《工业自动化仪表与过程控制》实验指导书

1《工业自动化仪表与过程控制》实验指导书授课学时：8课时授课班级：芙蓉自动化0901、0902授课学期：2012年上学期授课教师：敖章洪2工业自动化仪表与过程控制实验项目一览表序号实验项目实验学时实验类型实验要求1实验装置的基本操作与仪表调试2验证必做2单容/双容水箱对象特性的测试2验证必做3单容/双容水箱液位PID控制系统2验证必做4液位串级控制系统的设计与研究2综合限选（2选1）5PLC单容/双容水箱液位PID控制系统2综合实验参考书：1.TKGK-1型操作说明书.实验指导书3实验一实验装置的基本操作与仪表调试实验学时：2学时实验类型：验证实验要求：必做一、实验目的1）、了解本实验装置的结构与组成。2）、掌握液位、压力传感器的使用方法。3）、掌握实验装置的基本操作与变送器仪表的调整方法。二、实验设备1)TKGK-1型过程控制实验装置：交流变频器GK-07-2直流调速器GK-06PID调节器GK-042)万用表三、实验装置的结构框图图1-1、液位、压力、流量控制系统的结构框图四、实验内容1、设备组装与检查：1）、将GK-07-2、GK-06、GK-04挂件由左至右依次挂于实验屏上。并将挂件的三芯蓝插头插于相应的插座中。42）、检查挂件的电源开关是否关闭。3）、用万用表检查挂件的电源保险丝是否完好。2、系统接线1）、直流部分：将一台GK04的PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”接GK06的控制电压“输入”；GK06的“电枢电压”和“励磁电压”输出端分别接GK01的直流他励电动机的“电枢电压”和“励磁电压”输入端。2）、交流部分：将另一台GK04的PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”端接GK-07-2变频器的“2”与“5”接线端；将GK-07-2变频器的输出“A、B、C”接GK-01上三相异步电机的“A、B、C”输入端；将三相异步电机接成三角形，即“A”接“Z”、“B”接“X”、“C”接“Y”；GK-07-2的“SD”接“STR”使电机正转打水，（若此时电机为反转则“SD”接“STF”）。3、启动实验装置：1）、将实验装置电源插头接到~220V市电电源。2）、打开电源空气开关与电源总钥匙开关。3）、按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源，交流电压表指示220V。4、仪表调整：（仪表的零位与增益调节）在GK-02装置结构展示屏的左侧，有五组传感器检测信号输出：LT1、PT、LT2、FT、TT（输出标准信号DC0~5V），它们旁边分别设有数字显示器，以显示相应的输出值。在LT1、PT、LT2数字显示器的右边各有二个电位器，可通过这些电位器调整相应传感器的零位和增益，在每次实验进行之前，必须作好这些准备工作。调试步骤如下：1)、将三根ø6的橡皮导气管（约0.6m长）的一端分别竖直地插入上、下水箱底部（上水箱两根，下水箱一根），再将它们的另一端接到三个差压传感器（MPX2010DP）的正压室。2）、打开阀1、阀3，关闭阀7、阀8，（或者打开阀7、阀8，关闭阀1、阀3）关闭阀2、阀4、阀5、阀6，然后开启变频器（或直流调速器），启动一个齿轮泵，给上、下水箱供水，使其液面均上升至10cm高度，关闭变频器（或直流调速器）。3）、将各增益调节电位器置于中间位置，然后调节零位调节电位器，使LT1两端的输出电压为3.33V(显示器显示10.00)，LT2两端的输出电压为3.33V(显示器显示10.00)，PT两端的输出电压为3.33V（显示器显示980）。4）、零位调节a、打开阀2、阀4，排空上、下水箱中的水，关闭阀2、阀4。b、调节“零位调节”电位器，使LT1、LT2和PT输出为零伏，显示器显示为00.00cm。注：稳定几分钟后进入下一步。5）、开始增益调节：a、启动齿轮泵，使上、下水箱水位上升至于10cm高度，然后再关闭齿轮泵。b、调节“增益调节”电位器，使LT1、LT2显示器显示10.00cm，Pa显示器显示980Pa。6）、重复实验步骤4、5，反复调整零位和增益，使上、下水箱水位为零时，LT1、LT2、PT输出都为0V（显示器显示00.00）；上、下水箱水位上升至于10cm高度时，LT1两端的输出电压为3.33V(显示器显示10.00)，LT2两端的输出电压为3.33V(显示器显示10.00)，PT两端的输出电压为3.33V（显示器显示980）。5实验二单容/双容水箱对象特性的测试实验学时：2学时实验类型：验证实验要求：必做一、实验目的1）、了解单/双容水箱的自衡特性。2）、掌握单容/双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。3）、由实测单容/双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）、TKGK-1型过程控制实验装置：PID调节器：GK-04变频器：GK-07-22）、万用表一只3）、计算机一台三、实验原理阶跃响应测试法是系统在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节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和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理的处理，确定模型中的相关参数。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。（一）、单容水箱其数学模型可用一阶惯性环节来近似描述，且用下述方法求取对象的特征参数。单容水箱液位开环控制结构图如图3-1所示：图3-1、单容水箱液位开环控制结构图设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，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：给定量1VV2Q1调节器机与泵交流电hGK-07变频器PID阀1阀2GK-04Q26在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：式中，T=R2*C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），K=R2为过程的放大倍数，也是阀V2的液阻，C为水箱的底面积。令输入流量Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位的高度为：3-23-33-4式（3-3）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3-2所示。由式（3-4）可知该曲线上升到稳态值的63.2%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，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T，其理论依据是：图3-2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（∞）。式（3-2）中的K值由下式求取：K=h(∞)/R0=输入稳态值/阶跃输入（二）、双容水箱TSKRSKRTSSKRSH/1)1()(000QRhdthdCR***221-31*1**)()()(221STKSCRRsQsHsG)0.632h(0.632KR)-(1KRh(T):,01-0e则有时当Tt阶跃输入输出稳态值因而有时，当即O.OT1-OR)(KR)()e-(1KRh(t)hKhttt00.63h00()h00()22Th(t)24)-(3)()(00100ThTKRTKRdttdhttTte7双容水箱液位控制结构图如图3-3所示：图3-3、双容水箱液位控制结构图设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度H2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为式中K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分别为阀V2和V4的液阻，C1和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。式中的K、T1和T2可由实验求得的阶跃响应曲线求出。具体的做法是在图3-4所示的阶跃响应曲线上取：1）、h2（t）稳态值的渐近线h2(∞)；2）、h2（t）|t=t1=0.4h2(∞)时曲线上的点A和对应的时间t1；3）、h2（t）|t=t2=0.8h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t2。然后，利用下面的近似公式计算式3-5中的参数K、T1和T2。其中：图3-4、阶跃响应曲线对于式（3-5）所示的二阶过程，0.32t1/t20.46。当t1/t2=0.32时，为一阶环节；当t1/t2=0.46时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2（此时T1=T2=T=(t1+t2)/2*2.18）过曲线的拐点做一条切线，它与横轴交于A点，OA即为滞后时间常数て。四、实验内容与步骤1)、对上、下水箱液位传感器进行零点与增益的调整。2）、按照图3-1的结构框图，完成系统的接线（接线参照实验1），并把PID2.16ttTT)4)(K21212、阶跃输入量输入稳态值ORh)55.074.1()T(TTT)52122121tt、给定量V2Q1调节器电机与泵V4hQ4Q22GK-04GK-07变频器V1h15)-3(*)1*)(1*()()()(2112esSTSTKSGSQSHtht00.40.8200()h00()h00()1t2BAh22(t)2PてA8调节器的“手动/自动”开关置于“手动”位置，此时系统处于开环状态。3）、将单片机控制屏GK-03的输入信号端“LT1、LT2”分别接GK-02的传感器输出端“LT1、LT2”；用配套通讯线将GK-03的“串行通信口”与计算机的COM1连接；启动单片机控制屏GK-03，用单片机控制屏GK-03的键盘设置回路1和回路3的采样时间St=2，标尺上限CH=150（详见本书第一部分单片机控制屏GK-03《使用说明》第10页）；然后用上位机控制监控软件对液位进行监视并记录过程曲线。4）、利用PID调节器的手动旋钮调节输出，将被控参数液位控制在4cm左右。5）、观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，记录此时调节器手动输出值VO以及水箱水位的高度h1和显示仪表LT1的读数值并填入下表。变频器输出频率f手动输出Vo水箱水位高度h1LT1显示值HZvcmcm6）、迅速增调“手动调节”电位器，使PID的输出突加10%，利用上位机监控软件记下由此引起的阶跃响应的过程曲线，并根据所得曲线填写下表。t（s）水箱水位h1(cm)LT1读数(cm)等到进入新的平衡状态后，再记录测量数据，并填入下表：变频器输出频率fPID输出Vo水箱水位高度h1LT1显示值HZvcmcm7）、将“手动调节”电位器回调到步骤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（s）水箱水位h1(cm)LT1读数(cm)8）、重复上述实验步骤。9）、上述实验步骤同样适用于双容水箱的下水箱液位h2的控制，系统的结构框图如图3-3所示，实验步骤自拟。五、注意事项1）、做本实验过程中，阀V1和V2不得任意改变开度大小；且阀2开度必须大于阀4的开度，以保证实验效果。2）、阶跃信号不能取得太大，以免影响系统正常运行；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%。93）、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。4）、在老师的帮助下，启动计算机系统和单片机控制屏。六、实验报告要求1）、作出一阶和二阶环节的阶跃响应曲线。2）、根据实验原理中所述的方法，求出一阶和二阶环节的相关参数。七、思考题1）、在做本实验时，为什么不能任意变化阀V1或V2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？10实验三单容/双容水箱液位PID控制系统实验学时：2学时实验类型：验证实验要求：必做一、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）、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的阶跃响应。3）、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的抗扰动作用。4）、定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响。5）、掌握临界比例度法整定调节器的参数。6）、掌握4：1衰减曲线法整定调节器的参数。二、实验设备1）、THGK-1型过程控制实验装置：GK-03、GK-04GK-06GK-07-22）、万用表一只3）、秒表一只4）、计算机系统三、实验原理1、单容水箱液位控制