过程装备与控制技术

过程装备与控制技术实验指导书1过程装备与控制技术实验指导书刘天霞汤占岐编北方民族大学化学与化学工程学院二00六年十一月过程装备与控制技术实验指导书2目录实验1:流量自衡过程··························································3实验2：单液位非自衡过程···················································6实验3：反应温度非自衡过程················································7实验4：一阶惯性通道传递函数模型测试·······························10实验5：衰减振荡法液位PID控制器参数整定························15实验6：气体压力PID单回路控制系统的设计与整定···············19过程装备与控制技术实验指导书3实验1:流量自衡过程1、实验目的1）了解什么是自衡过程及其特点。2）分清过程自衡的原因。3）分析过程自衡的条件及自衡的范围。2、实验原理自衡过程是指系统中存在着对所关注的变量的变化有一种固有的、自然形式的负反馈作用，该作用总是力图恢复系统的平衡。具有自平衡能力的过程称为自衡过程。反之，不存在固有反馈作用且自身无法恢复平衡的过程，称为非自衡过程。在出现扰动后，过程能靠自身的能力达到新的平衡状态的性质称为自衡特性。无论扰动如何变化，过程自身都能在不加控制的条件下，在变量实际允许的量程范围内达到平衡，这种过程称为完全自衡过程。实际过程中自衡常常是有条件的，并且是在一定的范围内才可以自衡，超出允许范围就无法达到自衡了。依据过程的自衡与非自衡特性，可以将大多数工业过程的特性归类为如下常见类型。1）无振荡自衡过程在阶跃作用下，被作用变量不发生振荡，且逐渐向新的稳态值靠近。此类过程的传递函数模型可表达为如下形式GsKeTsGsKeTTGsKeTssssn()()()()()()111112（2-1）以上无振荡自衡过程传递函数模型，可以直接通过阶跃响应曲线用图解法或曲线拟合方法得到，详见本单元模块（四）。在过程工业中无振荡自衡过程十分常见，并常用第一种模型表达。第一种模型又称为一阶加纯滞后模型，可以用来近似多容高阶动态模型。2）有振荡自衡过程在阶跃作用下，被作用变量发生衰减振荡，且逐渐向新的稳态值靠近。此类过程的传递函数模型至少是二阶以上形式，在工业过程中很少见，例如GsKeTsTss()()()222101（2-2）3）无振荡非自衡过程在阶跃作用下，被作用变量会一直上升或一直下降，不能达到新的平衡状态。此类过程的传递函数模型常表达为GsKeTss()（2-3）GsKesTss()()1（2-4）过程装备与控制技术实验指导书4由于积分过程具有非自衡特性，以上传递函数模型中都含有一个积分因子(1/S)。3、实验工艺过程描述流量自衡过程实验选离心泵及液位流程中的泵出口流量F2，具体流程见图2-1。工艺过程的描述详见第一部分，第二单元。为了使实验结果准确，采用单回路液位控制系统通过上游的阀门V1调节流量F1，控制液位L1稳定。然后，通过手动改变阀门V2的开度，观察流量F2的自衡过程。4、实验设备及连接1）在上位计算机启动测试软件，选择并进入离心泵及液位工程。2）在盘台上进行线路连接。如图2-2所示，①用黑色导线将卧圆罐液位L1黑色插孔和液晶显示器下部1号黑色插孔连接，将L1设定为液晶显示器上对应的第一排左数第一个棒图显示。②用黑色导线将离心泵出口流量F2黑色插孔和液晶显示器下部11号黑色插孔连接，将F2设定为液晶显示器上对应的第三排左数第一个数字显示。5、控制系统组态1）将液位L1控制定义为位号LIC-01，PID参数设置为：KC=16、Ti=60秒、Td=0秒、反作用。变送器集点选L1。带定位器的控制阀选V1，阀特性选线性，组态画面见图2-3。2）完成趋势画面组态，选择F2、V2两个变量需要趋势记录。趋势画面见图2-4。3）阀门V1、V2特性选线性。图1-1离心泵及液位流程图画面6、实验步骤1）将测试软件选定为运行状态。2）按照第一部分，第二单元操作规程将本系统开车到正常工况。此时，手动调整V2的开度为45%，L1设定值设为50%。3）手动调整V2的开度为55%，观察流量F2按一阶非周期特性上升，大约25秒钟后达到新的平衡。4）手动调整V2的开度为60%，观察流量F2仍按一阶非周期特性上升，大约20秒钟后达到新的平衡。5）本实验可以继续下去，无论如何改变V2的开度（增加或减少），F2总能经过一个一阶非周期特性的变化达到新的平衡点。过程装备与控制技术实验指导书5图1-2盘台上的黑线连接图1-3液位单回路控制系统组态图7、实验结果记录详见图4所记录的F2和V2随时间变化的历史曲线，及实验记录表2-1。表2-1测试实验案例001实验记录实验步骤V2初始开度V2新开度F2初始值F2新平衡值1234过程装备与控制技术实验指导书6图1-4趋势记录画面8、实验分析与结论9、思考题1）什么是自衡过程？有何特点？2）简要解释过程自衡的原理。3）什么原因能导致流量自衡？举例说明。实验2：单液位非自衡过程1、实验目的1）了解什么是单液位非自衡过程及其特点。2）分清单液位非自衡过程非自衡的原因。3）分析单液位非自衡过程非自衡的条件。2、实验原理见实验1。3、实验工艺过程描述工艺过程同实验1，所不同的是固定出口流量F2（即固定V2开度），改变入口流量F1，观察液位L1的非自衡现象。4、实验设备及连接同实验1。5、控制系统组态同实验1。6、实验步骤1）设定趋势回零状态，启动测试软件为运行模式。2）按照第一部分，第二单元操作规程将本系统开车到正常工况。此时，手动调整V2的开度为30%，L1设定值设为50%。3）将控制器LIC-01置手动，将控制器输出提升到80%，实现方法是：在控制器图标中点击“配置”，弹出“PID控制器配置”画面，修改输出为80%，并进行“确认”。过程装备与控制技术实验指导书74）观察液位持续上升，最后液位达到100%，即满罐，由于本罐通大气，继续下去则发生溢流事故，液位将维持100%不变。5）本实验可以继续下去，发现V1的开度只要偏离使流量F1等于F2的位置，当F1大于F2时，液位L1则持续上升直到满罐；当F1小于F2时，液位L1则持续下降直到抽空。系统再也无法达到平衡。7、实验结果记录详见图2-5，测试软件按趋势画面组态自动记录L1和V1随时间变化的历史曲线。图2-1趋势记录画面8、实验分析与结论9、思考题1.什么原因能导致液位自衡？举例说明。实验3：反应温度非自衡过程1、实验目的1）了解什么是反应温度非自衡过程及其特点。2）分清反应温度非自衡的原因。3）分析反应温度非自衡的条件。2、实验原理见实验1。3、实验工艺过程描述连续反应温度非自衡过程实验流程见图3-1。工艺过程的描述详见第一部分，第五单元。首先通过手动将连续反应过程从冷态开车达到正常工况，采用单回路控制系统TIC-01稳定反应温度，用单回路控制系统LIC-01稳定反应器内的液位。当反应稳定后，将TIC-01切手动，人为改变夹套冷却水阀门V8开度，即加大或减小冷却水流量，观察反应温度的非自衡过程。4、实验设备及连接1）在上位计算机启动测试软件，选择并进入连续反应工程。过程装备与控制技术实验指导书82）在盘台上进行线路连接。①用黑色导线将丙烯进料流量F4黑色插孔和液晶显示器下部8号黑色插孔连接，将F4设定为液晶显示器上对应的第二排右数第三个数字显示。②用黑色导线将己烷进料流量F5黑色插孔和液晶显示器下部9号黑色插孔连接，将F5设定为液晶显示器上对应的第二排右数第二个数字显示。③用黑色导线将催化剂与活化剂混合物进料流量F6黑色插孔和液晶显示器下部10号黑色插孔连接，将F6设定为液晶显示器上对应的第二排右数第一个数字显示。④用黑色导线将反应温度T1黑色插孔和液晶显示器下部13号黑色插孔连接，将他设定为液晶显示器上对应的第三排右数第三个数字显示。⑤用黑色导线将反应器液位L4黑色插孔和液晶显示器下部14号黑色插孔连接，将L4设定为液晶显示器上对应的第三排右数第二个数字显示。⑥用黑色导线将夹套冷却水流量F8黑色插孔和液晶显示器下部15号黑色插孔连接，将F8设定为液晶显示器上对应的第三排右数第一个数字显示。图3-1连续反应过程流程图画面图3-2控制系统组态画面5、控制系统组态1）将液位L4控制定义为位号LIC-04，PID参数设置为：KC=1.5、Ti=50秒、Td=0秒、正作用。变送器集点选L4。带定位器的控制阀选V9，阀特性选线性，组态画面见图3-2。2）将反应温度T1控制定义为位号TIC-01，PID参数设置为：KC=6、Ti=90秒、Td=10秒、正作用。变送器集点选T1。带定位器的控制阀选V8，阀特性选线性，组态画面见图3-2。过程装备与控制技术实验指导书93）完成趋势画面组态，选择T1、V8、F8三个变量需要趋势记录。趋势画面见图3-3。4）阀门V4、V5、V6选线性特性。6、实验步骤1）设定趋势回零状态，启动测试软件为运行模式。2）按照第一部分，第五单元操作规程将本系统开车到稳定工况。此时，手动调整V4的开度为55%，V5的开度为55%，V6的开度为60%，反应器液位LIC-01的设定值为70%，反应温度TIC-01的设定值为70℃。系统工况稳定时，F4=718Kg/h，F5=1505Kg/h，F6=88.8Kg/h，T1=70℃，L4=70%。3）将反应温度控制器TIC-01切手动，将控制器的输出减小10%左右，使当前反应的冷却量不足，反应温度按指数规律上升得越来越快，大约200多秒钟温度上升到报警限，见图2-16记录曲线。此时如果不采取紧急措施，将发生爆炸事故。这是连续反应温度的正向非自衡现象。4）当T1上升到接近100℃时，及时将TIC-01切自动，控制器立即加大夹套冷却水流量，经过自动控制，T1回到70℃，并稳定在70℃上。5）将反应温度控制器TIC-01切手动，将控制器的输出加大10%左右，使当前反应的冷却量超出所需量，反应温度则不断下降，直到停止反应，大约460秒钟后回到常温。这是连续反应温度的反向非自衡现象，见图2-17记录曲线。此种情况虽然没有危险，但反应会减弱直到停止，即工厂减产或停工，也是不允许的。7、实验结果记录详见图3-3和图3-4所记录的T1、V8和F8随时间变化的历史曲线，图3-3是连续反应温度的正向非自衡过程的记录；图3-4是连续反应温度的反向非自衡过程的记录。图3-3趋势记录画面之一过程装备与控制技术实验指导书10图3-4趋势记录画面之二8、实验分析与结论9、思考题1）什么是非自衡过程？有何特点？2）简要解释过程非自衡的原理。3）举例说明何种液位系统无法自衡。4）各写两种自衡过程和非自衡过程的传递函数模型，说明其特征。5）导致连续反应温度非自衡的原因是什么？可能导致什么危险？6）为什么非自衡过程需要安全保护控制？常用哪些保护控制方法？实验4：一阶惯性通道传递函数模型测试1、实验目的：1）正确应用阶跃响应法测试通道动态特性。2）通过阶跃响应曲线判别通道传递函数表达方式。3）应用作图法测定通道一阶惯性传递函数的增益K和时间常数T。4）应用作图法测定通道一阶惯性加纯滞后传递函数的增益K、时间常数T和纯滞后时间τ。2、实验原理1）通道模型建立工业过程的数学模型是对通道影响关系的深入揭示，在过程控制中，建立通道模型的用途主要是：辅助控制系统方案的分析和研究；直接用来作为先进控制系统中的数学模型；辅助控制系统的调试；进行PID控制器的参数整定；辅助安全评价和决定安全保护控制方案；用于故障诊断；用于仿真训练等。工业过程的数学模型主要分为静态模型和动态模型。通道动态模型是表达输入变量和输出变量之间随时间变化的数学描述。数学模型的结构为微分方程，常用传递函数表示，以便采用代