检测仪表实验讲义 - 华东理工大学网络教育学院

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1、化工仪表及自动化实验讲义王王华华忠忠 编编写写华东理工大学信息科学与工程学院自动化系2008 年 7 月实验注意事项本实验讲义中实验 17 是远程实验，实验 89 是虚拟实验。该门课程的远程实验采用的是基于 Internet 技术的远程实验系统，在设备现场无人值守，做实验的学生也不直接接触实验设备，因此，在操作中要注意以下几点：（1） 每次只能有一个学生可以做实验。（2） 根据实验时间测算，每个实验最多 1 小时就该结束，因此，我们设定了每个实验允许做的时间是 1 小时，即实验开始后，如果超过 1 小时，实验会自动结束。（3） 实验过程中，不要从实验界面的 IE 退出，实验结束后才可以关闭该

2、IE 实验窗口。如果实验过程中退出，重新进入实验系统后，要点击实验选择页面的“实验恢复”按钮，否则实验无法进行下去。（4） 每一个实验结束后，请立即下载相应的实验数据。否则，该数据会被后面做实验的学生实验数据覆盖。（5） 每个学生不要长时间占用实验资源，做完实验后即退出，让其他学生有机会做实验。（6） 实验过程中注意观察视频图像，若实验设备或系统出现异常，请立即结束实验，并请通知相应老师。实验一 单容水箱对象特性测试实验一、实验目的及要求1、了解过程特性测试的原理。2、掌握过程特性计算机测试方法。二、预习思考题1、什么是过程特性？为什么要获得过程特性？2、过程特性有哪些类型，其各自的主要特点是

3、什么？3、过程特性测试的方法有哪些？三、实验仪器及软硬件设备1、双容水箱对象。2、双容水箱自动控制系统。3、安装有 IE 浏览器的个人电脑。4、双容水箱自动测试系统 WEB 服务器。四、一阶对象特性阶跃扰动法测试原理阶跃扰动法又称为反应曲线法。当过程处于稳定状态时，在过程的输入端施加一个幅度已知的阶跃扰动，测量和记录过程输出变量的数值，即可画出输出变量随时间变化的反应曲线。根据响应曲线，再经过处理，就能得到过程特性参数。图11 即为根据响应曲线求取过程特性的方法。采用该方法，求得三个参数，放大倍数 K，时间常数 T 和纯滞后。图 1-1 阶跃扰动法求过程特性)(tFt0A)(tctAB/TB0

4、放大系数： 时间常数：T纯滞后：五、实验内容和步骤（1）选择实验水箱（上水箱或下水箱），设定调节阀 1 开度。（2）点击“开始”按钮，开启相应的泵和阀。此时可观察相应水箱的液位变化和曲线图。（单容）（3）待液位稳定在某一数值后，点击“结束”按钮关闭泵和阀，结束试验。若对泵本次实验结果不满意，可重新选择水箱、设定调节阀开度。点击“开始”即可以重新进行实验。（4）点击“保存并退出实验”按钮，退出该实验。（5）实验结束后，下载实验数据 exp1（Excel 文件）。六、实验数据处理根据下载的数据，利用“四、一阶对象特性阶跃扰动法测试原理”中介绍的方法，求取该单个水箱的过程特性。下载的数据文件是 ex

5、p1。该文件共有 7 个工作簿，如图 12 所示。其中簿名为“实验 1”的工作簿是实验 1（即本实验）的数据记录。为了简化数据处理，所有的工作簿中都有 8 个列，分别为实验进行时间（单位为秒），TANK1 液位（Level1，单位 mm），TANK2 液位（Level2，单位 mm）、流量 1（Flowrate1，单位 L/h），流量 2（Flowrate2，单位 L/h），阀门 1 开度（Valve1，为百分数）, 阀门 2 开度（Valve2）和液位控制时的设定值 Setpoint。在不同实验时，取不同的数据在不同实验时，取不同的数据进行数据处理。进行数据处理。图 1-2 实验数据文件示意

6、以实验 1 的数据处理为例，若在实验选择中，选择了测试 TANK1 的过程特性，则有效的数据就是实验进行时间、TANK1 液位（Level1）、流量 1（Flowrate1）。在计算对象放大倍数 K 时，就采用式 11 计算：（式 11）scalescaleFFlowrateLLevelK0101其中分子中表述液位测量仪表的量程，在本实验中是 1600mm。是涡scaleLscaleF街流量计的量程，在本实验中是 600。Level1 是实验趋向稳定时的液位数值，Flowrate1 流量的稳定数值。实验二 双容水箱对象特性测试实验一、实验目的及要求1、了解二阶过程特性测试的原理。2、掌握过程特

7、性计算机测试方法。二、预习思考题1、什么是二阶过程特性？2、一阶过程特性与二阶过程特性有何不同？三、实验仪器及软硬件设备1、双容水箱对象。2、双容水箱自动控制系统。3、安装有 IE 浏览器的个人电脑。4、双容水箱自动测试系统 WEB 服务器。四、二阶对象特性阶跃扰动法测试原理若将两个一阶对象串连，则串连后的对象就成为二阶对象。本实验中，被测对象由两个不同容积的水箱串联组成，故称其为双容对象。双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：（式s 12 12KG(s)= G (s)*G (s)= e(Ts+1)(T s+1)21）式中 K=k1*k2

8、，为双容水箱的放大系数，Tl、T2分别为两个水箱的时间常数， 为滞后常数。通过实验法进行水箱数学模型测试，本试验中的被测量为下水箱的液位，当上水箱输入量有一个阶跃增量变化时，上水箱液位的响应曲线为图 3(a)所示一单调上升的指数曲线，而下水箱液位的响应曲线则呈如图 3(b)所示的曲线，即下水箱的液位响应滞后了。可通过试验测量确定出具体的 K、T、 的值。图 2-1 单容与双容水箱液位图五、实验内容和步骤（1）设定调节阀 1 开度。（2）点击“开始”按钮，开启相应的泵和阀。此时水流入上水箱，观察下水箱的液位变化和曲线图。（双容）（3）待液位稳定在某一数值后，点击“结束”按钮关闭泵和阀，结束试验。

9、若要进行下次实验，可重新设定调节阀开度。与实验一相比，本实验减少了水箱选择这一环节。（4）点击“保存并退出实验”按钮，退出该实验。（5）实验结束后，下载实验数据 exp2（Excel 文件）。六、实验数据处理根据下载的数据，利用实验 1“四、一阶对象特性阶跃扰动法测试原理”中介绍的方法，求取双容水箱的二阶过程特性。实验三 单容水箱液位设定值控制实验一、实验目的1、进一步加深控制系统概念。2、了解一阶对象定值控制方法，并观察过渡过程曲线。 3、了解 PID 原理及参数整定方法。二、预习思考题1、什么是定值控制？根据图 31 回答有哪些参数描述定值控制系统的过渡过程？2、该单容水箱液位控制系统中，

10、哪个变量是操纵变量？哪个是被控变量？图 3-1 设定作用下过渡过程控制指标示意图三、实验仪器:1、双容水箱实验对象。2、双容水箱自动控制系统，三菱 FX2N 可编程控制器。3、安装有 IE 浏览器的个人电脑。4、双容水箱自动测试系统 WEB 服务器。四、PID 控制原理及其在单容水箱液位控制中的应用在本实验中，要采用 PID 控制策略来实现对水箱中液位的定值控制。因此，这里对 PID 控制原理作介绍，实验 37 都利用了该原理。1、PID 原理（1）比例（P）控制 )(tytBsTB)0(y)(eC)(tr衰减比： 超调量： 余差： 回复时间 和振荡频率1/ BBn %100/CB Cryre

11、)()(sT比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error） 。（2）积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error） 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差

12、进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。（3）微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会 出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具

13、有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 实际应用中，可以根据受控对象的特性和控制的性能要求，灵活地采用不同的控制组合，构成：（1）比例（P）控制器：、（式 31）)()(tetuKp（2）比例十积分（PI）控制器：（式 32）)(1)()( 0detetutIpTK（3）比例十积分十微分（PID）控制器： （式 33）)()(1)()( 0dttdedetetuTTKDtIp式中：KP比例放大系数；TI积分时间； TD微分时间。比例控制能迅速

14、反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。应用 PID 控制，必须适当地调整比例放大系数 KP，积分时间 TI和微分时间TD，使整个控制系统得到良好的性能。2、PID 参数整定PID 控制器的参数整定是

15、控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到

16、的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数。 PID参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线，从而调整P、I、D 的大小。本套实验系统采用三菱本套实验系统采用三菱 PLCPLC 中的中的 PIDPID 函数实现函数实现 PIDPID 控制。根据三菱控制。根据三菱 PIDPID 算法，算法，比例参数越大，比例控制作用越强，积分参数越大，积分作用越强，微分参数越大，比例参数越大，比例控制作用越强，积分参数越大，积分作用越强，微分参数越大，微分作用越强。微分作用越强。五、 、实验步骤与要求:（1）选择实验水箱（上水箱或下水箱