过程控制仪表实验指导书(改)

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1、 电工学院过程控制仪表实验指导书陈湘萍编写适用专业：测控技术与仪器贵州大学二 OO七年八月2前言本课程实验的目的是让学生模拟实际生产过程控制中广泛使用的主要控制仪表，调节器、变送器在整个控制系统中的作用。教学的基本要求：1掌握典型调节器的构成原理、线路结构和调校方法，掌握调节器中 PID参数的作用和调校方法。2掌握差压变送器、温度变送器的构成原理以及调校方法。本课程设置两个实验：实验一 变送器的构成和调校该实验是在学习了传感器零点和量程相互影响的相关知识的基础上开设，通过动手进行量程和零点的调校，有利于学生加深对这一知识点的理解。本实验属于验证性实验。实验二 一阶、二阶系统的模拟调节该实验是在

2、学习了 PID 调节器的基础上开设，实验目的是通过反复调节调节器的 PID 参数并在获得水箱响应曲线的基础上，体验比例（P） ，积分（I） ，微分（D）在实际调节过程中对控制对象的不同作用。加深对不同调节环节作用的理解，本实验属于综合性实验3目录 1、实验一：变送器的构成和调校42、实验二：一阶、二阶系统的模拟调节73、实验报告基本内容要求114、实验报告格式124实验一：变送器的构成和调校变送器的构成和调校实验学时：2 学时实验类型：验证性验证性实验要求：必修必修一、实验目的1） 、掌握实验装置的基本操作与变送器仪表的调整方法2） 、掌握差压传感器零点的迁移方法。3） 、加深理解传感器零点与

3、量程的相互影响二、实验内容1、设备组装与检查：2、系统接线3、启动实验装置：4、仪表调整：三、实验原理、方法和手段系统结构框图如下所示 e V212 3 图 1-1、水位、压力 、流量控制系统框图四、实验组织运行要求采用集中授课形式，以教师讲授实验原理及实验步骤、学生动手操作为主。五、实验条件TKGK-1 实验台、万用表六、实验步骤1、设备组装与检查：51） 、将 GK-07、GK-06、GK-05、GK-04 挂件由左至右依次挂于实验屏上。并将挂件的三蕊插头插于相应插座中。2） 、检查挂件电源开关是否关闭。3） 、用万用表检查挂件的电源保险丝是否完好。2、系统接线1） 、按照装置使用说明书中

4、的 GK-07 交流变频调速控制箱的常用使用方法进行接线。2） 、将 GK-05 正给定信号接至 GK-07 变频器的 VIA 与 GND 端子。3、启动实验装置：1） 、将实验装置电源插头接到 220V 市电电源。2） 、打开电源空气开关与电源总钥匙开关。3） 、按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源，电压表指示 220V。4、仪表调整：在 GK-02 模块左侧，设有四个控制参数的数显仪表， 其输入接线柱分别接LT1、PT、LT2、FT、TT 等相应传感器检测信号的输出（标准信号为 05V DC） 。表头的右侧各有二个电位器，可通过这些电位器调整零位和增益，在传感器校验实验时要使用，同时在

5、实验进行之前，每次都应调整好传感器的零位和增益。5调试步骤如下：1） 、打开阀 1、阀 3，关闭阀 7、阀 8， （或者打开阀 7、阀 8，关闭阀 1、阀 3）关闭阀 2、阀 4，然后开启变频器，启动水泵，给上下水箱供水，使其液面上升至 10cm 高度，关闭变频器。2） 、用三根 6 的橡皮导气管（约 0.6m 长） ，使其一端（上端）竖直地插入上、下水箱底部（上水箱插两根，下水箱插一根） 。另一端（下端）完全裸露在大气中。3） 、将三根导气管的下端接到三个差压传感器（MPX2010DP）的正压室。4） 、将各增益调节电位器置于中间位置，然后调节零位调节电位器，使 LT1两端的输出电压为 3.

6、33V(显示器显示 10.00)，LT2 两端的输出电压为 3.33V(显示器显示10.00)，PT 两端的输出电压为 3.33V（显示器显示 980） 。5） 、开始零位调节：a、打开阀 2、阀 4，排空上、下水箱中的水，关闭阀 2、阀 4。b、调节“零位调节”电位器，使 LT1、LT2 和 PT 输出为零伏，显示器显示为600.00cm。注：稳定几分钟后进入下一步。6） 、开始增益调节：a、启动齿轮泵，使上、下水箱水位上升至于 10cm 高度，然后再关闭齿轮泵。b、调节“增益调节”电位器，使 LT1、LT2 显示器显示 10.00cm，Pa 显示器显示980Pa。7） 、重复 5、6 步骤

7、，复调零位和增益，以满足系统要求（传感器输出电压为 3.33V 伏时，LT1 与 LT2 的显示值为 10.00cm，Pa 的显示值为 980Pa） 。七、思考题1为什么零点和量程是相互影响的7实验二：一阶、二阶系统的模拟调节实验学时：4 学时实验类型：综合性综合性实验要求：必修必修一、实验目的1） 、熟悉单回路单容、双容液位控制系统的组成和工作原理。2） 、研究系统分别用 P、PI 和 PID 调节时的控制性能。3） 、定性地分析 P、PI 和 PID 调节器的参数对系统性能的影响。二、实验内容（一） 、比例（P）调节器控制（二） 、比例积分调节器（PI）控制（三） 、比例积分微分调节器（P

8、ID）控制三、实验原理、方法和手段三、实验原理、方法和手段 ) C12 ) +_r ) ) f图 2-1、双容水箱液位控制系统的方框图图 2-1 为双容水箱液位控制系统。这也是一个单回路控制系统，它是有两个水箱相串联，控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度；具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于调节器 Gc（S）的结构和参数的合理选择。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。对于阶跃输入（包括阶跃扰动） ，这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度成正比，若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实

9、现无余差，而且只要调节器的参数 和 Ti 调节得合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）8调节器是在 PI 调节器的基础上再引入微分 D 的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。四、实验组织运行要求采用集中授课形式，以教师讲授实验原理及实验步骤、学生动手操作为主。五、实验条件TKGK-1 实验台、万用表、秒表.六、实验步骤（一） 、比例（P）调节器控制1） 、按图 2-1 所示的结构接成单回路的实验系统。其中被控对象是下水箱，被控制量是下水箱的液位高度。2） 、把调节器置于“手动”状态，其积分是时间常数置于最大处，微分作用开关设在“关”的位置，比例度

10、设置于最大值处， “正-反”开关拔到“反”的方向，即此时的调节器为比例调节（P） 。3） 、启动工艺流程并开启相关仪器和计算机程序，在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被调量调到给定值（一般把液面高度控制在水箱高度的 50%处） 。4） 、观察计算机显示屏的曲线，待被调量基本稳定于给定值后，即可将调节器的开关由“手动”位置拔到“自动”状态，使系统变为闭环控制运行。5） 、待系统的输出趋于平衡不变后，加入阶跃扰动信号（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，系统进入了新的平衡状态。利用秒表和 LT2 液位指示仪表记录整个过渡过程曲线,计算系统的余差 ess和超调量 p 的大

11、小 。（二） 、比例积分调节器（PI）控制1） 、在比例调节器控制实验的基础上，加上积分作用，即把“I” （积分）由最大处（“关” ） 旋至中间某一位置，观察被控制量是否能回到原设定值的位置，以验证系统在PI 调节器控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。2） 、固定比例度 值（中等大小） ，给定一积分时间 Ti 值。然后加一阶跃扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线、调节时间 tS、超调量 P。注意: 过小的 和过小的 Ti 都可能会导致系统的不稳定。（三） 、比例积分微分调节器（PID）控制1） 、在 PI 调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把 D 打开。然后加上9与前面实验幅值完全

12、相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与实验（二）PI控制下的曲线相比较，以看出微分 D 对系统性能的影响。2） 、选择合适的 、Ti 和 Td ，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从 50%增至 60%来实现） 。七、思考题1） 、实验系统在运行前应做好哪些准备工作？2） 、为什么双容液位控制系统比单容液位控制系统难于稳定？3） 、有人说：由于积分作用增强，系统会不稳定，为此在积分作用增强的同时应增大比例度 ，你认为对吗？为什么？4） 、试用控制原理的相关理论分析 PID 调节器的微分作用为什么不能太大？5） 、为什么微分作用的引入必须缓慢进行？这时的比例

13、度 是否要改变？为什么？6） 、调节器参数（、Ti 和 Td）的改变对整个控制过程有什么影响？八、实验报告1） 、画出、PI、PID 控制时的阶跃响应曲线，并分析微分 D 对系统性能的影响。2） 、综合评价 P、PI、和 PID 三种调节器对系统性能的影响。10实验报告的基本内容及要求1实验预习在实验前每位同学都需要对本次实验进行认真的预习，并写好预习报告，在预习报告中要写出实验目的、要求，需要用到的仪器设备、物品资料以及简要的实验步骤，形成一个操作提纲。对实验中的安全注意事项及可能出现的现象等做到心中有数，但这些不要求写在预习报告中。2实验记录学生开始实验时，应该将记录本放在近旁，将实验中所做的每一步操作、观察到的现象和所测得的数据及相关条件如实地记录下来。3实验总结主要内容包括对实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。11贵州大学实验报告学院： 专业： 班级：姓名学号实验组实验时间指导教师成绩实验项目名称实验目的实验要求实验原理实验仪器实验步骤12实验内容实验数据实验总结指导教师意见签名： 年 月 日