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b.关闭阀F2-3,适量开放阀F2-4,观察并记录液位H1的变化曲线。
C.关闭阀F2-4,适量开放阀F2-5,观察并记录液位H1的变化曲线。
8、通过反复对主、副调节器参数的调节,使系统的输出响应具有较满意的动、静态性能。
记录相应调节器的参数和响应曲线。
五、实验报告
1、画出本实验系统的方框图。
2、按4:
1衰减曲线法确定主调节器的参数,并把最终调试的参数一并列表表示。
3、分析扰动分别作用于三个对象时,对系统输出响应的影响。
4、试分析三闭环串级系统比双闭环串级系统的优越性。
第一节下水箱液位与电动调节阀
支路流量的串级控制系统
一、实验目的
1、熟悉液位-流量串级控制系统的结构与组成。
2、掌握液位-流量串级控制系统的投运与参数的整定方法。
3、研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。
4、主、副调节器参数的改变对系统性能的影响。
二、实验设备
1、THJ-2型高级过程控制系统实验装置
2、计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根
3、万用表1只
三、实验原理
图5-6液位-流量串级控制系统的结构图
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。
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5-6为实验系统的结构图,图5-7为该控制系统的方框图。
图5-7液位-流量串级控制系统的方框图
四、实验内容与实验步骤
1、按图5-6要求,完成实验系统的接线。
2、接通总电源和相关仪表的电源。
3、打开阀F1-1、F1-8,并把阀F1-11固定于某一合适的开度。
4、按经验数据预先设置好副调节器的比例度。
5、调节主调节器的比例度,使系统的输出响应呈4:
1的衰减度,记下此时的比例度δS和周期TS。
按查表所得的PI参数对主调节器的参数进行整定。
6、手动操作主调节器的输出,控制电动调节阀给下水箱打水,待下水箱液位相对稳定且等于给定值时,把主调节器改为自动,系统进入自动运行。
7、打开计算机,运行MCGS组态软件,并进行如下的实验:
1)当系统稳定运行后,设定值加一合适的阶跃扰动,观察并记录系统的输出响应曲线。
2)适量打开阀F2-5,观察并记录阶跃扰动作用于主对象时,系统被控制量的响应过程。
3)关闭阀F2-5,待系统稳定后,适量打开电动阀两端的旁路阀F1-3,观察并记录阶跃扰动作用于副对象时系统被控制量的影响。
8、通过反复对主、副调节器参数的调节,使系统具有较满意的动、静态性能。
用计算机记录此时系统的动态响应曲线。
五、实验报告内容
1、画出本实验系统的方框图
1衰减曲线法,求得主调节器的参数,并把最终调试的值一并列表表示。
3、在不同调节器参数下,对系统性能作一比较。
4、画出扰动分别作用于主、副对象时输出响应曲线,并对系统的抗扰性作出评述
5、观察并分析主调节器的比例度和积分时间常数的改变对系统被控制量动态性能的影响。
七、思考题
1、为什么副回路的调节器用P控制,而不采用PI控制规律?
2、如果用二步整定法整定主、副调节器的参数,其整定步骤怎样?
3、试简述串级控制系统设置副回路的主要原因有那些?
第二节下水箱液位与变频调速磁力
泵支路流量的串级控制系统
1、了解水箱液位与流量串级控制系统的组成。
2、掌握串级控制系统的投运与调节器参数的整定。
图5-8下水箱液位与变频器支路流量串级控制系统的结构图
本实验为下水箱液位与变频调速支路流量的串级控制系统。
其中主对象为下水箱,主控制量是其液位高度;
副对象为管道,它的输出(流量)是系统的一个辅助变量。
系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能,且在稳态时,系统的被控制量液位高度等于给定值,实现无差调节;
而且当有扰动出现于副回路时,由于主对象的时间常数远大于副对象的时间常数,因而当被控制量(下水箱的液位)未作出反应时,副回路通过快速地调节,及时地消除了扰动对被控制量的影响。
此外,如果扰动作用于主对象,由于副回路的存在,使副对象的时间常数大大减小,从而加快了系统的响应速度,改善了动态性能。
图5-8为实验系统的结构图,图5-9为它的控制方框图。
图5-9下水箱液位与变频器支路流量串级控制系统的方框图
1、按图5-8要求,完成实验系统的接线。
3、打开阀F2-1、F2-5,并把阀F1-11固定于某一合适的开度;
关闭阀F1-8。
4、按经验数据预先设置好副调节器的比例度δ值。
5、调节主调节器的比例度δ,使系统的输出响应呈4:
6、手操作主调节器的输出,控制变频器-磁力泵给下水箱供水流量的大小,待下水箱液位相对稳定且等于给定值时,把主调节器切为自动,系统进入自动运行。
7、打开计算机,运行MCGS组态软件并进入本实验项目,进行如下的实验:
2)适量打开阀F1-1、F1-2、F1-8,观察并记录阶跃扰动作用于主对象时,系统被控制量的响应过程。
3)关闭阀F1-8,待系统稳定后,适量开大或关小阀F2-5,观察并记录阶跃扰动作用于副对象时对系统被控制量的影响。
1、根据实验结构图画出本实验系统的方框图
1衰减曲线法计算主调节器的参数。
3、观察并分析副调节器δ的大小变化对系统动态性能的影响。
4、画出扰动分别作用于主、副对象时时输出响应曲线,并对系统的抗扰性作出评述
5、观察并分析主调节器的比例度δ和积分时间常数TI的改变对系统被控制量动态性能的影响。
六、思考题
1、如果副调节器设置为PI控制,而主调节器设置为P控制,试分析对系统的动、静态性能产生那些影响?
2、试说明当二次扰动作用于副回路时,系统是如何调节达到基本不影响主控制量的目的?
第六节锅炉夹套水温与锅炉内胆水温的串级控制系统
1、熟悉温度串级控制系统的结构与组成。
2、掌握温度串级控制系统的投运与参数的整定方法。
图5-9温度串级控制系统结构示意图
本实验系统的主控对象为锅炉的夹套,其水温T为系统的主控制量;
副控对象为锅炉的内胆,其温度为辅助的控制变量。
系统的执行元件为三相可控硅调压器,由它供电给内胆的电热丝加温。
内胆中的水温通过内胆壁影响夹套的水温。
系统控制的目的既使锅炉夹套的水温等于给定值所要求的量,又使作用于副回路的主要扰动对系统的主控制量不产生明显的的影响,即系统具有很强的抗扰能力。
图5-9为实验系统的结构示意图,图5-10为该控制系统的方框图。
图5-10温度串级控制系统方框图
1、按图5-9要求,完成实验系统的接线。
3.打开阀F2-1、F2-12、F2-13,给锅炉夹套与内胆均打满水,然后关闭F2-12,待实验投入运行时,变频器再以固定频率给内胆打入小流量的循环水。
5、调节主调节器的比例度,使系统的输出响应出现4:
1的衰减度,记下此时的比例度δS和周期TS,按查表所得的PI参数对主调节器的参数进行整定。
6、手动操作主调节器的输出,控制三相可控调压器输出电压的大小以改变内胆水温和夹套水温,并开通变频器支路恒定给锅炉内胆加适量的冷却水,待夹套的水温趋于给定值后,且内胆与夹套水温相对稳定不变时,把主调节器切换为自动。
a)当系统稳定运行后,突加阶跃扰动(将给定值增加5%~15%),观察并记录系统的输出响应曲线。
b)适量增/减变频器的手动输出,观察并记录阶跃扰动作用于副对象时,系统被控制量的响应过程。
3、把主调节器的参数分别在计算值和调试整定值两种情况下,求得系统的性能指标列表表示。
1、三相电网电压的波动对主控制量是否有影响?
2、副调节器如果设计为PI,试分析对系统的性能有什么影响?
第七节锅炉内胆水温与内胆循环
水流量的串级控制系统
1、熟悉温度-流量串级控制系统的结构与组成。
2、掌握温度-流量串级控制系统的投运与参数的整定方法。
3、研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象对系统主控制量的影响。
3、万用表1只
图5-11温度-流量串级控制系统结构示意图
本实验系统的主控对象为锅炉的内胆,内胆中水温T为系统的主控制量;
副控对象为管道,其流量Q为辅助变量。
内胆内的电热丝持续恒压加热,执行元件为电动调节阀,它控制管道中流过的冷水的流量大小,以改变内胆中的水温。
同前面的串级控制系统一样,系统控制的目的既使锅炉内胆的水温等于给定值,又使主、副回路分别对一次和二次扰动具有很强的抗扰能力。
图5-11为实验系统的结构示意图,图5-12为该控制系统的方框图。
图5-12温度-流量串级控制系统方框图
1、按图5-11要求,完成实验系统的接线。
3、按经验数据预先设置好副调节器的比例度。
4、打开阀F1-1、F1-2、F1-5、F1-13先给锅炉内胆打满水,然后将实验投入运行。
6、手操作主调节器的输出,控制电动调节阀的开度来改变流入内胆水的流量Q的大小,当内胆中水的打满后,内胆中的电热丝开始加热,当内胆的水温趋于给定值并稳定不变时,把主调节器由手动切换为自动,
1)当系统稳定运行后,给温度设定值加一个适当阶跃扰动,观察并记录系统的输出响应曲线。
1衰减曲线法,求得主调节器的参数,并把最终调试后所得的参数一并列表表示。
3、在不同调节器参数下,对系统的性能作出分析比较。
4、画出扰动分别作用于主、副对象时的输出响应曲线,并对系统的抗扰性作一评述。
1、本实验中用了温度传感器和流量传感器,对它们精度的要求有什么不同?
2、如果副回路中的反馈通道开路,系统能否正常运行?
如果副回路的反馈通道不开路,而主回路的反馈通道出现开路,试问此时系统将会出现什么现象?
第八节盘管出水口水温与热水流量的串级控制系统
3、分析阶跃扰动分别作用于副对象和主对象对系统主控制量的影响。
图5-13盘管出水口水温与热水流量串级控制系统结构图
本实验系统的主控对象为盘管,它的出水口水温T为系统的主控制量,副控对象为管道,其中流量Q作为系统的辅助控制变量。
锅炉内胆中的电热丝持续恒压加温,系统的执行元件为变频器-磁力泵。
它控制管道中热水的流量Q,以控制盘管出水口的水温。
同其它的串级控制系统一样,系统控制的目的是要使盘管出水口的水温等于给定值,又要使主、副回路分别对一次和二次扰动具有较强的抗扰能力。
图5-13为实验系统的结构图,图5-14为该控制系统的方框图。
图5-14盘管出水口水温与热水流量串级控制系统方框图
1、按图5-13要求,完成实验系统的接线。
3、按经验数据预先设置好副调节器的比例度δ值。
4、先开启阀F1-1和F1-13,手动操作电动调节阀,通过磁力泵向锅炉内胆打水,待水打满后,关闭所有的阀。
然后给锅炉内胆的水加热,待锅炉水温达到一定值(一般大于盘管给定值10℃左右)后,开启F2-2,F2-7和F2-8,关闭阀F2-1和F2-12。
5、用手动操作主调节器的输出,以控制执行元件变频器磁力泵,以改变流入盘管中热水的流量Q,待盘管出水口水温上升到给定值,且流量Q和水温T基本不变时,把主调节器切换为自动(把调节器设置为纯比例控制)。
6、调节主调节器的比例度,使系统的输出响应出现4:
7、打开计算机,运行MCGS组态软件并进入本实验系统,进行如下的实验:
a)当系统稳定运行后,突加阶跃扰动(将给定值增/减5%~15%),观察并记录系统的输出响应曲线。
b)适量关小阀F2-7,观察并记录阶跃扰动作用于副对象时,系统被控制量的响应过程。
c)待系统稳定后,适量关小阀F2-8,观察并记录阶跃扰动作用于主对象时对系统被控制量的影响。
1、根据图
(1)所示的结构图,画出本实验系统的方框图。
1衰减度,由查表求得调节器的参数,并把最终调试所得参数填入下表中。
数据调节器
实验数据
由查表求得的参数
最终整定的参数
δS
TS
δ%
TI/min
主调节器
副调节器
3、在不同调节器参数下,比较系统的性能。
性能指标
超调量
σ%
调整时间
TS/S
稳态误差
ess
4、画出扰动作用于主、副对象时系统的输出响应曲线,并分析之。
第九节盘管出水口水温与锅炉内胆水温的串级控制系统
2、掌握温度串级控制系统调节器参数的整定与系统投运。
图5-15盘管出口水温与内胆水温串级控制系统结构示意图
本实验系统的主控对象为盘管,它的出水口水温为系统的主控制量,锅炉内胆中的电热丝为副控对象,由变频器恒速向盘管输送的热水的温度作为系统的辅助控制变量。
基于本系统中主、副对象的时间常数匹配并不符合串级控制系统的要求,因而这个系统虽然能对盘管出水口的水温进行恒值控制,但当副回路中出现有干扰时,虽经副回路的调节,但并不能及时消除扰动对主控制量的影响。
通过这个实验,使学生能深刻地认识到串级系统中主、副对象的时间常数合理匹配的重要性。
不然,就难于发挥串级系统抗扰动的优越性。
图5-15为实验系统的结构示意图,图5-16为该控制系统的方框图
图5-16盘管出口水温与内胆水温串级控制系统方框图
1、按图5-15要求,完成实验系统的接线。
3、开启阀F1-1和F1-13,手动操作电动调节阀,使磁力泵向锅炉内胆打水,待水打满后,关闭阀F1-13;
关闭阀F2-1和F2-12,开启阀F2-2、F2-7和F2-8。
6、用手动操作主调节器的输出,以控制锅炉内胆电热丝的端电压大小,达到控制盘管出水口水温的目的。
待盘管出水口水温趋于给定值,且内胆水温相对稳定不变时,把主调节器切换为自动。
b)适量打开阀F1-13,观察并记录阶跃扰动作用于副对象时,系统被控制量的响应过程。
c)待系统稳定后,适量关小阀F2-7,观察并记录阶跃扰动作用于主对象时对系统被控制量的影响。
本实验中若出现作用在副回路中的二次扰动使系统的主控制量有较大的影响,试分析这是由什么原因引起?
第六章比值控制系统实验
第一节单闭环流量比值控制系统
1、了解单闭环比值控制系统的原理与结构组成。
2、掌握比值系数的计算。
3、掌握比值控制系统的参数整定与投运。
1、THJ-2型高级过程控制实验装置
三、系统结构框图
图6-1单闭环流量比值控制系统结构图
四、实验原理
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6-1所示。
该系统中有两条支路,一路是来自于电动阀支路的流量Q1,它是一个主动量;
另一路是来自于变频器—磁力泵支路的流量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6-2单闭环流量比值控制系统方框图
图6-2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。
五、比值系数的计算
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=
(
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