过程控制实训流量计和温度控制的PID整定

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1、目录目录第一部分、系统介绍2一、AE2000B型系统介绍2二、AE2000B型实验对象组成结构2三、AE2000B型实验对象控制台3第二部分 流量控制42.1、实验一 电磁流量计流量PID整定实验42.2、实验二、涡轮流量计流量PID整定实验62.3、实验三、涡轮与电磁流量比值控制系统实验82.4、简单比值控制系统的仿真11第三部分 温度控制123.1、实验一、锅炉夹套水温PID整定实验（动态）123.2、实验二. 锅炉夹套和锅炉内胆温度串级控制系统143.3、被控对象的仿真模型173.4、单回路控制系统的仿真183.5、串级控制系统的仿真18第四部分 实训感想18第一部分、系统介绍一、AE2

2、000B型系统介绍AE2000B型过程控制实验装置是根据工业自动化及相关专业教学特点，吸取了国外同类实验装置的特点和长处，并与目前大型工业自动化现场紧密联系，采用了工业上广泛使用并处于领先的AI智能仪表加组态软件控制系统、DCS(分布式集散控制系统)，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出的一套基于本科，着重于研究生教学、学科基地建设的实验设备。该设备涵盖了信号和信息处理、传感技术、工程检测、模式识别、控制理论、自动化技术、智能控制、过程控制、自动化仪表、计算机应用和控制、计算机控制系统等课程的教学实验与研究。整个系统美观实用，功能多样，使用方便，既能进行验证性、设计性实验，又能提供综合性实验

3、，可以满足不同层次的教学和研究要求。AE2000型过程实验装置的检测信号、控制信号及被控信号均采用ICE标准，即电压15V，电流420mA。实验系统供电要求：单相220V交流电，外型尺寸：18501450900mm，重量：100Kg 二、AE2000B型实验对象组成结构过程控制实验对象系统包含有：不锈钢储水箱（长宽高：850450400mm）、串接圆筒有机玻璃上水箱、中水箱、下水箱、单相2.5KW电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套组成）。系统动力支路分两路组成：一路由单相增压泵、电动调节阀、涡轮流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成；另一路由增压泵、变频调速器

4、、小流量涡轮流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。如图2-1所示：2-1、系统结构图对象系统结构图中检测变送和执行元件包括：液位传感器、温度传感器、涡轮流量计、压力表、电动调节阀等。AE2000B实验对象检测及执行装置包括：检测装置：扩散硅压力液位传感器、涡轮流量传感器、Pt100热电阻温度传感器。执行装置：单相可控硅移相调压装置、电动调节阀、变频器。三、AE2000B型实验对象控制台仪表控制台面板由三部分组成：（1） 电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电流型漏电保护器。（2） 仪表及远程数据采集模块面板：1块变频调速器面板、3块AI/818A智能调节仪面板、2块

5、远程数据采集模块面板组成，各装置外接线端子通过面板上自锁紧插孔引出。（3）I/O信号接口面板：该面板的作用主要是将各传感器检测及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，再通过航空插头同对象系统连接，便于学生自行连线组成不同的控制系统，进行几十种过程控制实验。第二部分 流量控制2.1、实验一 电磁流量计流量PID整定实验一、实验目的1）、了解电磁流量计的结构及其使用方法。2）、熟悉单回路流量控制系统的组成。二、实验设备1）、AE2000B型过程控制实验装置：上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根。2）、万用表一只三、实验原理 图8-1、流量控制系统四、实验内容与步骤1）、利用

6、实验装置,信号接口面板上涡轮流量计的测量信号组成图9-4所示的单回路流量控制系统。如图8-2所示：图8-2、实验接线图2）、把调节器置于“手动”状态，积分时间常数为零，微分时间常数为零，根据仪表使用说明设定比例P，设置相关的参数，使调节器工作在比例调节上。3）、启动工艺流程并开启相关仪器和计算机系统，在开环状态下，利用调节器的手动操作按钮把被调量管道的流量调到给定值（一般把流量控制在流量量程的50%处）。4）、运行MCGS组态软件，进入实验系统相关的实验,如图8-3所示：图8-3、实验软件界面5）、观察计算机显示屏上实时的响应曲线，待流量基本稳定于给定值后，即可将调节器由“手动”状态切换到“自

7、动”状态，使系统变为闭环控制运行。待系统的流量趋于平衡不变后，加入阶跃信号（一般可通过改变设定值的大小来实现）。经过一段时间运行后，系统进入新的平稳状态。由记录曲线观察并记录在不同的比例P下系统的余差和超调量。（计算超调量！）6）、记录软件中的实时曲线的过程数据作出一条完整的过渡过程曲线，记录表格自拟。2.2、实验二、涡轮流量计流量PID整定实验一、实验目的1）、了解涡轮流量计的结构及其使用方法。2）、熟悉单回路流量控制系统的组成。二、实验设备1）、AE2000B型过程控制实验装置：上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根。2）、万用表一只三、涡轮流量计的工作原理1、 工作

8、原理 当被测流体流经传感器时，传感器内的叶轮借助于流体的动能而产生旋转，周期性地改变磁电感应转换系统中的磁阻值，使通过线圈的磁通量周期性地发生变化而产生电脉冲信号。在一定的流量范围下，叶轮转速与流体流量成正比，即电脉冲数量与流量成正比。该脉冲喜好经放大器放大后送至二次仪表进行流量和总量的显示或积算。在测量范围内，传感器的输出脉冲总数与流过传感器的体积总量成正比，其比值称为仪表常数，以（次/L）表示。每台传感器都过实际标定测得仪表常数值。当测出脉冲信号的频率f和某一段时间内的脉冲总数N后，分别除以仪表常数（次/L）便可求得瞬时流量q（L/s）和累积流量Q(L)。即：q=f/Q=N/四、实验内容与

9、步骤1）、利用实验装置,信号接口面板上涡轮流量计的测量信号组成图9-4所示的单回路流量控制系统。如图9-2所示：图9-2、实验接线图图9-3、实验软件界面5）、观察计算机显示屏上实时的响应曲线，待流量基本稳定于给定值后，即可将调节器由“手动”状态切换到“自动”状态，使系统变为闭环控制运行。待系统的流量趋于平衡不变后，加入阶跃信号（一般可通过改变设定值的大小来实现）。经过一段时间运行后，系统进入新的平稳状态。由记录曲线观察并记录在不同的比例P下系统的余差和超调量。（计算超调量！）6）、记录软件中的实时曲线的过程数据作出一条完整的过渡过程曲线，记录表格自拟。2.3、实验三、涡轮与电磁流量比值控制系

10、统实验一、实验目的1）、了解涡轮流量计的结构及其使用方法。2）、熟悉单回路流量控制系统的组成。3）、试了解比值控制在工业上的应用。二、实验设备1）、AE2000B型过程控制实验装置：上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根。2）、万用表一只三、比值系统组成原理在各种生产过程中，需要使两种物料的流量保持严格的比例关系是常见的，例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。而且往往其中一个流量随外界负荷需要而变，另一个流量则应由调节器控制，使之成比例地改变。保证二者之比值不变。否则，如果比例严重失调，就可能造成生产事故，或发生危险。又如，以重油为原

11、料生产合成氨时，在造气工段应该保持一定的氧气和重油比率，在合成工段则应保持氢和氮的比值一定。这些比值调节的目的是使生产能在最佳的工况下进行。本实验比值调节系统的组成原理如下图所示：图13-1、比值控制系统原理图 五、实验内容与步骤1）、连接好比值调节实验硬件连线。如图13-2图13-2 实验接线图2）、启动工艺流程并开启相关仪器和计算机系统。3）、设定好调节仪的各项参数。和常规的PID调节参数设置相同4）、运行MCGS组态软件，进入实验系统相关的实验，如图13-3所示：图13-3、实验软件界面5）、调节比值器的放大系数，在泓格7000上实现，软件设定放大系数。（计算超调量！）6）、观察计算机显

12、示屏上实时的响应曲线，改变放大系数。待系统稳定后记录过渡过程曲线。记录各项参数。 2.4、简单比值控制系统的仿真被控对象的数学模型为假设双闭环比值控制系统中的主动量控制系统的数学模型为式（1），从动量控制系统的数学模型为式（2）。G（s）= （1）G（s）= （2）在MATLAB环境下对开环比值控制系统进行仿真，要求有主副被控对象的的响应曲线。 第三部分 温度控制3.1、实验一、锅炉夹套水温PID整定实验（动态）一、实验目的1）、了解不同单回路温度控制系统的组成与工作原理。2）、研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用。3）、改变P、PI、PD和PID的相关参数，观察它们对

13、系统性能的影响。4）、了解PID参数自整定的方法及参数整定在整个系统中的重要性。5）、分析动态的温度单回路控制和静态的温度单回路控制不同之处。二、实验设备1）、AE2000B型过程控制实验装置、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根。2）、万用表一只。三、实验原理 图11-1、温度控制系统本系统所要保持的恒定参数是锅炉夹套温度给定值，即控制的任务是控制锅炉夹套温度等于给定值，采用工业智能PID调节。四、实验内容与步骤（一）、比例调节器（P）控制1）、按图11-1所示方块图的要求接成实验系统。如下图：图11-2 系统连线图2）、打开相应的阀门，启动变频器往锅炉进水，约经1-

14、2分钟后，关闭变频器，保证夹套内有水。3）、开启相关仪器和计算机，运行软件，进入相应的实验，如图11-3所示：图11-3、实验软件界面4)、把智能调节器置于“手动”，输出值为小于等于10，把温度设定于某给定值（如：将水温控制在40。C），设置各项参数，使调节器工作在比例（P）调节器状态，此时系统处于开环状态。5）、启动变频器，以15Hz的频率启动循环水系统。6）、运行MCGS组态软件，进入相应的实验，观察实时或历史曲线，待水温（由智能调节器的温度显示器指示）基本稳定于给定值后，将调节器“手动”切换至“自动”位置，使系统变为闭环控制运行。待基本不再变化时，加入阶跃扰动：6）、记录实验过程各项数据

15、绘成过渡过程曲线。（数据可在软件上获得）3.2、实验二. 锅炉夹套和锅炉内胆温度串级控制系统一、 实验目的1）、熟悉串级控制系统的结构与控制特点。2）、掌握串级控制系统的投运与参数整定方法3）、研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。二、 实验设备AE2000B型过程控制实验装置： 配置：上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根。三、实验原理1、串级控制系统的组成2个调节器分别设置在主、副回路中，设在主回路的调节器称主调节器，设在副回路的调节器称为副调节器。两个调节器串联连接，主调节器的输出作为副回路的给定量，副调节器的输出去控制执行元件。主对象的输出为

16、系统的被控制量锅炉夹套温度，副对象的输出是一个辅助控制变量。2、串级系统的抗干扰能力串级系统由于增加了副回路，对于进入副环内的干扰具有很强的抑制作用，因此作用于副环的干扰对主变量的影响就比较小，系统的主回路是定值控制，而副回环是一个随动控制。在设计串级控制系统时，要求系统副对象的时间常数要远小于主对象。此外，为了指示系统的控制精度，一般主调节器设计成PI或PID调节器，而副调节器一般设计为比例P控制，以提高副回路的快速响应。在搭实验线路时，要注意到两个调节器的极性（目的是保证主、副回路都是负反馈控制）。 3、串级控制系统与单回路的控制系统相比 串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象的特性，使

17、等效副对象的时间常数减小，系统的工作频率提高，改善了系统的动态性能，使系统的响应加快，控制及时。同时，由于串级系统具有主副两只控制器的总放大倍数增大，系统的扰干扰能力的增强。因此，它的控制质量要比单回路控制系统高。4、串级控制系统的投运和整定有一步整定法，也有两步整定法，即先整定副回路，后整定主回路。四、实验步骤1）、搭接好实验线路。如下图： 图15-1、 实验接线图1）、开通以电动调节阀、变频器、涡轮流量计以及锅炉内胆与夹套进水阀所组成的水路系统，关闭通往其他对象的切换阀。2）、将锅炉内胆的出水阀开适当大小。3)、运行软件，进入相应的实验，如图15-2所示：图15-2、实验软件界面。（计算超调量！）3.3、被控对象的仿真模型在温度串级控制系统中，主被控对象的数学模型为，副被控对象的数学模型为，主、副控制器的传递函数，。分析分别采用单回路控制和串级控制设计主、副PID控制器的参数，并给出整定后系统的阶跃响应特性曲线和阶跃扰动的响应曲线，并说明不同控制方案对系统的影响。 3.4、单回路控制系统的仿真在MATLAB环境下进行单闭环温度控制系统的仿真（夹套温度控制和内胆温度控制）出在阶跃控制信号和扰动控制信号作用下的响应曲线。3.5、串级控制系统的仿真 在MATLAB环境下进行单闭环温度控制系统的仿真出在阶跃控制信号和扰动控制信号作用下主副回路的响应曲线。第四部分 实训感想