过程装备控制技术及应用实验.docx

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1、实验内容一：单容自衡水箱液位特性测试实验实验学时：2学时实验类型：（验证、综合、设计）实验要求：（必修、选修）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 .THJ-2型高级过程控制系统实验装置2 .计算机及相关软件3 .万用电表一只三、实验原理根据动态物料平衡关系有Qi-Q2=A-dt将式（2T）表示为增量形式C八、dkhQ-QszzA匕O(S)=(1-1)(1-2)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

2、表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图IT所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门FIT、FI-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q”改变电动调节阀的开度可以改变G的大小，下水箱的流出量为Q2,改变出水阀F1TI的开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1与Qz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。dt式中：Q1,Q2,h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,=0：当。发生变化时dt口处的静东也随之变化，Qz也发生变化。由流体功而与阀F1TI的阻力R成反比，即量之

3、间为非线性关系。但为了简化起见，经线性催显胤一I电动阀（b）1-1单容自衡水箱特性测试系统（a）结构图（b）方框图Q2-或R-R?Q(1-3)式中：R阀Fb1I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小，即可得到单容水箱的数学模型为W0(s)H(s)_RKQ(s)RCs+Ts+1(1-4)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YQ1(s)作阶跃扰动，即Q1(S)=T，X。=常数，则式(2-4)可改写为H(S)=叱X曳=K红-粤s1Sss1TT对上式取拉氏反变换得h(t)=Kx)(1-e1)(1-5)当t8时，h(8)-h(

4、0)=Kxo,因而有K二h(8)-h(0)=输出稳态值(1-6)阶跃输入当t:T时，则有h(T)(1-e,)=O.632KxcfO.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，如图1-2(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0A,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。如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图1-2(b),在此曲线的拐点D处作切线，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,B

5、C为对象的时间常数T,所得的传递函数为：H(S)=1(1-8)1+T5四、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FIT、F1-2、F1-8全开,将下水箱出水阀门F1-I1开至适当开度（30%80%）,其余阀门均关闭。1 .将“SA-12智能调节仪控制”挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1,并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“1T3下水箱液位”钮子开关拨到“0N”的位置。8A-12图1-3仪表控制“单容水箱特性测试”实验

6、接线图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、单相In空气开关，给电动调节阀及智能仪表上电。3 .打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”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 .通过调节仪将输出值设置为一个合适的值（50%-70%）o5 .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

7、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，经过段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录此时的仪表输出值和液位测量值，液位的响应过程曲线将如图1-4所示。7 .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，再根据图1-2中的实验曲线求得T值，写出单容水箱的传递函数。8 .启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。9.把由实4佥曲线所得的结果填入下表。参数值测量值液位hKT正向输入负向输入平均值五、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

8、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。实验内容二：双容水箱特性的测试实验学时：2学时实验类型：(验证、综合、设计)实验要求：(必修、选修)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、7、T2及传递函数;二、实验设备(同前)三、原理说明图2T双容水箱对象特性测试系统(a)结构图(b)方框图由图2-1所示，被测对象由两个不同容

9、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)=(2-1)TS+1T2s+1(T/S+1)(T2S-1)式中=kk,为双容水箱的放大系数，Ti、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2-1所示。由图2-1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、-1(a);而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线(图2T(b),即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1To和F1T1的开度大小密切相关。图2-2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2-3所示的阶跃响应曲线上求取：(1) h2(t)IE=O.4h2(8)时曲线上的点B和对应的时间S(2) h2(t)IeO.8h2(8)时曲线上的点C和对应的时间图2-3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h()输入稳态值(2-2)X。阶跃输入量t1+t2T1+T2*匕上(2-3)2.160.32(t1t20.46

11、由上述两式中解出TI和T2,于是得到如式(2T)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汇。于是得到双容滞后(二阶滞后)对象的传递函数为：G(S)=e(2-5)(T1S+1)(T2S+1)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FIT、F1-2、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1T0、下水箱出水阀门F1-H开至适当开度（要求F1-IO开度稍大于F1-I1的开度），其余阀门均关闭。1 .将SAT2

12、挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1,并按照单容水箱控制屏接线图2-3连接实验系统。将“1T3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、单相HI空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。3 .打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”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 .通过调节仪表将输出值设置为一个合适的值（般为最

13、大值的50%70%,不宜过大,以免水箱中水溢出）。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测量值。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，经过段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录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（2-2）计算K值，再根据图2-3中的实验曲线求得T

14、1、T2值，写出对象的传递函数。8、上述实验用计算机实时记录儿的历史曲线利在阶跃扰动后的响应曲线。9、把由计算机作用的实验曲线进行分析处理，并把结果填表入卜表中：参数值测量值液位hKT1T2正向输入负向输入平均值五、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

15、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？实验内容四：温度定值控制系统实验学时：2学时实验类型：（验证、综合、设计）实验要求：（必修、选修）一、实验目的1 .了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。2 .研究P、PKPD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用。3 .了解PID参数自整定的方法及其参数整定在整个系统中的重要性。4 .分析锅炉内胆动态水温与静态水温在控制效果上有何不同之处？二、实验设备（同前）三、实验原理本实验以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。本实验要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将伯电阻检测到的锅炉内胆温度信号TT1作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调