过程控制内蒙古科技大学

过程控制系统课程

——实验指导书(第二版)

刘丕亮 李仲德

内蒙古科技大学

信息工程学院自动化系

2015年3月

过程控制内蒙古科技大学

目 录

引 言 .......................................................................................................................................... 1 实验一、过程控制仪表认识及对象特性测试 ........................................................................ 3 

A、过程控制仪表认识 ..................................................................................................... 7 B、单容对象特性测试（上水箱调节器控制）............................................................ 11 实验二、单回路控制系统实验 .............................................................................................. 15 实验三、串级控制系统实验 .................................................................................................. 19 

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引 言

浙江求是科教设备有限公司生产的PCT系列过程控制实验系统装置，可以非常好地满足过程控制课程实验的要求。在这套设备由被控对象和控制台组成，通过手动或计算机控制，可以将被控对象转变成不同特性的过控对象，因此，在此基础上可以进行简单的温度、压力、流量、液位的单回路控制，而且也可以进行一系例复杂控制系统实验如：变比值控制、Simth预估控制、解耦控制、三容液位控制、换热器温度控制等。 一、PCT系列过程控制实验装置特点:

1、装置由控制对象、控制屏、计算机三部分组 成，也可以把控制屏换成DCS(分散控制系统)，

对象构布局合理，造型美观大方。

2、真实性、直观性、综合性强，控制对象元件全部来源于工业现场。控制屏正面有完整的系统

结构图案，便于学生系统接线。

3、参数全面，涵盖了液位、流量、压力、温度等典型的热工量参数。

4、PCT系列过程控制实验装置具有控制参数和控制方案的多样化。该装置可通过对其管路上的

阀门(电磁阀)切换和对模拟信号接线板上信号的连接组合，可构成数十种过程控制实验。电磁阀可以手动和自动控制。

5、在PCT系列过程控制实验装置中充分考虑了工业自动化专业的大纲要求，完全能满足教学实

验、课程设计、毕业设计的需要，同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、创造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。

6、可为学校教师和研究生进行复杂控制系统的计算机控制算法的研究工作提供一个实实在在的

物理模型。

二、本实验装置可以灵活搭配，进行多方面的实验，有利于学生掌握下列内容：

1、自动化仪表的初步使用，其中包括检测仪表、变送单元、执行单元和控制仪表。 2、测定控制对象特性的方法。 3、变频器的基本工作原理和初步使用。 4、单回路控制系统的参数整定。 5、复杂控制系统的参数整定。

6、控制参数对控制系统品质指标的影响。

7、控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力。 8、了解计算机控制系统的组成。

9、了解牛顿模块的分类、使用以及RS-485通讯原理。 10、学习组态王控制软件的功能、使用和编程。 三、实验的基本程序：

1、明确实验任务。

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2、提出实验方案。 3、画实验接线图。

4、进行实验操作，作好观测和记录，调整控制参数。 5、整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。

在进行本书中的综合实验时，上述程序应让学生独立完成，教师给予必要的指导，以培养学生的动手能力。要做好各主要实验，就应做到：实验前做准备，实验中有条理，实验后勤分析。

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实验一、过程控制仪表认识及对象特性测试

一、实验预备知识要点

（一）过程仪表主要技术指标、注意事项及原理 ①液位变送器

测量范围 负载能力

注意事项：

（1）本实验采用的压力、液位变送器是两线制仪表，应串入24伏直流电源。接线时，注意电

源极性。接线完毕后，应检查接线是否正确，并请指导教师确认无误后，方能通电。 （2）没通电、不加压；先卸压、再断电。

（3）进行量程调整时，应注意调整电位器的调整方向。 （4）小心操作，切勿生扳硬拧，严防损坏仪表。

（5）一般仪表应通电预热15分钟后再进行校验，以保证校验的准确性。

（6）如果压力、液位变送器的安装位置与取压点不在一个水平位置上，应对压力变送器进行零

点迁移。 ②调节器

调节器接线端子说明及调节器的主要性能技术指标： 1 —— 2 端 1～5V电压输入端。 2 —— 3 端 0.2～1V电压输入端。 4 —— 5端 4～20mA电流输出端。

输入信号：1～5V DC 外给定信号：0.2～1V 输出信号：4～20mA DC 负载电阻：250～750Ω 电 源：100 ～240V AC

0～６Kpa 250～300Ω

输出电流 工作电源

4～20mA 24（1±5%）V DC

注意事项：

（1）接线时注意电源的极性，严防正负反接、短路。 （2）通电前应请指导老师确认无误后方可通电。

（3）动手调校前，应学习掌握调节器各部件的作用，凡实验中未使用的元件和参数不能擅自调

整。

（4）调节器在调校前应预热15分钟（理论上）。

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（5）实验前先准备好实验记录数据表1-2，并预习数据处理的各项误差计算公式。

（6）调节器的主要功能是接受变送器送来的测量信号PV，并将它与给定信号SV进行比较得出

偏差ε，对偏差ε进行PID连续运算，输出控制信号u(k)。通过改变PID参数，可改变调节器控制作用的强弱。除此之外，调节器还具有测量信号、给定信号及输出信号的指示功能。

调节器基本参数的介绍：

Ctrl 控制方式：Ctrl=2，启动自整定， Ctrl=3， 整定结束；

Sn 输入规格：Sn=33，1-5V电压输入， Sn=32，0.2-1V电压输入，Sn=20，热电阻输入； dip 小数位数：dip=0，小数点位数为0； op1 输出方式：op1=4，4～20 mA线形电流输出；

dih 输出上限：做液位控制时，dih=450（两水箱）或250（三水箱），做温度、流量、压力

控制时，dih=100；

dil 输入下限：一般dil=0；

CF 系统功能选择：单回路控制CF=2；需要外部给定时CF=8。 Run 运行状态选择：run=0，手动调节状态；run=1，自动调节状态。 ③电动执行器

基本允许误差

变差 灵敏限 输入信号

④流量计原理

流量传感器是根据法拉第电磁感应原理工作的，当导电液体沿流量管在交变磁场中作与磁力线成垂直方向运动时，导电液体切割磁力线产生感应电势。在与测量管轴线和磁场磁力线相互垂直的管壁上安装了一对检测电极，将这个感应电势检出。

若感应电势为E，则有：

E=BVD …………………………..（1） 式中： B——磁感应强度。

D——电极间的距离，与测量管内径相等。 V——测量管内被测流体在截面上的平均流速。

式（1）中磁场B是恒定不变值，D是一个常数，则感应电动势E与被测流体流速V成正比。通过测量管恒截面上的体积流量Q与流速V之间的关系为：

Q=

±4% 1.0% 0.1% 4～20mA

πD2V

4

……………………………………..（2）

将（1）式带入（2）式得：

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Q=

πDVE

4B

=KE……………………………..（3）

式中：K——仪表常数。

由式（3）可知，当仪表常数K确定后，感应电动势E与流量Q成正比。

E通常为流量信号，将流量信号输入转换计，经过处理，输出与流量成正比的4～20mADC信号，可与单元组合仪表配套，对流量进行显示、记录、计算、调节等。 注意事项：

1、电磁流量计为贵重仪器，接线正式投入运行之前，应严格检查安装、接线是否正确。 2、将传感器前后阀门打开，让传感器测量管内冲满被测介质。 （二）对象特性测试

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，即机理法和实验法。实验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。

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。用实验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：

G(s)=

K

Ts+1

一阶加纯滞后对象的传递函数

Ke τs

G

(s)=

Ts+1

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图 1-1一阶惯性环节阶跃响应

对于有纯滞后的一阶对象，滞后时间还可直接由图1-1中测量出纯滞后时间τ。

2、二阶或高阶惯性环节加纯延迟

G(s)=

Ke τ s(Ts+1)n

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2-2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。

图 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，如图1-2所示。

3、放大倍数K的求取 放大系数K的定义是：

K=

即： K=

式中 ΔX XMAX XMIN

Y/(YMAX YMIN)

X/( XMAX XMIN)

def

输出量稳态值

输入量

调节器输出电流的变化量，单位mA。 调节器输出电流的上限值，单位mA。 调节器输出电流的下限值、mA。 液位的变化量，单位 mm。 液位的上限值，单位 mm。 液位的下限值，单位 mm。

ΔY YMAX YMIN

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例1．实验中调节器输出电流由8mA增加到12mA，液位增高0.4mm。求放大系数K。 ΔX=12-8=4mA

ΔX/(XMAX-XMIN)=4/(20-4)=0.25 ΔY/(YMAX-YMIN)=0.4 则：K=0.4/0.25=1.6

上述公式只适用于自衡过程。对于非自衡过程，其传递函数应含有一个积分环节。对于液位控制系统，液位对象是自衡对象，单独的水箱是一阶对象，上水箱与中水箱可以组成二阶对象。

A、过程控制仪表认识

一、实验目的：

1.了解压力、液位变送器的结构、明确各部件的作用，巩固和加深压力、液位变送器的工作原理及其特性的理解，熟悉压力、液位变送器的安装及使用方法，通过实验，掌握压力、液位变送器的零点、量程的调整方法，零点迁移方法和精度测试方法。

2.了解调节器的构造及各部件的作用、调节器的原理及工作特性，了解调节器的功能。掌握调节器的操作方法，掌握调节器的主要技术性能的调校、测试方法。

3.了解电动执行器的结构组成及工作过程。通过对电动执行器的测试和校验，掌握执行器的校验方法，理解其相关特性及性能指标含义，通过对阀门定位器和执行器的联校，了解定位器的功能。

4.了解流量计的结构组成、工作过程以及结构形式。通过对流量计的测试和校验，掌握流量计校验方法，理解其相关特性及性能指标含义，了解解电磁流量计的基本工作原理。

5.了解变频器的结构组成、工作过程以及结构形式。通过对变频器的测试和校验，掌握流量计校验方法，理解其相关特性及性能指标含义，了解变频器的基本工作原理。 二、实验设备：

压力变送器、液位变送器、电磁流量传感器、电磁流量转换计、变频器、调节器、电动调节阀、直流稳压电源（24V）、250欧姆电阻、水泵Ⅰ、电流表、相应的管道配件。 三、实验步骤： (一) 液位变送器 1、校验液位变送器。

2、液位变送器的零点及量程调校

(1) 零点调整 在水箱没水时，观察输出电流表的读数是否为4mA，如果不对，则调整调零电位器，直至读数为4mA。

(2) 满量程调整 零点调好后，给水箱加水，液位增加到水箱满刻度处。将液位变送器的输出接到调节器（调节器中测量范围上限参数值设置为450）。根据实际刻度与调节器显示的读数之间的差值调整，直到两者一致。

(3)满量程调整后会影响零点，因此零点、满量程需反复多次调整。直至满足要求为止。

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(二) 调节器

1、熟悉调节器的型号，外形，正面板布置，观察各可调部件的位置。 2、一般检查

（1）仪表通电后观察自动/手动能否切换。

（2）观察调节器的内/外给定是否随信号的输入变化而变化。

（3）改变到手动状态，使调节器的输出分别为0%、25%、50%、75%、100%时，观察此时输出的电流是否是4mA 、 8 mA 、12 mA、16 mA、20 mA。

3、调节器面板指示仪表的校验

调节器的主输入分别输入电压为：1V、2V、3V、4V、5V，观察PV输出显示是否成线性增加。 4、闭环跟踪特性校验（静态误差校验）。

给定一个SV值和适当的PID参数，观察检测值到达目标值的时间和静态误差。

表1-1 调节器面板指示仪表检验记录

项目 测 量 指 示 仪 表

5、具体应用

（1）在本实验系统中采用两种型号的调节器，分别是AI 708、AI 818。 （2）三只调节器的主输入都是电压（1～5V），输出都是电流（4～20mA）。

（3）708调节器采用模糊控制，818调节器是PID参数控制。708无手动输出；818有手动输出,818 使用手动输出功能时，调整参数Run=0。 (三) 电动执行器

1、连接各仪器设备的线路。注意电源的极性、防止短路。

2、流量特性的测试。有两种测试方法，其一手动测试。执行器流量特性是指在阀前后压力差不变的情况下，介质流过阀门的相对流量与阀芯行程的对应关系。测试方法是分别记录阀体在不同时开度时流量计的流量。分别取阀体的开度为5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%相对应的流量。

绘制开度-流量关系曲线，即可得到执行器的流量特性。完成1-2实验表格。

被校仪表刻度值 标准测量值Vi标/V 实际测量值 Vi实/V 实测引用误差

/%

正行程反行程正行程反行程

0% %

25%

50%

75%

100%

（Vi正－Vi反）/V 实测基本误差

被校表允许基本误差

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表1-2 调节阀的特性测试数据记录

开度 输出电流 输入电流 流量

5%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90% 100%

3、零点的调整。给调节阀输入4mADC的信号，输出电压信号为20KPa，执行器刚好启动，如不符，可调节调零电位器。

4、量程调整。给调节阀输入20mADC的信号，可调节执行器的量程。

5、灵敏限测试。分别在输入信号为25%、50%、75%所对应阀的开度，增加或降低输入电流，读取流量的变化。

6、计算机采集数据测试。利用D/A模块输出控制调节阀，A/D采集流量信号，采用组态软件收集处理数据，可以由计算机绘出调节阀特性曲线。 (四)流量计

1、将传感器和转换计导线连接正确。 2、让传感器中充满介质。 3、通电预热15分钟。

4、打开水泵Ⅰ，改变调节阀的开度，分别记录流量转换计显示数据，记录其输出电流。完成表格1-3，画出输出流量-电流曲线图。

表1-3流量计线性测试

流量 电流

(五)变频器

1、将实验导线正确连接。 2、让水泵Ⅰ中充满介质。

3、将变频器开到外控状态，通电预热15分钟。

4、打开水泵Ⅰ，改变恒流源的电流，分别记录变频器显示频率数据。完成表格1-4，画出输出电流量-频率曲线图。

表1-4电流量-频率线性测试

电流（mA） 频率（Hz）

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0% 10% 20% 30%

40%

50%

60%

70%

80% 90% 100%

5、观察曲线可看出变频器受电流控制的工作情况。

6、将钮子开关开到内控状态，旋转设定旋钮改变变频器的频率，观察流量计的流量。

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7、变频器内部参数大部分都和变频器说明书一样，只有一小部分改动，改动参数如下。

P1=50

P79=0

P160=0

P161=1

P181=4

调节变频器设定用旋钮，改变频率的大小。当PU灯亮时，才能改变参数，外部电流无法控制；当EXT灯亮时，不能改变变频器内部参数，将面板上的变频器对应的开关掷到外控端，外部输入4～20mA控制电流控制变频器的频率。

按下STOP键变频器停止工作。如变频器在外控工作状态下，将纽子开关掷到内控，变频器便停止工作。如需变频器再在外控状态下工作，将纽子开关掷到内控，将变频器上的PU/EXT转换一下，然后再将纽子开关掷到外控，变频器便开始工作。具体请事项请参见变频器使用手册。 四、实验报告： (一) 液位变送器

1、整理实验数据，计算被校仪表的各项误差，确定精度等级，完成仪表校验记录单。

表1-5液位变送器实验数据记录表

输入 输出

输入信号刻度分值 输出信号标准值IO标/mA 输出信号实测值

IO实/mA 实测引用误差/% 误差

正行程反行程正行程反行程

0%

25%

50%

75%

100%

（IO正－IO反）/mA 实测基本误差/% 实测变差/%

实测精度等级

处理实验数据时应注意的问题：

（1）实验前拟好实验记录表格，见表格1-5。

（2）实验时一定等现象稳定后再读数、记录。否则因滞后现象会给实验结果带来较大的误差。 （3）误差计算公式

绝对误差Δ= IO实－IO标

引用误差=±Δ/（IO上－IO下）×100% 基本误差=±ΔMAX /（IO上－IO下）×100% 变 差=| IO正-IO反|MAX/（IO上－IO下）×100% IO标 ——某点输出信号的标准值，单位mA。 IO实 ——某点输出信号的实际值，单位mA。 ΔMAX——各校验点绝对误差的最大值，单位mA。

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IO上-IO下——仪表的输出量程，单位mA 。

|IO正-IO反|MAX——各检验点正反行程实测值的最大绝对差值，单位mA。 2、分析液位变送器的静态特性，画出液位变送器的输入-输出静态特性曲线。 (二) 调节器

1、整理实验数据，计算被校仪表的各项误差，确定精度等级，完成仪表校验记录单1-6。

表1-6调节器实验数据记录表

输入 输出

输入信号刻度分值 输出信号标准值IO标/mA 输出信号实测值

IO实/mA 实测引用误差/% 误差

正行程反行程正行程反行程

0%

25%

50%

75%

100%

（IO正－IO反）/mA 实测基本误差/% 实测变差/%

实测精度等级

处理实验数据时应注意的问题：

（1）实验前拟好实验记录表格，见表格1-6。

（2）实验时一定等现象稳定后再读数、记录。否则因滞后现象会给实验结果带来较大的误差。 2、分析调节器的各项指标是否合格，并得出结论。 (三) 电动执行器

1、根据实验数据记录的结果，绘制调节阀开度-流量曲线。 2、分析曲线，得出阀体的特性。 (四)流量计

根据实验记录表格1-3流量计线性测试，观察曲线判断流量计的线性情况。 (五)变频器

根据实验完成表1-4电流量-频率线性测试，判断变频器工作的线性情况。

B、单容对象特性测试（上水箱调节器控制）

一、实验目的：

了解调节器的功能和操作方法，学会使用调节器。通过实验，了解对象特性曲线的测量的思路和方法，掌握对象模型参数的求取方法。 二、实验设备：

水泵Ⅰ、变频器、压力变送器、调节器（708型用于恒压控制）、主回路调节阀、上水箱、上水

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箱液位变送器、调节器(818型)、电流表。过程控制对象管路图如图3-4所示。 三、实验步骤：

1、认识实验系统，了解本实验系统中的各个对象。了解本实验系统中各仪表的名称、基本原理以及功能，掌握其正确的接线与使用方法，以便于在实验中正确、熟练地操作仪表读取数据。熟悉实验装置面板图，做到根据面板上仪表的图形、文字符号找到该仪表。熟悉系统构成和管道的结构，认清电磁阀和手动阀的位置及其作用。

本实验采用调节器手动输出控制调节阀，计算机采集并记录数据。过程控制对象管路流程图如图1-3所示。

图1-3过程控制对象管路流程图

2、将上水箱特性测试（调节器控制）实验所用的设备，参照流程图1-4和系统框图1-5接线。

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6、观察计算机采集的上水箱液位的阶跃响应和历史曲线。 7、调节器的手动输出回到原来的输出值，记录液位下降的曲线。

8、曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表格1-7。本实验是计算机采集，调节器控制。

表1-7 阶跃响应曲线数据处理记录表

参数值 测量情况

正向输入 反向输入 平均值

液位

K

T

τ

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四、试验报告：

根据试验结果编写实验报告，并计算出K、T、τ的平均值，写出系统的广义传递函数（等效成惯性环节，K为静态增益，T为时间常数，τ为延迟时间）。