计算机控制技术实验指导书.doc

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1、绪 论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。“TkJ-2型高级过程控制系统实验装置”是为了配合过程控制工程与自动化仪表、计算机控制等相关课程的教学而设计开发的。该系统设计本着工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才的培养原则出发。实验对象采用当今工业现场常用的对象，如水箱、锅炉。控制装置分别采用智能仪表、研华的模块、西门子PLC，上位机监控软

2、件采用WINCC组态软件。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平台。 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，以培养学生的实验动手能力，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。TkJ-2型高级过程控制系统的概述一 系统简介“TkJ-2型高级过程控制系统实验装置”是基于工业过程的物理模拟

3、对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置，该装置是本企业根据自动化及其它相关专业教学的特点，吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出了一套全新的实验装置，该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈反馈控制，比值控制，解耦控制等多种控制形式。本装置还可根据用户的需要设计构成DDC，DCS，PLC，FCS 等多种控制系统。该实验装置既可作为本科，专科，高职过程控制课程的实验装置，也可为研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供物理模拟对象和实验手段。二 现场对象

4、本实验装置由被控对象和控制柜两部分组成。系统动力支路分两路：一路由单相磁力驱动泵、电动调节阀、电磁流量计、压力变送器及手动调节阀组成；另一路由日本三菱变频器、单相磁力驱动泵、涡轮流量计及手动调节阀组成。 1、现场系统对象TKJ2 型高级过程控制系统的控制对象主要有水箱、锅炉、热交换、变频器、调节阀以及水泵管道等。图1.2.1现场系统对象结构示意图表1.2.1整体流程测点清单序号位号或代号设备名称用途原始信号类型工程量1TE-101热电阻锅炉水温Pt100AI01002TE-102热电阻锅炉回水温度Pt100AI01003TE-103热电阻换热器热水出口水温Pt100AI01004TE-104热

5、电阻换热器冷水出口水温Pt100AI01005TE-105热电阻储水箱水温Pt100AI01006LSL-105液位开关锅炉液位极低联锁干接点DINC7LSH-106液位开关锅炉液位极高联锁干接点DINC8XV-101电磁阀一支路给水切断光电隔离DONC9XV-102电磁阀二支路给水切断光电隔离DONC10AL-101告警光电隔离DONC11FT-101涡轮流量计一支路给水流量420mADCAI03m3/h12FT-102电磁流量计二支路给水流量420mADCAI03m3/h13PT-101压力变送器给水压力420mADCAI150kPa14LT-101液位变送器上水箱液位420mADCAI2

6、.5kPa15LT-102液位变送器中水箱液位420mADCAI2.5kPa16LT-103液位变送器下水箱液位420mADCAI2.5kPa17LT-104液位变送器锅炉/中水箱右液位420mADCAI05kPa18FV-101电动调节阀阀位控制420mADCAO010019GZ-101调压模块锅炉水温控制420mADCAO010020U-101变频器频率控制420mADCAO0100注：所列信号类型为原始信号，在控制柜中Pt100经过变送器转换成了420mA。一般两线制信号在IO面板上已经连接了24V和GND，可以按照四线制方式使用。执行机构一般为210V控制，控制信号经过500欧姆采样电

7、阻，被转换成4-20毫安控制。实验一 单容水箱特性的测试 被控对象数学模型的建立通常用下列二种方法。一种是分析法，即根据过程的机理、物料或能量平衡关系求得它的数学模型；另一种是用实验的方法确定。本章主要介绍被控对象对典型输入信号的响应来确定它的数学模型。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. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。二、实验设备1. TkJ-2型高级过程控制系统实验装置2. 计算机及相关软件3. 万用电表一只单容水箱为下水箱时该阀为QV-105三

8、、实验原理单容水箱为下水箱时该阀为出水口闸板QV-116图2.1单容水箱特性测试结构图由图2.1可知，对象的被控制量为水箱的液位H，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1，手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时Q1-Q20=0 （1）动态时，则有Q1-Q2= （2）式中V为水箱的贮水容积，为水贮存量的变化率，它与H的关系为，即= A （3）A为水箱的底面积。把式（3）代入式（2）得Q1-Q2=A （4）基于Q2=，RS为阀V2的液阻，则上式可改写为Q1-= A 即ARS+h=KQ1或写作= （5）式中T=ARS，它与水箱的底积A和V2的RS有关；

9、K=RS。式（5）就是单容水箱的传递函数。若令Q1（S）=，R0=常数，则式（5）可改为H（S）=K-对上式取拉氏反变换得h(t)=KR0(1-e-t/T) （6）当t时，h（）=KR0，因而有K=h（）/R0=输出稳态值/阶跃输入当t=T时，则有h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h() 式（6）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2-2所示。图2.2 单容水箱的单调上升指数曲线当由实验求得图2.2所示的阶跃响应曲线后，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。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应

10、的时间就是时间常数T，由响应曲线求得K图2.3 单容水箱的阶跃响应曲线和T后，就能求得单容水箱的传递函数。如果对象的阶跃响应曲线为图2.3，则在此曲线的拐点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，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：H(S)=四、实验内容与步骤 1选择实验对象打开相应阀门，如果单容水箱选择下水箱，则把阀门QV-105（V1）和出水口闸板QV-116 (V2)开至某一开度如图2.1（可参考图1.1.2 现场系统工艺示意流程图），且使QV-105的开度大于QV-116的开度。 表2-1控制装置输入输出智能仪表仪表输入端AI0

11、+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端仪表的输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端 2系统连线，本设备有智能仪表，如果选择智能仪表控制系统，则只需将智能仪表的I/O口与对象的传感器、执行器端口相连即可；如果选择PLC系统，则只需将PLC的I/O口与对象的相应的传感器、执行器端口相连；DDC控制系统的接线方式与前两者相同，具体接线请参考表2-1和该节附录的图片，开启控制柜电源和相关控制器的电源。 3启动电脑，在C:CH_KY_GONGCHENGWincc_pro下选择进入相应的Wincc组态工程文件夹，选中图标打开，进入Wincc资源管理器，将其激活即可进入监控系统，针对步骤2所

12、述的三个不同的控制系统，上位机有三个独立组态工程与之对应，做实验时只需选择与所选控制系统相对应的组态工程打开即可。注意：l 智能仪表系统退出后，一定要手动将桌面右下脚的任务管理器中仪表OPC服务器退出此时需输入密码“xmyd”，否则再打开别的系统工程时会导致通讯异常。 4. 在实验目录中选择“实验一 单容水箱特性测试实验”进入，用鼠标选中输出值（MV）下面的输出框，用键盘输出50%，使水箱的液位处于某一平衡位置。 5增加或减小调节器的输出，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），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一定的调节时间后，水箱的液位进入新的平衡状态

13、，如图2.4所示。图2.4单容箱特性响应曲线 6记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。7把由实验曲线所得的结果填入下表。 参数值测量值液位hKT正向输入负向输入平均值五、实验报告 1写出常规的实验报告内容。 2分析用上述方法建立对象的数学模型有什么局限性？六、思考题 1做本实验时，为什么不能任意改变出水口阀开度的大小？ 2用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？实验二 变频调速磁力泵支路流量的定值控制系统一、实验目的 1.了解涡轮流量计的结构及其使用方法。 2.应用阶跃响应曲线法整定调节器的参数。 3.研究调节器中相关参数的变化对系统性能的影响。二、实验设备 1.TkJ-2型高

14、级过程控制系统实验装置 2.计算机相关组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根 3.万用表 1只三、实验原理图3-15变频调速支路流量定值控制系统的结构图图3-15为变频调速支路流量定值控制系统的结构图。系统的被控对象为变频器-磁力泵支路管道，流经管道中的液体流量Q作为被控制量。基于系统的控制任务是维持被控制量恒定不变，即在稳态时，它总等于给定值。因此需把流量Q经检测变送后的信号作为系统的反馈量，并采用PI调节器。系统的控制方框图见图3-16。基于被控对象是一个时间常数较小的惯性环节，故本系统调节器参数的整定宜用阶跃响应曲线法求得的K、T和，然后由本章表四的经验公式确定参数。图3-1

15、6 单闭环流量控制系统的方框图四、实验内容与步骤 1、按图3-15所示打开阀QV-115、XV-101(需在控制柜数字接口处端口1#电磁阀驱动公共端之间接24V电源)、 QV-106 和QV-116(为下水箱出水口闸板)，或者打开QV-115、QV-111、QV-211、QV-106 、QV-116也可。表3-7控制装置输入输出智能仪表仪表输入端AI0+、AI0-连接支路1流量输出端即电磁流量计的流量仪表的输出端AO0+、AO0-连接变频器的控制信号输入端 2系统连线，本设备有智能仪表、西门子PLC及由研华模块组成的DDC等三套控制装置，可以组成三中不同的控制系统，本次实验时我们可任选其一，如

16、果选择智能仪表控制系统，则只需将智能仪表的I/O口与对象的传感器、执行器端口相连即可，具体接线请参考表3-7和该节附录的图片。开启控制柜电源和相关控制器的电源。 3启动电脑，在C:CH_KY_GONGCHENGWincc_pro下选择进入相应的Wincc组态工程文件夹，选中图标打开，进入Wincc资源管理器，将其激活即可进入监控系统，针对步骤2所述的三个不同的控制系统，上位机有三个独立组态工程与之对应，做实验时只需选择与所选控制系统相对应得组态工程打开即可。注意：1）智能仪表系统退出后，一定要手动将桌面右下脚的任务管理器中仪表OPC服务器退出此时需输入密码“xmyd”，否则再打开别的系统工程时

17、会导致通讯异常。 2）智能仪表的相关参数设置见附录表一。 4、在实验目录中选择“实验十 变频器支路流量定值控制系统”，根据用阶跃响应曲线法求得的K、T和，查本章中的表四确定PI调节器的参数和周期Ti。 5、设置流量的给定值后，先手动输出（30%80%），等流量Q趋于给定值，把调节器由手动切换为自动，使系统进入自动运行状态。 6、当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增加5%15%），观察并记录系统的输出响应曲线。 7、通过反复多次调节PI的参数，使系统具有较满意的动态性能指标。用计算机记录此时系统的动态响应曲线。五、实验报告 1用实验方法整定PI调节器的参数。 2作出比例P控制时，不同值下的

18、阶跃响应曲线，并记下它们的余差ess。 3比例积分调节器（PI）控制(1) 在比例调节控制实验的基础上，加上积分作用“I”，即把“I”（积分）设置为一参数，根据不同的情况，设置不同的大小。观察被控制量能否回到原设定值的位置，以验证系统在PI调节器控制下，系统的阶跃扰动无余差产生。 (2) 固定比例P值（中等大小），然后改变调节器的积分时间常数TI值，观察加入阶跃扰动后被调量的输出波形和响应时间的快慢。 (3) 固定TI于某一中等大小的值，然后改变比例度的大小，观察加阶跃扰动后被调量的动态波形和响应时间的快慢。4分析和TI值改变时，各给系统动态性能产生什么影响。六、思考题 1消除系统的余差为什么

19、采用PI调节器，而不采用纯积分器？ 2为什么本系统调节器参数的整定要用阶跃响应曲线法，而不用临界比例度法和阻尼振荡法？实验三 锅炉水温定值控制系统一、 实验目的1 了解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 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。二、 实验设备 1TkJ-2型高级过程控制系统实验装置 2计算机及组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根 3.万用表 1只三、实验原理图3-17 锅炉水温控制系统的结构示意图图3-17为锅炉水温定值控制系统的结构示意图。模拟锅炉主要是模拟工业生产过程中的实

20、际锅炉的加热容器，其控制任务就是在电加热丝不断加热的过程中保持锅炉的水温不变，即控制锅炉水温等于给定值，但实验进行前必须先通过电动调节阀支路（变频器支路）给锅炉打水,当水位上升至适当高度才开始加热，并在加热过程中不再加水。锅炉水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于加热过程容量时延较大，所以其控制过渡时间也较长。图3-18 锅炉水温控制系统的方框图五、实验内容与步骤 1、按图3-17所示打开阀QV-115、QV-111、QV-211、QV-112，其它阀门关闭 、启动变频器（用面板操作）给锅炉打水约1/2至2/3，然后关闭变频器。表3-8控制装置输入输出智能仪表仪

21、表输入端AI0+、AI0-连接锅炉内温度输出端仪表的输出端AO0+、AO0-连接加热器调压控制信号输入端 2、系统连线，本设备有智能仪表、西门子PLC及由研华模块组成的DDC等三套控制装置，可以组成三中不同的控制系统，本次实验时我们可任选其一，如果选择智能仪表控制系统，则只需将智能仪表的I/O口与对象的传感器、执行器端口相连即可，具体接线请参考表3-8和该节附录的图片。开启控制柜电源和相关控制器的电源。 3启动电脑，在C:CH_KY_GONGCHENGWincc_pro下选择进入相应的Wincc组态工程文件夹，选中图标打开，进入Wincc资源管理器，将其激活即可进入监控系统，针对步骤2所述的三

22、个不同的控制系统，上位机有三个独立组态工程与之对应，做实验时只需选择与所选控制系统相对应得组态工程打开即可。注意：1）智能仪表系统退出后，一定要手动将桌面右下脚的任务管理器中仪表OPC服务器退出此时需输入密码“xmyd”，否则再打开别的系统工程时会导致通讯异常。2）智能仪表的相关参数设置见附录表一。 4在实验目录中选择“实验十一 锅炉特性水温定值控制系统”， 按阶跃响应曲线法，确定PI调节器的参数和TI，并整定之。 6设置好温度的给定值和PID参数，先手动输出（80%），通过三相移相调压模块给锅炉内胆加热,等锅炉水温趋于给定值且不变后，把调节器由手动切换为自动，使系统进入自动运行状态。 7、当

23、系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增加5%15%），观察并记录系统的输出响应曲线。 8、通过反复多次调节PI的参数，使系统具有较满意的动态性能指标。用计算机记录此时系统的动态响应曲线。 9如图3-17所示，打开阀门QV-114关闭阀门QV-115,启动变频器（面板操作）使锅炉中热水处于循环散热状态，再重复上述实验步骤68。六、实验报告1 用实验方法整定PI调节器的参数. 2作出比例P控制时，不同值下的阶跃响应曲线，并记下它们的余差ess。 3比例积分调节器（PI）控制(1) 在比例调节控制实验的基础上，加上积分作用“I”，即把“I”（积分）设置为一参数，根据不同的情况，设置不同的大小。观察被控制量能否回到原设定值的位置，以验证系统在PI调节器控制下，系统的阶跃扰动无余差产生。 (2) 固定比例P值（中等大小），然后改变调节器的积分时间常数TI值，观察加入阶跃扰动后被调量的输出波形和响应时间的快慢。 (3) 固定TI于某一中等大小的值，然后改变比例度的大小，观察加阶跃扰动后被调量的动态波形和响应时间的快慢。 4分析和TI值改变时，各给系统动态性能产生什么影响。七、思考题 1、消除系统的余差为什么采用PI调节器，而不采用纯积分器？ 2、在温度控制系统中，为什么用PD和PID控制，系统的性能并不比用PI控制有明显地改善？