毕业设计（论文）-单回路控制系统实验设计.doc

学 院毕 业 设 计（论 文）说 明 书题 目：单回路控制系统实验设计系 别：系专业班级：自动化级班学生姓名：指导教师：教 研 室：自动化教研室 提交时间：2011年月 日单回路控制系统实验设计摘 要 I- -通过对控制工程课程中单回路控制系统理论知识的介绍，说明了单回路控制系统的重要地位。介绍了单回路控制系统原理结构及其操作，并对参数设置作了分析；介绍了PCT-1型过程控制实验装置的结构，然后通过PCT-1型过程控制实验装置完成对单回路控制系统实验设计；完成该实验，可以使学生们掌握单回路控制系统的控制方案选择，调节器正反作用选择，PID参数整定方法等理论知识的学习。关键词： 单回路控制系统，PID参数整定，控制方案选择，系统投运，实验设计。ABSTRACTBy the presentation of single-loop control system theory knowledge in control engineering, illustrate the single-loop control systems importance. Introduced the principle structure and operation of the single-loop control system, and make the analysis for the pramerer settings. Introduce the structure of process control experimental facility typed PCT-1, the accomplish the designment of single-loop control system experiment through the process control experiment facility typed PCT-1, finish the experiment, It can let the student to grasp the selection of control projiects of single-loop control system, and the regulators positive and negative reaction. Students can also learn the method about the PID parameter settings. KEY WORDS: single-loop control system, define the parameter of PID, select the control project, the operation of system, design the experiment -目录摘 要IABSTRACTII第1章 引 言1第2章 单回路控制系统的地位2第3章 单回路控制系统设计33.1 单回路控制系统组成33.2 单回路控制系统设计概述43.3 单回路控制系统方案设计43.3.1 被控变量的选择43.3.2 操纵变量的选择53.3.3 传感器、变送器的选择63.3.4 调节阀（执行器）的选择73.3.5 调节器控制规律的选择73.3.6 调节器正、反作用的确定83.4 单回路控制系统参数整定83.4.1 单回路控制系统整定的概述83.4.2 临界比例度法93.4.3衰减曲线法103.4.4 经验法11第章 单回路控制系统的投运13第章 单回路控制系统实验145.1 实验室硬件设备介绍145.2 单回路控制系统实验205.2.1实验目的205.2.2实验内容205.2.3单回路控制系统投运23第章 结束语24致 谢25参考文献26附 录1 实验室规则27附 录2 单回路控制系统实验设计28第1章 引 言现代工业生产过程，随着生产规模的不断扩大，生产过程的强化，对产品质量的严格要求，人工操作与控制已远远不能满足现代化生产的需要，工业过程控制系统已成为工业生产过程必不可少的设备，因此自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起来的；过程控制技术是自动化技术的重要应用领域。其中单回路控制系统作为自动控制系统基础理论知识有着重要的实际意义。单回路控制系统又称简单控制系统，它是只有一个检测元件或变送器，一个控制器，一个执行器连同被控对象，对一个被控参数进行控制的反馈闭环控制系统，如果在把执行器，被控对象，检测元件及变送器等环节归在一起（称为“广义被控对象”），则单回路控制系统又可简化成由广义对象和控制器两部分组成。单回路控制系统结构简单，投资少，易于调整，操作维护比较方便，适应性强；是最基本，最常见，应用最广泛的控制系统。适用于被控对象滞后时间比较小，负荷和干扰变化不大，控制质量要求不高的场合。在简单控制系统基础上发展起来的各种复杂控制系统如串及控制系统，前馈比值控制系统，特殊控制系统等给工业生产带来了很大的便利；在工业过程计算机集成控制系统中也往往把它作为最低层的控制系统，因此学习简单控制系统是非常重要的。尽管单回路控制系统比较简单，但它的系统分析、设计方法是各种复杂控制系统设计的方法与基本原则，因此掌握了单回路控制系统的分析和设计方法，将会给复杂控制系统的分析和研究提供很大的方便。进行单回路控制系统实验设计就是希望通过对单回路控制系统的学习，掌握单回路控制系统的控制方案选择和参数整定方法等理论知识，对巩固和加深课堂教学内容，提高学生实际工作技能，培养科学作风，为学习后续课程和从事实践技术工作奠定基础具有重要作用。第2章 单回路控制系统的地位控制工程是自动化专业的一门专业必修课，是该专业的一门高级专业课程，其主要内容包括工业过程控制工程基础，先进控制技术和工业生产过程控制的应用；单回路控制系统属于工业过程控制工程基础，我们学习单回路控制系统应首先掌握单回路控制系统的基本原理和结构，PID参数整定方法等等，以便为复杂控制系统的学习奠定理论基础。基础性是指基本理论、基本知识和基本技能。单回路控制系统的学习是学习复杂控制系统的理论基础，是控制工程的理论基础知识，在自动控制专业教学中具有重要作用；自动化专业学生学习单回路控制系统重在理论分析，它是研究和发展本专业的重要工具，同时注重培养学生解决实际问题的能力。本课程主要讲授单回路控制系统及其设计理论和方法，介绍控制方案的设计和应用。调节器参数的整定，通过本课程的学习， 使学生能够根据工业过程被控对象特点，正确选用传感器，执行器，过程控制通道，正确选择控制方案，设计控制规律，初步掌握建立实际工业过程控制系统的方法，初步了解工业过程控制系统的实现和整定方法，从而提高学生对工业过程控制系统分析和实践能力。单回路控制系统实验课是本课程重要的教学环节，其目的是使学生掌握自动化仪表的使用、控制系统的分析与设计方法，接受基本实验技能的训练，提高学生分析问题、解决问题和实际动手的能力。第3章 单回路控制系统设计 3.1 单回路控制系统组成简单控制系统是由被控对象，一个测量元件及变送器，一个控制器和一个执行器所组成的单回路负反馈控制系统。其方块图如下： 图3-1 单回路控制系统方块图单回路控制系统组成各部分定义如下：（1）被控对象：也称对象。是指被控制的生产设备或装置。（2）测量变送器：测量被控变量，并按一定的规律将其转换为标准信号的输出，作为测量值（3）执行器：常用的是控制阀，接受控制器来的信号u，直接改变操纵变量q.操纵变量是被控对象的某输入变量，通过操作这个变量可克服扰动对被控变量的影响。（4）控制器：也称调节器。它将被控变量的设定值与测量值进行比较得出偏差信号e，并按一定控制规律给出控制信号u控制器的设定值由人工给定，但由于扰动作用的存在使的输出信号偏离原先的给定值，所以通过测量变送环节使给定值与测量值相减得到偏差信号，然后控制器在根据偏差的正负，大小及变化情况，发出控制信号。控制器的输出送往执行器，执行器则根据控制信号的大小变化作用于被控对象，使测量值接近或等于给定值，这样就构成了一个简单的控制系统。3.2 单回路控制系统设计概述分析，设计和应用好一个过程控制系统，首先应全面了解被控过程，其次根据工艺要求对系统进行研究，确定最佳的控制方案，最后对过程控制系统进行设计，整定和投运。这里面包括有正确地选择被控变量和操纵变量；正确选择控制器的开闭型式及其流量特性；正确的选择控制器的类型及其正反作用，以及正确的选择测量变送装置等。为此。必须对系统中的被控对象，控制器，控制阀，和测量变送装置特性对控制质量的影响情况，分别进入深入的分析和研究。 (1)过程控制系统设计的一般要求：a)过程控制系统是稳定的，且具有适当的稳定裕度。b)系统应是一个衰减振荡过程，但过渡过程时间要短，余差要小。(2)过程控制系统设计的基本方法：设计方法很多，主要有对数频率特性设计法、根轨迹设计法、系统参数优化的计算机辅助设计等。(3)过程控制系统统设计步骤：a)建立被控过程的数学模型b)选择控制方案c)建立系统方框图d)进行系统静态、动态特性分析计算e）实验和仿真3.3 单回路控制系统方案设计3.3.1 被控变量的选择 生产中希望借助控制系统保持恒定值（或按一定规律变化）的参数称为被控参数，也称为被控变量；被控变量的选择是控制系统设计的核心问题,选择的正确与否,会直接关系到生产的稳定操作、产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善等。从生产过程对控制系统的要求出发，选取被控变量的一般原则为：（1）尽量选用直接指标作为被控变量,因为他最直接最可靠；（2）当无法获得直接指标的信号，或其则量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量；（3）选择时若有多个变量表示同一状态时，可选择测量速度快，准确度高的变量作为被控变量；（4）检测点与被测量之间有一一对应，检测点应有良好的跟踪器；同时兼顾工艺上的合理性和所用仪表的性能及经济性。3.3.2 操纵变量的选择在控制系统中，把用来克服干扰对被控参数的影响，实现控制作用的变量称为控制变量，也称操纵变量。当工艺上允许有几种控制参数可供选择时，可根据被控过程扰动通道和控制通道特性，对控制质量的影响做出合理的选择。所以正确选择控制参数就是正确选择控制通道的问题。在生产过程有几个控制参数可供选择时，一般希望控制通道克服扰动的校正能力要强，动态响应要比扰动通道快。由以上分析所以选取操纵变量的一般原则为：（1）选择对所选定的被控变量影响比较大的那些输入变量作为操纵变量，这就意味着操纵变量到被控变量之间的控制通道的增益要选得比较大；（2）应选择输入变量对被控变量作用效应比较快的那些作为操纵变量，这样控制的动态响应就比较快；（3）应选择输入变量中变化范围比较大的，这样可使被控变量比较容易控制；（4）时滞与时间常数之间的比值0To应尽量减小。（5）改变的操纵变量应该对后继的生产过程影响较小。3.3.3 传感器、变送器的选择过程控制系统中用于参数检测的传感器、变送器是系统中获取信息的装置。传感器、变送器完成对被控参数以及其他一些参数、变量的检测，并将测量信号传送至控制器。测量信号是调节器进行控制的基本依据，被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系统设计提供准确的控制依据，测量和变送环节的描述： (3-1)参数选择原则：减小Tm和m均对提高系统的控制质量有利。若Tm较大，则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动态误差。仪表精度等级表明了在稳态下仪表的最大百分误差。因为它是按全量程的最大百分误差来定义的，所以从减小测量变送环节误差角度考虑，应减少仪表的量程，即增大Km.从工艺的合理性、经济性、可替换性等方面来看，其选取应从如下几个方面考虑：（1）传感器、变送器测量范围与精度等级的选择在控制系统设计时，对要检测的参数和变量都有明确的测量精度要求，参数与变量可能的变化范围一般都是已知的。因此，在传感器与变送器的选择时，应按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器合适的测量范围与精度等级。（2）尽可能选择时间常数小的传感器、变送器（3）合理选择检测点，减小测量纯滞后m（4）为了保证测量精度和防止外界干扰，测量信号需要经过一定的处理，如测量信号校正与补偿，测量噪声的抑制，测量信号的线性化处理等等。3.3.4 调节阀（执行器）的选择（1）调节阀类型的选择：气动执行器和电动执行器（2）调节阀口径（Dg、dg）大小的选择：主要依据是阀的流通能力。正常工况下要求调节阀开度处于1585之间。（3）调节阀气开、气关形式的选择：主要以安全方面考虑。（4）调节阀流量特性的选择：系统总的放大倍数尽可能保持不变，通常被控过程的特性是非线性的(一阶以上特性)，而变送器、调节器(若比例作用时)和执行机构的放大系数是常数。因此往往通过选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性，从而达到系统总放大倍数不变的目的。3.3.5 调节器控制规律的选择（1）目的：为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。（2）根据过程特性选择控制规律的选取原则：A: 比例控制规律：适用于控制通道滞后较小，时间常数不太大，扰动幅度较小，负荷变化不大，控制质量要求不高，允许有余差的场合。如贮罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。B: 比例积分控制规律：引入积分作用能消除余差。适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制。C: 比例微分控制规律：引入了微分，会有超前控制作用，能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小，加快了控制过程，改善了控制质量。适用于过程容量滞后较大的场合。对于滞后很小和扰动作用频繁的系统，应尽可能避免使用微分作用。D: 比例积分微分控制规律：可以使系统获得较高的控制质量，它适用于容量滞后大、负荷变化大、控制质量要求较高的场合，如反应器、聚合釜的温度控制。3.3.6 调节器正、反作用的确定 (1)正、反作用概念正作用-指调节器的输出随着正偏差(指测量值大于设定值)的增加而增加，即调节器的输出随着测量值增大而增大。反作用-指调节器的输出随着正偏差的增加而减小，即调节器的输出随着测量值增大而减少。 （2）调节器作用方向确定的原则：应根据被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式来正确选择，以使自动控制系统成为一个负反馈的闭环系统，即如果被控变量偏高，则控制作用应使之降低；相反，如果被控变量偏低，则控制作用应使之升高。控制作用对被控变量的影响应与扰动作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量回到设定值。（3）确定调节器正、反作用的次序过程：首先根据生产工艺安全等原则确定调节阀的气开气关形式；然后按被控过程特性，确定其正、反作用。 3.4 单回路控制系统参数整定3.4.1 单回路控制系统整定的概述系统整定:指选择调节器的比例度、积分时间TI和微分时间Td的具体数值。系统整定的实质，就是通过改变控制参数使调节器特性和被控过程特性配合好，来改善系统的动态和静态特性，求得最佳的控制效果。但值得注意的是，只有系统设计正确，仪表经过调校和正确安装之后，调节器参数的整定才是有意义的。系统的良好控制效果一般要求：瞬时响应的衰减率（既过渡过程呈4:1的衰减变化），尽量减小稳态偏差(余差)、最大偏差和过渡过程时间。调节器参数的整定方法：（可分为三大类）(1) 理论计算整定法：如根轨迹法、频率特性法等。这类整定方法要求已知过程的数学模型。其计算繁琐，工作量很大，而且最后得到的数据一般精度又不高，所以目前在工程上较少采用。(2) 工程整定方法：如动态特性参数法、临界比例度法、衰减曲线法、现场实验整定法等。它直接在过程控制系统中进行。其方法简单，计算简便，而且容易掌握，所得参数虽然不一定为最佳，但是实用，能解决一般性问题，所以在工程上得到了广泛应用。(3) 计算机仿真寻优整定法：采用最优积分准则。来求调节器的整定参数的最优值的方法。 本章主要介绍应用比较广泛的临界比例度法，衰减曲线法和经验法。3.4.2 临界比例度法在生产工艺容许的情况下,先让调节器按比例调节工作。从大到小逐渐改变调节器的比例度，直至系统产生等副振荡；纪录此时的临界比例度和等副振荡周期，在经过经验公式的简单计算，求出调节器的整定参数。具体整定步骤：(1) 把调节器的积分时间TI置于最大(TI)，微分时间Td置零(Td0)，比例度置较大数值，把系统投入闭环运行，然后将调节器比例度由大逐渐减小，得到临界振荡过程，记下临界比例度和临界振荡周期值。 图3-5 临界振荡过程(2) 根据和值，运用经验公式如表1计算出调节器各个参数、TI、Td值。参数整定调节规律（%）TITdP2PI2.20.83PID1.70.500.12表1 稳定边界法整定参数计算表（3） 根据上述计算结果设置调节器的参数值。观察系统的响应过程，若记录曲线不合要求，再适当调整整定参数值。3.4.3衰减曲线法衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定控制器参数值的.其具体整定步骤如下：（4：1衰减曲线法）(1) 把调节器的积分时间TI置于最大(TI)，微分时间Td置零(Td0)，比例度置较大数值，把系统投入闭环运行，重复做扰动实验，然后将调节器比例度由大逐渐减小，直至记录曲线出现4：1的衰减为止，记下和值。如图4-2.图3-6 4:1衰减曲线(2) 根据和值，运用经验公式如表2计算出调节器各个参数、TI、Td值。参数整定调节规律（%）TITdPPI1.20.5PID0.80.30.1 表2 衰减比为4:1时.衰减曲线法整定参数计算表（3）根据上述计算结果设置调节器的参数值。观察系统的响应过程，若记录曲线不合要求，再适当调整整定参数值。衰减曲线法比较简单,适用于一般情况下的各种参数的控制系统.但对于干扰频繁,纪律曲线不规则,不断有小摆动的情况,由于不易得到准确的衰减比例度和衰减周期,使得这种方法难于应用.3.4.4 经验法若将控制系统按液位、流量、温度和压力等参数来分类,属于同一类别的系统,其对象特性往往比较相近,所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。经验法既是按被控变量的性质提出控制器参数的合适范围。（1）流量系统 它是典型的快过程，且往往具有噪声。对这种过程，宜用PI，且比例度要大，积分时间可小。（2）液位系统 对只需要实现平均液位控制的地方，宜用纯比例，比例度也要大。（3）温度系统 对于间接加热的温度系统，因为它具有测量变送滞后和热传递滞后，所以显得很缓慢。比例度设置范围约20-60，具体还取决于温度变送范围和控制阀的尺寸。一般积分时间较大，微分时间约是积分时间的四分之一。表3 经验法整定参数系统参数（%）TITd温度20603100.53流量401000.11液位20800.43应该说这种经验法是很有用的，工业生产上大多数系统只要用这种经验法既能满足要求。假若还需要更精确的调整，它起码提供了合适的初值。第章 单回路控制系统的投运经过控制系统设计、仪表调校、安装后，接下去的工作是控制系统投运。所谓控制系统投运，就是将系统由手动工作状态切换到自动工作状态。这一过程是通过控制器上的手动-自动切换开关从手动位置切换到自动位置来完成的，但是这种切换必须保证无扰动的切换。就是说，从手动切换到自动的过程中，不应造成系统的扰动，不应该破坏系统原有的平衡状态，亦既切换中不能改变原先控制阀的开度。控制器在手动位置时，控制阀接受的是控制器手动输出信号；当控制器切换到自动位置时，控制阀接受的是控制器根据偏差信号大小和方向按一定控制规律运算所得的输出信号（称之为自动输出）。当控制器从手动切换到自动时，将以自动输出信号代替手动输出控制控制阀。反过来，如果控制器从自动切到手动，则以手动输出代替自动输出控制控制阀。如果控制器在切换之前，自动输出与手动输出信号不相等，那么，在切换过程中必然会给系统引入扰动，这将破坏系统原先的平衡状态，是不允许的，因此，要切换过程必须保证无扰动的进行。控制系统的投运如果做的不好，会给生产带来很大波动，在一些严峻的场合投运控制系统必须作到心细而胆大，应做的工作包括：（）详细地了解工艺，对投运中可能出现的问题有所估计；（）理解控制系统的设计意图；（）在现场，通过简单的操作对有关仪表（包括控制阀）的功能做出是否可靠且性能是否基本良好的判断；（）设置好控制器正、反作用和P，I，D参数；（）按无扰动切换（指手、自动切换时阀上信号基本不变）的要求将控制器切入自动。第章 单回路控制系统实验5.1 实验室硬件设备介绍PCTI型过程控制实验装置是基于工业过程物理模拟对象，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。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、前馈控制、比值控制等多种控制形式。其整体外观如图5.1-1图5-1 PCT-1型过程控制试验装置外观图1 水箱实验装置由被控对象和控制回路两部分组成。其中被控对象包括：上位水箱、下位水箱、储水箱。上位水箱和下位水箱采用进口有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录实验结果。水箱容积高达80升，使实验效果更为理想。水箱结构独特，有三个槽，分别是工作槽、溢流槽、缓冲槽。当水箱进水时，水管的水先流进缓冲槽，当缓冲槽中注满水时，水流便漫过缓冲槽和工作槽当中的隔板并沿此隔板缓慢注入，这样水流对工作槽中的冲击力非常小，减少振荡，以便更精确的观察和记录实验结果。实验过程中水位失控时水流可以直接经过缓冲槽流进储水箱。储水箱是采用不锈钢板制成，有效提高实验装置的使用寿命。其容积180升，完全能满足上下水箱的实验的需要。储水箱上面有一个金属滤网，有效防止异物进入水箱堵塞管道。其整体外观如图5.1-2图5-2 PCT-1型过程控制系统实物图2 温控圆筒、加热器、热电阻本装置采用温控圆筒进行温度实验，此圆筒采用不锈钢精制而成，设计巧妙，圆筒周围有九个孔，六个小孔和三个大孔， 在给圆筒中的水加热时圆筒中的水蒸气可以通过三个大孔出去。六个小孔是为了给圆筒灌水用，当作温控实验时，将温控圆筒放入下水箱中，此时给下水箱加水，当下水箱中的水位超过温控圆筒上的六个小孔时，表示此时温控圆筒中水已加满。圆筒下面一个阀门，实验完毕可将圆筒中的水放掉，将圆筒拉出下水箱。采用温控圆筒进行温控实验，只对圆筒中的水加温，做完温控实验后，用下水箱中的水冷却温控圆筒，因此可使温度的控制更加快速稳定。检测水温的传感器是CU50，它的精度高，热补偿性好。3 液位传感器、变送器液位传感器用来对上位水箱和下位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。可方便地与其它DDZ-X型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表。校验的方法是通电预热15分钟后，分别在零压力和满程压力下检查输出电流值。在零压力下调整零电位器，使输出电流为4mA，在满量程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。本传感器精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。4 电动调节阀电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用智能电动调节阀，具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高、操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。执行机构直接接受4mADC或1控制信号，输出mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。ZDS系列的阀门采用柔性弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。因此本调节阀具有性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。技术指标: 电源：220VAC 50HZ 功耗： 5VA输入信号：420mADC 输入阻抗： 100（42mADC） 输出信号：420mADC环境温度: 2070 重复精度：±1%5 水泵本装置采用进口水泵。噪音非常低，不会影响教师授课。使用寿命长，减少使用的麻烦。扬程高达10米，完全能满足实验的需要。6 流量传感器、转换器流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。本实验台采用电磁流量传感器和电磁流量转换器。420mA标准信号输出。本实验台中用了两套传感器、转换器。7 加温模块采用可控硅移相触发单元，输入控制信号为420mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。8 调节器本实验三台调节器是采用香港上润精密仪器有限公司生产的智能调节器，其中两台是普通型仪表，一台是带温度变送的调节仪表。技术规格:(1) 输入规格（一台仪表即可兼容）：模拟量输入：线性电压：05V、15V、01V、0100mV、020mV等线性电流（需外接分流电阻）：010mA、020mA、420 mA幅度：大于4伏 范围：05KHz(2) 控制方法：PID控制电流/电压输出 PID控制继电器开关量输出PID正转/反转阀位控制 位式ON/OFF带回差(3) 输出信号：模拟量输出：010mA（负载电阻小于750） 420mA（负载电阻小于500）0 5 V （输出电阻小于250） 1 5 V （输出电阻小于250）开关量输出继电器控制输出；（220VAC/3A或24VDC/5A，阻性负载）继电器正转、反转输出继电器ON/OFF带回差，触点容量220VAC/3A或24VDC/6A，阻性负载.。可控硅控制输出SCR（可控硅过零点触发脉冲）输出，400V/0.5A固态继电器输出SSR（固态继电器控制信号）输出，624V/30mA馈电输出 DC24V，负载30mA(4) 手动功能：手动/自动双向无扰动切换(5) 电源：220VAC/5060Hz(6) 电源消耗：5W（AC220线形电源供电）(7) 环境温度：050度(8) 相对湿度：85 RH 操作指南：图5-3仪表面板9 控制面板PCT-1型过程控制实验装置控制面板整体外观图如下：图5-4 控制面板控制面板包括PCT-1型过程控制实验装置的整体工艺流程图，接线孔，仪表面板，变频器，调节器，电流，电压表等等，是进行各种液位控制系统实验的操作界面，学生通过不同的连线方式便可组成不同的工艺流程，完成相关实验;但使用时应注意连线后应仔细检查连线是否正确，检查正确无误后在开通电源，避免错误的连线造成仪表的损坏.5.2 单回路控制系统实验 5.2.1实验目的通过实验使学生们熟悉实验室硬件设备，掌握单回路控制系统控制方案选择，PID控制器参数整定，系统投运等基础理论知识。5.2.2实验内容 基于PCT-1型过程控制系统实验装置，根据自己所学理论知识，设计单回路控制系统，选择不同的控制方案，进行实验设计。1 方案一：以一阶液位控制系统为例进行单回路控制系统实验设计（1） 根据一阶液位控制系统结构和PCT-1型过程控制实验装置连接工艺流程图如下： 图5-5 一阶液位控制系统 图中,V1、V2、V3、V7为手动调节阀门,V4为电动调节阀,V6为电磁调节阀，为液位控制器，为液位变送器；PCT-1型过程控制试验装置中没用到的装备便未被画出来。一阶液位控制系统工艺要求：维持水箱1中的液位L1不变;水箱1中的液面高度L1通过测量变送器的测量,给出测量信号传送至液位控制器,液位控制器则根据测量信号与给定信号相比较得到的偏差信号发出控制信号作用于电动调节阀V4,通过改变管道流量的大小,控制流量输入Q1的大小,从而控制液面高度。电磁调节阀V6作为系统扰动加在控制系统上。其实物连线图如下：图5-6 一阶单回路液位控制系统连线图由工艺流程图可知被控对象为水箱1中的液位L1,操纵对象为控制阀V4,控制器为液位控制器LC,电磁阀V6作为扰动加在控制系统上，它们和液位变送器LT组成了一个简单的一阶液位控制系统,其方块图如下:图5-7 一阶液位控制系统方块图（2） 控制方案的选择控制器控制规律的选择：由于一阶液位控制系统其控制通道滞后较小，时间常数不太大，控制质量要求也不是很高，所以选用纯比例控制便能满足工艺要求。控制器正反作用的确定：操纵变量控制着水箱1中的流量输入Q1,目的是使液位L1保持不变,由于电动调节阀是根据接收信号的大小对控制回路流量进行调节,所以根据被控过程特性液位控制器应选择反作用。并定义偏差为测量值与给定值之差。当测量值大于给定值时，偏差为正，反之则为负。 （3）参数整定：根据经验法对一阶液位控制系统进行参数整定，选择比例度为2080进行参数整定，具体整定过程在控制面板上进行。2 方案二： 以二阶液位控制系统为例进行单回路控制系统实验(1)根据二阶液位控制系统的结构连接工艺流程图如下:图5-8二阶液位控制系统工艺要求维持水箱2的液面高度L2的平衡,由工艺流程图可知液位变送器测量水箱2的液面高度,并给出测量信号传送至液位控制器,液位控制器在根据测量信号的大小给出偏差信号控制电动调节阀的输入,改变管道流量大小,从而控制水箱1的液面高度;通过水箱1的液面高度控制调节阀V2的流量输入(流量与液面高度成正比例),从而改变V2输出流量Q2的大小,达到间接控制液面高度L2的目的.实物连线图如下：图5-9 二阶单回路液位控制系统连线图由工艺流程图可知被控对象为水箱2的液位L2,操纵对象为控制阀V4,控制器为液位控制器LC,电磁调节阀作为扰动作用于控制系统，它们和液位变送器LT组成了一个简单的二阶液位控制系统,其方块图如下:图5-10 二阶液位控制系统方块图(3) 控制方案选择 控制器控制规律的选择：由于二阶液位控制系统存在一定的余差，动态响应过程也比较缓慢，但又为了避免采用微分，所以本实验选用比例积分控制来满足工艺要求控制器正反作用的选择：根据过程控制特性，由于电动调节阀是以输入量的大小控制管道流量的,所以根据工艺要求，液位控制器应选择反作用控制方式。（3） 参数整定：为方便实验操作，选用经验法进行参数整定较为简单。（4） 对二阶液位控制系统原理图进行分析，电磁阀做为扰动作用于控制系统，有多个扰动通道可供选择，一个是扰动作用于水箱1；第二个是扰动作用于水箱2；或者扰动作用同时作用于水箱1和水箱2；经过实验分析得出以下结论：干扰通道时间常数越大，个数越多，或者说干扰进入系统的位置越远离被控变量而靠近控制阀，干扰对被控变量的影响就越小，系统的质量则越高。5.2.3单回路控制系统投运通过以上理论分析，利用PCT-1型过程控制实验装置设计一个一阶液位单回路控制系统，其具体步骤见附录2。第章 结束语论文首先从理论知识出发,研究了单回路控制系统的组成结构,控制方案选择和各种参数整定方法,然后通过实验使学生们通过对简单控制系统的设计实践,加深对单回路控制系统的学习, 对巩固和加深课堂教学内容，提高学生实际工作技能，培养科学作风，为学习后续课程和从事实践技术工作奠定基础具有重要作用.随着控制规律和控制方案的发展,出现了许多控制性能较好的复杂控制系统, 如串级控制系统,前馈比值控制系统,特殊控制系统，选择性控制系统，分程控制系统等等成为了现代工业生产的主体结构，使得现代工业生产变得更加自动化，方便集中管理，减