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实验⼆⼗ ⽐值控制系统实验第⼀节 单闭环流量⽐值控制系统

⼀、实验⽬的

1、了解单闭环⽐值控制系统的原理与结构组成。2、掌握⽐值系数的计算。

3、掌握⽐值控制系统的参数整定与投运。⼆、实验设备

1、THJ-2型⾼级过程控制实验装置

2、计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串⼝线1根3、万⽤表 1只三、系统结构框图

图6-1单闭环流量⽐值控制系统结构图四、实验原理

在⼯业⽣产过程中,往往需要⼏种物料以⼀定的⽐例混合参加化学反应。如果⽐例失调，则会导致产品质量的降低、原料的浪费，严重时还发⽣事故。例如在造纸⼯业⽣产过程中，为了保证纸浆的浓度，必须⾃动地控制纸浆量和⽔量按⼀定的⽐例混合。这种⽤来实现两个或两个以上参数之间保持⼀定⽐值关系的过程控制系统，均称为⽐值控制系统。

本实验是流量⽐值控制系统。其实验系统结构图如图6-1所⽰。该系统中有两条⽀路，⼀路是来⾃于电动阀⽀路的流量Q1，它是⼀个主动量；另⼀路是来⾃于变频器—磁⼒泵⽀路的流量Q2，它是系统的从动量。要求从动量Q2能跟随主动量Q1的变化⽽变化，⽽且两者间保持⼀个定值的⽐例关系，即Q2/Q1=K。

图6-2 单闭环流量⽐值控制系统⽅框图

图6-2为单闭环流量⽐值控制系统的⽅框图。由图可知，主控流量Q1经流量变送器后为I1（实际中已转化为电压值,若⽤电压值除以250Ω则为电流值,其它算法⼀样），如设⽐值器的⽐值为K，则流量单闭环系统的给定量为KI1。如果系统采⽤PI调节器，则在稳态时，从动流量Q2经变送器的输出为I2，不难看出，KI1=I2。五、⽐值系数的计算

设流量变送器的输出电流与输⼊流量间成线性关系，当流量Q由0→Qmax变化时，相应变送器的输出电流为4→20mA。由此可知，任⼀瞬时主动流量Q1和从动流量Q2所对应变送器的输出电流分别为I1= (1)I2= (2)

式中Q1max和Q2max分别为Q1和Q2 最⼤流量值。设⼯艺要求Q2/Q1=K，则式（1）可改写为Q1= Q1max (3)

同理式（2）也可改写为Q2= Q2max (4)于是求得= (5)

折算成仪表的⽐值系数K′为:K′ = K (6)

六、实验内容与步骤

1、按图6-1所⽰的实验结构图组成⼀个为图6-2所要求的单闭环流量⽐值控制系统。

2、确定Q2与Q1的⽐值K，并测定Q1max和Q2max，按式（6）计算⽐值器的⽐例系数K′(实验中可把电压转化为电流再计算)。

3、完成实验系统的接线，并把图6-1所⽰

中的阀F1-1，F1-2、F1-8和F2-1，F2-5打开（若两套动⼒⽀路的流量太⼤,还可把通向锅炉的进⽔阀打开）。4、经确认所有连接线⽆误后，接通总电源和相关仪表的电源。

5、另选⼀只调节器设置为⼿动输出，并设定在某⼀数值，以控制电动调节阀⽀路的流量Q1。

6、PI调节器WC的参数整定，按单回路的整定⽅法进⾏。实验时将控制变频器⽀路流量的调节器（CF=8，即外部给定）先设置为⼿动，待系统接近于给定值时再把⼿动切换为⾃动运⾏。

7、打开电脑中的MCGS组态⼯程进⼊相应的实验，记录下实验实时（历史）曲线及各项参数。

8、等系统的从动流量Q2趋于不变时（系统进⼊稳态），适量改变主动流量Q1的⼤⼩，然后观察并记录从动流量Q2的变化过程。

9、改变⽐值器的⽐例系数K′，观察从动流量Q2的变化，并记录相应的动态曲线。七、实验报告

1、根据实验系统的结构图，画出它的⽅框图。

2、根据实验要求，实测⽐值器的⽐值系数，并与设计值进⾏⽐较。

3、列表表⽰主控量Q1变化与从动量Q2之间的关系。⼋、思考题

1、如果Q1（t）是⼀斜坡信号，试问在这种情况下Q1与Q2还能保持原⽐值关系？2、试根据⼯程⽐值系数确定仪表⽐值系数？

第⼆节 双闭环流量⽐值控制系统⼀、实验⽬的

1、通过实验，进⼀步了解双闭环⽐值控制系统的原理与组成。2、掌握双闭环⽐值控制的参数整定与投运⽅法。

3、⽐较双闭环⽐值控制与单闭环⽐值控制有何不同。⼆、实验设备

1、THJ-2型⾼级过程控制实验装置

2、计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串⼝线1根。3、万⽤表 1只三、系统结构框图

图6-3双闭环流量⽐值控制系统结构图

四、双闭环⽐值控制系统的原理

单闭环⽐值控制系统仅能实现从动量Q2与主动量Q1间的⽐值为⼀常量，但这种系统的不⾜之处是主控量的⾃发振荡不能消除，从⽽导致了从动量跟着主动量的波动⽽变化，使该系统控制后的总流量不是⼀个定值。这⼀点对于⾼要求的⽣产过程是不允许的。双闭环⽐值控制系统就是为了克服单闭环⽐值控制系统的上述缺点⽽产⽣的。图6-4双闭环流量⽐值控制系统⽅框图

图6-4为该控制系统⽅框图。由图中可知，主动量Q1和从动量Q2都是由独⽴的闭环系统实现定值控制，且两者间通过⽐值器实现定⽐值的关系。即主动量控制回路的输⼊Q1，经变送器变换为I1，它乘以⽐例系数K后，作为从动量Q2控制回路的给定值KI1。如果两个回路中的调节器均采⽤PI或PID，当系统在稳态时，则有I2=KI1。五、⽐值器的⽐例系数计算

请参照本章第⼀节中关于⽐值器的⽐例系数的计算部

分。

六、实验内容与步骤

1、 按图6-3所⽰的实验结构图组成⼀个为图6-4所要求的双闭环流量⽐值控制系统。

2、确定Q2与Q1的⽐值K，并测定Q1max和Q2max，按本章第⼀节式（6）计算⽐值器的⽐例系数 K′(实验中可把电压转化为电流再计算)。

3、完成实验系统的接线，并把图6-3所⽰中的阀F1-1，F1-2、F1-8和F2-1，F2-5打开（若两套动⼒⽀路的流量太⼤,还可把通向锅炉的进⽔阀打开）。

4、经确认所有连接线⽆误后，接通总电源和相关仪表的电源。

5、进⾏调节器的参数整定。按单回路的整定⽅法（先⼿动后⾃动的原则）分别整定调节器1、2的PID参数(也可按经验设置参数)，但在具体操作中应先整定调节器1的参数，待主回路系统稳定后，再整定从动回路中的调节器2（CF=8，即外部给定）的参数。

6、在实验时打开电脑中的MCGS组态⼯程，进⼊相应的实验，记录下实验中的实时（历史）曲线及各项参数。

7、等系统的被控制量趋于不变时（系统进⼊稳态），适量改变主控量给定值的⼤⼩，然后观察并记录主动量Q1的稳定情况以及从动量Q2的变化过程。

8、改变⽐值器的⽐例系数K′，观察从动流量Q2的变化，并记录相应的动态响应曲线。七、实验报告

1、根据实验系统的结构图画出它的控制⽅框图。

2、根据实验要求，实测⽐值器的⽐值系数，并与设计值进⾏⽐较。3、列表表⽰主动量Q1变化与从动量Q2之间的关系。⼋、思考题

1、本实验在哪种情况下，主动量Q1与从动量Q2之⽐等于⽐值器的仪表系数？2、双闭环流量⽐值控制系统与单闭环流量控制系统相⽐有那些优点？