計算機與控制工程學院自動化系
實驗一調節閥的流量特性測試實驗
一、實驗目的：
1. 掌握實驗步驟及資料的測試方法。
2. 通過實驗測試資料驗證電動調節閥的特性在大部分曲線範圍內工作屬於線性的。
3. 分析為什麼調節閥的流量特性曲線和理想特性曲線是有區別的。
二、實驗設施：
化工自動化儀表實驗平台、實驗導線；
三、實驗原理：
調節閥的流量特性是指被控介質流過閥門的相對流量和閥門相對開度之間的關係，即
1-1）
式中為相對流量，即某一開度流量與全開流量之比； /為相對行程，即某一開度行程與全行程之比。
目前常用閥的理想流量特性分為：直線特性、對數（等百分比）特性、快開特性和拋物線特性四種曲線，如下圖1-1所示：
圖1-1 調節閥的理想流量特性曲線
在實際工業場合用的最多的是第一種線性調節閥，此種閥較易配合各種管路和流量感測器完成流量控制，本套裝置也是採用線性調節閥。實際應用中，理想特性曲線較難得到，因為當將調節閥實際接入管道時，其特性會受多種因素的影響，如連線管道阻力、前後壓差、多管路融合與分支等，所以很難得到理想流量特性描述的四種曲線，本套裝置也不例外，但在大部分區域內調節閥依然保持線性工作狀態。
為了測量調節閥的特性曲線，首先需要把物件系統的管路開通，確保水能在動力系統的驅動下流經電動調節閥和流量計，最後將水打出水管，管路流通見下1-2圖。對於本套裝置的流量測量裝置主要有三種：電磁流量計、渦輪流量計和孔板流量計，在考慮測量精度和流體壓力損失較小的情況下，優先選用電磁流量計進行測量，然後流經渦輪流量計，將閥前管道盡可能地放長，並將電磁流量計輸出訊號送到智慧型儀表測量端用於現場顯示，通過描點法繪製曲線即可判斷電動調節閥的特性曲線是否為線性。
圖1-2 電動調節閥流量特性測試流程圖
四、實驗步驟：
1. 實驗之前先將儲水箱中貯足水量，一般接近儲水箱容積的4/5，然後將閥f1-2、f1-3、f1-7全開，其餘手動閥門關閉；
2. 將儀表控制箱中「電磁流量計」的輸出對應接至智慧型調節儀ⅰ的「0～5v/1～5v輸入」端，將智慧型調節儀ⅰ的「4～20ma輸出」端對應接至「電動調節閥」的控制訊號輸入端；
3. 開啟物件系統儀表控制箱的單相空氣開關，給所有儀表上電；
4. 智慧型儀表ⅰ基本引數設定：sn=33、dip=0、dil=0、dih=1200、opl=0、oph=100、cf=0、addr=1；
5. 本實驗需要手動控制智慧型調節儀ⅰ的輸出，以控制電動調節閥的開度改變管道流量的大小。建議使用儀表的手動按鈕修改儀表的4～20ma電流輸出值。
6. 首先手動控制智慧型調節儀ⅰ的輸出到20%，開啟儀表控制箱中的「離心幫浦」旋鈕開關（所有實驗專案中除流量批量控制實驗中使用離心幫浦的自動開關外，其他實驗均使用手動開關，離心幫浦的手自動開關位於離心幫浦黑色接線盒的右側，標有「一」字樣為自動狀態，標有「二」字樣為手動狀態，選擇手動狀態後，就可以直接使用儀表控制箱中的離心幫浦二位旋鈕開關來控制離心幫浦的運轉狀態）；
7. 當「調節閥流量」穩定後，讀出本次電動調節閥的開度以及電動調節閥的相對流量點，以與下乙個點連線；重複⑥和本步驟，依次將電動調節閥的開度增加5個百分點，直到80%為止，觀察並分析電動調節閥的線性度。
五、實驗報告及要求：
1. 畫出本實驗物件系統方框圖；
2. 根據實驗測試資料，分析電動調節閥的特性；
3. 分析影響電動調節閥特性曲線有別於理想特性曲線的因素有哪些，並一一枚舉。
實驗二水箱液位定值控制實驗
一、實驗目的：
1．了解單容液位定值控制系統的結構與組成。
2．掌握單容液位定值控制系統調節器引數的整定方法。
3．了解p、pi、pd和pid四種調節器分別對液位控制的作用。
二、實驗設施：
化工自動化儀表實驗平台、實驗導線。
三、實驗原理：
實驗系統流程圖如下圖所示。被控量為液位水箱的液位高度，實驗要求水箱的液位穩定在給定值的2%～5%範圍內。本裝置中共有三路液位感測器同時檢測液位水箱的液位高度，可任選一路作為控制器的反饋訊號，本實驗選用電容式壓力變送器作為測量液位的反饋訊號，與給定量比較後取得差值，調節器根據偏差來控制電動調節閥的開度，以達到控制水箱液位的目的。
為了實現系統在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統的調節器應為pi或pid控制，一般在變化量較快的液位、流量和壓力控制引數中，不採用微分控制，微分雖然可以改善動態調節效果，但其對變化較快引數的抗干擾能力較差。
圖2-1水箱液位定值控制實驗流程圖
四、實驗步驟：
1．實驗之前先將儲水箱中貯足水量，一般接近儲水箱容積的4/5，然後將閥f1-1、f1-3、f1-7全開，其餘手動閥門關閉；
2．將儀表控制箱中「電容式液位變送器」的輸出對應接至智慧型調節儀ⅰ的「0～5v/1～5v輸入」端，將智慧型調節儀ⅰ的「4～20ma輸出」端對應接至「電動調節閥」的控制訊號輸入端；
3．開啟物件系統儀表控制箱的單相空氣開關，給所有儀表上電；
4．智慧型儀表ⅰ引數設定：sn=33、dip=1、dil=0、dih=50、opl=0、oph=100、cf=0、addr=1；
5．按經驗法或動態特性引數法等整定調節器引數，選擇pi控制規律，並按整定後的pi引數進行調節器引數設定。
6．手動設定智慧型調節儀ⅰ的比例度、積分時間和微分時間的引數。智慧型調節儀ⅰ設定為「自動」狀態，儀表內部控制演算法啟動，開啟離心幫浦的開關，對被控引數進行閉環控制。
7．當液位穩定於給定值的2%～5%範圍內，且不在超出這個範圍後，通過以下幾種方式加干擾：
① 突增（或突減）儀表設定值的大小，使其有乙個正（或負）階躍增量的變化（內部擾動）；
② 將閥f1-1旁路閥f1-2開至適當開度（外部擾動）；
③ 改變關聯管路的閥門以對系統加入外部擾動，但注意外部擾動加入量應合理，不宜破壞系統的平衡，超出控制系統的調節能力範圍。
以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的5％～15％，干擾過大可能造成水箱中水溢位或系統不穩定。通過內部擾動加入干擾後，水箱的液位便離開原平衡狀態，經過一段調節時間後，水箱液位穩定至新的設定值（採用後面兩種干擾方法仍穩定在原設定值），記錄此時的智慧型儀表的設定值、輸出值和儀表引數，液位的響應過程曲線將如圖所示。
圖2-2 單容水箱液位的階躍響應曲線
8．分別適量改變調節儀的p及i引數，重複步驟7，用描點法畫出不同引數時系統的階躍響應曲線。
五、實驗報告要求
1．畫出單容水箱液位定值控制實驗的系統方框圖。
2．用實驗方法確定調節器的相關引數，寫出整定過程。
3．比較不同pid引數對系統控制品質產生的影響。
4．分析p、pi、pd、pid四種控制規律對本實驗系統的作用。
實驗三管道壓力定值控制實驗
一、實驗目的：
1．了解單閉環壓力定值控制系統的結構與組成。
2．掌握單閉環壓力定值控制系統調節器引數的整定方法。
3．了解p、pi、pd和pid四種調節器分別對壓力控制的作用。
二、實驗設施：
化工自動化儀表實驗平台、實驗導線。
三、實驗原理：
本實驗系統流程圖如下圖所示。被控量為幫浦輸送液體水時產生的管道壓力，實驗要求管道壓力值穩定在給定值的2%～5%範圍內。將擴散矽壓力變送器檢測到的電動調節閥的閥前管道壓力訊號作為反饋訊號，與給定量比較後取得差值，調節器根據偏差來控制電動調節閥的開度，以達到控制管道壓力的目的。
為了實現系統在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統的調節器應為pi或pid控制，一般在變化量較快的液位、流量和壓力控制中，不採用微分控制，微分雖然可以改善動態調節效果，但其對變化較快引數的抗干擾能力較差。
圖3-1 管道壓力定值控制實驗流程圖
四、實驗步驟：
1．實驗之前先將儲水箱中貯足水量，一般接近儲水箱容積的4/5，然後將閥f1-2、f1-3、f1-7全開，其餘手動閥門關閉；
2．將儀表控制箱中「管道靜壓變送器」的輸出對應接至智慧型調節儀ⅰ的「0～5v/1～5v輸入」端，將智慧型調節儀ⅰ的「4～20ma輸出」端對應接至「電動調節閥」的控制訊號輸入端；
3．開啟物件系統儀表控制箱的單相空氣開關，給所有儀表上電；
4．智慧型儀表ⅰ引數設定：sn=33、dip=1、dil=0、dih=200、opl=0、oph=100、cf=1、addr=1；
5．按經驗法或動態特性引數法等整定調節器引數，選擇pi控制規律，並按整定後的pi引數進行調節器引數設定。
6．在智慧型調節儀ⅰ上設定壓力設定值（設定範圍最大在55～150kpa之間，推薦設定在80kpa以上，因80kpa以下存在嚴重的閥前壓力非線性現象），然後設定「比例度」「積分時間」「微分時間」等引數，把智慧型調節儀ⅰ設定為「自動」狀態，儀表內部控制演算法啟動，開啟離心幫浦開關，對被控引數進行閉環控制。
7．當管道靜壓穩定於給定值的2%～5%範圍內，且不在超出這個範圍後，通過以下兩種方式加干擾：
① 突增（或突減）儀表設定值的大小，使其有乙個正（或負）階躍增量的變化（內部擾動）；
② 將閥f1-2旁路閥f1-1開至適當開度（外部擾動）；改變關聯管路的閥門也可以對系統加入外部擾動，但注意外部擾動加入量應合理，不宜破壞系統的平衡，超出控制系統的調節能力範圍。
以上兩種干擾均要求擾動量為控制量的5％～15％，干擾過大可能造成系統的激烈振盪，甚至不穩定。通過內部擾動加入干擾後，管道壓力便離開原平衡狀態，經過一段調節時間後，壓力穩定至新的設定值（採用後面一種干擾方法仍穩定在原設定值），記錄此時的智慧型儀表的設定值、輸出值和儀表引數，觀察曲線變化趨勢。
8．分別適量改變調節儀的p及i引數，重複步驟7，用描點法畫出不同引數時系統的階躍響應曲線。
9．分別用p、pd、pid三種控制規律重複上述步驟，用描點法畫出不同控制規律下系統的階躍響應曲線。
五、實驗報告要求
1．畫出單閉環壓力定值控制實驗的系統方框圖。
2．用實驗方法確定調節器的相關引數，寫出整定過程。
3．比較不同pid引數對系統的效能產生的影響。
4．分析p、pi、pd、pid四種控制規律對本實驗系統的作用。
實驗四管道流量定值控制實驗
一、實驗目的：
1．了解單閉環流量定值控制系統的結構與組成。
2．掌握單閉環流量定值控制系統調節器引數的整定方法。
3．了解p、pi、pd和pid四種調節器分別對流量控制的作用。
二、實驗設施：
化工自動化儀表實驗平台、實驗導線。
三、實驗原理：
本實驗系統流程圖如下圖所示。被控量為幫浦輸送液體水在管道中產生的流量，實驗要求流量值穩定在給定值的2%～5%範圍內。本裝置中共有電磁、渦輪和孔板三種流量計同時檢測管道流體流量，其中電磁流量計和渦輪流量計可任選一路作為控制器的流量反饋訊號，本實驗使用電磁流量計測量管道流量作為反饋訊號，但孔板流量計不能直接測量流量。
反饋訊號與給定量比較後取得差值，調節器根據偏差來控制電動調節閥的開度，以達到控制流體流量的目的。為了實現系統在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統的調節器應為pi或pid控制，一般在變化量較快的液位、流量和壓力控制中，不採用微分控制，微分雖然可以改善動態調節效果，但其對變化較快引數的抗干擾能力較差。
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