)濟性。而且往往其中一個流量隨外界負荷需要而變，另一個流量則應(yīng)由調(diào)節(jié)器控制，使之成比例地改變。保證二者之比值不變。

11、否則，如果比例嚴重失調(diào)，就可能造成生產(chǎn)事故，或發(fā)生危險。又如，以重油為原料生產(chǎn)合成氨時，在造氣工段應(yīng)該保持一定的氧氣和重油比率，在合成工段則應(yīng)保持氫和氮的比值一定。這些比值調(diào)節(jié)的目的是使生產(chǎn)能在最佳的工況下進行。本實驗比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成原理如下圖所示：圖13-1、比值控制系統(tǒng)原理圖 五、實驗內(nèi)容與步驟1）、連接好比值調(diào)節(jié)實驗硬件連線。如圖13-2圖13-2 實驗接線圖2）、啟動工藝流程并開啟相關(guān)儀器和計算機系統(tǒng)。3）、設(shè)定好調(diào)節(jié)儀的各項參數(shù)。和常規(guī)的PID調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置相同4）、運行MCGS組態(tài)軟件，進入實驗系統(tǒng)相關(guān)的實驗，如圖13-3所示：圖13-3、實驗軟件界面5）、調(diào)節(jié)比值器的放大系數(shù)，在

12、泓格7000上實現(xiàn)，軟件設(shè)定放大系數(shù)。（計算超調(diào)量?。?）、觀察計算機顯示屏上實時的響應(yīng)曲線，改變放大系數(shù)。待系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄過渡過程曲線。記錄各項參數(shù)。 2.4、簡單比值控制系統(tǒng)的仿真被控對象的數(shù)學模型為假設(shè)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中的主動量控制系統(tǒng)的數(shù)學模型為式（1），從動量控制系統(tǒng)的數(shù)學模型為式（2）。G（s）= （1）G（s）= （2）在MATLAB環(huán)境下對開環(huán)比值控制系統(tǒng)進行仿真，要求有主副被控對象的的響應(yīng)曲線。 第三部分 溫度控制3.1、實驗一、鍋爐夾套水溫PID整定實驗（動態(tài)）一、實驗?zāi)康?）、了解不同單回路溫度控制系統(tǒng)的組成與工作原理。2）、研究P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對溫

13、度系統(tǒng)的控制作用。3）、改變P、PI、PD和PID的相關(guān)參數(shù)，觀察它們對系統(tǒng)性能的影響。4）、了解PID參數(shù)自整定的方法及參數(shù)整定在整個系統(tǒng)中的重要性。5）、分析動態(tài)的溫度單回路控制和靜態(tài)的溫度單回路控制不同之處。二、實驗設(shè)備1）、AE2000B型過程控制實驗裝置、上位機軟件、計算機、RS232-485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根。2）、萬用表一只。三、實驗原理 圖11-1、溫度控制系統(tǒng)本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是鍋爐夾套溫度給定值，即控制的任務(wù)是控制鍋爐夾套溫度等于給定值，采用工業(yè)智能PID調(diào)節(jié)。四、實驗內(nèi)容與步驟（一）、比例調(diào)節(jié)器（P）控制1）、按圖11-1所示方塊圖的要求接成實驗系統(tǒng)。如下圖：圖

14、11-2 系統(tǒng)連線圖2）、打開相應(yīng)的閥門，啟動變頻器往鍋爐進水，約經(jīng)1-2分鐘后，關(guān)閉變頻器，保證夾套內(nèi)有水。3）、開啟相關(guān)儀器和計算機，運行軟件，進入相應(yīng)的實驗，如圖11-3所示：圖11-3、實驗軟件界面4)、把智能調(diào)節(jié)器置于“手動”，輸出值為小于等于10，把溫度設(shè)定于某給定值（如：將水溫控制在40。C），設(shè)置各項參數(shù)，使調(diào)節(jié)器工作在比例（P）調(diào)節(jié)器狀態(tài)，此時系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)。5）、啟動變頻器，以15Hz的頻率啟動循環(huán)水系統(tǒng)。6）、運行MCGS組態(tài)軟件，進入相應(yīng)的實驗，觀察實時或歷史曲線，待水溫（由智能調(diào)節(jié)器的溫度顯示器指示）基本穩(wěn)定于給定值后，將調(diào)節(jié)器“手動”切換至“自動”位置，使系統(tǒng)變?yōu)?/p>

15、閉環(huán)控制運行。待基本不再變化時，加入階躍擾動：6）、記錄實驗過程各項數(shù)據(jù)繪成過渡過程曲線。（數(shù)據(jù)可在軟件上獲得）3.2、實驗二. 鍋爐夾套和鍋爐內(nèi)膽溫度串級控制系統(tǒng)一、 實驗?zāi)康?）、熟悉串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制特點。2）、掌握串級控制系統(tǒng)的投運與參數(shù)整定方法3）、研究階躍擾動分別作用在副對象和主對象時對系統(tǒng)主被控量的影響。二、 實驗設(shè)備AE2000B型過程控制實驗裝置： 配置：上位機軟件、計算機、RS232-485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根。三、實驗原理1、串級控制系統(tǒng)的組成2個調(diào)節(jié)器分別設(shè)置在主、副回路中，設(shè)在主回路的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，設(shè)在副回路的調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器。兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)連接，主調(diào)節(jié)

16、器的輸出作為副回路的給定量，副調(diào)節(jié)器的輸出去控制執(zhí)行元件。主對象的輸出為系統(tǒng)的被控制量鍋爐夾套溫度，副對象的輸出是一個輔助控制變量。2、串級系統(tǒng)的抗干擾能力串級系統(tǒng)由于增加了副回路，對于進入副環(huán)內(nèi)的干擾具有很強的抑制作用，因此作用于副環(huán)的干擾對主變量的影響就比較小，系統(tǒng)的主回路是定值控制，而副回環(huán)是一個隨動控制。在設(shè)計串級控制系統(tǒng)時，要求系統(tǒng)副對象的時間常數(shù)要遠小于主對象。此外，為了指示系統(tǒng)的控制精度，一般主調(diào)節(jié)器設(shè)計成PI或PID調(diào)節(jié)器，而副調(diào)節(jié)器一般設(shè)計為比例P控制，以提高副回路的快速響應(yīng)。在搭實驗線路時，要注意到兩個調(diào)節(jié)器的極性（目的是保證主、副回路都是負反饋控制）。 3、串級控制系統(tǒng)與

17、單回路的控制系統(tǒng)相比 串級控制系統(tǒng)由于副回路的存在，改善了對象的特性，使等效副對象的時間常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，控制及時。同時，由于串級系統(tǒng)具有主副兩只控制器的總放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)的擾干擾能力的增強。因此，它的控制質(zhì)量要比單回路控制系統(tǒng)高。4、串級控制系統(tǒng)的投運和整定有一步整定法，也有兩步整定法，即先整定副回路，后整定主回路。四、實驗步驟1）、搭接好實驗線路。如下圖： 圖15-1、 實驗接線圖1）、開通以電動調(diào)節(jié)閥、變頻器、渦輪流量計以及鍋爐內(nèi)膽與夾套進水閥所組成的水路系統(tǒng)，關(guān)閉通往其他對象的切換閥。2）、將鍋爐內(nèi)膽的出水閥開適當大小。3)、運行軟件，進入相應(yīng)的實驗，如圖15-2所示：圖15-2、實驗軟件界面。（計算超調(diào)量?。?.3、被控對象的仿真模型在溫度串級控制系統(tǒng)中，主被控對象的數(shù)學模型