西安石油大学电子工程学院：《自动化仪表与过程控制》课程教学资源（实验指导书）智能仪表与过程控制实验指导书

目录 系统熟悉实验 实验一、实验裝置的基本操作(一) 实验二、实验裝置的基本操作(二) 5 实验三、RTGK-2YB软件熟悉实验 四、系统主题实验 实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验 9 实验二、二阶双容对象特性测试实验…… 实验三、锅炉内胆温度二位式控制实验…… 实验四、上水箱液位PID整定实验 实验五、串接双容下水箱液位PID整定实验 31 实验六、锅炉内胆水温PID整定实验(动态) 实验七、锅炉夹套水温PID整定实验(动态) 实验八、涡轮流量计流量PID整定实验 实验九、上水箱下水箱液位串级控制实验…… 52 实验十、中水箱液位和涡轮流量串级控制实验. 实验十一、锅炉夹套和锅炉内胆温度串级控制系统 实验十二、锅炉内胆温度和小流量泵流量串级控制系统 实验十三、电磁和涡轮流量计流量比值控制系统实验 66 实验十四、纯滞后温度PID控制实验. 实验十五、换热器热水出□温度控制实验

目 录 三、系统熟悉实验 3 实验一、实验装置的基本操作（一）........................................................................................3 实验二、实验装置的基本操作（二）........................................................................................5 实验三、RTGK-2YB 软件熟悉实验...............................................................................................7 四、系统主题实验 9 实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验............................................................................9 实验二、二阶双容对象特性测试实验......................................................................................14 实验三、锅炉内胆温度二位式控制实验..................................................................................20 实验四、上水箱液位 PID 整定实验..........................................................................................25 实验五、串接双容下水箱液位 PID 整定实验..........................................................................31 实验六、锅炉内胆水温 PID 整定实验（动态）......................................................................35 实验七、锅炉夹套水温 PID 整定实验（动态）......................................................................41 实验八、涡轮流量计流量 PID 整定实验..................................................................................47 实验九、上水箱下水箱液位串级控制实验..............................................................................52 实验十、中水箱液位和涡轮流量串级控制实验......................................................................55 实验十一、锅炉夹套和锅炉内胆温度串级控制系统..............................................................58 实验十二、锅炉内胆温度和小流量泵流量串级控制系统......................................................62 实验十三、电磁和涡轮流量计流量比值控制系统实验..........................................................66 实验十四、纯滞后温度 PID 控制实验......................................................................................71 实验十五、换热器热水出口温度控制实验..............................................................................77

智能仪表控制实验指导书 系统实验 三、系统熟悉实验 实验一、实验装置的基本操作(一) 系统结构的熟悉和液位传感器的校准 实验目的 1.了解实验装置结构和组成 2.了解信号的传输方式和路径 3.掌握实验裝置的基本操作 3电话:0311-38077683807798传真:0311-3809598

智能仪表控制实验指导书 3 电话：0311-3807768 3807798 传真：0311-3809598 系 统 实 验 三、系统熟悉实验 实验一、实验装置的基本操作（一） 系统结构的熟悉和液位传感器的校准 一、实验目的 1． 了解实验装置结构和组成 2． 了解信号的传输方式和路径 3． 掌握实验装置的基本操作

神表仅 智能仪表控制实验指导书 4.掌握液位传感器调节零位和增益的方法 实验设备 实验对象、万用表 三、实验内容 1、设备组装与检查 1)、将实验对象的储水箱灌满水(至最高高度)。 2)、打开以丹麦泵、电磁阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的岀水阀1、阀2、 阀3、阀9和关闭动力支路上通往其他对象的切换阀5、阀7、阀11、阀13、阀15 3)、关闭上水箱出水阀21。 4)、检查电源开关是否关闭。 2、系统连线 1)、将I/0信号面上压力变送器上水箱液位的钮子开关打到OFF位置 3、启动实验装置 1)、将实验装置电源插头接到三相380V的三相交流电源 2)、打开总电源漏电保护空气开关,电压表指示380V,三相电源指示灯亮。 3)、打开电源总钥匙开关,按下电源控制屏上的启动按钮,即可开启电源,。 上水箱液位传感器的校准 上水箱液位传感器测量范围:0-10Kpa,24V电源供电,4-20mA电流输出,两线制接 校准步骤 1)、打开三相电源、单相空气开关。 2)、打开24V电源开关,检查直流电压指示是否为24V,并用万用表在接线□测量确认。 )、零位校准:(1~5V对应液位0-100cm) a)、打开阀21,排空上水箱中的水后,关闭阀21 b)、用万用表直流电压档20V测量I/0信号面板上的压力变送器模块的上水箱液位 的电压值,此时上水箱液位为零,调节上水箱液位传感器的Z(zero)电位器,使测量 的电压值为1V。 二)、增益校准 4电话:0311-38077683807798传真:0311-3809598

智能仪表控制实验指导书 4 电话：0311-3807768 3807798 传真：0311-3809598 4． 掌握液位传感器调节零位和增益的方法 二、实验设备 实验对象、万用表 三、实验内容 1、设备组装与检查 1）、将实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。 2）、打开以丹麦泵、电磁阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀 1、阀 2、 阀 3、阀 9 和关闭动力支路上通往其他对象的切换阀 5、阀 7、阀 11、阀 13、阀 15。 3）、关闭上水箱出水阀 21。 4）、检查电源开关是否关闭。 2、系统连线 1）、将 I/O 信号面上压力变送器上水箱液位的钮子开关打到 OFF 位置。 3、启动实验装置 1）、将实验装置电源插头接到三相 380V 的三相交流电源。 2）、打开总电源漏电保护空气开关，电压表指示 380V，三相电源指示灯亮。 3）、打开电源总钥匙开关，按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源，。 4、上水箱液位传感器的校准 上水箱液位传感器测量范围：0~10Kpa， 24V 电源供电，4~20mA 电流输出，两线制接 法。 校准步骤： 1）、打开三相电源、单相空气开关。 2）、打开 24V 电源开关，检查直流电压指示是否为 24V，并用万用表在接线口测量确认。 一）、零位校准：（1~5V 对应液位 0~100cm） a）、打开阀 21，排空上水箱中的水后，关闭阀 21。 b）、用万用表直流电压档 20V 测量 I/O 信号面板上的压力变送器模块的上水箱液位 的电压值，此时上水箱液位为零，调节上水箱液位传感器的 Z（zero）电位器，使测量 的电压值为 1V。 二）、增益校准：

神表仅 智能仪表控制实验指导书 a)、打开单相泵电源开关,上水箱开始进水。 b)、用卷尺测量上水箱液位达到溢流□时的值,关闭单相水泵开关,关闭单相水泵 电源。看万用表20V直流电压档测量的大水箱液位的电压值,卷尺测量值=(电压值-1) ×25cm,若不是,调节上水箱液位传感器的R(增益)电位器,使电压值经过换算后和 卷尺的测量值吻合。 )、重复步骤一)、二),复调零位和增益。直到液位为零时电压显示为1,最大值 时电压与实际测量值吻合。(注:调好以后就不再调) 中水箱和下水箱液位传感器的调节方法与上水箱液位传感器一样。 四、预习 熟读RI(K-2型过程控制系统实验装置的产品使用说明,重点熟悉对象系统结构和液 位传感器的校准。 实验二、实验装置的基本操作(二) 智能仪表的熟悉 实验目的 1)、了解实验装置结构和组成 2)、了解信号的传输方式和路径 3)、掌握实验装置的基本操作 4)、熟悉智能仪表的使用 实验设备 实验对象、万用表、实验连接线 5电话:0311-38077683807798传真:0311-3809598

智能仪表控制实验指导书 5 电话：0311-3807768 3807798 传真：0311-3809598 a）、打开单相泵电源开关，上水箱开始进水。 b）、用卷尺测量上水箱液位达到溢流口时的值，关闭单相水泵开关，关闭单相水泵 电源。看万用表 20V 直流电压档测量的大水箱液位的电压值，卷尺测量值=（电压值-1） ×25cm，若不是，调节上水箱液位传感器的 R（增益）电位器，使电压值经过换算后和 卷尺的测量值吻合。 三）、重复步骤一）、二），复调零位和增益。直到液位为零时电压显示为 1V，最大值 时电压与实际测量值吻合。（注：调好以后就不再调） 中水箱和下水箱液位传感器的调节方法与上水箱液位传感器一样。 四、 预习 熟读 RTGK-2 型过程控制系统实验装置的产品使用说明，重点熟悉对象系统结构和液 位传感器的校准。 实验二、实验装置的基本操作（二） 智能仪表的熟悉 一、实验目的 1）、了解实验装置结构和组成 2）、了解信号的传输方式和路径 3）、掌握实验装置的基本操作 4）、熟悉智能仪表的使用 二、实验设备 实验对象、万用表、实验连接线

神表仅 智能仪表控制实验指导书 、实验内容 1、设备组装与检查 1)、将实验对象的储水箱灌满水(至最高高度)。 2)、打开以丹麦泵、电磁阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的岀水阀1、阀2、 阀3、阀9和关闭动力支路上通往其他对象的切换阀5、阀7、阀11、阀13、阀15。 3)、关闭上水箱出水阀21。 4)、检查电源开关是否关闭。 2、系统连线 1)、将I/0信号接口面板上的上水箱液位的钮子开关打到OFF位置。 2)、将上水箱液位+(正极)接到任意一个智能调节仪的1端(即RSV的+极),上水箱 液位-(负极)接到智能调节仪的2端(即RSV的负极)。 3)、将智能调节仪的4~20mA输出端的7端(即正极)接至电动调节阀的420mA输入端 的+端(即正极),将智能调节仪的4-20mA输出端的5端(即负极)接至电动调节阀的4-20mA 输入端的-端(即负极)。 6)、三相、单相的空气开关打在关的位置 3、启动实验装置 1)、将实验裝置电源插头接到三相380V的三相交流电源。 2)、打开总电源三相漏电保护开关和电源总钥匙开关,三相电源指示灯亮。 3)、按下电源控制屏上的启动按钮,开启电源,交流电压表指示三相电网电压。 四、实验步骤 1)、开启所有空气开关。 2)、打开24V电源开关,检查直流电压指示是否为24V,并用万用表在接线口测量确认。 3)、打开空气开关,接通智能调节仪,按照调节仪设置使用说明,调试控制方式,比例 系数,积分系数,微分系数,输入规格,输入范围,输岀规格,通讯地址,通讯波特率, 自/手动输出等参数。 4)、手动输出一定的值,观察电动调节阀的动作和阀位。 五、预习 熟读RTGK-2型过程控制系统实验裝置的产品使用说明;掌握人工智能仪表的使用方 6电话:0311-38077683807798传真:0311-3809598

智能仪表控制实验指导书 6 电话：0311-3807768 3807798 传真：0311-3809598 三、实验内容 1、设备组装与检查 1）、将实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。 2）、打开以丹麦泵、电磁阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀 1、阀 2、 阀 3、阀 9 和关闭动力支路上通往其他对象的切换阀 5、阀 7、阀 11、阀 13、阀 15。 3）、关闭上水箱出水阀 21。 4）、检查电源开关是否关闭。 2、系统连线 1）、将 I/O 信号接口面板上的上水箱液位的钮子开关打到 OFF 位置。 2）、将上水箱液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的 1 端（即 RSV 的+极），上水箱 液位-（负极）接到智能调节仪的 2 端（即 RSV 的负极）。 3）、将智能调节仪的 4~20mA 输出端的 7 端（即正极）接至电动调节阀的 4~20mA 输入端 的+端（即正极），将智能调节仪的 4~20mA 输出端的 5 端（即负极）接至电动调节阀的 4~20mA 输入端的-端（即负极）。 6）、三相、单相的空气开关打在关的位置 3、启动实验装置 1）、将实验装置电源插头接到三相 380V 的三相交流电源。 2）、打开总电源三相漏电保护开关和电源总钥匙开关，三相电源指示灯亮。 3）、按下电源控制屏上的启动按钮，开启电源，交流电压表指示三相电网电压。 四、实验步骤 1）、开启所有空气开关。 2）、打开 24V 电源开关，检查直流电压指示是否为 24V，并用万用表在接线口测量确认。 3）、打开空气开关，接通智能调节仪，按照调节仪设置使用说明，调试控制方式，比例 系数，积分系数，微分系数，输入规格，输入范围，输出规格，通讯地址，通讯波特率， 自/手动输出等参数。 4）、手动输出一定的值，观察电动调节阀的动作和阀位。 五、预习 熟读 RTGK-2 型过程控制系统实验装置的产品使用说明；掌握人工智能仪表的使用方

智能仪表控制实验指导书 法。 实验三、RTGK-2YB软件熟悉实验 实验目的 1.了解组态软件的组成和使用 2.熟悉实验软件的操作 3.了解上位机通信的一般知识 实验设备 RTGK-2型过程控制实验裝置、计算机、RS232-485转换器 实验内容 1.设备连接 1)、将RS232-485转换器的RS232端接到计算机的串口1(COM1),RS485端通过串 7电话:0311-38077683807798传真:0311-3809598

智能仪表控制实验指导书 7 电话：0311-3807768 3807798 传真：0311-3809598 法。 实验三、RTGK-2YB 软件熟悉实验 一、实验目的 1．了解组态软件的组成和使用 2．熟悉实验软件的操作 3．了解上位机通信的一般知识 二、实验设备 RTGK-2 型过程控制实验装置、计算机、RS232-485 转换器 三、实验内容 1．设备连接 1）、将 RS232-485 转换器的 RS232 端接到计算机的串口 1（COM 1），RS485 端通过串

神表仅 智能仪表控制实验指导书 口线连接到RTGK-2高级过程控制实验裝置的串囗端。 2)、任意一个智能调节仪上电,设置好以下参数 CtrL Sn dIP IL dIH 100 4 100 9600bit/s Addr 2.实验内容与步骤 1)、启动计算机 2)、按照说明书接好上水箱的供水管路,将上水箱液位信号送至调节仪,调节仪的 控制信号送往电动调节阀,即组成一个单闭环的控制回路。 3)、显示桌面双击“MGS组态环境”图标,启动MCGS组态软件,打开RTGK-2-YB 组态工程,观察并熟悉组态方法,熟悉实验內容及掌握组态软件与智能仪表之间 通讯的组态步骤与要求。 4)、操作组态软件中各个工具,学习并熟悉组态软件的基本应用 3.进入实验系统操作监控实验程序 1)、在文件菜单中选择打开工程选项,打开已经组态好的RIGK-2-YB组态工程软件。 8电话:0311-38077683807798传真:031-3809598

智能仪表控制实验指导书 8 电话：0311-3807768 3807798 传真：0311-3809598 口线连接到 RTGK-2 高级过程控制实验装置的串口端。 2）、任意一个智能调节仪上电，设置好以下参数： CtrL 1 M50 3 P 500 t 0 Sn 33 dIP 1 dIL 0 dIH 100 oP1 4 oPL 0 oPH 100 CF 0 Baud 9600bit/s Addr 1 2．实验内容与步骤 1）、启动计算机 2）、按照说明书接好上水箱的供水管路，将上水箱液位信号送至调节仪，调节仪的 控制信号送往电动调节阀，即组成一个单闭环的控制回路。 3）、显示桌面双击“MCGS 组态环境” 图标，启动 MCGS 组态软件，打开 RTGK-2-YB 组态工程，观察并熟悉组态方法，熟悉实验内容及掌握组态软件与智能仪表之间 通讯的组态步骤与要求。 4）、操作组态软件中各个工具，学习并熟悉组态软件的基本应用。 3. 进入实验系统操作监控实验程序 1）、在文件菜单中选择打开工程选项，打开已经组态好的 RTGK-2-YB 组态工程软件

神表仅 智能仪表控制实验指导书 2)、按F5进入MCGS运行环境,点击进入仪表过程控制实验系统,熟悉实验内容, 进入每个实验,观看各项功能。 四、预习 熟悉本书第一部分中“MCGS工控软件简介”和“智能仪表使用简介”部分的内容。 四、系统主题实验 实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验 实验目的 1)、熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。 2)、根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线,用相关的方法分别确定它们的 参数。 二、实验设备 过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线 根、实验连接线。 三、系统结构框图 9电话:0311-38077683807798传真:0311-3809598

智能仪表控制实验指导书 9 电话：0311-3807768 3807798 传真：0311-3809598 2）、 按 F5 进入 MCGS 运行环境，点击进入仪表过程控制实验系统，熟悉实验内容， 进入每个实验，观看各项功能。 四、预习 熟悉本书第一部分中“MCGS 工控软件简介”和“智能仪表使用简介”部分的内容。 四、系统主题实验 实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验 一、实验目的 1）、熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。 2）、根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的 参数。 二、实验设备 过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485 转换器 1 只、串口线 1 根、实验连接线。 三、系统结构框图

神表仅 智能仪表控制实验指导书 单容水箱如图1-1所示 丹麦一电动调节改一 智能调节仪手动输出 图1-1、单容水箱系统结构图 四、实验原理 阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下,待系统稳定后,通过调节器或其他操作器, 手动改变对象的输入信号(阶跃信号),同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。然后 根据已给定对象模型的结构形式,对实验数据进行处理,确定模型中各参数。 图解法是确定模型参数的一种实用方法。不同的模型结构,有不同的图解方法。单容 水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时,常可用两点法直接求取对象参数。 如图1-1所示,设水箱的进水量为Q,出水量为Q2,水箱的液面高度为h,出水阀V2 固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系,求得 d△h d t +△h=R2*△ 在零初始条件下,对上式求拉氏变换,得 R2 K G(S)= R2*C*S+1T*s+1 式中,T为水箱的时间常数(注意:阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数),T=R*C, K=R2为单容对象的放大倍数,R、R2分为V1V2阀的液阻,C为水箱的容量系数。令输入流量 Q1的阶跃变化量为R,其拉氏变换式为Q1(S)=R。/S,R为常量,则输出液位高度的拉氏 变换式为 KRo H(S)= S(TS+1) S 当tT时,则有 h(T)=KR(1-e-)=0.632KR=0.632h(oo) 即h(t)=KR0(1-e) 10电话:0311-38077683807798传真:0311-3809598

智能仪表控制实验指导书 10 电话：0311-3807768 3807798 传真：0311-3809598 单容水箱如图 1-1 所示： 图 1-1、单容水箱系统结构图 四、实验原理 阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器， 手动改变对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。然后 根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。 图解法是确定模型参数的一种实用方法。不同的模型结构，有不同的图解方法。单容 水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。 如图 1-1 所示，设水箱的进水量为 Q1，出水量为 Q2，水箱的液面高度为 h，出水阀 V2 固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得： 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： 式中，T 为水箱的时间常数（注意：阀 V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R2*C， K=R2为单容对象的放大倍数，R1、R2 分别为 V1、V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。令输入流量 Q1 的阶跃变化量为 R0，其拉氏变换式为 Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位高度的拉氏 变换式为： 当 t=T 时，则有： h(T)=KR0(1-e -1)=0.632KR0=0.632h(∞) 即 h(t)=KR0(1-e -t/T)

神表仅 智能仪表控制实验指导书 当t->∞时,h(∞)=KR,因而有K=h(∞)/R0=输出稳态值/阶跃输入 上式表示一阶惯性环节的响应 曲线是一单调上升的指数函数,如 hI(t) 图1-2所示。当由实验求得阶跃响 应曲线后,该曲线上升到稳态值的 063hl(∞) 63%所对应时间就是水箱的时间常 数T,该时间常数T也可以通过坐 标原点对响应曲线作切线,切线与 稳态值交点所对应的时间就是时间 图1-2、阶跃响应曲线 常数T,其理论依据是 dh(t) KR KRo=h(∞ 上式表示h(t)若以在原点时的速度h(∞)/T恒速变化,即只要花T秒时间就可 达到稳态值h(∞)。 五、实验内容和步骤 1、设备的连接和检查 1)、关闭阀26,将实验对象的储水箱灌满水(至最高高度)。 2)、打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的阀1、阀4、 阀9、阀22、阀23,关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门:阀2、阀5、阀7、 阀11、阀13、阀15。 3)、打开上水箱的出水阀:阀21至适当开度。 4)、检查电源开关是否关闭 2、实验接线 实验接线如图2-4所示: 11电话:0311-38077683807798传真:0311-3809598

智能仪表控制实验指导书 11 电话：0311-3807768 3807798 传真：0311-3809598 h1( t ) h1(∞ ) 0.63h1(∞) 0 T 当 t—>∞时，h（∞）=KR0，因而有 K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入 上式表示一阶惯性环节的响应 曲线是一单调上升的指数函数，如 图 1-2 所示。当由实验求得阶跃响 应曲线后，该曲线上升到稳态值的 63%所对应时间就是水箱的时间常 数 T，该时间常数 T 也可以通过坐 标原点对响应曲线作切线，切线与 稳态值交点 所对应的时间就是时间 常数 T，其理论依据是： 上式表示 h（t）若以在原点时的速度 h（∞）/T 恒速变化，即只要花 T 秒时间就可 达到稳态值 h（∞）。 五、实验内容和步骤 1、设备的连接和检查 1）、关闭阀 26，将实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。 2）、打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的阀 1、阀 4、 阀 9、阀 22、阀 23，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门:阀 2、阀 5、阀 7、 阀 11、阀 13、阀 15。 3）、打开上水箱的出水阀：阀 21 至适当开度。 4）、检查电源开关是否关闭 2、实验接线 实验接线如图 2-4 所示： 图 1-2、阶跃响应曲线