THPFSY-2型双容水箱液位对象系统实验指导书(西门子)

THPFSY-1型双容水箱液位对象系统为了保证实验的正确性和精确性，在实验前要对实物模型的液位与输出电流的线性关系进行调节，以便得到更为精确的实验结果。把液压传感器后盖打开，用一字螺丝刀分别调节Z、S电位器（Z：调零；S：增益），使左右水箱各自液位与相对应的LT1、LT2输出电流的线性关系均如下图所示：实验一单容自衡水箱液位特性测试实验一、实验目的1．掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线；2．根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K、T和传递函数；二、实验设备1．THPFSY-2型双容水箱液位对象系统一台2．装有STEP7-Micro/WIN32编程软件的电脑一台3．西门子S7-200系列PLC一台（附带EM235模块）4．PC/PPI下载电缆一根5．实验导线若干三、实验原理所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。下图所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。设被控水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度F1-1可以改变Q1的大小，被控水箱的流出量为Q4，改变出水阀F1-3的开度可以改变Q4。液位h的变化反映了Q1与Q4不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有Q1-Q4=Adtdh(1-1)将式(2-1)表示为增量形式ΔQ1-ΔQ4=Adthd(1-2)式中：ΔQ1，ΔQ4，Δh——分别为偏离某一平衡状态的增量；A——水箱截面积。在平衡时，Q1=Q4，dtdh＝0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q4也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q4与h成正比关系，而与阀F1-2的阻力R成反比，即ΔQ4=Rh或R=4Qh(2-3)式中：R——阀F1-3的阻力，称为液阻。将式(1-2)、式(1-3)经拉氏变换并消去中间变量Q4，即可得到单容水箱的数学模型为W0（s）＝)()(1sQsH＝1RCsR=1sTK(2-4)式中T为水箱的时间常数，T＝RC；K为放大系数，K＝R；C为水箱的容量系数。若令Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=sx0，x0=常数，则式(1-4)可改写为H（s）=TTK1s/×sx0=Ksx0-TK1sx0对上式取拉氏反变换得h(t)=Kx0(1-e-t/T)(1-5)当t—∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有K=0x0hh）（）（＝阶跃输入输出稳态值(1-6)当t=T时，则有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h(∞)(1-7)式（1-5）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如下图（a）所示，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。单容水箱的阶跃响应曲线如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为上图（b），在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：H(S)=TsKes1(1-8)四、实验内容与步骤1．实验之前先将储水箱中贮足水量，将右水箱出水阀门F1-1、F1-3开至适当开度，其他阀们全部关闭。2．对磁力驱动泵的控制端加一恒定电压值，使其输出值即Q1为一个合适的值，调整F1-1、F1-3使被控水箱液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。3．待被控水箱液位平衡后，突增（或突减）磁力驱动泵输出量的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录下此时的仪表输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如下图所示。单容被控水箱液位阶跃响应曲线4．根据前面记录的液位值和仪表输出值，按公式（1-6）计算K值，再根据阶跃响应曲线图求得T值，写出对象的传递函数。五、实验报告要求1．画出单容水箱液位特性测试实验的结构框图。2．根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出单容水箱液位对象的参数及传递函数。六、思考题1．做本实验时，为什么不能任意改变出水阀F1-3开度的大小？2．用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？实验二双容自衡水箱液位特性测试实验一、实验目的1．掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；2．根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T1、T2及传递函数；二、实验设备同单容自衡水箱液位特性测试实验三、原理说明双容水箱对象特性测试系统结构方框图由上图所示，被测对象由两个不同容积的水箱相串联组成，故称其为双容对象。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：G(s)=G1(s)G2(s)=)1sT)(1sT(K1sTk1sTk212211(2-1)式中K＝k1k2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。本实验中被测量为左水箱的液位，当右水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如下图所示。此图中，右水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数(a)；而左水箱液位的响应曲线则呈S形曲线(b)，即左水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1-2和F1-4的开度大小密切相关。图双容水箱液位的阶跃响应曲线（a）右水箱液位（b）左水箱液位双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。在下图所示的阶跃响应曲线上求取：(1)h2（t）|t=t1=0.4h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t1；(2)h2（t）|t=t2=0.8h2(∞)时曲线上的点C和对应的时间t2。双容水箱液位的阶跃响应曲线然后，利用下面的近似公式计算式阶跃输入量输入稳态值Ohx)(K2(2-2)2.16ttTT2121(2-3))55.074.1()T(TTT2122121tt(2-4)0.32〈t1/t2〈0.46由上述两式中解出T1和T2，于是得到如式（2-1）所示的传递函数。在改变相应的阀门开度后，对象可能出现滞后特性，这时可由S形曲线的拐点P处作一切线，它与时间轴的交点为A，OA对应的时间即为对象响应的滞后时间。于是得到双容滞后（二阶滞后）对象的传递函数为：G（S）=)1)(1(21STSTKSe(2-5)四、实验内容与步骤1．实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1全开，将左水箱进水阀门F1-2、左水箱出水阀门F1-4开至适当开度（要求F1-2开度稍大于F1-4的开度），其余阀门均关闭。2．对磁力驱动泵的控制端加一恒定电压值，磁力驱动泵的输出值即Q1为一个合适的值，使左水箱液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。3．液位平衡后，突增（或突减）仪表输出量的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录下此时的仪表输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如下图所示。图双容水箱液位阶跃响应曲线4．根据前面记录的液位和仪表输出值，按公式（2-2）计算K值，再根据图双容水箱液位阶跃响应曲线求得T1、T2值，写出对象的传递函数。实验三单容水箱液位定值控制实验第一节单回路控制系统的概述一、单回路控制系统的概述下图为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。单回路控制系统方框图二、干扰对系统性能的影响1．干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。干扰通道的放大系数Kf会影响干扰加在系统中的幅值。若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为Tf，则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。即时间常数Tf越大，则系统的动态偏差就愈小。通常干扰通道中还会有纯滞后环节，它使被调参数的响应时间滞后一个τ值，但不会影响系统的调节质量。2．干扰进入系统中的不同位置。复杂的生产过程往往有多个干扰量，它们作用在系统的不同位置，如下图所示。同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。扰动作用于不同位置的控制系统三、控制规律的选择PID控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。1．比例(P)调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。其传递函数为：GC(s)=KP=1(3-1)式中KP为比例系数，δ为比例带。2．比例积分(PI)调节PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。其传递函数为：GC(s)=KP(1+s1IT)＝1(1+s1IT)(3-2)式中TI为积分时间。3．比例微分(PD)调节这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。因此一般不用于流量和液位控制系统。PD调节器的传递函数为：GC(s)=KP(1+TDs)＝1(1+TDs)(3-3)式中TD为微分时间。4．比例积分微分(PID)调节器PID是常规调节器中性能最好的一种调节器。由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。它的传递函数为GC(s)=KP(1+s1IT+TDs)＝1(1+s1IT+TDs)(3-4)下图表示了同一对象在相同阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。各种控制规律对应的响应过程四、调节器参数的整定方法调节器参数的整定一般有两种方法：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程实验整定法有以下四种：（一）经验法若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。下表为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微分作用，微分时间常数按TD=(31～41)TI计算。表：经验法整定参数系统参数δ(%)TI(min)TD(min)温度20～603～100.5～3流量40～1000.1～1压力30～700.4～3液位20～80(二)临界比例度法图3-4具有周期TS的等幅振荡这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=∞，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图3-4所示。根据临界比例度δk和振荡周期TS，按下表所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到4：1衰减为目标。表：临界比例度法整定调节器参数调节器参数调节器名称δTI(S)TD(S)P2δkPI2.2δkTS/1.2PID1.6δk0.5TS0.125TS临界比例度法的优点是应用