过程控制系统实验报告

过程控制系统实验报告实验一过程控制系统的组成认识实验了解过程控制和检测装置的硬件结构、控制方案的组成和控制系统的连接一、 过程控制实验装置简介过程控制是指工业生产过程中温度、压力、流量、液位等变量的自动控制。该系统的设计是以培养工程型、参数化、现代化、开放型、综合型人才为基础的。实验对象广泛应用于当今工业领域，如水箱、锅炉等。仪表采用具有人工智能算法和通信接口的智能调节器，上位机监控软件采用MCGSX控组态软件。对象系统还具有扩展接口，扩展信号接口便于控制系统的二次开发，如PLC控制、DCS控制开发等。通过对系统的理解和使用，学生进入企业后可以快速适应环境，进入角色。同时，该系统还为教师和研究生提供了一个高水平的学习和研发平台。二、 过程控制实验装置组成实验装置由过程控制实验对象、智能仪表控制台和上位机PC三部分组成。受控对象由上、下二个有机玻璃水箱和不锈钢储水箱串接，4.5千瓦电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭外循环不锈钢锅炉夹套构成），压力容器组成。水箱：包括上下水箱和储水箱。上下水箱采用透明长方体有机玻璃制作，坚固耐用，透明度高，有利于学生直接观察液位变化并记录结果。水箱结构新颖。其中有三个储罐，即缓冲罐、工作罐和出口罐，还有一个溢流口。两个水箱可组成一阶和二阶单回路液位控制实验和双闭环液位设定控制实验。模拟锅炉：锅炉采用不锈钢精致而成，由两层组成：加热层（内胆）和冷却层（夹套）。做温度定值实验时，可用冷却循环水帮助散热。加热层和冷却层都有温度传感器检测其温度，可做温度串级控制、前馈一反馈控制、比值控制、解耦控制等实验。压力容器：由不锈钢制成，一个大的和一个小的连接容器可以形成一阶和二阶单回路压力控制实验和双闭环串级定值控制实验。管道：整个系统管道采用不锈钢管连接而成，彻底避免了管道生锈的可能性。为了提高实验装置的使用年限，储水箱换水可用箱底的出水阀进行。2、检测装置（液位）差压变送器：检测上、下水箱液位。其型号：fb0803baeir，测量范围：0~1.6kpa，精度：0.5。输出信号：4~20mADC。涡轮流量传感器：测量电控阀分支的水流量。型号：lwgy-6a，公称压力6.3MPa，精度1.0%，输出信号4~20mADC温度传感器：本装置采用了两个铜电阻温度传感器，分别测量锅炉内胆、锅炉夹套的温度。经过温度传感器，可将温度信号转换为4〜20madc电流信号。（气体）扩散硅压力变送器：用于检测压力容器内气体的压力。其型号可从1.5mg/dc调节至4.5mg/dc，输出精度可从1.5mg/dc调节至40000.5mg/dc。3、 执行机构电气转换器：型号为qzd-1000，输入信号为4~20mADC，输出信号为20~100kA气压信号，输出用于驱动气动控制阀。气动薄膜小流量调节阀：用来控制压力回路流量的调节。型号为zmap—100，输入信号为4〜20madc或0〜5vdc，反馈信号为4〜20madc。气源信号压力：20~100KPA，流量：0.0032。阀门控制精度：0.1%~0.3%，环境温度：-4~+200°C。scr移相调压模块：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号0〜5vdc或4〜20madc或10k电位器，输出电压变化范围：0〜220vac，用来控制电加热管加热。水泵：型号为upa90，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180w。控制器本实验装置配备有智能调节仪、计算机控制、plc控制及计算机网络控制。智能调节器：装置采用PID自整定数字/光柱智能调节器，型号为swp-s80。具有位置调节和人工智能调节功能、手动调节、手动自整定和位置比例输出功能、各种报警模式、传输、通讯等功能。比值器：与智能仪表一起使用，可以实现流量的单闭环比值、液位与流量、温度与流量双闭环比值控制实验。三、 仪表台（三部分）1、电源控制屏面板：我公司的实验台采取了如下保护措施：控制屏电源由交流接触器通过起、停按钮进行控制；进线电源首先经过符合国家标准的电流型漏电保护器，漏电流小于30ma；高压接线柱和高压导线均采用特殊设计的结构。除了人身安全保护，为了保护实验的正常进行，电源、仪表、仪器、实验中需要的各种元器件都采取了有效的保护措施。为解决实验中高压交流电源发生短路，我们采取了如下措施：在高压交流电源的输出端接入小型断路器（即过流保护器），一旦发生过流或短路，小型断路器立即动作，切断主电源，避免烧毁调压器。2、仪表面板：智能调节仪面板、比值器，装置外线端子通过面板上插孔引出°3、i/。信号接口面板：该面板的主要作用是将各传感器检测及执行器控制信号同面板上插口相连，在与被控对象相连，有利于学生进行各种控制实验。四、 系统特性1、系统采用分体式设计，模块化组装结构。控制对象包含真实的压力控制对象，可以完成压力控制实验。3、 控制对象采用网络版mcgs全中文工控组态软件，可以容纳多组学生实验。系统具有多种控制参数和控制方案。该系统通过切换管道上的阀门并连接信号接线板上的信号来实现。5、 采用标准的工业自动化仪表和柔性化工艺设备，使得该装置具有开放性、兼容性、和可升级性。采用双水箱系统，实现液位控制的多样性。7、 实验对象部分采用不锈钢结构，工作过程可见，有利于教学和维护。系统具有良好的开放性。目标系统预留一个扩展连接端口，用于DCS控制。五、 mcgs组态软件特点MCGS（monitorandControlGeneratedSystem）是一套用于快速构建和生成计算机监控系统的组态软件。它可以在微软（各种32位Windows平台）上运行。通过对现场数据的采集和处理，可以显示动画、报警处理、过程控制、实时曲线历史曲线和报表输出，为用户解决实际工程问题提供解决方案。思考题掌握实验装置的组成和系统过程回路的信号流向，绘制系统结构图，标明信号量。了解系统各组成部分的功能及工作原理，各器件的输入输出之间的关系。1）被控对象指生产过程中控制的过程或装置。2）传感器和变送器可以根据生产过程的要求，通过对被控对象相关控制参数的自动控制，获得可靠的信号。输出是发送到控制器的受控量的测量值Z。3）控制器传感器或变送器输出信号符合工艺要求，则控制器的输出不变，反之，将输出控制信号对系统进行控制。传感器或变送器的测量值z反馈到输入端和设定值r比较，从而得到了一个偏差值e,根据控制算法进行运算，输出一个相对应的控制信号u去推动执行器。4）执行器执行机构接收来自控制器的控制信号U，并在转换或放大后推动控制阀5）控制器输出u，经执行器驱动控制阀，改变输入对象的操纵量q，使被控量受到控制。4.选择被控对象的被控量，设计其单回路控制线路连接图实验二单罐液位数学模型试验对象特性的求取方法通常有二种：一种是从工艺过程的变化机理出发，写出各种有关的平衡方程（如物料平衡方程、能量平衡方程等），进而推导出被控对象的数学模型，得出其特性参数，再结合实际进行理论分析，这就是数学方法；另一种是通过对被控对象的实验测试求出其特性参数，即实验飞升曲线测定法。由于此法较简单，因而在过程控制中得到了广泛地应用。一、实验目的掌握单水箱阶跃响应的测试方法，记录相应液位的响应曲线。2.根据实验得到的阶跃响应曲线，采用相应的方法确定被测对象的特征参数k、t和传递函数。2、实验原理对象的被控制量为上（中、下）水箱的液位h,控制量（输入量）为上（中、下）水箱进水阀流量q1，上（中、下）水箱出水阀输出量为q2，改变进水阀和出水阀的开度可以改变q1、q2的大小。根据动态物料平衡关系（1）式中v——水箱中水的储水量积；dv/dt-水贮存量的变化率。设水箱的横截面积为a，而a是一个常数，则因为So（2）在静态时，dv/dt=0，q1=q2,当q1发生变化时，液位h将随之变化，水槽出水口的液压也变化，流出量q2也发生变化。假设变化量很小，可近似认为的水阻，则（1）式可改写为（4）式中t=ars，k=rs方程式（4）是单个储罐的传递函数。如果订单被改写为对上式取拉氏逆变换得当什么时候因而有RS是阀门V2即或写作，H1是初始稳态值，那么方程（4）可以（5）输出稳态值/阶跃输入当时，则有（5）一阶惯性环节的响应曲线是一个单调上升的指数函数。当从实验中获得图2-1所示的阶跃响应曲线时，对应于曲线稳态值63.2%的时间为水箱的时间常数T。从…起响应曲线求得k和t后，就能求出单容水箱的传递函数。所得的传递函数为：三、 实验步骤1、设计实验线路并接好，适当打开阀门。2、开启总电源和相关仪表的电源。通电后，启动计算机，运行MCGS组态软件，进入实验系统。设置调节器为手动操作状态，通过调节器增/减的操作改变输出量的大小，使水箱的液位最终处于某一平衡位置。液位稳定后，手动操作调节器，使其输出有正（或负）阶跃增量的变化（该增量不应太大，以避免水箱中的水溢出）。一段时间后，水箱中的液位进入新的平衡状态。6.记录水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。四、 思考题做这个实验时，为什么不随意改变出口阀的开度？答：因为如果一开始进水阀的开度用响应曲线法确定对象的数学模型时，哪些因素与其精度有关？答：因为系统用到了仪表，因此与仪表的精度有关，同时与出水阀开度的大小有关。并和放大系数k、时间常数t以及纯滞后时间有关。结构是否决定了实验对象是否具有自平衡能力？这与实验结果一致吗？答：有自平衡能力。五.实验数据图1单罐单调上升指数曲线图2单罐特性实时测试曲线通过实验所获得的特性曲线，图1为单容水箱单调上升指数曲线，当输入一个控制量为35时，水流通过水阀向水箱进水，由于单容水箱实验的数学模型为一阶惯性环节，因此所得的曲线为单调上升曲线，经过一段时间之后被控制量达到接近控制量的稳定值。图2显示，当系统稳定时，通过调节器输入阶跃变化，系统在一段