计算机控制技术实验指导书

绪 论

过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。在现代化工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。

“TkJ-2型高级过程控制系统实验装置”是为了配合过程控制工程与自动化仪表、计算机控制等相关课程的教学而设计开发的。

该系统设计本着工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才的培养原则出发。实验对象采用当今工业现场常用的对象，如水箱、锅炉。控制装置分别采用智能仪表、研华的模块、西门子PLC，上位机监控软件采用WINCC组态软件。学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能很快地适应环境进入角色。同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开发平台。 实验过程的基本程序： 1、明确实验任务； 2、提出实验方案； 3、画实验接线图；

4、进行实验操作，做好观测和记录； 5、整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。

在进行本书中的综合实验时，上述程序应尽量让学生独立完成，老师给予必要的指导，以培养学生的实验动手能力，要做好各主题实验，就应做到：实验前有准备；实验中有条理，实验后有分析。

TkJ-2型高级过程控制系统的概述

一 系统简介

“TkJ-2型高级过程控制系统实验装置”是基于工业过程的物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置，该装置是本企业根据自动化及其它相关专业教学的特点，吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出了一套全新的实验装置，该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈—反馈控制，比值控制，解耦控制等多种控制形式。

本装置还可根据用户的需要设计构成DDC，DCS，PLC，FCS 等多种控制系统。该实验装置既可作为本科，专科，高职过程控制课程的实验装置，也可为研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供物理模拟对象和实验手段。

二 现场对象

本实验装置由被控对象和控制柜两部分组成。系统动力支路分两路：一路由单相磁力驱动泵、电动调节阀、电磁流量计、压力变送器及手动调节阀组成；另一路由日本三菱变频器、单相磁力驱动泵、涡轮流量计及手动调节阀组成。 1、现场系统对象

TKJ－2 型高级过程控制系统的控制对象主要有水箱、锅炉、热交换、变频器、调节阀以及水泵管道等。

21201918压力传感器上水箱1716151413121110锅炉手阀联锁保护21201918171615141321201918171615压力传感器121110中水箱1413121110加热棒手阀冷进热出212019181716151413换热器下水箱 调节阀冷出热进盘管压力传感器121110压力传感器电磁流量计储水箱M水泵涡街流量计M水泵

图1.2.1现场系统对象结构示意图 表1.2.1整体流程测点清单 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 位号或 代号 TE-101 TE-102 TE-103 TE-104 TE-105 LSL-105 LSH-106 XV-101 设备名称 热电阻 热电阻 热电阻 热电阻 热电阻 液位开关 液位开关 电磁阀 用途 锅炉水温 锅炉回水温度 原始信号类型 Pt100 Pt100 AI AI AI AI AI DI DI DO 工程量 0～100℃ 0～100℃ 0～100℃ 0～100℃ 0～100℃ NC NC NC 换热器热水出口水温 Pt100 换热器冷水出口水温 Pt100 储水箱水温 锅炉液位极低联锁 锅炉液位极高联锁 一支路给水切断 Pt100 干接点 干接点 光电隔离 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 XV-102 AL-101 FT-101 FT-102 PT-101 LT-101 LT-102 LT-103 LT-104 FV-101 GZ-101 U-101 电磁阀 告警 涡轮流量计 电磁流量计 压力变送器 液位变送器 液位变送器 液位变送器 液位变送器 电动调节阀 调压模块 变频器 二支路给水切断 一支路给水流量 二支路给水流量 给水压力 上水箱液位 中水箱液位 下水箱液位 光电隔离 光电隔离 DO DO NC NC 0～3m/h 0～3m/h 150kPa 2.5kPa 2.5kPa 2.5kPa 0～5kPa 0～100％ 0～100％ 0～100％ 334～20mADC AI 4～20mADC AI 4～20mADC AI 4～20mADC AI 4～20mADC AI 4～20mADC AI 锅炉/中水箱右液位 4～20mADC AI 阀位控制 锅炉水温控制 频率控制 4～20mADC AO 4～20mADC AO 4～20mADC AO 注：所列信号类型为原始信号，在控制柜中Pt100经过变送器转换成了4～20mA。一般两线制信号在IO面板上已经连接了24V和GND，可以按照四线制方式使用。执行机构一般为2～10V控制，控制信号经过500欧姆采样电阻，被转换成4-20毫安控制。

实验一 单容水箱特性的测试

被控对象数学模型的建立通常用下列二种方法。一种是分析法，即根据过程的机理、物料或能量平衡关系求得它的数学模型；另一种是用实验的方法确定。本章主要介绍被控对象对典型输入信号的响应来确定它的数学模型。由于此法较简单，因而在过程控制中得到了广泛地应用。

一、实验目的

1. 掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并记录相应液位的响应曲线。 2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。

二、实验设备

1. TkJ-2型高级过程控制系统实验装置 2. 计算机及相关软件 3. 万用电表一只

三、实验原理

单容水箱为下水箱时该阀为QV-105 单容水箱为下水箱时该阀为出水口闸板QV-116 图2.1单容水箱特性测试结构图

由图2.1可知，对象的被控制量为水箱的液位H，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1，手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时

Q1-Q20=0 （1）

动态时，则有

dV （2） dtdV式中V为水箱的贮水容积，为水贮存量的变化率，它与H的关系为

dtdVdhdV?Adh，即= A （3）

dtdtQ1-Q2=

A为水箱的底面积。把式（3）代入式（2）得

Q1-Q2=A

基于Q2=

dh （4） dth，RS为阀V2的液阻，则上式可改写为 RShdhQ1-= A RSdtdh+h=KQ1 dt即

ARS

或写作

H(s)K= （5） Q1(s)TS?1式中T=ARS，它与水箱的底积A和V2的RS有关；K=RS。 式（5）就是单容水箱的传递函数。

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