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MPCE-1000化工实验指导书
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SMPT-1000 高级高级多功能过程控制实训系统由立体流程设备盘台,高精度工业仿 真引擎及实验监测软件,IO 接口与辅助操作台及工业控制系统四部分组成....
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MPCE实验装置三级液位系统建模和控制算法的研究.pdf64页
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原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究
工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢
的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不
包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我
共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：
暨：垫蛰 日期：―2业年上月生日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校
有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，
允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内
容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科
学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，
并通过网络向社会公众提供信息服务。
作者签名：匮量盐 导师签名竺辱碧歪 日期：丝年￡月 摘 要 在实验室不具备复现真实工业生产过程的条件下，利用具有典型
对象模型的实验装置进行模拟仿真是一条研究将控制理论和算法转
化为应用技术的捷径。液位是工业生产过程重要参数之一，以多功能
过程控制实验装置 MPCE 为实验平台，灵活进行生产过程组态，实
施各种不同的综合方案，分别构成一级，二级和三级液位控制系统。
液位控制系统以液位为被控参数，进行系统建模、控制算法以及模拟
仿真研究，对于控制生产过程中的物料平衡、维持生产稳定、为工艺
操作条件提供依据、为装置的安全运行提供保障具有实际意义。 首先简单介绍MPCE．1000实验装置结构，说明了液位控制系统
组成和工作原理，
正在加载中，请稍后...MPCE-1000化工实验指导书；目录；一、MPCE-1000实验系统?????????；二、离心泵与液位实验；1.离心泵开车实验（实验1）??????????；2.液位与流量的非线性关系实验（实验2）????；3.液位简单控制实验（实验3）?????????；4.离心泵特性测试实验（实验4）????????；5.控制阀固有特性及测试实验（实验5）?????
MPCE-1000化工实验指导书
一、MPCE-1000实验系统 ????????????????????? 3
二、离心泵与液位实验
1. 离心泵开车实验（实验1） ??????????????????9
2. 液位与流量的非线性关系实验（实验2） ????????????11
3. 液位简单控制实验（实验3）
????????????????14
4. 离心泵特性测试实验（实验4） ????????????????18
5. 控制阀固有特性及测试实验（实验5） ?????????????22
三、三级液位实验
1. 三级液位手动调整实验（实验6）??????????????? 28
2. 第二级液位自衡实验（实验7）???????????????? 32
3. 三级液位简单控制实验（实验8）??????????????? 36
四、气体压缩实验
1. 气体压缩系统开车实验（实验9）??????????????? 41
2. 压缩气体体积流量计算实验（实验10） ???????????? 44
3. 简单压力控制实验（实验11） ???????????????? 50
五、列管式热交换器传热实验
1. 列管式热交换器开车实验（实验12） ????????????? 53
2. 列管式热交换器总传热系数测定实验（实验13） ???????? 55
3. 列管式热交换器简单温度控制实验（实验14） ????????? 59
六、连续带搅拌釜式反应（CSTR）实验
1. CSTR开车实验（实验15）
????????????????? 62
2. 连续反应影响因素分析实验（实验16） ???????????? 67
3. 连续反应停留时间与转化率测试实验（实验17） ???????? 71
4. 连续反应综合单回路控制实验（实验18） ??????????? 73
七、间歇反应实验
1. 间歇反应开车实验（实验19） ???????????????? 81
多少年来，高职、高专、高等院校化学工程、精细化工、应用化学、高分子化学等专业（包括环境科学、生命科学、自动化过程控制专业和过程装备与控制工程等专业）的教师们一直期待着有一种理想的多功能化工过程与控制实验系统，这种系统：能够兼容连续和间歇两种典型的化学反应；具有工业级规模动态特性；危险性最低（甚至没有危险性）；反应产物无污染、后处理简单；消耗最少的物料（甚至不消耗物料）；消耗最少的能源；除了化学反应实验外，还可以进行流体力学、传热和气体压缩等多种工程试验；还可以灵活地进行多种过程控制实验与训练；同时具有投资省、运行和维护费用省等优点。
然而，在新一代多功能过程及控制实验系统研制成功之前，这一理想几乎不可能全部实现。因为，传统的实验技术存在着如下无法克服的弱点：
1． 任何放热化学反应都有爆炸危险性，导致无法在学校实验室中进行此类常见的、典型
的反应动力学实验。
2． 任何化学反应都要消耗物料，产生主产物、副产物和需要后处理的汽相和液相物质，
不可能没有后处理和环境保护措施。连续反应处理量大，此类问题尤其突出。
3． 实验装置的尺寸过小，导致系统时间常数比真实系统小得多，动态特性与实际工业系
统差异很大，学生得不到工业规模大型系统的特性感受。
4． 由于实验装置尺寸过小的原因，流动特性受管壁边界层的影响大，流动非线性强，无
法稳定，导致测试结果偏差大，没有重复性。正因为如此，国家标准（包括国际标准）规定，只有管径大于50毫米，流动达到一定的流速才有标准可言。
5． 不得已，反应过程工艺介质一般用水，即所谓冷模实验。此种实验过程物理性质单一，
表达不了实际工艺物料复杂多样的物理化学特性，除了流体流动与传热实验外，化学反应、物料混合、组分变化、酸碱度变化、气体压缩、复杂的传质过程等都无法实现。因此，普遍存在着实验过程单调、知识点少等问题。
6． 无法进行高危险性、超极限性过程的安全保护实验。因为，传统的冷模实验系统本身
十分简单，没有高危险性、超极限性（如反应超温、超压、爆炸等）现象，当然，基于安全要求也不允许进行破坏性实验。
7． 难于对实验流程、实验项目、实验内容进行重组和变化，限制了实验规模和种类。实
验装置部件有限，重组和变化的内容有限。此外，重组和变化需要附加管路和阀门，变化实验内容的初始化时间长（例如，等待系统降温时间很长），而且全面的重组和变化必须对设备进行重新机电组装，这对参与实验的师生几乎没有可行性。
8． 难于对全部变量和操作进行实时监测，无法实现高完备性和高分辨率故障诊断，因此
也无法实现未来智能化实验。
以上弱点或难题，在新一代多功能过程与控制实验系统中几乎全部得到解决。新一代实验系统，通过将小型半实物过程系统、微机控制系统与全数字仿真技术结合，实现了集多种
教学和实验功能于一身、真实感强、一机多用、无须物料、没有产物和副产物、维修简单、节能、安全、环保等理想实验系统的要求，是教学实验技术的一个新的飞跃。
一、MPCE-1000实验系统
MPCE-1000实验系统由小型流程设备盘台、数字式软仪表与接口硬件、系统监控软件及过程模型软件四部分组成。四部分通过小型实时数据库、实时数字通信协调运行，完成复杂的化工过程与控制模拟实验。
（一）小型流程设备盘台
见图1-1所示，在钢结构的盘台上安装着由不锈钢制的比例缩小的流程设备模型。主设备包括：一台卧式储罐、两台高位计量罐、一台带搅拌器的釜式反应器、一台列管式热交换器、三台离心泵、十个手动/自动双效阀门和若干管路系统。在垂直的仪表盘面上分布有压力（P）、流量（F）、温度（T）、物位（L）、功率（N）、组成（A）和阀位（V）等传感器（变送器）插孔和数字式软仪表。本盘台是直接操作和运行过程系统的环境。本环境给操作员以全真实的空间位置感觉、全真实的操作力度感觉和过程变化的时间特性感觉。由于真实过程装置的压力、流量、温度、物位、功率、组成也是无法直接观察的，必须通过仪表检测，因此，本系统和真实系统的观测界面完全一致。
图1-1 MPCE-1000化工过程与控制实验系统总貌图
1. 盘台检测点、操作点与控制点
见图1-2所示，小型流程盘台上可以变化组合的检测点、操作点与控制点统计如下：
（1） 电子阀（双效）10个 （V1~V10，既能定义为手动阀门，也能定义为控制阀）
（2） 电子开关
（S2、S4、S5、S8）
（3） 开关阀
（S1、S3、S6、S7，用于快开特性阀门的操作）
（4） 流量检测点
10个 （F1~F10）
（5） 液位检测点
（6） 压力检测点
（7） 温度检测点
（8） 功率检测点
（9） 组份检测点
（10） 指示灯
（D1、D2）
图1-2 MPCE-1000实验系统流程
图1-3 MPCE-1000的多种工艺过程组合
图1-3 表达了MPCE-1000实验系统的多种工艺过程组合实验模式。本实验系统可以进行离心泵与液位系统开、停车试验，离心泵特性测试，故障实验和控制系统实验；三级液位系统可以进行串联容器物料平衡实验与计算，液位自衡实验及流体力学实验，多级液位控制训练；气体压缩系统可以进行管路阻力和压降试验，气体体积流量换算实验，透平式气体压缩机特性试验，气体压力与流量控制训练；列管式热交换器传热系统可以进行多工况对数温差测试与核算，多工况总传热系数测试与核算，列管式热交换过程温度控制训练。
连续反应过程选择工业常见的带搅拌的釜式反应器（CSTR）系统，同时又是高分子聚合反应，具有广泛的代表性。本实验是当前工艺全实物实验根本无法进行的高危险性实验，又是非常需要的反应动力学实验内容。此外，全实物实验还面临物料消耗、能量消耗、反应产物的处理、废气废液的处理和环境污染问题，以上各项问题比间歇反应更严重，因为连续反应的处理量大大超过间歇过程。国内现有的连续反应实验系统实际上都是水位及流量系统，无法进行反应实验。本实验系统可以进行连续反应开、停车试验；多因素（进料量、冷却量、催化剂量、搅拌等）影响试验与分析；全混流连续反应平均停留时间测试与估算；全混流连续反应平均转化率测试与产量计算；多组分汽液平衡压力测试与估算；本实验系统还可以进行安全分析和过程控制训练。
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2）衰减振荡法控制器参数整定是如何进行的？
3）衰减振荡法控制器参数整定有何优点和缺点？
4）列出衰减振荡法PID控制器参数整定的估算方法。
七、参考文献
1、《过程装备控制技术及应用实验指导书》，自编，2010年。
2、《过程装备控制技术及应用》，王毅，张早校 主编，化学工业出版社，2007年。
3、《过程控制系统?仪表?装置》，林锦国主编，，东南大学出版社，2001
实验 七 气体压力PID单回路控制系统的设计与整定
一、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。
二、实验原理
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
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/s
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
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/cm），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=9.8 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。
5）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7-1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7-1 气体压缩过程流程图画面
气体压缩过程实验流程如图7-2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7-2气体压缩过程流程图
三、主要仪器及耗材
MPCE―1000实验系统、联接信号线、电脑。
四、实验内容与步骤
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KC从10以1.0为增量逐渐变化，每变化一次增益KC，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Kcmax= 21，等幅振荡周期Tmax=60秒。
4）参考计算公式表计算得到PI控制参数为：KC=9.5，Ti=50秒，Td=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7-4。
五、实验注意事项
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。
4）将压力P7控制器定义为位号PIC-01，PID参数设置为：KC=10、Ti=99999秒、Td=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7-3。
5）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7-3。
6）阀门V3、V4选线性特性。
图7-3 压力控制系统组态画面
图7-4气体压力控制等幅振荡和阶跃响应曲线
六、思考题
1）压力PID单回路控制系统的常用方法？
2）压力PID控制器参数整定方法？
七、参考文献
1、《过程装备控制技术及应用实验指导书》，自编，2010年。
2、《过程装备控制技术及应用》，王毅，张早校 主编，化学工业出版社，2007年。
3、《过程控制系统?仪表?装置》，林锦国主编，，东南大学出版社，2001
包含总结汇报、党团工作、工作范文、资格考试、办公文档、人文社科、旅游景点、经管营销、教程攻略、word文档以及过程控制实验指导书等内容。本文共7页
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