过程控制实验指导书精简版

过程控制实验指导书实验一：对象动态特性实验目的：1、学习被控对象动态特性的工程测试方法。

2、掌握被控对象动态特性特征参数的求取方法。

实验要求：1、预习被控对象有关章节；安排好实验计划；作好前期准备。

2、依据实验曲线求取被控对象动态特性的特征参数。

实验内容：1、对象的动态特性：下图为单位阶跃时输入系统输出测试曲线：曲线1.1实验报告：⑴依据曲线1.1、1.2和1.3 求取对象动态特性的特征参数（K 、T 、τ）。

由此确定闭环系统模型。

⑵ 分别确定系统开环传递函数，并分别画出单位负反馈时系统动态结构图。

⑶用SIMULINK 构建系统，比较仿真曲线与输出测试曲线。

⑷比较曲线1.1、1.2和1.3，说明不同系统的动态特性在运动形态、特征参数等方面的异同。

实验二：调节器控制规律实验目的：1、熟悉SIMULINK 调节器模块的使用方法。

2、掌握调节器控制规律特征参数的整定方法。

实验要求：1、预习调节器有关章节；安排好实验计划；作好前期准备。

2、用工程测试法绘制调节器的输出特性，求取PID 参数。

实验内容：被控对象分别为)11.0)(1(2)(1++=s s s G p 和)11.0(2)(2+=s s s G p分别对以上系统，构建下述调节器，研究调节器对输出特性的影响：1、比例调节器的输出特性：⑴ 用SIMULINK 构建比例控制系统。

⑵ 设定值为单位阶跃信号，改变比例调节器的大小，观察对系统的影响。

2、比例积分调节器的输出特性：⑴用SIMULINK 构建比例积分控制系统。

⑵设定值为单位阶跃信号，改变比例积分调节器的大小，观察对系统的影响。

注意调节器的整定顺序。

3、比例微分调节器的输出特性：⑴用SIMULINK 构建比例微分控制系统。

⑵改变比例微分调节器的大小，观察对系统的影响。

注意调节器的整定顺序。

4、比例积分微分调节器的输出特性：⑴用SIMULINK构建比例积分微分控制系统。

⑵改变比例积分微分调节器的大小，观察对系统的影响。

过程控制及仪表实验指导书襄樊学院实验装置的基本操作与仪表调试一、实验目的1、了解本实验装置的结构与组成。

2、掌握压力变送器的使用方法。

3、掌握实验装置的基本操作与变送器仪表的调整方法。

二、实验设备1、THKGK-1型过程控制实验装置GK-02 GK-03 GK-04 GK-072、万用表一只三、实验装置的结构框图图1-1、液位、压力、流量控制系统结构框图四、实验内容1、设备组装与检查：1）、将GK-02、GK-03、GK-04、GK-07挂箱由右至左依次挂于实验屏上。

并将挂件的三芯蓝插头插于相应的插座中。

2）、先打开空气开关再打开钥匙开关，此时停止按钮红灯亮。

3）、按下起动按钮，此时交流电压表指示为220V，所有的三芯蓝插座得电。

4）、关闭各个挂件的电源进行连线。

2、系统接线：1）、交流支路1：将GK-04 PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”接GK-07变频器的“2”与“5”两端（注意：2正、5负），GK-07的输出“A、B、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U1、V1、W1”输入端；GK-07 的“SD”与“STF”短接，使电机驱动磁力泵打水（若此时电机为反转，则“SD”与“STR”短接）。

2）、交流支路2：将GK-04 PID调节器的给定“输出”端接到GK-07变频器的“2”与“5”两端（注意：2正、5负）；将GK-07变频器的输出“A、B、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U2、V2、W2”输入端；GK-07 的“SD”与“STR”短接，使电机正转打水（若此时电机为反转，则“SD”与“STF”短接）。

3、仪表调整：（仪表的零位与增益调节）在GK-02挂件上面有四组传感器检测信号输出：L T1、PT、L T2、FT（输出标准DC0~5V），它们旁边分别设有数字显示器，以显示相应水位高度、压力、流量的值。

对象系统左边支架上有两只外表为蓝色的压力变送器，当拧开其右边的盖子时，它里面有两个3296型电位器，这两个电位器用于调节传感器的零点和增益的大小。

《过程控制系统》实验指导书目录第一章实验装置说明 (1)第二章实验要求及安全操作规程 (4)实验一单容自衡水箱液位特性测试 (5)实验二双容水箱特性的测试 (9)实验三单容水箱液位定值控制系统 (12)实验四单闭环流量定值控制系统 (15)实验五锅炉内胆水温定值控制系统 (17)实验六锅炉内胆水温位式控制系统 (19)第一章实验装置说明实验对象总貌图如图1-1所示：图1-1 实验对象总貌图本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。

供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。

一、被控对象由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、4.5KW三相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。

1．水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。

上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。

上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。

水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。

水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。

上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。

储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。

储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。

2．模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。

过程控制实验指导书THKGK-1过程控制实验装置的组成和各部分使用说明THKGK-1型过程控制实验装置是根据自动化专业及相关专业教学的特点，吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证，向广大师生推出一套全新的实验设备。

该设备可以满足《过程控制》、《自动化仪表》、《工程检测》、《计算机控制系统》等课程的教学实验、课程设计等。

整个系统结构紧凑、功能多样、使用方便，既能进行验证性、研究性实验，又能提供综合性实验。

本实验装置可满足本科、大专及中专等不同层次的教学实验要求，还可为科学研究的开发提供实验手段。

本实验装置的控制信号及被控信号均采用IEC标准，即电压0～5V或1～5V，电流0～10mA或4～20mA。

实验系统供电要求为单相交流220V±10%，10A；外型尺寸为：182×160×70，重量：380Kg。

装置特点本实验装置具有以下特点：1、多种被控参数：液位、压力、流量、温度。

2、多种控制方式：位式控制、PID控制、智能仪表控制、单片机控制、PLC控制、计算机控制等。

3、多种计算机控制软件：西门子PROTOOL-CS组态软件、北京昆仑公司的MCGS组态软件以及本公司开发的上位机监控软件，另外还可以用台湾HITECH公司的ADP6.0软件与PLC 相连进行控制。

4、丰富的计算机控制算法：P、PI、PID、死区PID、积分分离、不完全积分、模糊控制、神精元控制、基于SIMULINK的动态参数自适应补偿控制等。

5、开放的软件平台：在我们提供的软件平台上，学生既可以利用我们所提供的算法程序进行实验，又可以用自己编写的PLC程序、MATLAB`程序等进行实验，还可以利用人机界面（触摸屏）的组态再结合PLC的编程来进行控制实验。

6、灵活多样的实验组合：可以很方便地对控制方式与被控参数进行不同组合，得到自己需要的单回路、多回路等多种控制系统。

系统组成被控对象包括上水箱、下水箱、复合加热水箱以及管道。

过程控制系统及装置实验指导书刘解生重庆科技学院电子信息学院实验1离心泵、液位控制操作实习一、实验设备及实验目的1、实验设备：PC计算机、化工过程操作实习软件2、熟悉过程操作实习仿真软件的使用。

3、了解离心泵、液位的工艺流程。

4、掌握实际离心泵、液位过程控制的操作方法。

二、工艺说明1．工作原理离心泵一般由电动机带动。

启动前须在离心泵的壳体内充满被输送的液体。

当电机通过联轴结带动叶轮高速旋转时，液体受到叶片的推力同时旋转，由于离心力的作用，液体从叶轮中心被甩向叶轮外沿，以高速流入泵壳，当液体到达蜗形通道后，由于截面积逐渐扩大，大部分动能变成静压能，于是液体以较高的压力送至所需的地方。

当叶轮中心的流体被甩出后，泵壳吸入口形成了一定的真空，在压差的作用下，液体经吸入管吸入泵壳内，填补了被排出液体的位置。

2．“气缚”现象离心泵若在启动前未充满液体，则离心泵壳内极易存在空气，由于空气密度很小，所产生的离心力就很小。

此时在吸入口处形成的真空不足以将液体吸入离心泵内，因而不能输送液体，这种现象为“气缚”。

所以离心泵在开动前必须首先将被输送的液体充满泵体，并进行高点排气。

3．“汽蚀”现象通常，离心泵叶轮入口处是压力最低的部位，如果这个部位液体的压力等于或低于在该温度下液体的饱和蒸汽压力，就会有蒸汽及溶解在液体中的气体从液体中大量逸出，形成许多蒸汽和气体混合物的汽泡。

这些小汽泡随着液体流入高压区后，汽泡破裂重新凝结。

在凝结过程中，质点加速运动相互撞击，产生很高的局部压力。

在压力很大、频率很高的连续打击下，离心泵体金属表面逐渐因疲劳而损坏，寿命大为缩短。

离心泵的安装位置不当、流量调节不当或入口管路阻力太大时都会造成“汽蚀”。

4．离心泵的特性曲线离心泵的流量（F）、扬程（H）、功率（N）和效率（η）是其重要的性能参数。

这些性能参数之间存在一定的关系，可以通过实验测定。

通过实验测定所绘制的曲线，称为离心泵的特性曲线。

常用的离心泵特性曲线有如下三种。

过程控制实验指导书天津理⼯学院⾃动化系过程控制实验指导书⽬录第⼀篇实验部分 (3)概述 (3)第⼀章硬件介绍 (5)第⼀节⽔箱 (5)第⼆节微型锅炉、纯滞后系统、热电阻 (6)第三节液位传感器、变送器 (7)第四节电动调节阀 (8)第五节变频器 (8)第六节⽔泵 (9)第七节流量传感器、转换器 (9)第⼋节交流固体继电器 (9)第九节调节器 (10)第⼗节⽜顿模块 (12)第⼆章过程控制仪表实验 (13)第⼀节压⼒仪表的认识和校验 (13)第⼆节调节器的认识和校验 (15)第三节热电阻的认识和校验 (19)第四节电动调节阀的认识和校验 (21)第五节流量计的认识和校验 (24)第六节变频器的认识和校验 (25)第三章对象特性测试实验 (27)第⼀节上⽔箱特性测试（调节器）实验 (27)第⼆节上⽔箱特性测试（计算机）实验 (31)第三节下⽔箱特性测试（调节器）实验 (34)第四节下⽔箱特性测试（计算机）实验 (37)第五节⼆阶液位对象特性测试（调节器）实验 (40)第六节⼆阶液位对象特性测试（计算机）实验 (43)第七节温度锅炉对象特性测试（调节器）实验 (46)第⼋节温度锅炉对象特性测试（计算机）实验 (49)第九节调节阀流量特性测试（调节器）实验 (52) 1天津理⼯学院⾃动化系过程控制实验指导书第⼗节调节阀流量特性测试（计算机）实验 (54)第⼗⼀节对象参数的求取 (57)第四章单回路控制系统实验 (62)第⼀节压⼒单闭环（调节器）实验 (62)第⼆节压⼒单闭环（计算机）实验 (66)第三节温度单闭环（调节器）实验 (70)第四节温度单闭环（计算机）实验 (74)第五节液位单闭环（调节器）实验 (78)第六节液位单闭环（计算机）实验 (83)第七节流量单闭环（调节器）实验 (87)第⼋节流量单闭环（计算机）实验 (91)第九节双容液位控制（调节器）实验 (95)第⼗节双容液位控制（计算机）实验 (99)第五章串级控制系统实验 (103)第⼀节上⽔箱液位和流量组成串级（调节器）实验 (107)第⼆节上下⽔箱液位组成串级（调节器）实验 (112)第三节上⽔箱液位和流量组成串级（计算机）实验 (115)第⼆篇软件部分 (119)第⼀章组态王的安装及运⾏环境 (119)第⼆章⽜顿模块程序的安装 (126)第三章软件的应⽤ (131)2天津理⼯学院⾃动化系过程控制实验指导书第⼀篇实验部分概述⾃本世纪30年代以来，⾃动化技术获得了惊⼈的成就，已在⼯业和国民经济各⾏各业起着关键的作⽤。

实验一 单回路温度控制系统的参数整定一、实验目的1、 掌握单回路控制系统的原理性组成；了解单回路温度控制系统实验装置的组成和原 理；掌握单回路温度控制系统的参数整定方法。

2、 掌握DCS 系统的监控和操作方法。

二、实验仪器及设备过程控制系统综合实验装置一套、SUPCON JX-300X DCS 系统一套 三、实验线路单回路温度控制系统流程示意图：温度调节器SP综合实验装置管路连接方式见图示（下页）： DCS 控制站第一个机笼的I/O 卡件分布见下图：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19各块I/O卡件的信号安排见下表：说明：J1/01——J1/08卡件通道为SP313的第1路即SP313(1)J1/09——J1/16卡件通道为SP313的第2路即SP313(2)J1/17——J1/20卡件通道为SP313的第3路即SP313(3)四、实验内容及实验方法（一）、实验内容1、熟悉单回路温度控制系统的管路连接方式及各输入/输出信号与DCS卡件的连接方式。

2、根据温度控制系统管路连接方式调节相关手动球阀至对应开关位置，进行单回路控制系统参数整定的方法整定PID参数。

3、观察和比较PID参数变化对系统性能的影响。

（二）、实验方法及步骤1、按照综合实验装置管路图正确开关各手动球阀。

2、综合实验装置上电，打开水泵，等高位水箱开始溢流（恒压状态下），锅炉水位到高度的2/3时，关闭锅炉的进水阀和出水阀。

3、SUPCON JX-300X DCS系统上电，工程师站上调出监控画面（组态设计已做好），手动操作给锅炉加热到设定温度。

4、小开度打开锅炉的进、出水阀，使锅炉水流动，手动调节加热功率大小，使锅炉水温基本稳定在设定值上，初置调节器PID参数值，将DCS切换到自动控制状态。

5、在锅炉里加少量冷水或加大锅炉进水阀的开度片刻，以模拟扰动，观察系统的调节过程、响应曲线。

过程控制实验指导书（DCS篇）曾慧敏自动化教研室自动化与电子信息学院自动化教研室2015年12月5日前言本实验指导书是根据求是实验室设备-和利时DCS实验装置和A3000过程控制系统的相关内容编写的，可满足《DCS与现场总线》、《过程控制》、《过程控制与仪表》、《计算机控制》、《自动化仪表》等相关课程的实验教学要求。

过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。

和利时DCS实验装置根据现行教材教学的要求，设置了压力、流量、液位、温度等单回路、串级、比值及前馈等实验。

实验指导书叙述了实验装置的各个仪表的原理、工作情况，实验项目及实验原理。

并讲述了系统的一些硬件的特点和技术指标。

本书试图通过对各实验原理的认识到对实验的实践，使学生对和利时DCS实验装置和系统原理有一个较为深刻的认识。

同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、设计性过程控制系统实验的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的能力。

若有疏漏，恳请批评指正！目录主要内容 (4)第一部分 A3000设备简介 (6)第二部分基础学习 (9)和利时DCS的应用系统设计内容及步骤 (9)第三部分实验内容 (43)实验一水箱液位控制系统 (43)实验二液位和进口流量串级控制系统 (55)主要内容1、实验总体目标通过实验，巩固掌握DCS课程的讲授内容，使学生对过程控制系统的基本理论及分析方法有一个感性认识和更好地理解，使学生在分析问题与解决问题的能力及实践技能方面有所提高。

2、适用专业自动化和电气自动化专业本科生、研究生3、先修课程控制装置、自动化仪表、计算机控制系统、过程控制系统及DCS与现场总线4、实验课时分配实验环境:和利时MACS和A3000过程控制系统6、实验总体要求（1)、掌握单回路控制系统原理和参数整定方法；(2)、掌握串级控制系统原理和参数整定方法。

第三章 对象特性测试实验第一节 测试对象特性的方法工业过程动态数学模型的表达方式很多，其复杂程度相差悬殊。

对于数学模型，应根据实际应用情况提出适当的要求。

一般说来，用于控制的数学模型并不要求十分准确。

闭环控制本身具有一定的鲁棒性，模型本身的误差可视为干扰，而闭环控制在某种程度上具有自动消除干扰的能力。

实际生产过程的动态特性非常复杂，往往需要作很多近似处理。

有些近似处理需要作线性化处理、降阶处理等，但却能满足控制的要求。

建立数学模型有两个基本方法，即机理法和测试法。

测试法一般只用于建立输入输出模型。

它的特点是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外部特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深入掌握其内部机理。

一、测试法求取传递函数通过简单的测试获得被被控对象的阶跃响应，进一步把它拟合成近似的传递函数，是建立被控对象数学模型简单有效的方法。

用测试法建立被控对象的数学模型，首先要选定模型的结构。

典型的工业过程的传递函数可以取为各种形式，例如：1、 一阶惯性环节加纯延迟 一阶惯性环节的传递函数：1)(+=Ts Ks G 延迟环节的传递函数为：τs )(-=e s G一阶加纯滞后对象的传递函数1)(τs+=-Ts Ke s GtXΔx阶跃信号一阶惯性环节阶跃响应KΔxT图 3.1.1对于有纯滞后的一阶对象，滞后时间可直接由图中测量出纯滞后时间τ。

2、二阶或高阶惯性环节加纯延迟ns1)(Ts )(+=-τKe s G 在确定传递函数的形式后，要对函数中的各个参数与测试的响应曲线进行拟合。

如果阶跃响应是如图3.1.2所示的S 形单调曲线，就可以用一阶惯性加纯延迟对象的传递函数去拟合。

增益K 由输入输出的稳态值直接算出，而τ和T 则可以用作图法确定。

tABpCy y(∞)τT图 3.1.2在曲线的拐点p 作切线，它与时间轴交于A 点，与曲线的稳态渐进线交于B 点。

0A 段的值即为纯滞后时间τ，CB 段的值即为时间常数T ，这样就确定了τ和T 的数值。