过程控制系统与装置综合实训.doc
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重庆科技学院
学生实习(实训)总结报告
院(系):
_电气与信息工程学院_专业班级:
_测控普2007-01_
学生姓名:
_王立发____学号:
_2007440768
实习(实训)地点:
_I501/I506__
报告题目:
关于过程控制系统与装置综合实训总结
报告日期:
2010年12月25日
指导教师评语:
_______________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
成绩(五级记分制):
_____________
指导教师(签字):
_____________________
目录
1实验任务书 1
2温度单回路控制系统 2
2.1温度单回路控制系统 2
2.2温度检测设备 2
2.3执行机构 3
2.4智能仪表 3
3复杂控制系统的组成 4
3.1液位-流量的串级控制系统 4
3.11液位-流量的串级控制系统原理 4
3.12液位-流量的串级控制系统试验结果 5
3.2下水箱液位的前馈-反馈控制系统 6
3.21下水箱液位的前馈-反馈控制系统试验原理 7
3.22下水箱液位的前馈-反馈控制系统试验结果 8
3.3单闭环流量比值控制系统 9
3.31单闭环流量比值控制系统试验原理 9
3.32单闭环流量比值控制系统试验结果 11
4对象传递函数测试 11
4.1单容水箱特性的测试 11
4.11单容水箱特性的测试试验原理 12
4.12单容水箱特性的测试试验结果 12
4.2双容水箱特性的测试 14
4.21双容水箱特性的测试试验原理 14
4.22双容水箱特性的测试测试结果 15
5心得体会 16
I
1实验任务书
报告题目:
关于过程控制系统与装置综合实训总结
学生姓名
王立发
课程名称
过程控制系统综合实训
专业班级
测控普2007
地点
I501/I506
起止时间
10.12.13~10.12.24
设计内容及要求
过程控制系统与装置综合实训内容有4类。
内容及要求如下:
1.用protel绘制实验平台的电气接线图,对每个部分的I/O端子进行标注。
2.对象传递函数测试
(1)单容水箱特性的测试
(2)双容水箱特性的测试
3.复杂控制系统的组成,干扰源的加入,参数整定。
(1)液位-流量的串级控制系统
(2)单闭环流量比值控制系统
(3)下水箱液位的前馈-反馈控制系统
4.典型过程控制系统的投运、关闭操作
(1)间歇反应过程
(2)连续反应过程
(3)热交换过程
进度
要求
第1天:
讲解任务;第2天:
温度单回路控制系统电气连接原理图;第3天:
串级控制系统;第4天:
前馈控制系统;第5天:
比值控制系统;第6天:
单容双容水箱模型建立;第7天:
间接反应的过程与操作;第8天:
连续反应过的;第9天:
热交换系统的的过程投运与交换;第10天:
撰写设计报告.
教研室主任:
指导教师:
唐德东、彭宇兴
2010年12月13日
17
2温度单回路控制系统
2.1温度单回路控制系统
温度单回路控制系统由温度传感器、智能仪表(AS3010)、调压模块、三项加热炉、PC机组成。
温度传感器将温度信号转换成4~20mADC电流信号。
传给智能仪表,智能仪表经过运算后,送出控制信号控制调压模块,改变加热器的电压。
其系统框图如图2.10所示。
系统的电气接线图如图2.11所示。
智能仪表
调压模块
加热器
PC机
温度传感器
+
-
给定值
T温度
锅炉
图2.10系统框图
图2.11系统电气接线图
2.2温度检测设备
温度传感器为PT100,Pt100传感器精度高,热补偿性较好。
如图2.2所示。
图2.2温度传感器为PT100
温度变送器为两线制,24V直流供电。
经过调节器的温度变送器,可将温度信号转换成4~20mADC电流信号。
2.3执行机构
1)调压模块
调压模块是根据控制信号来控制加热器的电压。
电流控制信号为4-20mA,调压器到加热管采用380V三相交流供电。
如图2.3所示。
图2.3调压模块
如果采用电压控制,则从2号端子的CON端输入2-10V。
如果采用电流控制则从3号端子输入4-20mA。
调压器到加热管采用380V三相交流供电。
2.4智能仪表
智能仪表是整个系统的重要部分,它是控制中心,它将测量信号运算后,得出控制信号并传给控制器。
仪表的测量信号为传感器的输出信号,此处经过电阻将电流信号转换成1—5V(0.2—1V)的电压信号,即AI0+、AI0-为1—5V信号输入;AI1+、AI1-为0.2—1V信号输入。
AO0+(AO1+)、AO0-(AO1-)为仪表的控制信号输出端,4—20mA的电流控制执行器的输出。
如图2.4所示。
仪表外给定是通过外部输入的1—5V电压信号来设定仪表设定值的。
其它报警等端子为扩展备用。
图2.4智能仪表
3复杂控制系统的组成
3.1液位-流量的串级控制系统
液位-流量的串级控制系统采用了液位变送器、流量变送器、电动调节器、智能仪表。
其实验线路按照图3.10接好。
将下水箱液位变送器的输出端接到智能仪表一的模拟输入端,智能仪表一的模拟输出端接智能仪表二的外给定端,流量变速器的输出端接到智能仪表二的输入端,智能仪表二的模拟输出端接到电动调节阀。
下水箱液位变送器将测的信号传送给智能仪表一,智能仪表一经过运算后,输出调节信号作为智能仪表二的给定值,智能仪表二将流量值和给定值结合运算后,输出控制信号传给调节阀。
控制电动调节阀开度,控制下水箱的进水量,达到或保持给定的液位。
智能仪表通过RS485与PC机通信,将液位值和调节阀的开度传送给PC机,PC机实时显示数据。
操作人员可以在PC机上实时修改各个参数。
3.11液位-流量的串级控制系统原理
本实验系统的主控量为下水箱的液位高度H,副控量为电动调节阀支路流量Q,它是一个辅助的控制变量。
系统由主、副两个回路所组成。
主回路是一个恒值控制系统,使系统的主控制量H等于给定值;副回路是一个随动系统,要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律,以达到对主控制量H的控制目的。
图3.10液位-流量串级控制系统的结构图
不难看出,由于主对象下水箱的时间常数较大于副对象管道的时间常数,因而当主扰动(二次扰动)作用于副回路时,在主对象未受到影响前,通过副回路的快速调节作用已消除了扰动的影响。
图3.10为实验系统的结构图,图3.11为该控制系统的方框图。
图3.11液位-流量串级控制系统的方框图
3.12液位-流量的串级控制系统试验结果
液位-流量的串级控制系统的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。
本实验采用的是两步整定法。
在工况稳定,主、副控制器都在纯比例作用运行的条件下,将主控制器的比例度先固定在100%的刻度上,逐渐减小副控制器的比例度,求取副回路在满足某种衰减比(如4∶1)过渡过程下的副控制器比例度和操作周期,分别用δ2s和T2s表示。
在副控制器比例度等于δ2s的条件下,逐步减小主控制器的比例度,直至得到同样衰减比下的过渡过程,记下此时主控制器的比例度δ1s和操作周期T1s。
按查表所得的PI参数对主调节器的参数进行整定。
副回路PID参数比例带为10.0%,积分时间为999S,微分时间为0S,副回路调节好后,不改变参数。
调节主回路,经调节后主回路PID参数的比例带为10.0%,积分时间为50S,微分时间为0.0S。
对进入副回路的干扰有很强的克服能力;改善了被控过程的动态特性,提高了系统的工作频率;对进入主回路的干扰控制效果也有改善;对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。
图3.120串级控制系统图
图3.121串级控制系统图
3.2下水箱液位的前馈-反馈控制系统
下水箱液位的前馈-反馈控制系统主要用了液位变送器、流量变送器、电动调节阀、智能仪表。
其实验线路按照图3.20接好。
将流量变送器一的输出端接到智能仪表一的模拟输入端,流量变速器二的输出端接到智能仪表二的输入端,智能仪表二的模拟输出端接到电动调节阀。
流量变送器一将测的信号传送给智能仪表一,智能仪表二将流量变送器一的值按比值运算后,输出控制信号传给调节阀。
控制电动调节阀开度,控制进水流量,达到或保持给定的流量。
智能仪表通过RS485与PC机通信,将液位值和调节阀的开度传送给PC机,PC机实时显示数据。
操作人员可以在PC机上实时修改各个参数。
3.21下水箱液位的前馈-反馈控制系统试验原理
图3.20前馈-反馈控制系统的结构图
反馈控制是按照被控参数与给定值之差进行控制的。
它的特点是,调节器必须在被控参数出现偏差后才能对它进行调节,补偿干扰对被控参数的影响。
基于过程控制系统总具有滞后特性,因而从干扰的产生到被控参数的变化,需要一定长的时间后,才能使调节器产生对它进行调节作用,从而对干扰产生的影响得不到及时地抑止。
为了解决这个问题,提出一种与反馈控制在原理上完全不同的控制方法。
由于这种方法是一种开环控制,因而它只对干扰进行及时地补偿,而不会影响控制系统的动态品质。
即当扰动一产生,补偿器立即根据扰动的性质和大小,改变执行器的输入信号,从而消除干扰对被控量的影响。
由于这种控制是在扰动发生的瞬时,而不是在被控制量产生变化后进行的,故称其为前馈控制。
前馈-反馈控制系统中的主要扰动由前馈部分进行补偿,这种扰动能测定,其它所有扰动对被控制量所产生的影响均由负反馈系统来消除。
这样就能使系统的动态误差大大减小。
图3.20为本实验的系统结构图,被控制量是下水箱的液位,扰动为流量F。
图3.21为该控制系统的方框图。
图3.21控制系统的方框图
图中GC(S)-调节器 G0(S)-电动调节阀、中水箱与下水箱
Gf(S)-干扰通道的传递函数 GB(S)-前馈补偿器H(S)-液位变送器
由图3.21可知,扰动F(S)得到全补偿的条件为
F(S)Gf(S)+F(S)GB(S)G0(S)=0
GB(S)=-(3.21)
上式给出的条件由于受到物理实现条件的限制,显然只能近似地得到满足,即前馈控制不能全部消除扰动对被控制量的影响,但如果它能去掉扰动对被控制量的大部分影响,则认为前馈控制已起到了应有的作用。
为使补偿器简单起见,GB(S)用比例器(KB)来实现,则:
由式(13)可知,
KB=(3.22)
式中Kf-干扰通道的静态放大倍数
K0-控制通道的静态放大倍数
3.22下水箱液位的前馈-反馈控制系统试验结果
下水箱液位的前馈-反馈控制系统经过调节后,其PID参数的比例带为5.0,积分时间为8.0秒,微分时间为2.0秒。
设定值为40.0%,测量值为40.8%,输出值为58.2%,控制偏差为0.8,实现了控制要求。
如图3.22(a)所示。
用变频器控制水泵2,给控制回路加干扰,变频器频率设为15Hz。
控制系统失去平衡后,经过一段时间的调节,回到了控制要求值,调节时间很短。
其实验结果如图3.22(b)所示。
当系统出现扰动时,立即将其测量出来,通过前馈控制器,根据扰动量的大小改变控制变量,以抵消扰动对被控参数的影响,快速的将系统调节回稳态。
图3.22(a)加了干扰实验图
图3.22(b)未加干扰实验图
3.3单闭环流量比值控制系统
单闭环流量比值控制系统主要用了流量变送器、电动调节阀、变频器、智能仪表。
其实验线路按照图3.31接好。
将流量变送器一的输出端接到智能仪表一的模拟输入端,流量变速器二的输出端接到智能仪表二的输入端,智能仪表二的模拟输出端接到电动调节阀。
流量变送器一将测的信号传送给智能仪表一,智能仪表二将流量变送器一的值按比值运算后,输出控制信号传给调节阀。
控制电动调节阀开度,控制进水流量,达到或保持给定的流量。
智能仪表通过RS485与PC机通信,将液位值和调节阀的开度传送给PC机,PC机实时显示数据。
操作人员可以在PC机上实时修改各个参数。
3.31单闭环流量比值控制系统试验原理
图3.31单闭环流量比值控制系统结构图
在工业生产过程中,往往需要几种物料以一定的比例混合参加化学反应。
如果比例失调,则会导致产品质量的降低、原料的浪费,严重时还发生事故。
例如在造纸工业生产过程中,为了保证纸浆的浓度,必须自动地控制纸浆量和水量按一定的比例混合。
这种用来实现两个或两个以上参数之间保持一定比值关系的过程控制系统,均称为比值控制系统。
本实验是流量比值控制系统。
其实验系统结构图如图3.30所示。
该系统中有两条支路,一路是来自于变频器—磁力泵支路的流量Q1,它是一个主动量;另一路是来自于电动阀支路的流量Q2,它是系统的从动量。
要求从动量Q2能跟随主动量Q1的变化而变化,而且两者间保持一个定值的比例关系,即Q2/Q1=K。
图3.32单闭环流量比值控制系统方框图
图3.31为单闭环流量比值控制系统的方框图。
由图可知,主控流量Q1经流量变送器后为I1(实际中已转化为电压值,若用电压值除以250Ω则为电流值,其它算法一样),如设比值器的比值为K,则流量单闭环系统的给定量为KI1。
如果系统采用PI调节器,则在稳态时,从动流量Q2经变送器的输出为I2,不难看出,KI1=I2。
设流量变送器的输出电流与输入流量间成线性关系,当流量Q由0→Qmax变化时,相应变送器的输出电流为4→20mA。
由此可知,任一瞬时主动流量Q1和从动流量Q2所对应变送器的输出电流分别为
I1=(3.31)
I2=(3.32)
式中Q1max和Q2max分别为Q1和Q2最大流量值。
设工艺要求Q2/Q1=K,则式(7)可改写为
Q1=Q1max(3.33)
同理式(8)也可改写为
Q2=Q2max(3.34)
于是求得
=(3.35)
折算成仪表的比值系数K′为:
K′=K
3.32单闭环流量比值控制系统试验结果
下水箱液位的单闭环流量控制系统经过调节后,其PID参数的比例带为35.0,积分时间为10.0秒,微分时间为0.0秒。
用变频器控制水泵2,变频器频率设为50Hz,流量为1。
当比值系数为0.3时,经过比值系数0.3计算后,副回路的设定值为0.358,测量值为0.358,输出值为25%,控制偏差为0,实现了控制要求。
如图3.32(a)所示。
当比值系数为0.7时,经过比值系数0.7计算后,副回路的设定值为0.0.837,测量值为0.844,输出值为49%,控制偏差为0.007,在控制的范围内,实现了控制要求。
如图3.32(b)所示。
图3.32(a)
图3.32(b)
4对象传递函数测试
4.1单容水箱特性的测试
本次实验主要用了智能仪表、下水箱液位变送器、电动调节阀。
其实验线路按照图4.10接好。
将下水箱液位变送器的输出端接到智能仪表的模拟输入端,智能仪表的模拟输出端接电动调节阀。
下水箱液位变送器将测的信号传送给智能仪表,智能仪表经过运算后输出调节信号,控制电动调节阀开度,控制下水箱的进水量,达到或保持给定的液位。
智能仪表通过RS485与PC机通信,将液位值和调节阀的开度传送给PC机,PC机实时显示数据。
4.11单容水箱特性的测试试验原理
图4.10单容水箱特性测试结构图
公式:
(4.11)
是阶跃输入
当t—>∞时,h(∞)=,因而有=h(∞)/=输出稳态值/阶跃输入
当t=T时,则有
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4.11所示。
图4.11单容水箱的单调上升指数曲线
当由实验求得图4.11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的时间就是时间常数T,由响应曲线求得K和T后,就能求得单容水箱的传递函数。
根据实验图4.12和图4.13得出K和T。
如表4.12所示。
4.12单容水箱特性的测试试验结果
检查实验线路后,接通总电源和相关的仪表电源,并启动磁力驱动泵。
启动电脑打开和所选控制装置配套的软件工程,给调节阀输入50%的开度。
使水箱的液位处于某一平衡位置。
其水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线如图4.12(a)所示。
调节阀增加10%的输出,经过一段时间下水箱的液位进入新的平衡状态,如图4.12(b)所示。
调节阀减少10%的输出,经过一段时间下水箱的液位进入新的平衡状态,如图4.12所示。
由实验曲线所得的结果填入下表4.12。
表4.12
参数值
测量值
液位h
K
T
τ
正向输入
88
75
0
负向输入
78.75
56
0
平均值
83.375
65.5
0
根据公式4.11,将表4.12中的数据代入式中。
得出单容水箱的传递函数
。
图4.12(a)
图4.12(b)
4.2双容水箱特性的测试
本次实验主要用了智能仪表、下水箱液位变送器、电动调节阀。
其实验线路按照图4.20接好。
将下水箱液位变送器的输出端接到智能仪表的模拟输入端,智能仪表的模拟输出端接电动调节阀。
下水箱液位变送器将测的信号传送给智能仪表,智能仪表经过运算后输出调节信号,控制电动调节阀开度,控制下水箱的进水量,达到或保持给定的液位。
智能仪表通过RS485与PC机通信,将液位值和调节阀的开度传送给PC机,PC机实时显示数据。
4.21双容水箱特性的测试试验原理
图4.20双容水箱对象特性结构图
由图4.20所示,被控对象由两个水箱相串联连接,由于有两个贮水的容积,故称其为双容对象。
被控制量是下水箱的液位,当输入量有一阶跃增量变化时,两水箱的液位变化曲线如图6所示。
由图6可见,上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数(图4.21((a)),而下水箱液位的响应曲线则呈S形状(图4.21((b))。
显然,多了一个水箱,液位响应就更加滞后。
由S形曲线的拐点P处作一切线,它与时间轴的交点为A,OA则表示了对象响应的滞后时间。
至于双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。
图4.21双容液位阶跃响应曲线
图4.22双容液位阶跃响应曲线
在图7所示的阶跃响应曲线上求取:
(1)h2(t)|t=t1=0.4h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t1;
(2)h2(t)|t=t2=0.8h2(∞)时曲线上的点C和对应的时间t2。
然后,利用下面的近似公式计算式
(4.21)
(4.22)
0.32〈t1/t2〈0.46(4.23)
由上述两式中解出T1和T2,于是求得双容(二阶)对象的传递函数为
G(S)=(4.24)
4.22双容水箱特性的测试测试结果
检查实验线路后,接通总电源和相关的仪表电源,并启动磁力驱动泵。
启动电脑打开和所选控制装置配套的软件工程,给调节阀输入50%的开度。
使水箱的液位处于某一平衡位置。
其水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线如图4.20所示。
调节阀增加10%的输出,经过一段时间下水箱的液位进入新的平衡状态,如图4.22(a)所示。
调节阀减少10%的输出,经过一段时间下水箱的液位进入新的平衡状态,如图4.22(b)所示。
由实验曲线所得的结果填入下表4.22。
表4.22
参数值
测量值
液位h
K
T1
T2
τ
正向输入
84
91
125.5
45
负向输入
110.7
172
212
81
平均值
图4.22(a)
图4.22(b)
5心得体会
本次实训,目的主要在于让我们对本学期所学《过程控制》这门专业课进行巩固并培养我们在控制中胆大、心细。
为我们将来毕业后的就业开拓了一条重要的道路。
通过四天对典型过程控制系统的投运、关闭操作的训练。
其主要内容是热交换过程、连续反应过程和间歇反应过程控制系统的投运和操作。
在训练后我感受良多。
本次实训主要是在电脑上仿真操作。
让我知道了这三个过程控制系统的投运和操作。
这三个控制系统中热交换过程系统比较简单,间歇反映过程控制系统是最难的。
首先,我从最简单的热交换过程训练。
热交换器为双程列管式结构,起冷却作用,管程走冷却水(冷流)。
含量30%的磷酸钾溶液走壳程(热流)。
工艺要求:
流量为18441kg/h的冷却水,从20℃上升到30.8℃,将65℃流量为8849kg/h的磷酸钾溶液冷却到32℃。
管程压力0.3MPa,壳程压力0.5MPa。
我感觉热交换过程是三个过程控制中比较容易控制,而且操作的步骤也比较少。
虽然这个控制简单,但是在手动将磷酸钾溶液的流量增加至8800kg/h过程中,一旦加磷酸钾溶液过快温度就会超过32.5℃,就没有达到安全控制的要求。
第二次训练的是间歇反应过程。
间歇反应过程在精细化工、制药、催化剂制备、染料中间体等行业应用广泛。
本间歇反应的物料特性差异大;多硫化钠需要通过反应制备;反应属放热过程,由于二硫化碳的饱和蒸汽压随温度上升而迅猛上升,冷却操作不当会发生剧烈爆炸;它的控制难点也在这里。
在控制反应釜温度T上升过程中要将间断小量开启夹套冷却水阀门HV-18及蛇管冷却水阀门HV-19,控制反应釜的温度和压力上升速度,提前预防系统超压。
在这同时也要注意夹套冷却水出口温度T2和蛇管冷却水出口温度T3不得低于60℃。
当出现温度控制不住时,反应釜压力P上升过快,已将HV-18和HV-19开到最大,仍压制不住压力的上升,可迅速打开高压水阀门V25及高压水泵电机开关M05,进行强制冷却。
我第一次操作的时候没有控制其温度,反应釜温度迅速的上涨到160℃,操作失败。
经过总结其失败原因,在后面的控制中,当反应
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- 过程 控制系统 装置 综合