过程控制仪表实验指导书
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过程控制仪表及系统
实验指导书
高松巍
沈阳工业大学信息科学与工程学院
二O O七年八月
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目 录
第一章 绪论 ………………………………………………. 1
第二章 过程检测仪表实验 ………………………………. 7
实验一 流量检测实验 …………………………………. 7
实验二 压力检测实验 …………………………………. 16
实验三 液位检测实验 …………………………………. 20
第三章 过程控制仪表实验 ………………………………. 25
第四章 过程控制系统实验 ………………………………. 35
实验一 锅炉液位定值调节系统实验 …………………. 40
实验二 计量水槽液位调节系统实验 …………………. 43
实验三 进水流量定值调节系统实验 …………………. 45
实验四 出水压力定值调节系统实验 …………………. 47
3 第一章 绪 论
1.1 《过程控制仪表及系统》课实验环节的基本知识
《过程控制仪表及系统》课程是测控技术及仪器专业的主要专业课之一，内
容包括生产过程中过程参数检测仪表、过程控制仪表的工作原理、使用要求；被
控对象的数学模型；各种过程控制系统的分析、设计、参数整定及系统应用等问
题。本课程综合了理论、结构原理、实际应用等方面，具有较强的工程实用性，
而工程实用性的体现和掌握要从理论和实践两方面来进行。
实验的内容基本包括了课程的各部分内容，实验的设备基本能够实现实验的
内容。通过实验，更好地理解和掌握课程的相关知识和实践技能。
1.1.1 过程参数检测仪表
过程参数包括温度、压力、流量、液位、成分等变量，它作为控制系统的被
控参数，其检测精度直接关系到系统的控制精度，所以掌握其测量方法非常重要。
过程参数检测仪表包括温度传感器及温度表送器、压力传感器及压力、压差变送
器等。
对于过程控制系统来说，过程参数的检测是实现过程参数显示和过程控制的
前提。通过对过程参数的检测，可以准确及时地反映生产工艺设备运行工况，为
运行人员提供操作依据，为自动装置提供信号。所以说，过程参数的检测是保证
生产设备安全、经济运行以及实现生产过程自动化的必要条件。
变送器是与传感器配套使用，用来测量生产过程中的过程参数，并将其转换
成统一的标准信号的仪表。它是实现过程参数自动控制的首要环节，是工业过程
自动化的重要组成部分。
）（或变送器输出信号为：
VDCmADCmADC
5~120~410~0
⎪⎪⎪
⎩⎪⎪⎪
⎨⎧
、成份检测仪表、液位检测仪表、流量检测仪表、压力检测仪表、温度检测仪表
过程参数检测仪表有：
54321 4
1.1.2 过程控制仪表
在过程控制系统中，检测与变送环节完成了将被控参数的测量值转换为标准
的信号输出：4~20mADC（1~5VDC），并将其送至调节器的输入端。
过程控制仪表将测量值与给定值进行比较，得出的偏差值进行计算，实现调
节、控制的作用。
过程控制仪表包括：调节器、执行器、操作器、可编程调节器。
在控制系统中，调节单元的作用是将来自变送器（变送单元）或转换单元的
测量信号与给定值进行比较得到偏差，并按偏差的大小和变化的情况进行PID运
算。运算的结果以标准统一的直流信号操纵执行器，去控制生产过程，实现对温
度、压力、流量、液位及其它工艺参数的自动调节。
调节器的基本调节规律包括：比例调节规律（P）、积分调节规律（I）、微分
调节规律（D）及其组合比例积分调节规律（PI）、比例微分调节规律（PD）、比
例积分微分调节规律（PID）等。
调节器有模拟调节器和数字调节器。
模拟式调节器是利用电子线路进行连续的PID运算。
模拟调节器的PID调节规律为：
调节器的传递函数为：
数字式调节器以计算机为核心进行有关控制规律的运算，所有控制规律的运
算都是周期性地进行，即数字式调节器是离散系统。
离散形式的PID算式：
])(
)(1
)([)(
0∫++=t
D
Idttde
Tdtte
TteKptu
)1
1(1
)1
1()(
STT
STTKpsP
ID
ID++=++=δ
})]1()([)()({)(
0∑
=−−++=k
iD
Ikeke
TT
ie
TT
keKpku 5 1.1.3 被控过程的数学模型
数学模型是描述自动控制系统输入变量、输出变量和内部变量之间函数关系
的数学表达式。它是分析和设计自动控制系统的基础，它对系统的分析、设计、
实现过程自动化有着十分重要的意义。
所以，对工艺生产的了解和建立被控过程的数学模型，决定了一个过程控制
系统的优劣。
1.1.3.1 建立数学模型的目的：
○
1设计过程控制系统和整定调节器参数。
过程控制系统的设计、调节器参数的最佳整定都是以过程的数学模型为依据
的。
○
2指导生产工艺设备的设计；
通过对工艺设备数学模型的分析和仿真，可以确定有关因素对整个被控过程
动态特性的影响，从而提出生产设备的结构设计的合理要求和建议。
例如：锅炉受热面的布置、口径的大小、介质参数的选择等对整个锅炉出口汽温、
汽压等动态特性的影响。
○
3进行仿真试验研究。
在实现生产过程自动化中，对一些复杂庞大的设备进行某些试验研究，就需
要根据其数学模型，通过计算机进行仿真试验研究，而不必建立小型的物理模型，
节省时间和经费。
○
4培训运行操作人员。
1.1.3.2 求取过程数学模型的方法：
○
1根据过程的内在机理，通过静态与动态物料平衡和能量平衡关系，用数学分析
的方法求取过程的数学模型；
○
2根据过程输入、输出数据，即通过过程辨识与参数估计的方法建
立被控过程的数学模型。
1.1.4 过程控制系统
在生产过程中，要维持正常生产并得到优质高产，就必须控制好一些影响过
程顺利进行的有关参数，使这些参数的值稳定在某一期望值或某一期望的范围
内、或按预定的规律变化。 6 过程控制系统是指工业生产过程中自动控制系统的被控变量是温度、压力、
流量、液位、成份等这样一些变量的系统。
过程控制系统组成框如图1-1 所示。
图1-1 过程控制系统方框图
图中各环节和各参数的作用及意义：
被控过程：从被控参数检测点到调节阀之间的管道或设备。
测量变送单元：将被控参数检测出来并变换成便于远传的统一信号。
调节器：将测量值与给定值比较得到偏差，并按此偏差以某种控制规律发出相应
的控制信号，去控制调节阀的开度。
调节阀：通过对调节阀的开度大小的控制达到控制被控参数的目的。例中是控制
减温水流量以控制过热蒸汽的温度。
x(t)：系统给定值。是一个恒定的与正常的被控参数相对应的信号值。
y(t)：被控参数，即过程的输出信号
z(t)：将y(t)转换成标准测量值
e(t)：偏差 e(t) = x(t) - z(t)
u(t)：控制作用，调节器的输出。
q(t)：调节阀的输出。又叫做操作变量，为了克服干扰的影响，就需要利用控制
作用去改变调节阀的开度，利用调节阀的开度去改变物料的进料量，从而达到调
节的目的。
f(t)：扰动作用。在生产过程中，凡是影响被控参数的各种作用都叫做扰动。客
观因素及环境变化（刮风、降温）。
1.2 《过程控制仪表及系统》课实验装置简介
过程控制实验室现有实验系统分为两大部分。一部分为过程参数检测装置，
另一部分为过程控制系统实验装置。可以为过程控制仪表及系统课程开出相关实
验，提高学生的实践能力。
7 实验装置的特点，从仪表的选用到实验装置、实验系统的结构形式都反应了
工业生产应用中的实际安装和使用状况。
在这个实验室，学生可以进行流量检测仪表的实验、液位检测实验、压力检
测实验、控制仪表实验、过程控制系统实验，并熟悉计算机控制系统的控制过程，
体验工业现场的生产工艺过程。
1.3 过程参数检测仪表实验简介
实验室具有的实验装置为流量测量演示系统、液位测控演示装置、活塞压力
计实验装置，可以通过实验了解各种过程参数检测仪表的用途及使用方法。
流量测量演示系统中使用了质量流量计、电磁流量计、涡轮流量计、涡街流
量计、孔板流量计等；液位测控演示装置采用了超声波液位计、磁致伸缩液位计、
差压液位计等；活塞压力计实验装置体现了压力表的教研过程及原理。
1.4 过程控制系统实验装置简介
过程控制系统总体组成结构框图如图1-2所示。
过程控制系统总体组成如图1-3所示。
图1-2 过程控制系统结构框图
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图1-3 过程控制系统组成
本实验装置由控制对象及过程控制的操作台两部分组成，并与上位机实现通
讯，构成多种形式的监控，实现过程控制自动化和过程管理现代化。
本过程控制实验装置的基本配置为：数显智能回路调节器AI调节仪表与上
位机计算机通讯，由485通讯口/RS232串行口转接进行监控。
