三双容水箱液位定值控制系统化工控制工程中心.docx

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三双容水箱液位定值控制系统化工控制工程中心

过程控制系统与工程

实验指导书

沈阳工业大学工程学院

目录

实验一单容自衡水箱液位特性测试实验3

实验二单容液位定值控制系统实验6

实验三双容水箱液位定值控制系统实验8

实验四水箱液位串级控制系统实验10

实验五下水箱液位前馈-反馈控制系统实验12

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、MCGS工控组态软件、RS232/485转换器1只、串口线1根

3.万用表一只

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1-1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=A

（1-1）

将式（1-1）表示为增量形式

ΔQ1-ΔQ2=A

（1-2）

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，

＝0；当Q1发生变

化时，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随

之变化，Q2也发生变化。

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=

或R=

（1-3）

式中：

R—阀F1-11的阻力，称为液阻。

图1-1单容自衡水箱特性测试系统

（a）结构图（b）方框图

将式（1-2）、式（1-3）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）＝

＝

=

（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Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=

，x0=常数，则式（2-4）可改写为

H（s）=

×

=K

-

对上式取拉氏反变换得

h（t）=Kx0（1-e-t/T）（1-5）

当t—>∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有

K=

＝

（1-6）

当t=T时，则有

h（T）=Kx0（1-e-1）=0.632Kx0=0.632h（∞）（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1-2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1-2（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）=

（1-8）

四、实验内容与步骤

1．按图1-1接好实验线路，并把阀V1和F1-11开至某一开度，且使V1的开度大于F1-11的开度。

2．接通总电源和相关的仪表电源，并启动磁力驱动泵。

3．把调节器设置于手动操作位置，通过调节器增/减的操作改变其输出量的大小，使水箱的液位处于某一平衡位置。

4．手动操作调节器，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。

5．启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。

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。

实验二单容液位定值控制系统实验

一、实验目的

1．了解单闭环液位控制系统的结构与组成。

2．掌握单闭环液位控制系统调节器参数的整定。

3．研究调节器相关参数的变化对系统动态性能的影响。

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、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根

3.万用表一只

三、实验原理

图2-1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2-1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

1．完成系统的接线。

2．接通总电源和相关仪表的电源。

3．打开阀F1-1、F1-2、F1-7和F1-11，且把F1-10控制在适当的开度。

4．选用单回路控制系统实验中所述的某种调节器参数的整定方法整定好调节器的相关参数。

5．设置好系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，使电动调节阀给中水箱打水，待其液位达到给定量所要求的值，且基本稳定不变时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。

6．启动计算机，运行MCGS组态软件软件，并进行下列实验：

1）当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增加5%～15%），观察并记录系统的输出响应曲线。

2）待系统进入稳态后，适量改变阀F1-7的开度，以作为系统的扰动，观察并记录在阶跃扰动作用下液位的变化过程。

7．适量改变PI的参数，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。

五、实验报告要求

1．用实验方法确定调节器的相关参数。

2．列表记录，在上述参数下求得阶跃响应的动、静态性能指标。

3．列表记录，在上述参数下求得系统在阶跃扰动作用下响应曲线的动、静态性能指标。

六、思考题

1．如果采用下水箱做实验，其响应曲线与中水箱的曲线有什么异同？

并分析差异原因。

2．改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？

实验三双容水箱液位定值控制系统实验

一、实验目的

1．通过实验，进一步了解双容对象的特性。

2．掌握调节器参数的整定与投运方法。

3．研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。

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、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根

3.万用表一只

三、实验原理

本实验以中水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。

要求下水箱液位稳定至给定量，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，以达到控制下水箱液位的目的。

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。

调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。

本实验系统结构图和方框图如图3-1所示。

图3-1双容液位定值控制系统

（a）结构图（b）方框图

四、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．打开阀F1-1、F1-2、F1-7、F1-10和F1-11，且使F1-10的开度大于F1-11的开度。

4．单回路控制系统实验临界比例度法或4：

1衰减振荡法整定调节器的相关参数。

5．设置系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，控制电动调节阀给中水箱打水，待中水箱液位基本稳定不变且下水箱的液位等于给定值时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。

6．启动计算机，运行MCGS组态软件软件，并进行下列实验：

1）当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（给定量增加5%～15%），观察并记录系统的输出响应曲线。

2）待系统进入稳态后，启运变频器调速的磁力泵支路，分别适量改变阀F2-4或阀F2-5的开度（加扰动），观察并记录被控制量液位变化过程。

7.通过反复多次调节PI的参数，使系统具有较满意的动态性能指标。

用计算机记录此时系统的动态响应曲线。

五、实验报告要求

1．用实验方法确定调节器的参数。

2．列表表示在上述参数下，系统阶跃响应的动、静态性能。

3．列表表示在上述参数下，系统在扰动作用于中水箱或下水箱时输出响应的动态性能。

4．列表表示经调试后求得的调节器参数和相应系统阶跃响应的性能指标。

六、思考题

1．为什么本实验较上水箱液位定值控制系统更容易引起振荡？

如果达到同样的动态性能指标，为什么本实验中调节器的比例度和积分时间常数均要比前两个实验大？

2．你能说出下水箱的时间常数比中水箱时间常数大的原因吗？

实验四水箱液位串级控制系统实验

一、实验目的

1.熟悉串级控制系统的结构与特点。

2．掌握串级控制系统的投运与参数的整定方法。

3．研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。

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、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根

3.万用表一只

三、实验原理

本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。

主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主控制量。

副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，中水箱的液位为系统的副控制量。

主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。

副调节器的的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制下水箱液位的目的。

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，系统的主调节器应为PI或PID控制。

由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P调节器。

本实验系统结构图和方框图如图4-1所示。

图4-1水箱液位串级控制系统

（a）结构图（b）方框图

四、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、打开阀F1-1、F1-2、F1-7、F1-10、F1-11，且使阀F1-10的开度略大于F1-11。

4、按经验数据预先设置好副调节器的比例度。

5、调节主调节器的比例度，使系统的输出响应出现4：

1的衰减度，记下此时的比例度δS和周期TS。

据此，按经验表查得PI的参数对主调节器进行参数整定。

6、手动操作主调节器的输出，以控制电动调节阀支路给中水箱送水的大小，等中、下水箱的液位相对稳定，且下水箱的液位趋于给定值时，把主调节器切换为自动。

7、打开计算机，运行MCGS组态软件，并进行如下的实验：

1）当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增/减5%～15%），观察并记录系统的输出响应曲线。

2）适量打开阀F2-4，观察并记录阶跃扰动作用于副对象（中水箱）时，系统被控制量（下水箱液位）的响应过程。

3）将阀F2-4关闭，去除副对象的阶跃扰动，且待系统再次稳定后，再适量打开阀F2-5，观察并记录阶跃扰动作用于主对象时对系统被控制量的影响。

8、通过反复对主、副调节器参数的调节，使系统具有较满意的动、静态性能。

用计算机记录此时系统的动态响应曲线。

五、实验报告要求

1、通过实验求出输出响应呈4：

1衰减时的主调节器的参数。

2、根据扰动分别作用于主、副对象时系统输出的响应曲线，对此作出评述。

3、观察并分析副调节器的比例度大小对系统动态性能的影响。

4、观察并分析主调节器比例度δ和积分时间常数Ti的改变对系统动态性能的影响。

六、思考题

1、试述串级控制系统为什么对主扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力？

如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时，二次扰动对主控制量是否仍很小，为什么？

2、当一次扰动作用于主对象时，试问由于副回路的存在，系统的动态性能比单回路系统的动态性能有何改进？

3、一步整定法的依据是什么？

4、串级控制系统投运前需要作好那些准备工作？

主、副调节器的正反作用方向如何确定？

5、为什么本实验中的副调节器为比例（P）调节器？

6、改变副调节器的比例度，对串级控制系统的动态和抗扰性能有何影响，试从理论上给予说明。

7、评述串级控制系统比单回路控制系统的控制质量高的原因？

实验五下水箱液位前馈-反馈控制系统实验

一、实验目的

1．通过本实验进一步了解液位前馈-反馈控制系统的结构与原理。

2．掌握前馈补偿器的设计与调试方法。

3．掌握前馈-反馈控制系统参数的整定与投运方法。

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、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根

3.万用表一只

三、实验原理

本实验的被控制量为下水箱的液位h，主扰动量为变频器支路的流量。

本实验要求下水箱液位稳定至给定值，将压力传感器LT3检测到的下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，以达到控制下水箱液位的目的。

而扰动量经过前馈补偿器后直接叠加在调节器的输出，以抵消扰动对被控对象的影响。

本实验系统结构图和方框图如图5-1所示。

图5-1下水箱液位前馈-反馈控制系统

（a）结构图（b）方框图

由图可知，扰动F（s）得到全补偿的条件为

F（s）Gf（s）+F（s）GF（s）G0（s）=0

GF（s）=-

（5-1）

上式给出的条件由于受到物理实现条件的限制，显然只能近似地得到满足，即前馈控制不能全部消除扰动对被控制量的影响，但如果它能去掉扰动对被控制量的大部分影响，则认为前馈控制已起到了应有的作用。

为使补偿器简单起见，GF（s）用比例器来实现，如图其值按式（5-1）来计算。

四、实验内容与步骤

1、按图所示的结构组成液位前馈反馈控制系统，并完成系统的接线。

2、合上总电源和相关仪表的电源。

3、按单回路参数的整定方法整定PI调节器的参数。

4、用补偿器参数的工程整定方法，实时求出补偿器的KB值。

5、在不加扰动时，先用手动使系统的输出量液位接近于稳态值，然后投入自动运行。

6、加一适量扰动（变频器支路定值打水），观察并记录被控制量H的变化过程。

7、引入前馈补偿器后，再加同样大小的扰动，观察并记录被控制量H的变化过程。

五、实验报告要求

1、画出液位前馈-反馈控制系统的方框图。

2、根据实验，确定前馈补偿器的系数KB。

3、画出不加前馈补偿器时，系统在扰动作用下被控制量的响应曲线。

4、画出加上前馈补偿器后，系统在同样扰动作用下被控制量的响应曲线。

5、根据所得的实验结果进行分析。

六、思考题

1、试证明前馈补偿器是一种开环控制。

2、有了前馈补偿器后，试问反馈控制系统部分是否还具有抗扰动的功能？