实验 6：气体压力 PID 单回路控制系统的设计与整定

实验6：气体压力PID单回路控制系统的设计与整定
1、测试实验目的
1）掌握压力PID单回路控制系统的常用方法。

2）熟悉压力PID单回路控制系统组态。

3）掌握压力PID控制器参数整定方法。

2、实验原理
1）压力
作用于单位面积上的垂直力，工程上称为压力，物理学中称为压强。

压力依据零点参考压力的不同，分为绝对压力、表压力、压力差、负压力（真空）和真空度。

绝对压力：以完全真空为零标准所表示的压力。

表压力：以大气压为零标准所表示的压力，等于高于大气压力的绝对压力与大气压力之差。

大气压力：一个标准大气压是在纬度45度，温度为0℃，重力加速度为9.80665m/s2海平面上，空气气柱重量所产生的绝对压力，其值是101325Pa。

压差：除大气压力以外的任意两个压力的差值。

负压：绝对压力小于大气压时，大气压力与绝对压力之差为负压。

负压的绝对值称为真空。

真空度：绝对压力小于大气压时的绝对压力。

压力测量常用的单位有：
①帕斯卡（Pa），其物理意义是，1牛顿的力作用于1平方米的面积上的压强（力）。

工程中常用MPa表示压力，1 MPa=106 Pa，
②工程大气压（kgf/cm2），垂直作用于每平方厘米面积上的力，以公斤数为计量单位。

工程上常用kg/cm2表示。

1 kgf/cm2=9.80665×105 Pa=0.980665 MPa。

③物理大气压（atm），即上面所述的标准大气压。

④毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O），垂直作用于底面积上的水银柱或水柱的
高度为计量单位。

1 atm=760 mmHg。

许多生产过程都是在不同的压力下进行的，有些需要很高的压力，例如，高压聚乙烯、合成氨生产过程等，有些需要很高的真空度。

压力是化学反应的重要参数，不但影响到反应平衡关系，也影响到反应速率。

生产过程中的其它参数也经常通过压力间接测量，例如，流量、液位、温度等可以转换为压力进行测量。

2）压力的测量
压力（压差）的测量方法主要有，液体式、弹性式、活塞式、电动式（电感、电容、电位、应变、压电、霍尔、力平衡、电涡流等）、气动式、光学式（光纤、光干涉、光电、激光等）。

压力控制系统的检测部件通过压力变送器，输出统一标准的4-20mA信号。

3）压力的动态特性
压力控制在工业中主要有气体、液体和蒸汽三种。

对象的类型常见有两类，其一是具有一定容量的气罐，此种情况，体积和容量较大，表征动态特性的时间常数较大，即惯性较大。

其二是管道的压力，由于管段的容积较小，所以时间常数较小，控制比较灵敏。

以上两种情况与温度对象相比都是比较快的过程，时间常数不大，都大致呈现单容特性，在控制中一般不用微分作用。

4）压力的控制方案
①一个系统的热力学状态可以用其压力、热焓和体积加以描述。

当仅有气相存在时，气体的压力和体积成反比，热焓相对而言起次要作用。

本实验系统的气体压缩过程属于此种情况。

②当过程物系中液体与蒸汽共存并处于汽液平衡状态时，系统中的热焓变化将会引起压力的显著变化，而体积变化对压力影响较小。

此外，当混合物系中组分的汽液平衡特性差异较大时，各组分的比分对压力影响很大。

本实验系统的连续反应器压力和间歇反应器压力属于此种情况。

③对于过程只有液相而言，由于液体是不可压缩的，压力和热焓对系统的体积都没有多大影响。

液体的压力控制与流量十分相似，例如，管路中的压力直接与流量有关，过程的动态特性完全是由于流体流动的惯性造成的。

本实验系统离心泵出口压力属于此种情况。

④对于蒸汽压力控制而言，质量流量和热量流量两者都影响系统的压力。

在蒸汽锅炉、精馏塔或蒸发器中，热量传递是重要的操作和控制手段，可以利用系统的压力控制保持过程的热量平衡。

此种情况压力的动态特性和温度类似。

3、实验工艺过程描述
压力PID单回路控制系统的设计与整定实验流程见图2-9气体压缩系统。

工艺过程的描述详见第一部分，第四单元。

本实验的目的是通过阀门V6进行压力P7的定值控制。

为了防止上游有关阀门的阻力影响，将压缩机出口阀V3、缓冲罐出口阀V4开到100%不变。

图6-1 气体压缩过程流程图画面
气体压缩过程实验流程如图6-2所示，主要设备和变量有：透平式气体压缩机，压缩机出口压力P4，出口流量F3，出口双效阀V3，气体缓冲罐，罐内压力P5，罐出口流量F4，罐出口双效阀V4，被充压的装置用釜式反应器代替，装置压力P7，装置的出口流量为F6，出口双效阀V6。

图6-2气体压缩过程流程图
4、实验设备及连接
1）在上位计算机启动测试软件，选择并进入气体压缩工程。

2）在盘台上进行线路连接。

用黑色导线将压力P7黑色插孔和液晶显示器下部15号黑色插孔连接，将P7设定为液晶显示器上对应的第三排右数第一个数字显示。

3）用黑色导线将流量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。

5、控制系统组态
1）将压力P7控制器定义为位号PIC-01，PID参数设置为：K C=10、T i=99999秒、T d=0秒、正作用。

变送器采集点选P7。

带定位器的控制阀选V6，阀门特性为线性，组态画面见图2-73。

2）完成趋势画面组态，选择P7、V6两个变量需要趋势记录。

趋势画面见图6-3。

3）阀门V3、V4选线性特性。

图6-3 压力控制系统组态画面
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，第四单元操作规程将本系统开车到稳定工况。

此时，V3全开100%，
V4全开100%，PIC-01投自动。

3）将PIC-01设为纯比例作用，增益K C从10以1.0为增量逐渐变化，每变化一次增益K C，
观察一次阶跃响应曲线，直到出现等幅振荡曲线为止。

测量并记录此时的临界增益K cmax= 21，
等幅振荡周期T max=60秒。

4）参考计算公式表计算得到PI控制参数为：K C=9.5，T i=50秒，T d=0秒。

5）将计算得到的数据设置为PIC-01的PI参数，调整设定值，将P7设定值拉偏引入阶跃干扰，观察响应曲线。

等幅振荡和阶跃响应曲线见图6-4。

7、实验结果记录
详见图6-4记录了P7与V6随时间变化的历史曲线。

8、实验分析与结论
图6-4气体压力控制等幅振荡和阶跃响应曲线。