仪表自动控制实验报告

一、实验目的
1、通过实验对自控仪表和控制元器件有一具体认识。

2、了解自控原理，锻炼动手能力。

学习并安装不同的温度自控电路。

3、通过对不同电路的调试和数据测量，初步掌握仪表自控技术。

4、要求按流程组装实验电路，并测量加热反应釜温度随加热时间的变化。

5、要求待反应釜加热腔温度稳定后测量加热釜轴向温度分布规律。

二、实验原理
仪表自动控制在现代化工业生产中是极其重要的，它减少大量手工操作，使操作人员避免恶劣、危险环境，自动快速完成重复工作，提高测量精度，完成远程传输数据。

本实验就是仪表自动控制在化工生产和实验中非常重要的一个分支——温度的仪表自动控制。

图-1所示是本实验整套装置图。

按图由导线连接好装置，首先设置“人工智能控制仪”的最终温度，输出端输出直流电压用于控制“SSR”（固态继电器），则当加热釜温度未达到最终温度时“SSR”是通的状态，电路导通，给加热釜持续加热；当加热釜温度达到最终温度后“SSR”是不通的状态，电路断开，加热釜加热停止。

本实验研究的数据对象有两个：其一，测量仪表在加热釜开始加热后测量的升温过程，即温度随时间变化；其二，当温度达到最终温度并且稳定后，测量温度沿加热釜轴向的分布，即稳定温度随空间分布。

图-1 实验装置图
1、控温仪表，2测温仪表，3和4、测温元件（热电偶），5电加热釜式反应器，
6、保险
7、电流表，8固态调压器，9、滑动电阻，10、固态继电器（SSR），11、中间继电器，12、开关
实验装置中部分仪器的工作原理：
1，控温仪表：输出端输出直流电压控制SSR，当加热釜温度未达到预设温度时SSR使电路导通，持续加热；当达到最终温度后SSR使电路断开，加热停止。

2，测温仪表：与测温的热电偶相连，实时反馈加热釜内温度的测量值。

3、4，热电偶：分别测量加热腔和反应芯内的温度。

工作原理：热电阻是利用金属的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量。

它是由两种不同材料的导体焊接而成。

焊接的一端插入被测介质中，感受被测温度，称为热电偶的工作端或热端。

另一端与导线连接，称为自由端或冷端。

若将其两端焊接在一起，且两段存在温度差，则在这个闭路回路中有热电势产生。

如在回路中加一直流毫伏计，可见到毫伏计中有电势指示，电势的大小与两种不同金属的材料和温度有关，与导线的长短无关。

图2 热电偶工作原理
8，RSA固态调压器原理：通过电位器手动调节以改变阻性负载上的电压，来达到调节输出功率的目的（相当于一个滑动变阻器）。

输出端接加热回路，输入端接控温仪表。

10，SSR 固态继电器工作原理：固态继电器是一种无触点通断电子开关，为四端有源器件。

其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端。

在输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转变成导通状态（无信号时呈阻断状态），从而控制较大负载。

可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能
（图3），即实现了用直流电控制交流电。

输出端接加热回路，输入端接控温仪表。

图3 固态继电器原理
11，中间继电器工作原理（如图4）：中间继电器有常开、常闭两组触点。

电磁线圈不通电时，电磁铁T 不吸合，此时触点B，B’导通，称为常闭触点。

触点A，A’不导通称为常开触点。

反之，电磁线圈通电时，电磁铁T 吸合，触点B，B’的状态由闭合变为打开不导通，而触点 A，A’的状态由打开变为闭合而导通。

图-4 中间继电器工作原理图
图5 装置图
三、实验仪器
控温仪表（AI-T08），测温仪表（AI-T08），热电偶2个，中间继电器（C5×2 0910），固态继电器（SSR-10 DA），固态调压器（XSSVR-2410），电流表(69L9)，开关，保险丝（RT18-32），导线若干，工具(螺丝刀2个)，电加热釜式反应器。

四、实验步骤
1．根据实验流程图5组装仪表自动控制加热系统，注意在接线时用不同颜色的导线标识正负极，以便后期检查。

2．组装完毕后，经过指导教师检查后方可通电。

3．通电后设置控制仪表参数和温度。

设置目标温度为120℃，加热电流为1.0-1.5A。

4．打开加热电源，测定升温曲线。

每间隔1分钟进行一次记录，控制仪表和显示仪表都要记录。

注意加热釜温度上升很迅速。

）后，5．待加热釜内温度达到目标温度稳定在120℃（温度波动不超过1
再测量温度10分钟，则温度随时间变化测量完毕。

接下来测量轴向温度分布，
由下至上每间隔1厘米测一个点。

6．实验完毕后，拆除控制电路。

所用仪表、元器件、工具等放回原处。

五、实验数据记录
表-1 加热釜升温数据记录
表-2 加热釜轴向温度分布数据记录
9 101.9 29 101.3
10 104.8 30 98.3
11 106.6 31 94.3
12 108.7 32 88.3
13 110.8 33 88.0
14 112.2 34 85.5
15 113.5 35 79.4
16 114.4 36 67.7
17 115.2 37 55.7
18 115.6 38 51.8
19 115.8
六、数据处理
根据表1 、表2可以绘制加热釜升温图(图6)和图加热釜稳态轴向温度分布图（图7）。

图6 升温曲线
图7 加热釜稳态轴向温度分布图
由图6可以看出，随着加热的进行，加热釜的加热腔温度在前5分钟快速上升，并到达指定温度120℃，此后温度一直维持在120℃，伴随小幅度的上下波动，可求得此段平均温度为120.173℃，稍高与设定值120℃。

而反应芯内由于是隔壁传热，温度上升的比较慢，升温速率不断加快，最终稳定在 51.5℃左右，可以观察到到达稳定的时间为15分钟，比加热腔的稳定时间要靠后10分钟左右，稳定之后随着时间推移有微小下降趋势。

由图7可以看出，随着距离变化，反应芯内的稳定温度有所不同，中心部分的温度最高，而底部和顶部的温度最低，整体呈现“凸”形分布，所有轴向温度相对于中心温度基本为对称分布。

七、分析与讨论
本实验中可能存在的误差为：
1.在测量轴向温度分布时，向外拔出的距离并不能很好地控制在1cm。

停留时间也不能很好的控制在10s；
2.由于计录数据是每隔1分钟记一次，可能漏掉重要数据，引起实验误差。

3.测温传感器热电偶本身存在的误差
八、思考题
1，热电偶为什么要进行冷端补偿？冷端补偿有几种方法？。

答：热电偶靠冷热两端温差产生的电势差测量温度，设计时其显示的温度要求对应的冷端温度是固定的某一个值，但是在实际使用过程中冷端未必处于该温度下，所以需进行冷端修正/补偿。

共有5种方法：
1）冷端恒温法：将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使其温度保持0℃不变，它可消除t
不等于0℃而引入的误差。

2）计算修正法：当热电偶的冷端温度不等于0℃时，测得的热电势E(t,t
)
与冷端为0℃时测的E(t,0℃)不同，可利用下式：E(t,0℃)=E(t,t
0)+E(t
,0℃)
来修正，右式第一项为毫伏表直接测得的热电势，第二项是由t
在该热电偶分度表查出的补偿值，二者相加即可。

3）仪表机械零点调整法：当热电偶的冷端温度比较恒定，对测量精度要求不太高时，可将机械零点调整至热电偶实际所处的t处，相当于在输入热电偶的电势前就给仪表预输入一个电势，此法虽有一定误差，但很简便常用。

4）电桥补偿法：此法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。

5）补偿导线法：此法将热电偶的冷端温度从温度较高、变化大的地方转移到温度较低、变化小的方向，等于延长了热电偶。

2.如果冷端补偿温度为20℃，测量仪表显示的是30℃，则测量点的真实温度是多少？
答：50℃
3.什么叫位式控制？位式控制需要设定几个温度？
答：位式控制又称通断式控制，是将测量值与设定值相比较之差值经放大处理后，对调节对象作开或关控制的调节。

位式控制又分二位式控制和三位式控制，分别介绍如下：
1、二位式控制：是指用一个开关量控制负载方式，具有接线简单、可靠性高成本低廉的优点，应用场合十分广泛。

2、三位式控制：是指用二个开关量控制分别控制二个负载，一般情况下一
个设置为主控，另一个为副控，是为了克服二位式控制容易产生的调节速度与过冲量之间的矛盾面发展的一种控制方式。

只需设定1个温度。

4.什么叫PID控制？需要设定几个温度？
答：PID控制指能同时进行比例控制、微分控制与积分控制的控制。

只需要设定一个目标温度。

5．简要叙述PID控制中P、I、D三个字母的含义。

答：P：比例控制，输出的调节信号与输入信号（偏差）成比例关系，调节速度较快
I：积分控制，输出变化量与输入的偏差的积分成正比，可消除余差D：微分控制，输出变化量与输入的偏差信号的变化速度成正比，可实现超前控制。