过参仪表实验指导书

过程控制实验指导书过程控制实验指导书-PAGE4--PAGE2-目录第一章实验装置说明 2第一节系统概述 2第二节PCT-IVE型高级过程控制系统实验对象 4第三节PCT-IVE型高级过程控制系统实验装置 6第四节软件介绍 14第五节实验操作规程 16第二章过程控制仪表实验 17第一节调节器的认识和校验 17第二节压力变送器的认识和校验 21第四节电动调节阀的认识和校验 25第五节流量计的认识和校验 27第六节变频器的认识和校验 29第三章对象特性测试实验 31第一节单容水箱特性的测试 31第四章单回路控制系统实验 36第一节单回路控制系统的概述 36第二节上水箱液位定值控制系统 41

第一章实验装置说明第一节系统概述自本世纪30年代以来，自动化技术获得了惊人的成就，已在工业和国民经济各行各业起着关键的作用。自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。自动控制按输入量的变化规律分类，可分恒值控制系统（FixedSet-PointControlSystem）、随动控制系统（Follow-UpControlSystem）、过程控制系统（ProcessControlSystem）。过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。在现代化工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。在当今高教改革中，越来越多的教师认识到素质教育的重要性，但各高校的教学中理论和实践严重脱节，基于这一现象，并征求广大教师的意见，我公司设计开发了PCT—I型过程控制实验系统装置，在I型系统基础之上，并争取各大专院校专家领导的建议，我公司又新开发出PCT-II型过程控制系统实验装置。II型过程控制系统装置集I型之优点，并增加了变比值控制，Simth控制，温度和流量解耦控制等一些复杂实验。装置特点:1．控制对象、控制屏、计算机三部分组成，对象构布局合理，造型美观大方。2．时实性、直观性、综合性强，控制对象元件全部来源于工业现场。控制屏正面有完整的系统结构图案。3．？液位、流量、压力、温度等典型参数。4．PCT-II过程控制实验装置具有控制参数和控制方案的多样化。该装置可通过对其管路上的阀门切换和对模拟信号接线板上信号的连接组合，可构成数十种过程控制实验。5．PCT-II过程控制实验装置中充分考虑了大专院校，高等职业技术学院工业自动化专业的大纲要求，完全能满足教学实验、课程设计、毕业设计的需要，同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、创造性过程控制系统实验的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的能力。学生在本实验装置进行综合实验后，可掌握下列内容：1．控制对象特性的方法。2．自动化仪表的初步使用。3．变频器的基本工作原理和初步使用。4．单路控制系统的参数整定。5．控制回路系统的参数整定。6．控制参数对控制系统品质指标的影响。7．系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力。实验的基本程序：1．实验任务；2．出实验方案；3．实验接线图；4．行实验操作，作好观测和记录；5．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，教师给予必要的指导，以培养学生的实验能力。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。第二节PCT-IVE型高级过程控制系统实验对象本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、电磁流量计及电磁阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及电磁阀组成。一、被控对象1．水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下三个水箱采用8mm厚的进口有机玻璃无缝加工而成的方形三槽式水箱，容积为30升，每个水箱都有三槽结构（进水水箱、出水水箱和实验水箱）。采用了无缝加工技术，确保无漏水现象。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，容积为200升，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。2．模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）、冷却层（锅炉夹套）和溢流层，均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。夹套里的水满了之后便会从溢流层流出去。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。3．盘管：模拟工业现场的管道输送和滞后环节，在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。盘管的出水通过阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完成温度的滞后实验。4．阀门：系统配有11个电磁阀，均可实现手动和自动控制，做实验更加方便；所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。二、检测装置1．压力传感器、变送器：四个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测（其中下水箱两个，用来完成液位解耦实验），其量程为0～3KPa，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：4～20mADC。2．温度传感器：装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。Pt100测温范围：-200～+420℃。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好3．电磁、涡轮流量计：电磁流量计用来对由电动调节阀控制的动力支路，它的优点是零点比较稳定，抗干扰能力强，不受被测介质压力、温度、粘度、密度等物理参数变化的影响，反应灵敏，输出信号与流量成线性关系，量程比宽。工作电源：220V；流量范围：0～0.3m3/h；精度：1.0%；输出：4～20mADC。两个涡轮流量计由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。流量范围：0.1～0.6m3/h；精度：1.0%；输出：4～20mA三、执行机构1．电动调节阀：采用霍尼韦尔公司的ML7420型电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。调节阀的执行器采用进口器件，阀体口径DN15,采用等百分比特性控制；具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为24VAC，执行机构直接接受4-20mADC或1-5V控制信号，使用和校正方便2．水泵：本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。磁力驱动泵的型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米3．加热装置：控制信号：4～20mADC，对触发模块进行控制，进而对调压模块进行输出调压控制。第三节PCT-IVE型高级过程控制系统实验装置PCT-IVE型高级过程控制系统实验装置主要由主控屏组件、智能调节器控制组件、远程数据采集控制组件、PLC控制组件等几部分组成。主控屏组件三相电源指示三相变频水泵输入端子三相电源指示三相变频水泵输入端子加热电流指示总电源开关三相水泵启动、停止按钮加热开关直流毫安表比例器标准电阻24V直流电源可调电流源可调电压流源2.GPCT-0023.GPCT-01液位传感器需要与外部24V电源及检测元件构成回路,回路中电流为4~20mA液位传感器需要与外部24V电源及检测元件构成回路,回路中电流为4~20mA电磁阀加热器温度控制端子,输入4~20mA,电流即可控制加热电压加热器内桶温度传感器水泵涡轮流量计需要与外部24V电源及检测元件构成回路,回路中电流为4~20mA电磁流量计直接输出4~20mA电流不需外加电源储水箱调节阀开度控制端子GPCT-005B电磁阀开关电磁阀开关RS485通讯接口，仪表要跟上位机通讯时要接在这里RS485通讯接口，仪表要跟上位机通讯时要接在这里

控制组件智能调节器控制器信号输入端信号输出端信号输入端信号输出端RS485通讯接口挂箱的电源开关采用上海万迅仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，其中GPCT-03智能调节器控制挂箱为AI-818型和AI-708型，AI-818型仪表为PID控制型，输出为4～20mADC信号；具有手动输出功能，而AI-708型仪表有位式控制功能，输出为继电器触点型开关量信号。AI系列仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。AI仪表常用参数设置：Ctrl——控制方式：Ctrl=2，启动自整定Ctrl=3，整定结束；Sn——输入规格：Sn=33，1-5V电压输入Sn=32，0.2-1V电压输入Sn=20，热电阻输入；Dip——小数位数：dip=0，小数点位数为0；op1——输出方式：op1=4，4～20mA线形电流输出；dih——输出上限：做液位控制时，dih=350，做温度、流量控制时，dih=100；涡轮流量输入时，dih=200。dil——输入下限：一般dil=0；CF——系统功能选择：单回路控制CF=2；需要外部给定时CF=8。Run——运行状态选择：run=0，手动调节状态；run=1，自动调节状态。P、I、D参数可根据实验需要调整，其他参数请参考默认设置。有关AI系列仪表的使用请参考说明书上相关的内容。牛顿模块控制器挂箱的电源开关RS485通讯接口挂箱的电源开关RS485通讯接口信号输出端信号输入端远程数据采集控制即我们通常所说的直接数字控制（DDC），它的特点是以计算机代替模拟调节器进行控制，并通过数据采集板卡或模块进行A/D、D/A转换，控制算法全部在计算机上实现。其中R-7017是8路模拟量输入模块，R-7024是4路模拟量输出模块，R-8043是16路开关量输出。智能采集模块通过RS485等串行口通讯协议与PC相连，由PC中的算法及程序控制并实现数据采集模块对现场的模拟量、开关量信号的输入和输出、脉冲信号的计数和测量脉冲频率等功能。关于牛顿模块的具体使用请参考装置附带的光盘中的相关内容。S7-300控制器信号输入端信号输出端信号输入端信号输出端挂箱的电源开关可编程控制器（简称PLC）是专为在工业环境下应用的一种数字运算操作的电子系统。目前国内外PLC品种繁多，生产PLC的厂商也很多，其中德国西门子公司在S5系列PLC的基础上推出了S7系列PLC，性能价格比越来越高。S7系列PLC有很强的模拟量处理能力和数字运算功能，具有许多过去大型PLC才有的功能，其扫描速度甚至超过了许多大型的PLC，S7系列PLC功能强、速度快、扩展灵活，并具有紧凑的、无槽位限制的模块化结构，因而在国内工控现场得到了广泛的应用。在本装置中采用了S7-300PLC控制系统。单片机控制器信号输入端信号输出端信号输入端信号输出端计算机通讯接口挂箱的电源开关ADuC812是一个高性能数据采集芯片。系统集成了：与8051兼容的内核：额定工作频率12MHz，3个16位定时器/计数器，32条可编程的I/O线，9个中断源。模拟I/O:一个8通道,5us转换时间,12位精度，逐次逼近型ADC转换器，ADC至RAM的DMA控制器；两个12位电压输出DAC转换器。存储器：8KB片内闪速/电擦除程序存储器（EEPROM）,640字节片内闪速/电擦除数据存储器（EEPROM），256字节片内数据存储器（SRAM），16KB外部数据地址空间，64KB外部程序地址空间。片内其它外围：UART串行I/O,SPI串行I/O,看门狗定时器，电源监视器。第四节软件介绍组态王6.53组态王6.53是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向高端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库（KingHistorian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效的获取信息，及时的做出反应，以获得最优化的结果。

组态王6.53保持了组态王早期版本运行稳定、使用方便的特点。并根据国内众多用户的反馈及意见，对一些功能进行了完善和扩充。该款产品的历史曲线、温控曲线以及配方功能进行了大幅提升与改进，软件的功能性和可用性有了很大的提高。

组态王6.53的主要功能特性：

（1）可视化操作界面，真彩显示图形、支持渐进色、丰富的图库、动画连接

（2）无与伦比的动力和灵活性，拥有全面的脚本与图形动画功能

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（4）强大的分布式报警、事件处理，支持实时、历史数据的分布式保存

（5）强大的脚本语言处理，能够帮助你实现复杂的逻辑操作和与决策处理

（6）全新的WebServer架构，全面支持画面发布、实时数据发布、历史数据发布以及数据库数据的发布

（7）丰富的设备支持库，支持常见的PLC设备、智能调节器、智能模块

关于WinCC软件的使用请参考配套光盘中的电子文档。西门子WinCC组态软件S7-300PLC控制方案采用WinCC软件作为上位机监控组态软件，WinCC是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能的产物。作为一个国际先进的人机界面(HMI)软件和SCADA系统，WinCC提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板；并具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据；WinCC还为用户解决方案提供了开放的界面，使得将WinCC集成入复杂、广泛的自动化项目成为可能。关于WinCC软件的使用请参考配套光盘中的电子文档。西门子S7系列编程软件本装置中PLC控制方案采用了德国西门子公司的S7-300PLC，西门子S7-300PLC采用的是Step7编程软件。利用这两个软件可以对相应的PLC进行编程、调试、下装、诊断。有关软件使用请参考光盘中相应的内容。7000Utility软件远程数据采集控制方案采用8000系列智能采集模块，7000Utility是其配套的模块调试软件。软件安装完以后，在开始菜单中点击“7000Utility”程序，运行程序自动检测模块，当检测到模块后，可双击模块进行模块参数的显示及修改。若模块通讯失败，请检查通讯线是否已按实验要求连接；若上位机组态王与模块通讯失败，请用7000Utility检查模块地址，并作正确修改。Matlab软件MATLAB是MathWorks公司于1984年推出的数学软件，其名称是由“矩阵实验室”（MATrixLABoratory）的英文词汇合成所得。顾名思义，MATLAB早期版本提供的主要功能是矩阵运算。但是，随着数值运算与系统仿真需求的演变，MATLAB已经成为各类系统仿真、数字信号处理和科学计算可视化的标准语言与开发平台。MATLAB是一个功能强大的套装软件，除了MATLAB的计算核心外，还有针对不同领域所开发的应用程序（称为工具箱Toolbox）以及其它相关产品，如：Simulink，Stateflow，Real-TimeWindowsTarget，Real-TimeWorkshop,GUI等。在MATLAB环境下，利用Simulink，GUI等软件可以将PC机转变成一个系统，实现半实物仿真，用于高等院校的教学、科研与实验。第五节实验操作规程一、实验前的准备实验前应复习教科书有关章节，认真阅读实验指导书，了解实验目的、项目、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题，并按实验项目准备记录等。实验前应了解实验装置中的对象、水泵、变频器和所用控制组件的名称、作用及其所在位置。以便于在实验中对它们进行操作和观察。熟悉实验装置面板图，要求做到：由面板上的图形、文字符号能准确找到该设备的实际位置。熟悉工艺管道结构、每个手动阀门的位置及其作用。二、实验过程的基本程序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，以培养学生的实际动手能力，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。三、实验安全操作规程1．实验之前确保所有电源开关均处于“关”的位置。2．接线或拆线必须在切断电源的情况下进行，接线时要注意电源极性。完成接线后，正式投入运行之前，应严格检查安装、接线是否正确，并请指导老师确认无误后，方能通电。3．在投运之前，请先检查管道及阀门是否已按实验指导书的要求打开，储水箱中是否充水至三分之二以上，以保证磁力驱动泵中充满水，磁力驱动泵无水空转易造成水泵损坏。4．在进行温度试验前，请先检查锅炉内胆内水位，至少保证水位超过液位指示玻璃管上面的红线位置，无水空烧易造成电加热管烧坏。5．实验之前应进行变送器零位和量程的调整，调整时应注意电位器的调节方向，并分清调零电位器和满量程电位器。6．仪表应通电预热15分钟后再进行校验。7．小心操作，切勿乱扳硬拧，严防损坏仪表。第二章过程控制仪表实验第一节调节器的认识和校验一．实验目的1．熟悉调节器的外型结构，掌握调节器的操作方法，从而进一步理解调节器的工作原理及整机特性。2．熟悉调节器的功能，了解调节器各可调部件的位置及作用。3．掌握调节器的主要技术性能的调校、测试方法。二．实验装置1．实验所需仪器设备GPCT-03智能调节器、电流表、直流稳压电源、250欧姆电阻2．接线端子说明图2-1智能调节器示意图在内给定情况下：1、2为外部检测信号反馈输入端口（电流为4～20mA）2、3为无效端口4、5为控制信号输出端口、输出电流4～20mA。在外给定情况下：1、2为外部给定信号输出端口（即设定值输入）输入电流值为4～20mA2、3为反馈信号输入端口，输入电流4～20mA4、5为控制电流输出端口，输出电流值4～20mA。（注意：2点是给定与反馈信号的公共端点，接线时都应为信号的负端。）3．仪表的实用方法及参数说明（1）参数设定方法：按住两秒钟，PV窗口显示被设参数，SV窗口显示设定，按键移动设定值小数点，按增加设定值。按减少设定值参数。参数设定完毕按键一次，则仪表保存设定值，同时显示下一设定参数。如上述设置所有需要设置参数。参数设置完毕不触动任何按钮则仪表过10秒钟返回运行状态。内给定情况下，在仪表为运行状态时按动、两键增减给定，按动键移动小数点。外给定情况运行状态下，“、、键无效显示值PV与设定值SV，由外部电流信号决定。说明：PV:显示检测值SV：显示内给定值或者是外给定值。视接线情况而定A/M：键为自动/手动切换开关及小数点移位。：键为运行参数设置按键：键为给定值设定值增加键：键为给定值设定值减少值（2）常用的参数：Ctrl——控制方式：Ctrl=2，启动自整定Ctrl=3，整定结束；Sn——输入规格：Sn=33，1-5V电压输入Sn=32，0.2-1V电压输入Sn=20，热电阻输入；Dip——小数位数：dip=0，小数点位数为0；op1——输出方式：op1=4，4～20mA线形电流输出；dih——输出上限：做液位控制时，dih=350，做温度、流量控制时，dih=100；涡轮流量输入时，dih=200。dil——输入下限：一般dil=0；CF——系统功能选择：单回路控制CF=2；需要外部给定时CF=8。Run——运行状态选择：run=0，手动调节状态；run=1，自动调节状态。具体参数意义及参数大小，请详见仪表使用说明书，在此不一一列出。三．实验指导1．调节器的主要性能技术指标（1）输入信号：1～5VDC（2）外给定信号：0.2～1V（3）输出信号：4～20mADC（4）—负载电阻：250～750Ω（5）电源：100～240VAC2．实验注意事项（1）接线时注意电源的种类、极性，严防接错电源。（2）通电前应请指导老师确认无误后方可通电。（3）动手调校前，应搞清调节器各部件的作用，凡实验中未设计的可调元件一律不得擅自调整。（4）调节器在调校前应预热15分钟。（5）实验前先准备好实验记录数据表2-1和表2-2，并预习数据处理的各项误差计算公式。四．实验原理调节器的主要功能是接受变送器送来的测量信号Vi，并将它与给定信号Vs进行比较得出偏差ε，对偏差ε进行PID连续运算，通过改变PID参数，可改变调节器控制作用的强弱ε。除此之外，还具有测量信号．给定信号及输出信号的指示功能，五．实验内容及步骤1．准备工作熟悉调节器的型号，外形，正面板布置，观察各可调部件的位置。2．一般检查（1）仪表通电后观察自动/手动能否切换。（2）观察调节器的内/外给定是否随信号的输入变化而变化。（3）改变到手动状态，使调节器的输出分别为0%、25%、50%、75%、100%时，观察此时输出的电流是否是4mA、8mA、12mA、16mA、20mA。3．调节器面板指示仪表的校验调节器的主输入分别输入电压为：1V、2V、3V、4V、5V，观察PV输出显示是否成线性增加。4．闭环跟踪特性校验（静态误差校验）。给定一个SV值和适当的PID参数，观察检测值到达目标值的时间和静态误差。项目被校仪表标准表名称型号精度数量编号规格厂商日期表2-1实验仪器、技术一览表项目被校仪表刻度值0%25%50%75%100%测量指示仪表标准测量值Vi标/V实际测量值Vi实/V正行程反行程实测引用误差/%正行程反行程（Vi正-Vi反）/V实测基本误差%被校表允许基本误差表2-2调节器面板指示仪表检验记录六．数据处理1．实验数据处理应注意的问题同压力变送器实验。2．整理实验数据，（1）误差计算公式：绝对误差Δ=Vi实-Vi标引用误差=±Δ/（V上-V下）x100%基本误差=±ΔMAX/（V上-V下）x100%变差=|Vo前-Vo后|MAX/（V上-V下）x100%（2）分析调节器的各项指标是否合格，并得出结论。第二节压力变送器的认识和校验一．实验目的1．通过实验，熟悉压力变送器的具体结构，进一步明确各部件的作用，巩固和加深压力变送器的工作原理及整机特性的理解。2．掌握压力变送器的零点、量程的调整方法，零点迁移方法和精度测试方法。3．了解压力变送器的安装及使用方法。二．实验所需仪器设备液位变送器、电流表、直流稳压电源三．实验指导1．压力变送器的主要技术指标测量范围：0～3KPa输出电流：4～20mA负载能力：250～300Ω工作电源：24（1±5%）VDC2．注意事项（1）接线时，注意电源极性。完成接线后，应检查接线是否正确，并请指导教师确认无误后，方能通电。（2）没通电、不加压；先卸压、再断电。（3）进行量程调整时，应注意调整电位器的调整方向，并分清楚调零电位器和满量程电位器。（4）小心操作，切勿生扳硬拧，严防损坏仪表。（5）一般仪表应通电预热15分钟后再进行校验。（6）如果压力变送器的安装位置与取压点不在一个水平位置上，应对压力变送器进行零点迁移。四．实验内容图2-2压力变送器校验实验接线图1．校验压力变送器，按照实验接线图把线接好。2．压力变送器的零点及量程调校（1）零点调整：打开电磁阀3、12、13，按下水泵I的启动按钮，用调节器手动输出给电动调节阀一个开度，运行水泵给水箱加水至10mm然后静止不动时调节Z电位器，使调节器的显示值为10（仪表参数dih=350）。（2）满量程调整：运行水泵给水箱加水至高水位（如180mm）时静止不动，调节G电位器使数值显示与液位高度相等。满量程调整后会影响零点，因此零点、满量程需反复多次调整。直至满足要求为止。仪表校验记录单输入输入信号刻度分值(mm)1070130190输出输出信号标准值Io标/mA输出信号实测值Io实/mA正行程反行程误差实测引用误差/%正行程反行程（Io正-Io反）/mA实测基本误差/%实测变差/%实测精度等级表2-3压力变送器实验数据记录表六．数据处理1．数据处理时应注意的问题（1）实验前拟好实验记录表格，见表格2-3（2）实验时一定等现象稳定后再读数、记录。否则因滞后现象会给实验结果带来较大的误差。2．误差计算公式绝对误差Δ=Io实-Io标引用误差=±Δ/（Io上-Io下）x100%基本误差=±ΔMAX/（Io上-Io下）x100%变差=|Io正-Io反|MAX/（Io上-Io下）x100%Io标———某点输出信号的标准值，mAIo实———某点输出信号的实际值，mAΔMAX———各校验点绝对误差的最大值，mAIo上-Io下————仪表的输出量程，mA|Io正-Io反|MAX————各检验点正反行程实测值的最大绝对差值，mA3．整理实验数据计算被校仪表的各项误差，确定精度等级，并填入仪表校验记录单。4．分析压力变送器的静态特性，画出压力变送器的输入-输出静态特性曲线。第四节电动调节阀的认识和校验一．实验目的1．通过拆装，熟悉电动执行器的结构组成，了解其工作过程，认识其结构形式。2．通过对电动执行器的测试和校验，掌握执行器的校验方法，理解其相关特性及性能指标含义。3．通过对阀门定位器和执行器的联校，了解定位器的功能。二．实验装置电动调节阀、流量计、水泵、压力表、电流表、GPCT-03智能调节器三．实验指导1．预备知识（1）电动执行器的功能及结构组成简介在自动控制系统中，执行器起着“手脚”的作用，它接受调节器的输出信号，改变自身开度，进而调节介质流量的大小，实现对生产过程中各种变量的控制。（2）主要性能技术指标基本允许误差：±4%变差：1.0%灵敏限：0.1%输入信号：4～20mA2．实验步骤（1）执行器的拆卸，对照“过程控制仪表”教材中相关结构图，卸下阀盖，观察执行机构的各部件。（2）阀的拆卸，卸去阀体下方的各螺母，依次卸下阀体的外壳，慢慢转动并抽出阀杆，观察各部件的结构，根据阀芯的形状可判断阀的流量特性。（3）执行器的安装，将拆卸的各部件复位并安装。（4）流量特性的测试：图2-4调节阀特性实验接线图执行器流量特性是指在阀前后压力差不变的情况下，介质流过阀门的相对流量与阀芯行程的对应关系。测试方法是：按照接线图把线接好，打开电磁阀7、12、13，运行水泵，分别记录阀体在不同时开度时流量计的流量，信号由调节器手动输出。分别取阀体的开度为5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%相对应的流量，然后绘制开度-流量关系曲线，即可得到执行器的流量特性。完成2-6实验表格。开度5%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%流量大小表2-6调节阀的特性测试数据记录四．实验报告1．根据实验数据记录的结果，完成表格2-6。2．画出开度-流量曲线；分析曲线，得出阀体的特性。第五节流量计的认识和校验一．实验目的1．通过拆装，熟悉流量计的结构组成，了解其工作过程，认识其结构形式。2．通过对流量计的测试和校验，掌握流量计校验方法，理解其相关特性及性能指标含义。3．了解电磁流量计的基本工作原理。二．实验装置电磁流量计、电动调节阀、水泵、电流表、管道配件三．工作原理1．传感器是根据法拉第电磁感应原理工作的，当导电液体沿流量管在交变磁场中作与磁力线成垂直方向运动时，导电液体切割磁力线产生感应电势。在与测量管轴线和磁场磁力线相互垂直的管壁上安装了一对检测电极，将这个感应电势检出。若感应电势为E，则有：E=BVD…………..（1）式中：B——磁感应强度；D——电极间的距离，与测量管内径相等；V——测量管内被测流体在截面上的平均流速。式（1）中磁场B是恒定不变值，D是一个常数，则感应电动势E与被测流体流速V成正比。通过测量管恒截面上的体积流量Q与流速V之间的关系为：Q=πD2V/4……..（2）将（1）式带入（2）式得：Q=πDVE/4B=KE……………..（3）式中：K——仪表常数。由式（3）可知，当仪表常数K确定后，感应电动势E与流量Q成正比。E通常为流量信号，将流量信号输入转换计，经过处理，输出与流量成正比的4～20mADC信号，可与单元组合仪表配套，对流量进行显示、记录、计算、调节等。四．注意事项1．仪表安装、接线后，正式投入运行之前，应严格检查安装、接线是否正确。2．将传感器前后阀门打开，让传感器测量管内冲满被测介质。图2-5流量计特性实验接线图五．实验步骤1．按照接线图把线接好。2．通电预热15分钟。3．打开电磁阀7、12、13，运行水泵，通过调节器的手动输出改变调节阀的开度，分别记录电磁流量计显示的数据，记录其输出电流。完成表格2-7，画出输出流量-电流曲线图。流量0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%电流表2-7流量计线性测试5．观察曲线可看出流量计的线性情况。第六节变频器的认识和校验一．实验目的1．熟悉变频器的结构组成，了解其工作过程，认识其结构形式。2．通过对变频器的测试和校验，掌握流量计校验方法，理解其相关特性及性能指标含义。3．了解变频器的基本工作原理。二．实验设备GPCT-02B西门子变频器、水泵、电流表、GPCT-03调节器提供电流三．实验步骤图2-6变频器特性实验接线图1．按照接线图把线接好。2．让水泵中充满介质。3．将变频器开到外控状态，通电预热15分钟。4．打开电磁阀8、12、13，运行水泵，改变调节器的手动输出，分别记录变频器显示频率数据。完成表格2-8，画出输出电流量-频率曲线图。电流（mA）468101214161820频率（Hz）表2-8变频器线性测试5．观察曲线可看出变频器受电流控制的工作情况。6．变频器内部参数大部分都和变频器说明书一样，只有一小部分改动，改动参数如下。P0700=2P1000=2将面板上的变频器对应的开关拨到信号控制端，由外部输入4～20mA控制电流，控制变频器的输出频率。如若使变频器停止工作，将纽子开关拨到面板控制位置即可。如需使变频器处于内控状态下工作，调整参数：P0700=1，P1000=1，再将开关掷到内控。具体事项请参见变频器使用手册。第三章对象特性测试实验第一节单容水箱特性的测试一、实验目的了解调节器的功能和操作方法，学会使用调节器。通过实验，了解对象特性曲线的测量的思路和方法，掌握对象模型参数的求取方法。二、实验设备水泵Ⅰ、电动调节阀、上水箱、上水箱液位变送器、GPCT-03智能调节器、电流表。三、实验内容1.实验原理所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图3-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门V3全开，设上水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2,Q2经过线性槽流出，大小不断成线性变化。液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有Q1-Q2=A(3-1)将式(3-1)表示为增量形式图3-1单容自衡水箱特性测试系统ΔQ1-ΔQ2=A(3-2)式中：ΔQ1，ΔQ2，Δh——分别为偏离某一平衡状态的增量；A——水箱截面积。在平衡时，Q1=Q2，＝0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简化起见,经线性化处理后，可近似认为Q2与h成正比关系，而与线性槽的阻力R成反比，即ΔQ2=或R=(3-3)式中：R——线性槽的阻力，称为液阻。将式(3-2)、式(3-3)经拉氏变换并消去中间变量Q2，即可得到单容水箱的数学模型为W0（s）＝＝=(3-4)式中T为水箱的时间常数，T＝RC；K为放大系数，K＝R；C为水箱的容量系数。若令Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=，x0=常数，则式(3-4)可改写为H（s）=×=K-对上式取拉氏反变换得h(t)=Kx0(1-e-t/T)(3-5)当t—>∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有K=＝(3-6)当t=T时，则有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h(∞)(3-7)式（3-5）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3-2（a）所示，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数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。图3-2单容水箱的阶跃响应曲线如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图3-2（b），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)=(3-8)2.实验步骤（1）认识实验系统，了解本实验系统中的各个对象。了解本实验系统中各仪表的名称．基本原理以及功能，掌握其正确的接线与使用方法，以便于在实验中正确、熟练地操作仪表读取数据。熟悉实验装置面板图，做到根据面板上仪表的图形、文字符号找到该仪表。熟悉系统构成和管道的结构，认清电磁阀和手动阀的位置及其作用。图3-3单容水箱特性实验接线图（2）按照接线图把线接好。（3）确认接线无误后，接通总电源、各仪表的电源，打开电磁阀3和电磁阀12、13，把上水箱的管子拧上。（4）打开上位机组态王程序，找到工程“单容水箱特性的测试”,运行工程，在上位机监控界面中将仪表参数“run=0”，使智能调节器工作在“手动”状态，并将输出值设置为一个合适的值。（5）待上水箱的液位处于某一平衡位置时，记录此时的仪表输出值和液位值，并给系统输入幅值适宜的阶跃信号(阶跃信号不要太大)，使系统的输出产生变化，在液位较高处达到新的平衡状态。（6）观察计算机采集的上水箱液位的阶跃响应和历史曲线。（7）根据前面记录的液位值和仪表输出值，按公式（3-6）计算K值，再根据图3-2中的实验曲线求得T值，写出对象的传递函数。四．实验报告根据实验结果编写实验报告，并计算出K、T、τ的值，写出对象的传递函数第四章单回路控制系统实验第一节单回路控制系统的概述一．单回路控制系统的概述图4-1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组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。图4-1单回路控制系统方框图二．干扰对系统性能的影响1．干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。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。如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为Tf，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Tf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，它使被调参数的响应时间滞后一个τ值，但不会影响系统的调节质量。2．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，它们作用在系统的不同位置，如图3-2所示。同一形式、大小相同的扰动作用在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。图4-2扰动作用于不同位置的控制系统三．控制规律的选择PID控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。1．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。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系统有静差存在。其传递函数为：GC(s)=KP=(4-1)式中KP为比例系数，δ为比例带。2．比例积分(PI)调节PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。其传递函数为：GC(s)=KP(1+)＝(1+)(4-2)式中TI为积分时间。3．比例微分(PD)调节这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。因此一般不用于流量和液位控制系统。PD调节器的传递函数为：GC(s)=KP(1+TDs)＝(1+TDs)(4-3)式中TD为微分时间。4．比例积分微分(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)＝(1++TDs)(4-4)图4-3表示了同一对象在相同阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。图4-3各种控制规律对应的响应过程四．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：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性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：1．经验法若将控制系统按照液位、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4-1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。系统参数δ(%)TI(min)TD(min)温度20～603～100.5～3流量40～1000.1～1压力30～700.4～3液位20～80表4-1经验法整定参数(二)临界比例度法图4-4具有周期TS的等幅振荡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4-4所示。根据临界比例度δk和振荡周期TS，按表4-2所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到4：1衰减为目标。调节器参数调节器名称δTI(S)TD(S)P2δkPI2.2δkTS/1.2PID1.6δk0.5TS0.125TS表4-2临界比例度法整定调节器参数临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。首先要产生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。（三）衰减曲线法（阻尼振荡法）图4-54：1衰减曲线法图形在闭环系统中，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4-5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