实验 单闭环比值控制系统
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过程控制工程实验
实验六 单闭环比值控制系统
比值控制的意义
• 比值控制主要目的：保证两路或多路流体计量关系的比值。在生产中， 这种比例关系可能直接影响到产品的产量、质量，生产的能耗与安全； 在化学反应过程的进料比或加热比、燃烧过程的燃-空比、蒸馏过程 多组分的进料或采出的进料比与采出比等，常采用比值控制方案
• 1#控制器始终保持手动，其输出信号连接至变频器U101的输入端
• 流量F2变送器FT102输出接在2#控制器的输入端（PV），其输出信 号接到控制阀FV101的输入端
实验步骤
1. 通过连线，取来自现场流量仪表的信号，并把控制作用信号送到现 场的执行仪表，构建单闭环比值控制系统；
2. 检查管路阀门，打开进入下水槽的管线手阀QV105、QV106，关闭 进入中水箱的管线手阀QV107、QV108。注意提高V103出口闸板 QV116在3cm以上，确保V103的积水能迅速流出。然后给系统加 电，此时不要启动任何一个泵；
• 控制阀控制的从动量F2，应根 据F1的变化自动调节并跟踪其 变化
F1
K’
FC
F2
单闭环比值原理图
单闭环比值控制系统
K’
GC2(s)
GV (s) Gm2(s)
F2
G0 (s)
Gm1(s)
F1
单闭环比值系统方框图
• K’是决定两个变送器输出信号能否形成正确比例关系的关键
• 比值控制系统要求：若管路1的流量发生变化，管路2的流量就要尽快 跟随，并在一定范围内始终保持与管路1流量的比例关系
50%F1max、80%F1max，然后按同样间隔返回；同时观察、记录F2流量
跟踪的结果，判断其是否能够保持正确的流量比，并将对应数据填入相应
的表格。
MV1
20
50
80
50
20
F1 (PV1)
F2 (PV2)
K（实际值）
实验报告要求
• 根据实验结果，进行认真的总结和分析，写出实验报告 • 思考题： 1. 简述涡轮流量计的特点与工作原理，适合什么情况下使用？电磁流量
实验步骤
5. 根据流量比K=2.5:1的要求，计算并设定单闭环比值系数
K’=K*（F1max/F2max）。
6. 预置PID2的P=100，I=20，将PID2投自动，注意无扰动投运；投自动后等 待SP2变为或接近外给定的值F1*K’，如果SP2不变化，需等待一段时间 （几秒～五分钟不等），仍无变化则改变一下PID1的MV1；
3. 启动实验软件，选择“比值控制”项目，两控制器都置于“手动”；
注意：到目前为止，不要启动任何一个泵！！
实验步骤
4. 分别进行F1、F2流量计量程标定工作 ： ① 标定F2：开启泵2，手动调整控制阀开度（MV2），令其分别为100、
60、20，记录电磁流量计的读数（因仪表有阻尼，故一般要等30s 后 读 数 才 较 稳 定 ） ； 估 计 电 磁 流 量 计 的 实 际 量 程 ： F2max = F/X*100，F为电磁流量计读数，X为阀门开度； ② 关闭泵2，关闭阀QV102（泵P102的入口阀），开启连通阀QV103， 调节阀（MV2）开到最大100%； ③ 依次启动变频器电源、电磁阀1、变频器开关，泵P101的流量将经 过 电 磁 流 量 计 和 调 节 阀 进 入 水 箱 。 如 果 不 出 水 ， 迅 速 将 MV1 给 到 100。改变变频器的输入（MV1）为100、60、20，读出电磁流量 计的读数，据此推算涡轮流量计的量程； ④ 依次关闭变频器开关、电磁阀1、变频器电源，关闭连通阀QV103， 开启P102吸入阀QV102； ⑤ 依次启动变频器电源、电磁阀1、变频器开关和水泵2，保证P101和 水泵2分别有流体能进入下水箱V103。
实验目的&要求
• 实验目的：通过对一个典型的单闭环比值控制系统的搭建与操作，更 深入理解一般比值系统的结构、特点和基本原理；了解流量计的工作 原理和量程现场校对方法；掌握比值系数计算和设置的一般方法；掌 握比值控制系统投运过程和参数调整方法
• 实验要求：基于A3000实验装置的工艺设备和仪表，构建一个能保持 两路流量成一定比例关系的比值控制系统；正确完成系统运行工作， 平稳地将其投运到自动，调整控制器参数，使之满足系统的质量要求， 验证流量比值关系的保持能力
比值控制实验方案
红色线条标识的管道为 流量1（主动量），蓝 色线条标识的管道为流 量2（从动量） ，干扰 量为QV107的开度
注意：V103仅是 个维持水循环的 过渡容器，本实 验与液位无关
实验设备说明
• 实验设备：两路独立的流量系统是由各自的流体管线、阀门、水泵、 流量计等构成，流量F1是主动量，在这里是被检测参数，而流量F2是 从动量，既是被控参数也是控制参数
• 从动流量闭环系统的设定值：SP2=FT101*K’ • 主流量手动调节：MV1，即变频器输出U101 • 副流量自动调节：MV2，及控制阀FV101输出 • 信号比：K' =K*F1max/F2max
单闭环比值控制系统的信号连线
• 流量F1变送器FT101输出接在1#控制器的输入端（PV），其输入的 信号在计算机内利用组态监控软件，除了在屏幕上显示，进行曲线绘 制、存储外，还在软件中进行乘法运算，与比值系数K’相乘，运算 的 结 果 通 过 智 能 模 块 的 模 拟 量 输 出 端 AO0 连 接 到 从 动 量 控 制 器 （2#PID控制器）的外给定端（SP）
计的特点与工作原理，适合测量什么类型的介质？（测控同学要求论 述更详细） 2. 流量比Ｋ与信号比Ｋ’的区别是什么？ 3. 如果用孔板测量流量，K’应如何计算？给出算式。 4. 单闭环比值控制系统可以给从动量加干扰吗？如何加？双闭环比值控 制系统可以给主动量加扰动吗？如何加？ 5. 比值系统的控制器参数整定应按什么要求？分别给出单闭环比值控制 与液位单回路控制的控制器参数，说明其差别并解释原因。 6. （自控专业必做）用matlab仿真单闭环比值控制方案和双闭环比值控 制方案。 • 下次实验时提交本次实验的实验报告，每组1份
• 水泵的出口压力、供水量，调节阀的流通能力及管道尺寸，流量计口 径以及其他阻力，共同决定了系统的最大流量
比值控制方案选择
• 比值控制有多种方案，单闭环、 双闭环、变比值及串级比值等； 根据比值关系的实现又分为乘 法方案、除法方案
• 本实验采用乘法方案实现单闭 环比值控制
• 变频器调节的流量F1为主动量， 工作中要一直保持开环
保系统稳定迅速、静态误差小； 6. 在一定范围内改变主动量F1，测试从动量F2能否迅速跟上，并且能
保持预先设定的比例关系。
单闭环比值控制系统的信号连线
k
控制柜下面的“控制系统实验接口”中的AO0+、AO0-
单闭环比值控制系统的信号连线
• 1#控制器接受主流量的信号，并负责主流量操作，保持开环；2#控 制器负责从动流量的跟踪调节工作，闭环控制
• 生产中物料的配比关系，是指其质量比或摩尔比。但因质量和浓度参 数不易在线测量，所以当物料的密度、温度、压力基本恒定或变化不 大、配比要求不太严格时，多使用物料的体积比来表示其配比关系
• 在实践中，多针对流量的体积比实现比值控制。在下面的实验中，只 是需要做到保证两路流量的体积比一定
• 在多路流体中，总有一路为主要参照量（主动量），其他的则要求与 它保持一定的比例关系（从动量）
实验内容
1. 进行系统信号连线，完成构建单闭环比值系统的工作； 2. 对流量计进行现场的量程标定； 3. 根据要求的流量比例关系，计算流量信号的比值系数K′，并进行设
置； 4. 主动量保持手动操作，从动量控制系统无扰动地切换为自动； 5. 调整控制器的P、I参数，达到几乎无超调、无震荡的过渡过程，确
• 流量检测仪表：测量F1的是涡轮流量计FT101，测量F2的是电磁式流 量计FT102。两种流量计的最终输出信号都是4~20mA。本实验与液 位参数无关，无需液位测量仪表
• F1是通过变频器调整水泵转速而改变，F2的大小则通过电动/气动调 节阀的开度来调节，两管道中的水流分别由电磁泵P101和P102输送 并维持其循环
Fra Baidu bibliotek
7. 投 入 自 动 后 开 始 整 定 PI 参 数 ， 按 照 临 界 衰 减 状 态 为 参 考 进 行 整 定 （P=50~100，I=10~40），以保证F2能快速平稳地跟踪主动量F1的变化； 每次改变PI参数时，改变PID1的MV1施加干扰；
8. 改 变 MV1 分 别 为 20 、 50 、 80 ， 即 改 变 主 动 量 F1 分 别 为 20%F1max 、
实验六 单闭环比值控制系统
比值控制的意义
• 比值控制主要目的：保证两路或多路流体计量关系的比值。在生产中， 这种比例关系可能直接影响到产品的产量、质量，生产的能耗与安全； 在化学反应过程的进料比或加热比、燃烧过程的燃-空比、蒸馏过程 多组分的进料或采出的进料比与采出比等，常采用比值控制方案
• 1#控制器始终保持手动，其输出信号连接至变频器U101的输入端
• 流量F2变送器FT102输出接在2#控制器的输入端（PV），其输出信 号接到控制阀FV101的输入端
实验步骤
1. 通过连线，取来自现场流量仪表的信号，并把控制作用信号送到现 场的执行仪表，构建单闭环比值控制系统；
2. 检查管路阀门，打开进入下水槽的管线手阀QV105、QV106，关闭 进入中水箱的管线手阀QV107、QV108。注意提高V103出口闸板 QV116在3cm以上，确保V103的积水能迅速流出。然后给系统加 电，此时不要启动任何一个泵；
• 控制阀控制的从动量F2，应根 据F1的变化自动调节并跟踪其 变化
F1
K’
FC
F2
单闭环比值原理图
单闭环比值控制系统
K’
GC2(s)
GV (s) Gm2(s)
F2
G0 (s)
Gm1(s)
F1
单闭环比值系统方框图
• K’是决定两个变送器输出信号能否形成正确比例关系的关键
• 比值控制系统要求：若管路1的流量发生变化，管路2的流量就要尽快 跟随，并在一定范围内始终保持与管路1流量的比例关系
50%F1max、80%F1max，然后按同样间隔返回；同时观察、记录F2流量
跟踪的结果，判断其是否能够保持正确的流量比，并将对应数据填入相应
的表格。
MV1
20
50
80
50
20
F1 (PV1)
F2 (PV2)
K（实际值）
实验报告要求
• 根据实验结果，进行认真的总结和分析，写出实验报告 • 思考题： 1. 简述涡轮流量计的特点与工作原理，适合什么情况下使用？电磁流量
实验步骤
5. 根据流量比K=2.5:1的要求，计算并设定单闭环比值系数
K’=K*（F1max/F2max）。
6. 预置PID2的P=100，I=20，将PID2投自动，注意无扰动投运；投自动后等 待SP2变为或接近外给定的值F1*K’，如果SP2不变化，需等待一段时间 （几秒～五分钟不等），仍无变化则改变一下PID1的MV1；
3. 启动实验软件，选择“比值控制”项目，两控制器都置于“手动”；
注意：到目前为止，不要启动任何一个泵！！
实验步骤
4. 分别进行F1、F2流量计量程标定工作 ： ① 标定F2：开启泵2，手动调整控制阀开度（MV2），令其分别为100、
60、20，记录电磁流量计的读数（因仪表有阻尼，故一般要等30s 后 读 数 才 较 稳 定 ） ； 估 计 电 磁 流 量 计 的 实 际 量 程 ： F2max = F/X*100，F为电磁流量计读数，X为阀门开度； ② 关闭泵2，关闭阀QV102（泵P102的入口阀），开启连通阀QV103， 调节阀（MV2）开到最大100%； ③ 依次启动变频器电源、电磁阀1、变频器开关，泵P101的流量将经 过 电 磁 流 量 计 和 调 节 阀 进 入 水 箱 。 如 果 不 出 水 ， 迅 速 将 MV1 给 到 100。改变变频器的输入（MV1）为100、60、20，读出电磁流量 计的读数，据此推算涡轮流量计的量程； ④ 依次关闭变频器开关、电磁阀1、变频器电源，关闭连通阀QV103， 开启P102吸入阀QV102； ⑤ 依次启动变频器电源、电磁阀1、变频器开关和水泵2，保证P101和 水泵2分别有流体能进入下水箱V103。
实验目的&要求
• 实验目的：通过对一个典型的单闭环比值控制系统的搭建与操作，更 深入理解一般比值系统的结构、特点和基本原理；了解流量计的工作 原理和量程现场校对方法；掌握比值系数计算和设置的一般方法；掌 握比值控制系统投运过程和参数调整方法
• 实验要求：基于A3000实验装置的工艺设备和仪表，构建一个能保持 两路流量成一定比例关系的比值控制系统；正确完成系统运行工作， 平稳地将其投运到自动，调整控制器参数，使之满足系统的质量要求， 验证流量比值关系的保持能力
比值控制实验方案
红色线条标识的管道为 流量1（主动量），蓝 色线条标识的管道为流 量2（从动量） ，干扰 量为QV107的开度
注意：V103仅是 个维持水循环的 过渡容器，本实 验与液位无关
实验设备说明
• 实验设备：两路独立的流量系统是由各自的流体管线、阀门、水泵、 流量计等构成，流量F1是主动量，在这里是被检测参数，而流量F2是 从动量，既是被控参数也是控制参数
• 从动流量闭环系统的设定值：SP2=FT101*K’ • 主流量手动调节：MV1，即变频器输出U101 • 副流量自动调节：MV2，及控制阀FV101输出 • 信号比：K' =K*F1max/F2max
单闭环比值控制系统的信号连线
• 流量F1变送器FT101输出接在1#控制器的输入端（PV），其输入的 信号在计算机内利用组态监控软件，除了在屏幕上显示，进行曲线绘 制、存储外，还在软件中进行乘法运算，与比值系数K’相乘，运算 的 结 果 通 过 智 能 模 块 的 模 拟 量 输 出 端 AO0 连 接 到 从 动 量 控 制 器 （2#PID控制器）的外给定端（SP）
计的特点与工作原理，适合测量什么类型的介质？（测控同学要求论 述更详细） 2. 流量比Ｋ与信号比Ｋ’的区别是什么？ 3. 如果用孔板测量流量，K’应如何计算？给出算式。 4. 单闭环比值控制系统可以给从动量加干扰吗？如何加？双闭环比值控 制系统可以给主动量加扰动吗？如何加？ 5. 比值系统的控制器参数整定应按什么要求？分别给出单闭环比值控制 与液位单回路控制的控制器参数，说明其差别并解释原因。 6. （自控专业必做）用matlab仿真单闭环比值控制方案和双闭环比值控 制方案。 • 下次实验时提交本次实验的实验报告，每组1份
• 水泵的出口压力、供水量，调节阀的流通能力及管道尺寸，流量计口 径以及其他阻力，共同决定了系统的最大流量
比值控制方案选择
• 比值控制有多种方案，单闭环、 双闭环、变比值及串级比值等； 根据比值关系的实现又分为乘 法方案、除法方案
• 本实验采用乘法方案实现单闭 环比值控制
• 变频器调节的流量F1为主动量， 工作中要一直保持开环
保系统稳定迅速、静态误差小； 6. 在一定范围内改变主动量F1，测试从动量F2能否迅速跟上，并且能
保持预先设定的比例关系。
单闭环比值控制系统的信号连线
k
控制柜下面的“控制系统实验接口”中的AO0+、AO0-
单闭环比值控制系统的信号连线
• 1#控制器接受主流量的信号，并负责主流量操作，保持开环；2#控 制器负责从动流量的跟踪调节工作，闭环控制
• 生产中物料的配比关系，是指其质量比或摩尔比。但因质量和浓度参 数不易在线测量，所以当物料的密度、温度、压力基本恒定或变化不 大、配比要求不太严格时，多使用物料的体积比来表示其配比关系
• 在实践中，多针对流量的体积比实现比值控制。在下面的实验中，只 是需要做到保证两路流量的体积比一定
• 在多路流体中，总有一路为主要参照量（主动量），其他的则要求与 它保持一定的比例关系（从动量）
实验内容
1. 进行系统信号连线，完成构建单闭环比值系统的工作； 2. 对流量计进行现场的量程标定； 3. 根据要求的流量比例关系，计算流量信号的比值系数K′，并进行设
置； 4. 主动量保持手动操作，从动量控制系统无扰动地切换为自动； 5. 调整控制器的P、I参数，达到几乎无超调、无震荡的过渡过程，确
• 流量检测仪表：测量F1的是涡轮流量计FT101，测量F2的是电磁式流 量计FT102。两种流量计的最终输出信号都是4~20mA。本实验与液 位参数无关，无需液位测量仪表
• F1是通过变频器调整水泵转速而改变，F2的大小则通过电动/气动调 节阀的开度来调节，两管道中的水流分别由电磁泵P101和P102输送 并维持其循环
Fra Baidu bibliotek
7. 投 入 自 动 后 开 始 整 定 PI 参 数 ， 按 照 临 界 衰 减 状 态 为 参 考 进 行 整 定 （P=50~100，I=10~40），以保证F2能快速平稳地跟踪主动量F1的变化； 每次改变PI参数时，改变PID1的MV1施加干扰；
8. 改 变 MV1 分 别 为 20 、 50 、 80 ， 即 改 变 主 动 量 F1 分 别 为 20%F1max 、