《化工自动化及仪表》实验讲义.docx

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《化工自动化及仪表》实验讲义

《化工自动化及仪表》

实验讲义

华东理工大学

信息学院自动化系

2014年2月

实验一控制系统认识

一．实验目的

1.了解开环、闭环控制

2.了解简单控制系统的基本组成环节

3.熟悉控制流程图和控制方框图

4.认识常用仪表

二．实验装置

电阻炉温度控制系统二套

三．实验内容

1．控制系统流程图

TTTRC

TV

TE电阻炉

了解简单控制系统的构成，熟悉电阻炉温度控制系统流程图。

其控制系统流程图如图1-1所示。

图1-1控制系统流程图

2．控制系统方框图

了解控制系统方框图的构成，熟悉电阻炉温度控制系统方框图。

其控制系统方框图如图1-2所示。

温度设定4~20ma0~220V0~1000℃

温度控制器触发器及可控硅电阻炉

-

4~20ma温度变送器mv热电偶

自动平衡记录仪

图1-2炉温控制系统方框图

3．指出温度控制系统的被控过程、被控变量、操纵变量、扰动、设定值和偏差。

观察、记录控制系统中所用的仪表名称、型号。

4．电阻炉温度控制系统的运行。

⑴手动控制

将温度控制系统中调节器置于“手动”位置。

给过程施加阶跃扰动信号，调整调节器手操输出电流，观察记录曲线的变化。

待系统稳定后无扰动切换到“自动”位置。

⑵自动控制

定值控制：

系统稳定时，设定值不变，对控制系统施加阶跃扰动，观察定值控制过程记录曲线。

随动控制：

系统恢复稳定后，设定值作一阶跃变化，观察随动控制过程记录曲线。

四．思考题

1.定值控制、随动控制和程序控制有何区别？

2.组成一个简单控制系统需要哪几个基本环节？

附：

电阻炉温度控制系统的主要仪器仪表

序号

名称

型号

数量

1

可控硅电压调整器

ZK-0

2台

2

数字显示控制仪

WP-S815-82-12/12-HL

2台

3

大型长图自动平衡记录仪

XWCJ-200

1台

4

24V开关电源

YJ104-030

1台

5

双回路温度变送器

WP202TC2-K

1台

6

K型热电偶

WRN2-120

2支

7

管式电阻炉

SK-2-10

2台

实验二温度测量与显示仪表

一.实验目的

1.了解测温元件的种类与使用方法

2.掌握测温元件与显示仪表的正确配接方法

二.实验仪器与仪表

1.管式电阻炉及炉温控制系统

2.镍铬-镍硅热电偶（分度号K）

3.数字式温度显示仪（多功能显示控制仪SWP-T803，0.5级）

4.电子电位差计（XWF-100，0.5级）

5.电子自动平衡电桥（XQF-100，0.5级）

6.十进制标准电阻箱（ZX38/10，0.1级）

7.手动电位差计（UJ-33a）

三．热电偶测温以及与常用显示仪表的配接方法

热电偶测温原理是热电效应。

当参比端温度恒定时，热电偶产生的电势E（θ，θ0）会随被测温度的变化而变化。

在测温时一定要注意参比端温度补偿问题，否则将造成测量的误差。

目前参比端温度补偿主要是自动补偿法，即仪表在制造过程中就已经考虑到冷端补偿，采用特殊的电路或运算方法对冷端进行补偿。

电子电位差计和数显仪表就采用自动补偿。

此外在实验室里可采用计算方法进行人为的补偿，其方法是：

将未经补偿时测量到的温度根据分度号转化成电势信号E（θ,θ0），然后查分度表得到参比端温度E（θ0,0）,根据公式：

E（θ,0）=E（θ,θ0）+E（θ0,0），就可以得到电势E（θ,0），再查分度表就可以得到准确的测量值。

1．热电偶与电子电位差计配接

电子电位差计属自动平衡式显示记录仪表，用于测量记录mv电压信号或配接热电偶测温。

电子电位差计的测量原理是电压补偿法，即用一个已知测量电桥的输出电压（即指示值）来与未知的测量电压比较，两者的差值经放大后驱动可逆电机以改变桥路的输出电压，直至两者相等为止。

一般工业用电子电位差计精度等级为0.5级。

对于配接热电偶的电子电位差计，其测量桥路能自动补偿热电偶的参比端温度变化，但要求补偿电阻与热电偶的参比端处于同一温度。

因此应将热电偶的参比端用补偿导线延伸到仪表所处的环境中，再用铜导线接到仪表的输入端。

另外，配热电偶的电子电位差计分度号必须与热电偶一致。

电子电位差计在使用时，有时会遇到输入端短路或开路的情况。

在输入端短路时，相当于热电偶输出电势信号E（θ,θ0）为零。

由于此时补偿电阻仍然感受到参比端温度，θ=θ0，因此仪表指针指在参比端温度处（通常为室温）。

如果输入端开路，意味着测量回路断开，即放大器输入开路，故放大器输出一般为零，可逆电机不转，指针也就保持不动，但有些时候放大器输出有漂移，则指针就会向增大或减小方向持续慢慢移动，直至上限或下限位置。

2．热电偶与数字式温度显示仪表配接

数字式温度显示仪表目前应用广泛，具有显示直观、结构方便、使用简单、精度高、价格低等特点。

数字式温度显示仪表品种多，功能全，但最基本功能是：

通过测量电路将一次仪表的输出电信号（电阻、电压或电流等）转换成电压信号，然后经A/D转换器将模拟信号转换成对应的数字信号，再用数码管直接显示温度数值。

数字式温度显示仪还具有对热电阻、热电偶输入的非线性补偿功能，因此测量精度较高，一般在0.5级以上。

热电偶与数显仪表配接方法类似于配接电子电位差计，同样要注意热电偶的分度号与数显仪表分度号一致，热电偶的参比端通过补偿导线直接连到数显仪表上以保证参比端温度自动补偿。

3．热电偶与手动电位差计配接

在实验室里通常可用手动电位差计来测量热电偶的电势信号，然后再通过分度表查出所测温度。

手动电位差计精度等级为0.1级以上，可以得到精确的测量值。

手动电位差计使用之前必须经过机械零点和工作电流校验，“测量”与“输出”选择开关打在“测量”端。

倍率开关选择合适的档位。

另外还要注意热电偶参比端温度，因为电位差计上读出的测量电势为E（θ,θ0），若参比端温度为0℃，则直接用测量电势去查分度表，而参比端温度不是0℃时，必须通过计算：

E（θ,0）=E（θ,θ0）+E（θ0,0）

用E（θ,0）查分度表得到温度值。

如果E（θ,0）数值介于表上两个相邻测量电势之间，由于在这么小的区间范围内可以将温度与测量电势的关系近似为线性关系，故可以采用线性内插方法算出测量温度。

四．热电阻测温以及与电子自动平衡电桥配接

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。

通常热电阻测温时与显示仪表的接线采用三线制方法，以消除环境温度对测量造成的影响。

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，电子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。

电子电位差计是用一个不平衡电桥来与被测量电势平衡，而电子自动平衡电桥工作时电桥始终保持平衡。

当被测电阻变化时，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，指示被测电阻阻值。

热电阻与电子自动平衡电桥配套测温时，要注意分度号一致，并且采用三线制接线。

五．热电偶与显示仪表配套测温实验内容

图2-1是实验装置示意图。

室温

电阻炉热电偶补偿导线铜导线显示仪表

电子电位差计

温度控制装置

数显仪表

图2-1实验装置示意图

1.观察实验装置电阻炉、热电偶及炉温控制系统，从仪表屏数字式温度控制仪及电子电位差计读出炉温，并从记录曲线判断炉温是否已经稳定。

注：

本实验中炉温稳定是实验正常进行的必要条件。

2.观察热电偶参比端是否接在室温环境下。

仔细观察电子电位差计、数字式温度显示仪，了解各仪表的分度号、量程、精度等级以及结构特点，观察各仪表的输入接线端并考虑如何与热电偶连接。

3.热电偶与电子电位差计、数字式温度显示仪的配接使用：

电子电位差计和数字式温度显示仪都是具有自动补偿功能的显示仪表，而且精度均为0.5级。

电子电位差计还具有记录功能。

4.用手动电位差计测量热电偶电势，查分度表得到对应温度。

表2-1热电偶与不同仪表配套测温

热电偶分度号__________组号_________室温___________

电子电位差计：

分度号__________型号__________量程___________精度_________

数字式显示仪：

分度号__________型号__________量程___________精度_________

手动电位差计：

量程__________精度___________

仪表名称

温度

绝对误差

相对误差

参考炉温

电子电位差计

数字式显示仪

手动电位差计

θ=

E（θ,θ0）=θ0=

E（θ0,0）=E（θ,0）=

注：

绝对误差=|标准值–测量值|

相对误差=绝对误差/（测量上限–测量下限）×100％

本实验中以手动电位差计测量值作为标准值。

六．热电阻与电子自动平衡电桥配套测温实验内容

热电阻用精密电阻箱代替，即用电阻箱模拟输出温度测量信号。

实验装置图见图2-2。

A电子自动

B平衡电桥

电阻箱C

图2-2电子自动平衡电桥与电阻箱接线图

本实验使用电阻箱对电子自动平衡电桥的精度进行校验。

电子自动平衡电桥的精度是0.5级，因此对于测量范围内任何点上的测量误差均应不超过0.5%。

一般的检查方法是在量程范围内均匀地抽取5-10点（包括零点和满度），进行校验。

校验时，改变电阻箱阻值（它与某个温度相对应），使平衡电桥指针与被校验点温度刻度值重合。

电阻箱上的读数为被校读数Rm，平衡电桥刻度温度对应分度表的阻值为Rs。

比较两者（Rs与Rm）即可算出该点的绝对误差和相对百分误差。

为减少读数误差，检查点应选在刻度线上。

绝对误差=|Rs-Rm|

相对误差=|Rs-Rm|/（Rsh-Rsl）×100％

式中

Rs是标准值，平衡电桥刻度温度所对应分度表的热电阻阻值；

Rm是测量值，电阻箱上读出的电阻值；

Rsh是仪表上限温度对应的热电阻阻值；

Rsl是仪表下限温度对应的热电阻阻值。

测量数据填入表2-2中。

表2-2电子自动平衡电桥的校验数据表

被校仪表型号___________分度号____________精度___________

量程___________________Rsh-Rsl=___________________

Rθ

RM（Ω）

RS（Ω）

RS–RM

δ（%）

注：

校验点应包括零点和满度。

如果零点和满度不准，可调整平衡电桥起始电阻和量程电阻。

（本实验主要学习校验仪表精度方法，不要求调整起始电阻和量程电阻。

）

根据表2-2，分析误差原因，作出校验结论。

七．思考题

1.热电偶在与显示仪表配接使用时要注意哪几个方面问题？

2.热电阻在与显示仪表配接使用时要注意哪几方面问题？

3.如何用简单方法区别电子电位差计和电子自动平衡电桥？

4.若热电阻短路或断路，电子自动平衡电桥的指针应分别指在哪里？

实验三电动III型温度变送器

一.实验目的

1.了解温度变送器的用途

2.掌握温度变送器与热电偶的配接使用方法

二.实验仪器及设备

1.电动III型温度变送器（DBW-5500A）

2.UJ-33a手动电位差计

3.0.5级直流毫安表

三.实验内容

实验内容是对电动III型温度变送器精度进行校验。

温度变送器可与各种热电偶或热电阻配套测温，将温度信号转换成4~20mADC标准统一信号，作为显示记录仪表或调节器的输入信号，实现对温度变量的显示记录或自动控制。

温度变送器还可以作为直流毫伏转换器来使用，使其他能够转换成直流毫伏信号的工艺变量也变成相应的标准统一信号。

温度变送器有三个品种：

热电偶温度变送器、热电阻温度变送器、直流毫伏变送器。

在热电偶温度变送器和热电阻温度变送器中采用了线性化电路，从而使变送器输出信号与被测温度信号呈线性关系。

热电偶温度变送器还具有参比端温度自动补偿功能。

温度变送器在使用之前必须调整零点和量程。

本实验中使用的电动III型温度变送器型号为DBW-5500A，配接K分度号热电偶，量程范围是50~400℃（零点与量程已经事先调整好了，无须再改变）。

手动电位差计是一种实验室常用仪表，一般用于精确测量或输出毫伏电压。

其测量原理是“电压补偿法”，采用高精度的标准电池、精密线绕电阻及高灵敏度的检流计来达到较高的测量精度，一般可达0.1级、0.05级或更高。

通常手动电位差计被用于校验热电偶。

在本实验中手动电位差计被用来代替热电偶输出毫伏信号。

手动电位差计在使用前，一定要检查和调整其机械零点、电气零点及工作电流。

由于手动电位差计代替热电偶输出电势信号E（θ,θ0），该信号可从K分度表查到。

但由于参比端温度为室温，而温度变送器具有参比端温度自动补偿功能，因此查出分度表中测量温度对应的电势值E（θ,0）后必须减去参比端温度（一般为室温）对应的电势值E（θ0,0），才是手动电位差计输出信号（即热电偶测量信号）。

即E（θ,θ0）=E（θ,0）-E（θ0,0）。

（1）实验装置示意图如图3-1所示，温度变送器接线端子示意图如图3-2所示。

手动电位差计

电流表

温度变送器

mVmA

图3-1实验装置示意图

12345678910111213

+-+-+-

输入信号手动电输出信号mA24V电源

位差计RcuRL

图3-2温度变送器接线端子示意图

注：

端子1，2是输入信号端，接手动电位差计输出端。

端子3，4端接铜电阻Rcu（K型热电偶,Rcu=20.16Ω）。

端子4，5，6，7是根据迁移量而有不同的连接，本实验端子4，5短接。

端子8，9，10是输出信号端，电压输出时接8，10端子；电流输出时接9，10端子，RL为负载电阻（0-450Ω）。

本实验用9，10端子输出，接一个电流表，RL不接。

端子12，13接24V电源。

（2）实验方法：

测温范围为50~400℃，对应K热电偶电势范围为2.022mV~16.395mV。

热电偶电势信号与温度信号是非线性关系，但配热电偶的温度变送器具有线性化功能，使测量温度与变送器的输出信号之间呈线性关系。

因此在测温范围50~400℃中任一温度与变送器输出电流I0的线性对应关系为：

I0=（T-50）*（20-4）/（400-50）+4

式中I0为变送器输出电流，T为测量温度。

在测量温度范围内均匀选取测量点（包括测量下限和上限），如50，137.5，225，312.5，400℃，相应的输出电流理想值分别对应4，8，12，16，20mADC。

在各个温度测量点，先用分度表查出对应电势E（θ,0），求得E（θ,θ0），再用手动电位差计将E（θ,θ0）送往变送器。

将Im与I0比较，得到测量误差，最后确定该变送器精度等级。

表3-1温度变送器校验数据记录

分度号______温度量程____________对应电势_______精度______

室温____E（θ0,0）=

校验温度℃

50

137．5

225

312．5

400

对应I0（mA）

4

8

12

16

20

E（θ,0）

E（θ,θ0）

测得Im（mA）

ΔI

δ（℅）

表中：

I0是温度变送器对应检测点应该输出的电流；

E（θ,0）是根据测量温度查K分度表得到的电势值；

E（θ,θ0）=E（θ,0）-E（θ0,0），是输入热电偶信号（手动电位差计输出电势），；

Im是实际测得温度变送器输出电流；

ΔI=Im-I0是测量偏差；

δ是相对误差，δ=ΔI/16×100℅。

将实验数据填入表3-1中，看最大相对误差（绝对值）是否小于0.5%，以确定该表精度等级是否符合0.5级。

四．思考题如果输入信号改用热电阻，请设计一个校验温度变送器精度的实验方案。

实验四电动III型调节器

一．实验目的

1．了解电动III型调节器的结构和使用方法

2．了解PID控制时的输出特性

二．实验仪器及设备

1．电动III型PID自整定控制仪（SWP-NST805）1台

2．校验信号发生器（DFX-02）1台

3．无纸记录仪（NHR-8100）1台

三．调节器特性

调节器将来自变送器的测量信号与设定值相比较后产生的偏差（e=y-r）进行比例、积分、微分（PID）运算，并输出标准统一信号去控制执行机构的动作，以实现对被控变量的自动控制。

调节器上通过对三个参数（比例度δ、积分时间TI、微分时间TD）的设置改变控制规律以及控制作用的强弱。

（1）若TI为∞，TD为0，积分项和微分项都不起作用，则为比例控制。

（2）若TD为0，微分项不起作用，则为比例积分控制。

（3）若TI为∞，积分项不起作用，则为比例微分控制。

e（t）

A

0t

Δu（t）

KcA

0t

图4-1阶跃偏差作用下

比例调节器的开环输出特性

1．比例控制（P）

比例控制规律时，调节器的输出变化量与输入偏差成正比例，在时间上没有延滞。

其开环输出特性如图4-1所示。

比例增益Kc是调节器的输出变量Δu（t）与输入变量e（t）之比。

Kc越大，在相同偏差e（t）输入下，输出Δu（t）也越大。

因此Kc是衡量比例作用强弱的因素。

工业生产上所用的调节器，一般都用比例度δ来表示比例作用的强弱。

在电动III型调节器中δ=1/Kc×100%，因此比例度δ与比例增益Kc成反比。

δ越小，则Kc越大，比例控制作用就越强；反之，δ越大，则Kc越小，比例控制作用就越弱。

2．比例积分控制（PI）

具有积分控制规律的调节器，其输出信号的大小不仅与偏差信号的大小有关，而且还将取决于偏差存在的时间的长短。

在幅度为A的阶跃偏差作用下，积分调节器的开环输出特性如图4-2所示。

积分控制规律在工业生产上很少单独使用，因为它的输出逐步增大，控制作用总是滞后于偏差的存在。

因此都是将比例作用与积分作用组合成比例积分控制规律来使用。

e（t）e（t）

AA

0t0t

Δu（t）Δu（t）

2KcA

KcA

0t0TiTi’t

图4-2积分输出特性图4-3比例积分输出特性

比例积分控制规律是比例作用与积分作用的叠加。

在阶跃偏差作用下，比例积分调节器的开环输出特性如图4-3所示。

当偏差的阶跃幅度为A时，比例输出立即跳变至KcA,尔后积分输出随时间线性增长。

在Kc和A确定的情况下，直线的斜率将取决于积分时间TI的大小：

TI越大，直线越平坦，说明积分作用越弱；TI越小，直线越陡峭，说明积分作用越强。

因而TI是描述积分作用强弱的一个物理量。

3．比例微分控制（PD）

微分输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的存在与否无关，即偏差固定不变时，不论其数值有多大，微分作用都无输出。

微分控制要与比例控制结合在一起使用。

在阶跃偏差信号（幅度A）的作用下，实际PD调节器开环输出特性参见图4-4。

在偏差跳变瞬间，输出跳变幅度为比例输出的KD倍（KD是微分增益），即KDKcA,然后按指数规律下降，当t趋于无穷大时仅有比例输出KcA。

因此决定微分作用的强弱有两个因素：

一个是开始跳变幅度的倍数，取决于KD，另一个是降下来所需要的时间，用微分时间TD来衡量。

输出跳得越高，或降得越慢，表示微分作用越强。

通常KD=10，因此用TD来表示微分控制作用的强弱。

微分时间TD越大，微分控制作用越强

e（t）

A

0t

Δu（t）Δu（t）

KcKDA

KcA

0t0t

图4-4PD输出特性图4-5PID输出特性

（3）比例积分微分控制（PID）

在幅度为A的阶跃偏差作用下，实际PID控制可看成是比例、积分和微分三部分作用的叠加，其开环特性如图4-5所示。

四．实验内容

调节器

信号

发生器

记录仪

+222+-

-723

图4-6实验装置示意图

实验装置示意图如图4-6所示。

利用信号发生器输出4~20mA直流电流给调节器，与调节器设定值比较得到偏差信号。

调节器对偏差进行PID运算后输出控制信号。

调节器输出信号通过显示仪表记录。

接线后，按以下步骤进行实验：

1.信号发生器各开关位置设定：

“短路开关和相位切换开关”置于向“上”的方向；

“输出电流量程切换开关”置于“20”；

“电压-电流切换开关”置于“电流”；

“电流-Ω输出切换开关”置于“电源”

2．调节器的具体使用及参数设定见本实验附录

3.手自动无扰动切换。

⑴在自动模式下，同时按压SET键和键，A/M指示灯（红）亮，仪表将自动跟踪输出量，完成自动手动无扰动切换。

⑵按▲或键使调节器输出为50%。

改变信号发生器的输出为50%（即调节器的测量值为50%），使偏差为0（调节器的设定值已设置为50%）。

⑶在手动模式下，同时按压SET键和键，A/M指示灯（红）灭，仪表将自动跟踪输出量，完成手动自动无扰动切换。

4.比例P。

⑴按压SET键，进入控制参数设定状态，置P=100%、Ti=0（在该调节器中为无积分作用）、TD=0（无微分作用），即纯比例P。

⑵快速改变信号发生器的输出，使调节器测量值从50%瞬间增加到70%左右（即输入阶跃信号），观察记录曲线。

⑶待曲线走直，改变信号发生器输出，使调节器测量值从70%左右瞬间回到50%，观察记录曲线。

⑷把无纸记录仪上的图形画下来，并注上相应的数据及参数。

⑸按压SET键，进入控制参数设定状态，将比例度置于50%，再重复以上⑵~⑷步骤。

5.比例积分PI。

⑴按压SET键，进入控制参数设定状态，置P=100%、Ti=60S、TD=0（无微分作用）。

⑵快速改变信号发生器的输出，使调节器测量值从50%瞬间增加到60%左右（即输入阶跃信号），观察记录曲线。

⑶待曲线走直，改变信号发生器输出，使调节器测量值从60%左右瞬间回到50%，观察记录曲线。

⑷把无纸记录仪上的图形画下来，并注上相应的数据及参数。

⑸按压SET键，进入控制参数设定状态，置Ti=30S，其余不变，再重复以上⑵~⑷步骤。

6.比例微分PD。

因做PI实验时调节器输出已偏离50%，所以先将调节器置“手动”，按▲或键改变调节器输出使其回到50%，然后将调节器无扰动切换到“自动”。

⑴按压SET键，进入控制参数设定状态，置P=100%、Ti=0（无积分作用）、TD=120S。

⑵快速改变信号发生器的输出，使调节器测量值从50%瞬间增加到60%左右（即输入阶跃信号），观察记录曲线。

⑶待曲线走直，改变信号发生器输出，使调节器测量值从60%左右瞬间回到50