浅谈过程控制实训台对象特性测试实验

时间：2024-08-22 10:19:47

对象特性测试实验

所谓对象特性就是指对象在输入的作用下，其输出的变量即被控的变量随时间变化的特性。
对象特性测试实验的目的就是通过实验掌握对象特性曲线的测量方法。测量时应注意的问题，对象模型参数的求取。
液位装置中的液位对象是自衡对象，单独的水槽是一阶对象，上水槽与下水槽可以组成二阶对象。
对象参数的求取
一、传递函数的求取
1、一阶对象

在0.632倍的稳态值处求取时间常数T。

2、一阶加纯滞后的对象

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。
3、二阶或高阶对象用一阶加纯滞后的方法在阶跃响应的拐点（即斜率的最大处）作一切线并与时间坐标轴交与C点，则OC段的值即为纯滞后时间τ，而与CB段的值即为时间常数T。
4、放大倍数K的求取

   式中ΔX——调节器输出电流的变化量、mA
        Xmax——调节器输出电流的上限值、mA
        Xmin——调节器输出电流的下限值、mA
        ΔY——液位的变化量、mm
        Ymax——液位的上限值、mm
Ymin——液位的下限值、mm
例：实验中调节器输出电流由8mA增加到12mA
          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
5、实验中应注意的问题
(1)测试前系统处于正常的工作状态（平衡状态），反应曲线的出始点应是输入信号的开始作阶跃信号的瞬间，这一段时间必须在记录纸上标出，以便推算纯滞后时间τ。测试与记录工作必须持续到输出参数达到新的稳态值。
(3)每次实验应在相同的条件下进行两次以上。只有在所测试数据相同时方为合格。
(4)为了进行线性校验，可作正、负两种干扰进行比较，也可作不同扰动量的实验。
(5) 调节器参数的整定是过程控制系统设计的核心内容之一。它的任务是：根据被控过程的特性确定PID调节器的比例度δ，积分时间TI及微分时间TD的大小。在简单的过程控制系统中，调节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要指标，保证系统具有一定的稳定裕量。
调节器参数的整定的方法很多，概括起来分为两大类:一是理论计算整定法。它主要依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法频率特性法等，经过理论计算确定调节器的数值。这种方法不仅计算繁琐，而且过分依赖数学模型，所得到数据未必直接可用，还必须通过实际进行调整和修改。因此，理论计算整定法除了有理论指导意义外，工程实际中较少采用。二是工程整定法，它主要依靠工程经验，直接在过程控制的实验中进行，且方法简单，易于掌握，相当实用，从而在工程实际中被广泛采用。
       调节器的工程整定方法，主要有临界比例度法、衰减曲线法。
二临界比例度法
   这是一种闭环整定方法。由于该方法直接在闭环系统中进行，不需测试过程的动态特性，因为方法简单，使用方便，获得了广泛的应用。具体步骤如下：
   ● 先将调节器的积分时间TI置于最大（TI=∞）微分时间TD置零（TD=0）,比例度δ置为较大的数值，使系统投入闭环运行。
   ● 待系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃扰动，并减小δ，直到系统出现如图1.1所示的等幅振荡，即临界振荡过程。记录此时的δk（临界比例带）和等幅振荡周期Tk。
   ● 根据记录的δk和TK，按表给出的经验公式计算出调整器的δ、TI及TD的参数。

               图2.1 系统的临界振荡
          表2-1 采用临界比例度法的整定参数

整定参数调节规律	δ（℅）	TI	TD
P	2δk
PI	2.2δk	0.85Tk
PID	1.7δk	0.5Tk	0.125Tk

需要指出的是，采用这种方法整定调节器的参数时会受到一定的限制，如有些过程控制系统不允许进行反复振荡实验，像锅炉给水系统和燃烧控制系统等，就不可能应用此法。再如某些时间常数较大的单容过程，采用比例调节时根本不可能出现等幅振荡，也就不能应用此法。
三衰减曲线法
这种方法临界比例度法相类似，所不同的是无需出现等幅振荡过程，具体方法如下：
   ● 先置调节器积分时间TI =∞,微分时间TD=0,比例带δ置于较大的值。将系统投入运行。
   ● 待系统工作稳定后，对设定值作阶跃扰动，然后观察系统的响应。若响应振荡衰减太快，就减小比例带；反之，则增大比例带。如此反复，直到出现如图3.13a所示的衰减比为4：1的振荡过程时，或者如图3.13b所示的10：1振荡过程时，记录此时的δ值（设为δs），以及Ts的值（如图1.2a中所示），或者Tr的值（如图1.2b中所示）。

           图2.2 系统衰减振荡曲线
   ● 按表中所给的经验公式计算δ、TI及TD的参数。
             表2-2 衰减曲线法整定计算公式

衰减率	整定参数调节规律	δ（℅）
0.75	P	δs
	PI	1.2δs	0.5Ts
	PID	0.8δs	0.3Ts	0.1Ts
0.90	P	δs
	PI	1.2δs	2Tr
	PID	0.8δs	1.2Tr	0.4Tr

图2.2中，Ts为衰减振荡周期，Tr为响应上升时间。
衰减曲线对多数过程都适用，该方法的缺点是较难确定4：1的衰减程度，从而较难得到准确的δ、Ti及Td的值。

SG-GC13 仪表实操培训装置

（现场图片）

二、技术要求

2.1装置要求

1.仪表实操培训装置实现对温度、压力、流量、液位等仪表的回路控制、调节，装置输入电压为220V，不锈钢框架，尺寸为2400*600*1800mm（长*宽*高）；需配套操作电脑、操作桌椅。
2.所有仪表过程接口为标准过程接口。
3.二次仪表及控制按钮安装在不锈钢网孔板上。
装置示意图（具体以实际生产为主）

2.2设备组成

1、动力系统：1套；
2、有机玻璃水箱：3套；
3、储水箱：1套；
4、液位检测两路：磁翻板液位计和电容液位计检测回路各一路；
5、流量检测三路：电磁流量计、涡轮流量计检测及转子流量计回路各一路；
6、压力检测三路：压力表就地显示一路、压力变送器检测回路两路；
7、温度检测三路：阻电阻、热电偶和铂电阻一体式温度变送器检测回路各一路。

设备及仪表配置清单

序号	设备名称	规格型号/参数说明		数量
一、主要工艺设备
1	对象框架	主体采用欧标不锈钢架，结构坚固，外表美观。外形尺寸：24006001800mm（长宽高），带水平调节型支撑脚轮。		1套
2	储水箱	304不锈钢材质，容积150L，带贮水排空底阀和盖板，管路循环水与泵吸入口间有隔板设计。		1套
3	1号水箱	优质有机玻璃水箱，透明度高，容积18L，结构特殊由三个槽组成设计，保证实验液位稳定；		1套
4	2号水箱	优质有机玻璃水箱，透明度高，容积18L，结构特殊由三个槽组成设计，保证实验液位稳定；		1套
5	3号水箱	优质有机玻璃水箱，透明度高，容积18L，结构特殊由三个槽组成设计，保证实验液位稳定；		1套
6	锅炉	包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由304不锈钢精制而成，内胆尺寸Ф159400mm，夹套Ф219400mm，锅炉内胆内置加热功率为3KW电加热器。		1台
7	盘管	模拟工业现场的管道输送和滞后环节，在盘管上有温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择；		1台
8	磁力驱动泵	型号：：MP-55R-220电压：220V 扬程9m 功率90W DN25，		1台
9	磁力驱动泵	型号：MP-55R-380，三相交流220v，扬程9m 功率90W，变频器控制流量，		1台
10	电磁阀	304不锈钢，AC220V，DN15。		1台
11	锅炉防干烧保护装置	为保证实验效果好、不降低锅炉加热功率的前提下，本套装置配备了良好的防干烧保护系统，当锅炉内胆液位低于红色警戒水位线时，保护装置将切断调压模块输出电压，以有效保护电加热管不被干烧损坏。		1台
12	三相可控硅移相调压装置	由三相SCR同步移相触发模块和三相调压模块组成，通过标准4～20mA电流信号，对触发模块进行控制，进而对调压模块进行输出调压控制，控制输出与控制信号具有很高的线性度，调压效果好。		1台
13	管道及阀门	304不锈钢管路、阀门系统（数量满足工艺流程需要）		若干
14	空压泵	气动仪表供气，奥突斯气泵空压机小型静音空气压缩机 8L,功率550w。OTS-550，		1台
二、主要仪表参数
1	检测变量	设备名称	仪表名称、规格及型号	数量
2	温度		PT100铂电阻、K型热电偶、铂电阻一体式温度（HART）变送器各1台。	3台
3	压力		Y100压力表，智能压力变送器（HART）各1台。	2台
4	流量		电磁流量计（HART）、涡轮流量计（HART）及转子流量计（HART）各1台，精度1.0%FS。电磁流量计FMCLDE-15+HART 涡街流量计FMCLU-15+HART 转子流量计FMCHJFZ1R1DN15M2Ch	3
5	液位		磁翻板液位计（HART）和电容液位计（HART）型号：FMC3051TG 检测回路各一台，带远传，现场显示，精度1.0%FS。	2台
6	调节器	智能（HART）电动调节阀	4-20MA，可将信号反馈到上位机界面。	1台
7		变频器	4-20MA，可将信号反馈到上位机界面，三菱：FR-D720S-0.4Kw-CHR	1台
8		电磁阀	24VDC电磁阀，带开到位关到位信号反馈	1台
9		气动调节阀	4-20MA（HART），可将4-20MA信号反馈到上位机界面气动薄膜调节阀RVZJHP-16C-DN20*10，阀体材质碳钢，阀内件材质304不锈钢配智能定位器（输入输出4-20mA+HART协议）	1台
10		调压模块	4-20MA，可将信号反馈到上位机界面	1台
11	声光报警系统	闪光报警器	AI-302M ，8路	1台
12	二次显示仪表		智能调节仪：2个流量积算仪：1个无纸纪录仪：1个	与一次仪表配套使用
13	操作站		操作站为国产知名品牌，操作站主机内存16G 512固态硬盘，i7-13700F处理器，RTX3060独立显示器，windows10系统，带VGA、HDMI等接口，显示器分辨率2560*1440OP，刷新率165Hz以上，IPS面板。
14	操作台		材质为钢材喷塑，操作台尺寸长宽高为1200600750。