检测仪表实验讲义华东理工大学网络教育学院.docx

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检测仪表实验讲义华东理工大学网络教育学院

化工仪表及自动化

实验讲义

王华忠编写

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1－7是远程实验，实验8－9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1－1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

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1－2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1－1计算：

（式1－1）

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2－1）

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，τ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、τ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3－1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3～7都利用了该原理。

1、PID原理

（1）比例（P）控制

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-stateerror）。

（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（SystemwithSteady-stateError）。

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3－1）

（2）比例十积分（PI）控制器：

（式3－2）

（3）比例十积分十微分（PID）控制器：

（式3－3）

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PLC中的PID函数实现PID控制。

根据三菱PID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，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），设定PID参数值和液位值。

（2）点击“开始”按钮，开启相应的泵和阀，调节阀1根据参数计算出相应开度。

此时可观察相应水箱的液位变化和曲线图。

（单容）

（3）待液位基本稳定于设定值后，点击“结束”按钮关闭泵和阀，结束试验。

若要进行下次实验，可重新选择水箱、设定调节阀开度。

（5）点击“保存并退出实验”按钮，退出该实验。

（6）实验结束后，下载实验数据exp3（Excel文件）。

六、实验数据处理

根据下载的数据，绘制单容水箱液位定值控制系统响应曲线，并计算该过渡过程的控制指标，如余差等。

实验四双容水箱液位设定值控制实验

一、实验目的

1、加深过程控制系统概念，了解过程特性对控制系统性能的影响。

2、了解二阶对象定值控制方法，并观察过渡过程曲线。

3、加深对PID原理及参数整定方法的认识。

二、预习思考题

1、双容水箱液位定值控制是否可以采用与单容水箱液位控制相同的参数，为什么？

2、该双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？

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、实验步骤与要求

（1）选择实验水箱（上水箱或下水箱），设定PID参数值和液位值。

（2）点击“开始”按钮，开启相应的泵和阀，调节阀1根据参数计算出相应开度。

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）待液位基本稳定于设定值后，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。

与实验三相比，本实验减少了水箱选择这一环节。

（4）实验结束后，下载实验数据exp4（Excel文件）。

五、实验数据处理

根据下载的数据，绘制单容水箱液位控制系统响应曲线，并计算该过渡过程的控制指标。

如果控制系统性能不好，试分析主要原因是什么？

实验五单容水箱液位扰动控制实验

一、实验目的

1、了解扰动对控制系统的影响，并掌握控制系统是如何克服扰动的。

2、观察扰动作用下，控制系统的过渡过程曲线。

二、预习思考题

1、该单容水箱液位控制系统中扰动有哪些？

2、根据图5－1回答在扰动作用下，有哪些指标描述控制系统的过渡过程性能？

图5-1扰动作用过渡过程控制指标示意图

三、实验装置

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、实验步骤:

（1）选择实验水箱（上水箱或下水箱），设定PID参数值和期望液位值。

（2）点击“开始”按钮，开启相应的泵和阀，调节阀1根据参数计算出相应开度。

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）待液位基本稳定于设定值后，设定调节阀2的开度，点击“加扰动”按钮，开启相应的泵和阀。

（4）液位再度平稳后，点击“关扰动”、“结束”按钮分别关闭相应泵和阀，结束试验。

若要进行下次实验，可重新选择水箱、设定参数。

本实验是在实验三的基础上进行的。

（5）点击“保存并退出实验”按钮，退出该实验。

（6）实验结束后，下载实验数据exp5（Excel文件）。

五、实验数据处理

根据下载的数据，绘制单容水箱液位控制系统响应曲线，并计算该过渡过程的控制指标，如余差等。

分析扰动对控制系统品质的影响。

实验六双容水箱液位扰动控制实验

一、实验目的

1、了解定值控制系统中扰动对控制系统的影响，以及控制系统是如何克服扰动的。

2、观察不同的PID控制参数时，控制系统克服扰动的情况。

二、预习思考题

1、该双容水箱液位控制系统中扰动有哪些？

他们对控制系统的影响是怎样的？

2、对于同样的扰动，增加比例作用是有利于克服扰动还是不利于克服扰动？

三、实验装置

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、实验步骤:

（1）设定PID参数值和期望液位值。

（2）点击“开始”按钮，开启相应的泵和阀，调节阀1根据参数计算出相应开度。

此时可观察相应水箱的液位变化和曲线图。

（单容）

（3）待液位基本稳定于设定值后，设定调节阀2的开度，点击“加扰动”按钮，开启相应的泵和阀。

（4）液位再度平稳后，点击“关扰动”、“结束”按钮分别关闭相应泵和阀，结束试验。

若要进行下次实验，可重新选择水箱、设定参数。

本实验是在实验四的基础上进行的。

（5）点击“保存并退出实验”按钮，退出该实验。

（6）实验结束后，下载实验数据exp6（Excel文件）。

五、实验数据处理

根据下载的数据，绘制双容水箱液位控制系统响应曲线，并计算该过渡过程的控制指标。

实验七流量比例控制实验

一、实验目的

1、了解比例控制的基本原理何参数整定方法。

2、观察不同的PID参数作用下，比例控制的过渡过程曲线。

二、预习思考题

1、什么是比例控制？

什么是主动量？

什么是从动量？

2、根据图7－1说明比例控制与串级控制的不同？

3、比例控制系统的PID参数如何整定？

图7-1扰动作用过渡过程控制指标示意图

三、实验装置

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、实验步骤:

（1）选择实验水箱（上水箱或下水箱），设定调节阀1的开度（该管道中的流量作为主动量，不同的开度对应不同的流量）与流量比参数。

设置PID参数值。

（2）点击“开始”按钮，系统自动开启相应的泵和阀，并根据主动量参数何比值系数参数计算出调节阀2相应开度。

此时可观察显示的流量之间的比例关系。

（3）待比例关系基本稳定后，点击“结束”按钮关闭泵和阀，结束试验。

若要进行下次实验，可重新选择水箱、设定调节阀开度与流量比。

（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exp7（Excel文件）。

五、实验数据处理

根据下载的数据，绘制比例控制系统的响应曲线，观察流量比例控制的效果，若控制性能不好，请分析原因。

实验8自动平衡电桥的使用与校验

一、实验目的

1、通过实验加深了解自动平衡电桥的原理、结构及使用。

2、掌握自动平衡电桥的调校使用方法。

3、了解热电阻与显示仪表配接测温的原理。

二、实验原理

热电阻的测温原理是基于金属导体或半导体的电阻会随温度的变化而变化的特性。

由于热电阻本身的电阻值较小，因此由环境温度变化而引起的热电阻连接导线电阻值变化量会导致测量误差。

为了减小连接导线电阻影响，热电阻与显示仪表配接时通常采用三线制。

电子自动平衡电桥的输入信号是热电阻，可与热电阻配套测温。

从仪表的外形和内部结构看，自动平衡电桥与电子电位差计十分相似，但两者的工作原理完全不同。

电子电位差计是不平衡电桥来与被测电势平衡，而自动平衡电桥工作时电桥始终保持平衡。

当被测温度（电阻）变化时，电桥的不平衡电压输出经放大后由可逆电机带动滑动触臂重新找到平衡点，指示被测温度（电阻）。

热电阻与自动平衡电桥配接时，要注意分度号一致，并采用三线制接线，如图1所示。

图8-1自动平衡电桥配热电阻三线制接线

三、实验步骤与要求

1、按照图8-1所示，连接好被校仪表与热电阻。

本实验中用电阻箱代替热电阻，测试分度号为Pt100的XQC电子自动平衡电桥精度，该显示表铭牌显示精度为0.5级，量程为0～200℃。

2、示值校验：

通常在校验时，先对仪表的始点和终点刻度进行校验、调整。

待达到要求后，再进行其余分度点的校验，一般取5个以上的点。

要求仪表示值误差中的最大者不超过仪表的精度等级所规定的数值。

本次实验要求测定基本误差δ和变差Δ，其定义分别为：

其中：

T标为施加的电阻信号对应的温度值（℃）。

T实为从被校仪表读出的温度值（℃）。

为与被校仪表标尺终端与始端相对应的电量值。

本实验为200℃和0℃

例如，要校验零点，从分度表可知，0℃对应的电阻值为100

，则在调节电阻箱电阻值为100

，观察被校仪表的指示值，假设为0.2℃，则记录下该数值。

按照同样的方法测定其他校验点。

测定结果填入表1。

本实验中要测定0℃、40℃、80℃、120℃、160℃、200℃点。

按照正、反行程分别测量。

实验中数据从下列分度表查。

四、选取实验仪器和接线

1、XQC电子自动平衡电桥一台（Pt100,0.5级精度，量程0～200℃）。

2、XQC电子自动平衡电桥一台（Pt10,0.5级精度，量程0～200℃）。

3、XWC电子自动平衡电桥一台（K,0.5级精度，量程0～1000℃）。

4、ZX-38十进制电阻箱一台。

五、实验数据处理

表8-1自动平衡电桥校验结果（变差）

指示温度（℃）

对应R（Ω）

T（上行）（℃）

T（下行）（℃）

被校仪表变差：

最大相对误差：

六、思考题

1、什么是平衡电桥？

什么是不平衡电桥？

供电电压的波动对电桥的平衡有何影响？

2、自动平衡电桥与自动电位差计在结构和原理上有何异同？

3、若热电阻短路或断路，电子平衡电桥的指针应分别指在那里？

4、如何用简单的方法区别电子电位差计与自动平衡电桥？

实验9压力变送器的调校

一．实验目的

1、了解压力检测方法。

2、了解压力变送器的结构和使用方法。

3、熟悉压力变送器的调校方法。

二．实验原理

压力变送器的工作原理如图9-1所示，被测介质的压力直接作用于传感器的陶瓷膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微小位移。

正常工作状态下，膜片的最大位移小于0.025mm，由电子线路加以检测，并转换成与压力相对应的标准信号（4～20mA）。

变送器的输出信号与被测的压力信号呈线性关系。

图9-1工作原理示意图

本实验的内容是对电动压力变送器（SWP-T20X系列）的精度进行校验。

实验装置的结构如9-2所示，即使用双连球产生0～6kPa的压力，由压力变送器将该压力信号转换成4～20mA的电信号。

输入的压力信号同时作用在U形管上，两水柱之差就是压力信号的大小（

）在实验中作为标准信号；数显仪表将输出的4～20mA转换成压力信号加以显示，在实验中作为被校验信号。

两信号之差即为误差。

三．实验步骤

１．零点及量程调整（了解基本原理）

为保证实验的准确性，需要对压力变送器的零点及量程加以调整，零点及量程调整螺丝位置如图9-3所示。

打开放空阀，使输入压力为０（此时U形管的两水柱在同一水平面上）。

调节零点调整螺丝，使数显仪表的显示值为０；

图9-2实验装置结构示意图

关闭放空阀，打开进气阀，操作双连球，使得U形管的两水柱液面之差为60cm，调节量程调整螺丝，使数显仪表的显示值为6kPa。

反复调整零点及量程，直至准确无误为止。

２．校验压力变送器的精度

按照表9-1的内容，对压力变送器进行正行程及反行程的校验，即输入量程中间的各测量值的压力，记下输出信号的理论值和实际值，求取其相对误差，以及回差，判断是否满足精度要求（0.5%）及回差要求（0.1%）。

图9-3　零点及量程调整螺丝位置

四．实验仪器及设备

1、压力变送器（SWP-T20X系列，0.5级，0～6kPa）

2、1.0m单管水柱

3、数字显示仪（SWP-C70系列）

4、乳胶管、螺丝刀

五．实验过程

首先施加0kPa的差压信号，记录压力变送器的读数，然后再施加100

压力，记录压力变送器读数，直到满量程。

然后再减小施加的压力，指导零点。

把数据填入表9-1。

六、实验数据与处理

根据表格中的数据，计算出每个校验点的相对误差。

判断仪表是否合格。

表9-1压力变送器校验数据记录

校验压力

0

100

200

300

400

500

600

0

1

2

3

4

5

6

正行程测量值（

）

正行程误差

（％）

反行程测量值（

）

反行程误差

（％）