搜索
过程控制实验指导书控制工程系106实验室自动化学院2014.4实验二、一阶单容上水箱对象特性测试实验一、实验目的1）、熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。2）、根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。二、实验设备1）、AE2000A型过程控制实验装置：配置：万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。三、系统结构框图单容水箱如图1-1所示：增压泵电动调节阀智能调节仪手动输出hV1Q1V2Q2图1-1、单容水箱系统结构图四、实验原理阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。如图1-1所示，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，h1(t)h1(∞)0.63h1(∞)0T出水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：式中，T为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R2*C，K=R2为过程的放大倍数，R2为V2阀的液阻，C为水箱的容量系数。令输入流量Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位的高度为：当t=T时，则有：h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞)即h(t)=KR0(1-e-t/T)当t—∞时，h（∞）=KR0，因而有K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入式（1-2）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所示。当由实验求得图1-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应时间，就是水箱的时间常数T，该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T，其理论依据是：图1-2、阶跃响应曲线上式表示h（t）若以在原点时的速度h（∞）/T恒速变化，即只要花T秒时间就可达到稳态值h（∞）。五、实验内容和步骤1、设备的连接和检查：（1）、关闭阀14，将AE2000A实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。（2）、首先打开手动阀阀1、阀4、阀7、阀15，然后将自动/手动切换开关打到手动方式上，在手动操作面板上打开主阀门电磁阀、电动调节阀、上水箱阀门电磁阀，一切准备好后再打开增压泵的电源开关。关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。（3）、打开上水箱的出水阀：阀7至适当开度。（4）、检查电源开关是否关闭2、对象管路图：上水箱液位传感器涡轮流量计电动调节阀扰动阀门压力表调节阀支路动力泵进水口出水口溢流口放水口上水箱储水箱阀1阀2阀3阀4阀7阀14上水箱阀门主阀门阀15增压泵、电动调节阀和各个手动阀、电磁阀所处状态：1）、手动阀：阀1、阀4、阀7、阀15均应处于打开状态，其它手动阀均关闭。2）、手动操作面板钮子开关状态：名称主阀门电磁阀上水箱阀门电磁阀电动调节阀增压泵手动操作面板开开开开其它电磁阀均处于关闭状态。3、系统连线图：A/O2+-A/O1+-A/O3+-A/O4+-A/O5+-A/O6+-A/O7+-A/O0+-DCSFM151模拟量输出接口三相SCR移相调压装置电源输入调压输出移相调压输入4∽20mA+-NN电动调节阀阀位输出控制信号250ΩONOFF4∽20mA输入+-+-电源开关开关温度变送器锅炉水温250Ω50Ω压力变送器小流量管压力下水箱液位流量变送器涡轮流量计电磁流量计I/O信号接口24VDC电源电源开关指示24伏输出+-+-Alarm夹套水温+-ONOFF250Ω50Ω+-ONOFF信号输出f/V信号输出+-250Ω50Ω+-ONOFF250Ω50Ω+-ONOFF250Ω50Ω+-ONOFF上水箱液位手动操作单相泵电动调节阀主阀门扰动阀门ONOFFONOFFONOFFONOFFONOFF上水箱阀门下水箱阀门锅炉内胆阀门锅炉内胆阀门ONOFFONOFFONOFF自动/手动切换手动方式自动方式指示指示手动自动A/M切换开关+3RSVf+3智能调节仪AI818A调节仪表RSVPV250Ω50ΩRSVI/V转换1∽5V/0∽5V0.2∽1VPt1004∽20mA输出+-+-+--++-127543开关RS485直流电磁阀电源开关关开电磁流量计电源开关关开变频器电源开关关开三相电加热管电源开关关开增压泵电源开关关开电加热管电流指示A变频器变频器0-5V4-20mA控制信号输入++--SDSTFSTRRH公共端正转反转切换交流电压表10A照明2A停止关开电源总开关启动10A10A交流电压表交流电压表U相单相Ⅰ总电源漏电保护器三相电源单相ⅡV相W相电源控制板合上电源开关图1-3、实验接线图1）、如图1-3所示：将I/O信号接口面板上的上水箱液位的钮子开关打到OFF位置。2）、将上水箱液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV的+极），上水箱液位-（负极）接到智能调节仪的2端（即RSV的负极）。3）、将智能调节仪的4~20mA输出端的7端（即+极）接至电动调节阀的4~20mA输入端的+端（即正极），将智能调节仪的4~20mA输出端的5端（即-极）接至电动调节阀的4~20mA输入端的-（即负极）。4）、电源控制板上的三相电源、单相Ⅰ、Ⅱ的空气开关打在关的位置。5）、电动调节阀的~220V电源开关打在关的位置。6）、智能调节仪的~220V电源开关打在关的位置。7）、增压泵电源开关打在关的位置。4、启动实验装置1）、将实验装置电源插头接到380V的三相交流电源上。2）、打开电源三相带漏电保护空气开关,电压表指示380V。3）、打开总电源钥匙开关，按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源。5、实验步骤1）、开启总电源、单相Ⅰ、Ⅱ空气开关，根据仪表使用说明书和液位传感器使用说明调整好仪表各项参数和液位传感器的零位、增益，仪表输出方式设为手动输出，初始值为0。2）、启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验如图1-4所示：1-4、实验软件界面3）、双击设定输出按钮，进行设定输出值的大小，或者在仪表手动状态下，将仪表的输出值上升到所想设定的值，这个值根据阀门开度的大小来给定，一般初次设定值25。开启增压泵电源开关，启动动力支路。将被控参数液位高度控制在50%处（一般为15cm）。4）、观察系统的被调量：上水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录调节仪输出值，以及水箱水位的高度h1和智能仪表的测量显示值并填入下表。仪表输出值水箱水位高度h1仪表显示值0~100cmcm5）、迅速增加仪表手动输出值，增加5%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，均可在上位软件上获得，以此数据绘制变化曲线。T（秒）水箱水位h1(cm)仪表读数(cm)6）、直到进入新的平衡状态。再次记录平衡时的下列数据，并填入下表：仪表输出值水箱水位高度h1仪表显示值0~100cmcm7）、将仪表输出值调回到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。填入下表：t（秒）水箱水位h1(cm)仪表读数(cm)8）、重复上述实验步骤。六、实验报告要求（1）作出一阶环节的阶跃响应曲线。（2）根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。七、注意事项（1）做本实验过程中，上水箱出水阀不得任意改变开度大小。（2）阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。(3)在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。八、思考题（1）在做本实验时，为什么不能任意变化上水箱出水阀的开度大小？（2）用两点法和用切线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点?实验三、上水箱液位PID整定实验一、实验目的1）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。2）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。3）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。二、实验设备1）、AE2000A型过程控制实验装置、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根。2）、万用表一只三、实验原理图4-1为单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）PID控制器电动调节阀上水箱液位变送器+─给定液位图4-1、实验原理图扰动调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图4-2中的曲线①、②、③所示。图4-2、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线一、实验内容和步骤1、设备的连接和检查：（1）、关闭阀14，将AE2000A实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。（2）、首先打开手动阀阀1、阀4、阀7、阀15，然后将自动/手动切换开关打到手动方式上，在手动操作面板上打开主阀门电磁阀、电动调节阀、上水箱阀门电磁阀，一切准备好后再打开增压泵的电源开关。关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。（3）、打开上水箱的出水阀：阀7至适当开度。（4）、检查电源开关是否关闭。2、对象管路图：上水箱液位传感器涡轮流量计电动调节阀扰动阀门压力表调节阀支路动力泵进水口出水口溢流口放水口上水箱储水箱阀1阀2阀3阀4阀7阀14上水箱阀门主阀门阀15增压泵、电动调节阀和各个手动阀、电磁阀所处状态：1）、手动阀：阀1、阀4、阀7、阀15均应处于打开状态，其它手动阀均关闭。2）、手动操作面板钮子开关状态：名称主阀门电磁阀上水箱阀门电磁阀电动调节阀增压泵手动操作面板开开开开其它电磁阀均处于关闭状态。3、系统连线如图4-3所示：A/O2+-A/O1+-A/O3+-A/O4+-A/O5+-A/O6+-A/O7+-A/O0+-DCSFM151模拟量输出接口三相SCR移相调压装置电源输入调压输出移相调压输入4∽20mA+-NN电动调节阀阀位输出控制信号250ΩONOFF4∽20mA输入+-+-电源开关开关温度变送器锅炉水温250Ω50Ω压力变送器小流量管压力下水箱液位流量变送器涡轮流量计电磁流量计I/O信号接口24VDC电源电源开关指示24伏输出+-+-Alarm夹套水温+-ONOFF250Ω50Ω+-ONOFF信号输出f/V信号输出+-250Ω50Ω+-ONOFF250Ω50Ω+-ONOFF250Ω50Ω+-ONOFF上水箱液位手动操作单相泵电动调节阀主阀门扰动阀门ONOFFONOFFONOFFONOFFONOFF上水箱阀门下水箱阀门锅炉内胆阀门锅炉内胆阀门ONOFFONOFFONOFF自动/手动切换手动方式自动方式指示指示手动自动A/M切换开关+3RSVf+3智能调节仪AI818A调节仪表RSVPV25