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

过程控制及检测装置硬件结构组成认识，控制方案的组成及控制系统连接

一、过程控制实验装置简介

过程控制是指自动控制系统中被控量为温度、压力、流量、液位等变量在工业生产过程中的自动化控制。本系统设计本着培养工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才为出发点。实验对象采用当今工业现场常用的对象，如水箱、锅炉等。仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件。对象系统还留有扩展连接口，扩展信号接口便于控制系统二次开发，如PLC控制、DCS控制开发等。学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能很快地适应环境并进入角色。同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开发的平台。

二、过程控制实验装置组成

本实验装置由过程控制实验对象、智能仪表控制台及上位机PC三部分组成。 1、被控对象

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，坚实耐用，透明度高，有利于学生直接观察液位的变化和记录结果。水箱结构新颖，内有三个槽，分别是缓冲槽、工作槽、出水槽，还设有溢流口。二个水箱可以组成一阶、二阶单回路液位控制实验和双闭环液位定值控制等实验。

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－反馈控制、比值控制、解耦控制等实验。

压力容器：采用不锈钢做成，一大一小两个连通的容器，可以组成一阶、二阶单回路压力控制实验和双闭环串级定值控制等实验。

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、下二个水箱的液位。其型号：FB0803BAEIR，测量范围：0～1.6KPa，精度：0.5。输出信号：4～20mA DC。 涡轮流量传感器：测量电动调节阀支路的水流量。其型号：LWGY－6A，公称压力：6.3MPa，精度：1.0％，输出信号：4～20mA DC

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4～20mA DC电流信号。

（气体）扩散硅压力变送器：用来检测压力容器内气体的压力大小。其型号：DBYG-4000A/ST2X1，测量范围：0.6～3.5Mpa连续可调，精度：0.2，输出信号为4～20mA DC。

3、执行机构

电气转换器：型号为QZD-1000，输入信号为4～20mA DC，输出信号：20～100Ka气压信号，输出用来驱动气动调节阀。

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4～20mA DC或0～5V DC，反馈信号为4～20mA DC。气源信号

压力：20~100Kpa，流通能力：0.0032。阀门控制精度：0.1％～0.3％，环境温度：－4～＋200℃。

SCR移相调压模块：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号0～5V DC或4～20mA DC或10K电位器，输出电压变化范围：0～220V AC，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。

4、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。

智能调节仪:本装置选用PID自整定数字/光柱智能调节仪，型号为SWP-S80。具备位式调节和人工智能调节功能，手动调节、手动自整定及位置比例输出功能，多种报警模式及变送、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、仪表控制台（三部分组成）

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/O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、系统特点

1、系统采用分体式设计，模块化组装结构。

2、控制对象中包含真正的压力控制对象，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。

4、系统具有多元化的控制参数和控制方案。该系统通过管路上的阀门切换和对信号接线板上的信号的连接组合来实现的。

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。

6、采用双容水箱系统，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。

8、系统开放性较好。对象系统留有扩展连接口，以便进行DCS控制。

五、MCGS组态软件特点

MCGS（Monitor and Control Generated System，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft（各种32位Windows平台上）运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案。

六．思考题

1．掌握实验装置的组成及系统过程回路的信号流向，画出系统结构图，标明信号量。

2．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

是指生产过程被控制的工艺或装置 2）传感器和变送器 按生产工艺要求，被控对象有关控制参数通过自动控制以获得可靠信号，依靠传感器和变送器完成。输出的就是被控量的测定值Z，送到控制器中。 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

执行器接收控制器的控制信号u经变换或放大后，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 单容水箱液位数学模型的测试

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

1、掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并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，用相应的方法确定被测对象特征参数K,T和传递函数。 二、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-水箱内水的贮水容

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

所以（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

式（4）为单容水箱的传递函数。若令改写为

对上式取拉氏逆变换得当

时，

因而有

。Rs为阀V2

即或写作

，H1为刚开始的稳态值，则式（4）可

（5）

输出稳态值／阶跃输入

当时，则有

（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。当由实验得图2－1所示的阶跃响应曲线后，该曲线达到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。由

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。

3、上电后，启动计算机，运行MCGS组态软件，进入本实验系统。

4、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。

5、待液位处于稳定后，手动操作调节器，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），经过一段时间后，水箱的液位进入新的平衡状态。 6、记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。

四、思考题

1、做本实验时，为什么不能任意改变出水阀开度的大小？

答：因为如果一开始进水阀的开度<出水阀的开度，那么系统永远无法达到平衡。同时出水阀也决定了液位达到设定值所需时间的长短，所以记录数据前，应先调好出水阀开度的大小，才能快速达到平衡。任意改变出水阀开度大小会对响应曲线造成干扰，从而使实验结果的误差变大。

2、用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与哪些因素有关？

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。

3、由结构判断本实验对象是否有自平衡能力？是否与实验结果一致？

答：有自平衡能力。 五．实验数据

图1单容水箱单调上升指数曲线 图2 单容水箱特性的测试实时曲线

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为在系统稳定时，通过调节器输入一个阶跃变化，则系统又进过一段时间后达到一个新的平衡点，因此产生如图所示的曲线变化。

实验三双容水箱液位数学模型的测试

一、实验目的

1．熟悉双容水箱的数学模型及其阶越响应曲线

2．根据实际测得双容水箱液位的阶越响应曲线，确定其传递函数 二、实验原理

被控对象有两个水箱串联链接，股称其为双容系统。被控制量为下水箱的液位，显然，多了一个水箱，响应时间就滞后。由S型曲线的拐点P出做一切线，它与时间轴的交点为A，OA表示对象相应的滞后时间。至于双容对象两个惯性环节的时间常熟可按下述方法来确定。

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