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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 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 exp1。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,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。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,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)()(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
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