天煌实验指导书

目录1．实验一、单容水箱特性的测试…………………………………………………………………………12．实验二、双容水箱特性的测试…………………………………………………………………………53．实验三、锅炉内胆特性的测试…………………………………………………………………………94．实验四、电动调节阀流量特性的测试…………………………………………………………………125．实验五、单容水箱液位定值控制系统…………………………………………………………………156．实验六、双容水箱液位定值控制系统…………………………………………………………………187．实验七、三容水箱液位定值控制系统…………………………………………………………………218．实验八、锅炉内胆动态水温定值控制系统……………………………………………………………249．实验九、锅炉夹套水温定值控制系统…………………………………………………………………2710．实验十、变频调速磁力泵支路流量的定值控制系统………………………………………………3011．实验十一、锅炉内胆水温位式控制系统……………………………………………………………3312．实验十二、水箱液位串级控制系统…………………………………………………………………3713．实验十三、三闭环液位控制系统……………………………………………………………………4014．实验十四、下水箱液位与变频调速磁力泵支路流量的串级控制系统……………………………4315．实验十五、锅炉夹套水温与锅炉内胆水温的串级控制系统………………………………………4616．实验十六、锅炉内胆水温与内胆循环水流量的串级控制系统……………………………………4917．实验十七、单闭环流量比值控制系统………………………………………………………………5218．实验十八、流量变比值控制系统……………………………………………………………………5619．实验十九、下水箱液位的前馈-反馈控制系统………………………………………………………5920．实验二十、锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统……………………………………………………6321．实验二十一、盘管出水口温度滞后控制系统………………………………………………………6722．实验二十二、流量纯滞后控制系统…………………………………………………………………7023．实验二十三、锅炉内胆水温与锅炉夹套水温解耦控制系统………………………………………7324．实验二十四、上水箱水温与液位的解耦控制系统…………………………………………………781实验一、单容水箱特性的测试一、实验目的1.掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，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，用相关的方法确定被测对象的特征参数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.计算机及组态王软件。三、实验原理图1-1单容水箱特性测试结构图由图1-1可知，对象的被控制量为水箱的液位H，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1，手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时：Q10-Q20=0（1-1）动态时，则有：Q1-Q2=dtdV（1-2）式中V为水箱的贮水容积，dtdV为水贮存量的变化率，它与H的关系为：AdhdV，即dtdV=Adtdh（1-3）A为水箱的底面积。把式（3）代入式（2）得：Q1-Q2=Adtdh（1-4）基于Q2=SRh，RS为阀V2的液阻，则上式可改写为：Q1-SRh=Adtdh即：2ARSdtdh+h=KQ1或写作：)()(1sQsH=1TSK（1-5）式中T=ARS，它与水箱的底积A和V2的RS有关；K=RS。式（1-5）就是单容水箱的传递函数。若令Q1（S）=SR0，R0=常数，则式（1-5）可改为：H（S）=TSTK1/×SR0=KSR0-TSKR10对上式取拉氏反变换得：h(t)=KR0(1-e-t/T)（1-6）当t—∞时，h（∞）=KR0，因而有K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入。当t=T时，则有：h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞)。式（1-6）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%。图1-2单容水箱的单调上升指数曲线所对应的时间，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，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。如果对象的阶跃响应曲线为图1-3，则在此曲线的拐点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图1-3单容水箱的阶跃响应曲线3四、组态监控图五、电气接线1．强电部分：（1）将三相电源的输出端U、V、W对应接到三相磁力泵（～380V）的U、V、W端。（2）把电动调节阀～220V电源输入端L、N接至单相电源Ⅲ的3L、3N端。2．弱电部分：（1）24V直流电源输出1的“+”、“-”端分别接到6024模块输入的“+”、“-”端。（2）将6024模块“4～20mA输出1”的“+”、“-”端对应地接到电动调节阀“4～20mA”控制信号输入的“+”、“-”端。（3）I/O信号接口压力变送器LT1的“+”、“-”端对应地接到6024模块信号输入通道的LT1的“+”、“-”端。六、实验内容与步骤1．接好实验线路，打开阀F1-1，并把阀F1-6和F1-9开至某一开度，且使F1-6的开度大于F1-9的开度。2．启动组态王，进入运行系统，打开实验一监控画面。3．手动调节电动调节阀的输出值，使水箱的液位处于某一平衡位置。4．改变电动调节阀额输出值，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（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，经过一定的调节时间后，水箱的液位进入新的平衡状态，如图1-4所示。4图1-4单容水箱特性响应曲线5．记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。6．把由计算机作用的实验曲线进行分析处理，并把结果填表入下表中：参数值测量值液位hKTτ正向输入负向输入平均值七、实验报告1．写出常规的实验报告内容。2．分析用上述方法建立对象的数学模型有什么局限性。5实验二、双容水箱特性的测试一、实验目的1.熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。2.根据由实际测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其传递函数。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、组态王软件、RS232/485转换器1只、串口线1根。三、原理说明图2-1双容水箱对象特性结构图由图2-1所示，被控对象由两个水箱相串联连接，由于有两个贮水的容积，故称其为双容对象。被控制量是下水箱的液位，当输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2-2所示。由图2-2可见，上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数（图2-2(a)），而下水箱液位的响应曲线则呈S形状（图2-2(b)）。显然，多了一个水箱，液位响应就更加滞后。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则表示了对象响应的滞后时间。至于双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。6图2-2双容液位阶跃响应曲线t1t2图2-3双容液位阶跃响应曲线在图2-3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。然后，利用下面的近似公式计算式。由上述两式中解出T1和T2，于是求得双容（二阶）对象的传递函数为：G（S）=)1)(1(21STSTKSe)55.074.1()T(TTT2122121tt2.16ttTT)(K21212阶跃输入量输入稳态值ORh0.32〈t1/t2〈0.467四、组态监控图五、电气接线1．强电部分：（1）将三相电源的输出端U、V、W对应接到三相磁力泵（～380V）的U、V、W端。（2）把电动调节阀～220V电源输入端L、N接至单相电源Ⅲ的3L、3N端。2．弱电部分：（1）24V直流电源输出1的“+”、“-”端分别接到6024模块输入的“+”、“-”端。（2）将6024模块“4～20mA输出1”的“+”、“-”端对应地接到电动调节阀“4～20mA”控制信号输入的“+”、“-”端。（3）I/O信号接口压力变送器LT2的“+”、“-”端对应地接到6024模块信号输入通道的LT2的“+”、“-”端。（4）I/O信号接口压力变送器LT3的“+”、“-”端对应地接到6024模块信号输入通道的LT3的“+”、“-”端。六、实验内容与步骤1．接好实验线路，打开手动阀F1-1、F1-7，调整F1-10、F1-11到适当开度，并且：F1-7的开度F1-10的开度F1-11的开度。2．接通总电源和相关仪表的电源。3．启动组态王，进入到运行系统，调节电动调节阀的输出值，使下水箱的液位处于某一平衡位置（一般为水箱的中间位置）。4．改变调节阀的输出值，使下水箱的液位由原平衡状态开始变化，经过一定的调节时间后，下8水箱液位进入另一个平衡状态。5．记录下水箱液位的历史曲线和在阶跃扰动后的响应曲线。6．把由计算机作用的实验曲线进行分析处理，并把结果填表入下表中：参数值测量值液位hKT1T2τ正向输入负向输入平均值七、实验报告1．完成常规实验报告内容。2．对实验的数据进行分析。9实验三、锅炉内胆特性的测试一、实验目的1．了解锅炉内胆温度特性测试系统的组成。2．掌握锅炉内胆温度特性的测试方法。二、实验设备1．THJ-2型过程控制实验装置。2．计算机、组态王软件、RS232/485转换器1只、串口线1根。三、实验原理图3-1锅炉内胆温度特性实验结构示意图1．锅炉夹套不加冷却水加满锅炉内胆的水，手动操作调节器的输出，使可控整流电源的输出电压为100V左右。此电压加在加热管两端，内胆中的水温因之而逐渐上升。根据热平衡的原理，当内胆中的水温上升到某一值时，水的吸热和放热作用完全相等，从而使内胆中的水温达到一平衡状态。由热力学原理可知，锅炉内胆水温的动态变化过程是用一阶常微分方程来描述，即其数学模型为一阶惯性环节。2．锅炉夹套加冷却水当锅炉夹套中注满冷却水，这相当于改变了锅炉内胆环境的温度，使其散热作用增强。显然，在这种状况下，如果用夹套无水时一样大小的可控电压去加热，在平衡状态时，内胆的水温必然要10低于前者。如果要使内胆的水温达到夹套无水时相同的值，则需要提高可控硅的整流电压。四、组态监控图五、电气接线1．强电部分：（1）将三相电源的输出端U、V、W对应接到三相磁力泵（～380V）的U、V、W端。（2）将三相电源的输出端U、V、W对应地接到移相调压部件三相电源输入端的U、V、W端，调压部件的输出端U0、V0、W0对应接到三相电加热管的输入端的U0、V0、W0。2．弱电部分：（1）24V直流电源输出1的“+”、“-”端分别接到6024模块输入的“+”、“-”端。（2）24V直流电源输出2的“+”、“-”端分别接到6015模块输入的“+”、“-”端；（3）将铂电阻TT1的1a、1b、1c端分别接至6015模块TT1的1a、1b、1c端。（4）将6024模块“4～20mA输出1”的“+”、“-”端对应地接到三相SCR移相装置的移相调压输入的“+”、“-”端。六、实验内容与步骤1．完成实验系统的接线。2．接通总电源和相关仪表的电源。3．打开F1-1、F1-4、F1-13和电磁阀，使锅炉内胆水位达到满刻度的2/3左右，然后关闭电磁阀。4．启动组态王软件，进入运行系统，打开实验三监控画面，设定锅炉内胆加热温度，实时记录锅炉内胆水温的响应过程。5．待锅炉内胆的水温处于某一平衡位置时，通过增/减输入值改变其手动输出量的大小，使其11输出