过程控制实验指导书

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；3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。二、实验设备1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS需两台计算机）、万用表一个；2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个；4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根；5．SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线；6．SA-42挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。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。图2-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1与Q2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-Q2=Adtdh(2-1)将式(2-1)表示为增量形式ΔQ1-ΔQ2=Adthd(2-2)式中：ΔQ1，ΔQ2，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=Q2，dtdh＝0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出图2-1单容自衡水箱特性测试系统口处的静压也随之变化，Q2也发生变化（a）结构图（b）方框图。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Q2与h成正比关系，而与阀F1-11的阻力R成反比，即ΔQ2=Rh或R=2Qh(2-3)式中：R——阀F1-11的阻力，称为液阻。将式(2-2)、式(2-3)经拉氏变换并消去中间变量Q2，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(2-4)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)(2-5)当t—∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有K=0x0hh）（）（＝阶跃输入输出稳态值(2-6)当t=T时，则有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h(∞)(2-7)式（2-5）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2（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。图2-2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图2-2（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(2-8)四、实验内容与步骤本实验选择下水箱作为被测对象（也可选择上水箱或中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度，其余阀门均关闭。1．将“SA-42S7-200PLC控制”挂件挂到屏上，并用PC/PPI通讯电缆线将S7-200PLC连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、Ⅲ空气开关，给S7-200PLC及电动调节阀上电。3．打开Step7-Micro/WIN32软件，并打开“S7-200PLC”程序进行下载，然后将S7-200PLC置于运行状态，然后运行MCGS组态环境，打开“S7-200PLC控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入实验一的监控界面。4．在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”控制，并将输出值设置为一个合适的值，此操作需通过调节仪表实现。5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。6．待下水箱液位平衡后，突增（或突减）智能仪表输出量的大小，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图2-4所示。图2-4单容下水箱液位阶跃响应曲线7．根据前面记录的液位值和仪表输出值，按公式（2-6）计算K值，再根据图2-2中的实验曲线求得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F1-11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？3．如果采用中水箱做实验，其响应曲线与下水箱的曲线有什么异同？并分析差异原因。实验一（二）双容水箱特性的测试一、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；3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。二、实验设备（同前）三、原理说明图2-9双容水箱对象特性测试系统(a)结构图(b)方框图由图2-9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。根据本章第一节单容水箱特性测试的原理，可知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(2-9)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。本实验中被测量为下水箱的液位，当中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图2-10所示。由图2-10可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图2-10(a)）；而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图2-10(b)），即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1-10和F1-11的开度大小密切相关。图2-10双容水箱液位的阶跃响应曲线（a）中水箱液位（b）下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。在图2-11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。图2-11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(2-10)2.16ttTT2121(2-11))55.074.1()T(TTT2122121tt(2-12)0.32〈t1/t2〈0.46由上述两式中解出T1和T2，于是得到如式（2-9）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(2-13)四、实验内容与步骤本实验选择中水箱和下水箱串联作为被测对象（也可选择上水箱和中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求F1-10开度稍大于F1-11的开度），其余阀门均关闭。1．将SA-42S7-200PLC控制挂件挂到屏上，并用PC/PPI通讯电缆线将S7-200PLC连接到计算机串口2，并按照本章第一节的控制屏接线图2-7连接实验系统。将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、Ⅲ空气开关，给S7-200PLC及电动调节阀上电。3．打开Step7-Micro/WIN32软件，并打开“S7-200PLC”程序进行下载，然后将S7-200PLC置于运行状态，然后运行MCGS组态环境，打开“S7-200PLC控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验二、双容自衡水箱对象特性测试”，进入实验二的监控界面。4．在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”输出，并将输出值设置为一个合适的值（一般为最大值的40～70%，不宜过大，以免水箱中水溢出），此操作需通过调节仪表实现。5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。6．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图2-12所示。图2-12双容水箱液位阶跃响应曲线7．根据前面记录的液位和仪表输出值，按公式（2-10）计算K值，再根据图2-11中的实验曲线求得T1、T2值，写出对象的传递函数。五、实验报告要求1．画出双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，分析并计算出双容水箱液位对象的参数及传递函数。3．综合分析以上五种控制方案的实验效果。六、思考题1．做本实验时，为什么不能任意改变两个出水阀门开度的大小？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？3．如果采用上水箱和中水箱做实验，其响应曲线与用中水箱和下水箱做实验的曲线有什么异同？并分析差异原因。4．引起双容对象滞后的因素主要有哪些？实验二单容液位定值控制系统一、实验目的1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。2．掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。4．了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。5．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。二、实验设备（同前）三、实验原理图3-6中水箱单容液位定值控制系统(a)结构图(b)方框图本实验系统结构图和方框图如图3-6所示。被控量为中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。四、实验内容与步骤本实验选择中水箱作为被控对象。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度，其余阀门均