实验一对象特性测试实验.docx

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实验一对象特性测试实验

实验一：

对象特性测试实验

对象特性是指对象在输入的作用下，其输出的变量（即被控变量）随时间变化的特性。

对象特性测试实验的目的：

通过实验掌握对象特性曲线的测量方法。

测量时应注意的问题：

对象模型参数的求取。

液位装置中的液位对象是自衡对象，单个水槽是一阶对象，上水槽与下水槽可以组成二阶对象。

对象参数的求取:

、传递函数的求取

1、一阶对象

在0.632倍的稳态值处求取时间常数T0

2、一阶加纯滞后的对象

对于有纯滞后的一阶对象，如图2所示，当阶跃响应曲线在t=0时，斜率为0;

随着t的增加，其斜率逐渐增大；当到达拐点后斜率又慢慢减小，可见该曲线的形状

为S形，可用一阶惯性加时延环节来近似。

确定K0、T0和t■的方法如下：

在阶跃响应的拐点（即斜率的最大处）作一切线并与时间坐标轴交与C点，则

OC段的值即为纯滞后时间q而与CB段的值即为时间常数T0o

3、二阶或高阶对象

二阶过程的阶跃响应曲线，其传递函数可表示为

式中的K0、T1、T2需从阶跃响应曲线上求出。

先在阶跃响应曲线上取

（1）y（t）稳态值的渐近线y（8）；

（2）y（t1）=0.4y（oo）时曲线上的点y1和相应的时间t1;

（3）y（t2）=0.8yE时曲线上的点y2和相应的时间t2;

然后，利用如下近似公式计算T1、T2。

Mt1t2

（4）

2.16

T1T2

T1+T2比

（5）T1T2174s_055

为一阶环节（此时，时间常数

对于二（T过程2）（002Tt2）t2<07465,播2=0.32时

T0=（t1+t2）2.12）;当t1/t2=0.46时，过程的传递函数W（s）=K0/（T0s+1）（T0s+1）

（此时，T1=T2=T0=（t1+t2）/2X2.18）;当t1/t2>0.46时，应用高于二阶环节来近似。

二、实验中应注意的问题

1、测试前系统处于平衡状态，反应曲线的出始点应是输入信号的开始作阶跃信

号的瞬间，这一段时间必须在记录纸上标出，以便推算纯滞后时间z

2、测试与记录工作必须持续到输出参数达到新的稳态值。

3、每次实验应在相同的条件下进行两次以上。

只有在所测试数据相同时方为合

格。

4、为了进行线性校验，可作正、负两种干扰进行比较，也可作不同扰动量的实

验。

1、下水箱单容特性测试实验

一、实验目的：

通过实验测定单容特性阶跃响应曲线，通过数据处理求取一阶环节的传递函数。

二、实验设备及参考资料：

1、PCS—E型过程控制实验装置（使用其中：

电动调节阀、DDC控制单元、下

水箱及液位变送器、水泵等）

2、实验操作指南。

三、实验步骤：

1、了解实验装置中的对象，流程图如下图所示。

下水箱单容特性测试实验流程图

2、按附图下水箱单容特性测试实验接线图接好实验导线和通讯线。

3、将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。

4、将手动阀门1V1、1V10、V5打开，其余阀门全部关闭。

5、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开直流电压

和DDC控制单元电源。

6、在信号板上打开电动调节阀输入信号、下水箱输出信号。

7、打开计算机上的组态王的“过程控制实验液位__液位”工程，进入运行环境，

选择实验一下水箱单容特性测试实验，给“阀门开度op”设置一个初始值（20-40）

使初始液位20左右。

8、在控制板上先打开电动调节阀，再打开水泵，即保证水路畅通的条件下，最

后开泵，一定要注意先后顺序，避免水泵空抽，否则可能将水泵憋坏。

9、等待下水箱液位达到某一平衡位置，记下此时的阀门开度值。

10、增大阀门开度值，使系统输入幅值适宜的阶跃信号（阶跃信号不要太，估计下水箱水不要溢出），一般变化10%即可，这时系统输出也有一个变化的信号，使系统在较高液位也能达到平衡状态。

11、记录阶跃响应曲线，直至达到新的平衡为止。

12、设置阀门的开度为原来的值，记录一条液位下降的曲线（可以选作）。

13、对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表中，和实验中自动求取的参数进行比较。

阶跃响应曲线数据处理记录表

间（s）

10

20

30

.

60

90

液位

（cm）

按常规内容编写实验报告，并根据K0、T0、ZS写出广义的传递函数。

2、下水箱双容特性测试实验（选作）

一、实验目的

通过实验测定双容特性阶跃响应曲线，通过数据处理写出二阶环节的传递函数。

二、实验设备及参考资料

1、PCS—E型过程控制实验装置（使用其中：

电动调节阀、DDC控制单元、上下水箱及液位变送器、水泵等）

2、实验操作指南。

三、实验步骤：

1、了解实验装置中的对象，流程图如下图所示。

2、按附图下水箱双容特性测试实验接线图接好实验导线和通讯线。

3、将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。

4、将手动阀门1V1、1V10、V4、V5打开，其余阀门全部关闭。

5、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开直流电压和DDC控制单元电源。

6、在信号板上打开电动调节阀输入信号、下水箱输出信号。

7、打开计算机上的组态王的“过程控制实验液位液位”工程，进入运行环境，

选择实验一中的下水箱双容特Tt测试实验，给“阀门开度op”设置一个初始值。

8、在控制板上先打开电动调节阀，再打开水泵，一定要注意先后顺序，避免水泵空抽，保护实验设备。

9、准确记录此时的时间，备用，等待下水箱液位达到某一平衡位置，记下此时的阀门开度值。

10、增大阀门开度值，使系统输入幅值适宜的阶跃信号（阶跃信号不要太，估计下水箱水不要溢出），一般变化10%即可，这时系统输出也有一个变化的信号，使系统在较高液位也能达到平衡状态。

11、观察计算机上的实时曲线和历史曲线，直至达到新的平衡为止。

12、设置阀门的开度为原来的值，记录一条液位下降的曲线（可以选作）。

13、对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表中，和实验中自动求取的参数进行比较。

阶跃响应曲线数据处理记录表

s）

10

20

30

.

60

90

液位

（cm）

按常规内容编写实验报告，并根据K0、T1、T2、加写出广义的传递函数。

实验二：

单容液位控制系统参数整定实验

调节器参数的整定是过程控制系统设计的核心内容之一。

它的任务是：

根据被控

过程的特性确定PID调节器的比例度6,积分时间TI及微分时间TD的大小。

在简单

的过程控制系统中，调节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要指标，保证

系统具有一定的稳定裕量。

调节器参数的整定的方法很多，概括起来分为两大类：

一是理论计算整定法。

它

主要依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法频率特性法等，经过理论计算

确定调节器的数值。

这种方法不仅计算繁琐，而且过分依赖数学模型，所得到数据未

必直接可用，还必须通过实际进行调整和修改。

因此，理论计算整定法除了有理论指

导意义外，工程实际中较少采用。

二是工程整定法，它主要依靠工程经验，直接在过

程控制的实验中进行，且方法简单，易于掌握，相当实用，从而在工程实际中被广泛采用。

调节器的工程整定方法，主要有临界比例度法、衰减曲线法。

（1）临界比例度法

这是一种闭环整定方法。

由于该方法直接在闭环系统中进行，不需测试过程的动

态特性，因为方法简单，使用方便，获得了广泛的应用。

具体步骤如下：

•先将调节器的积分时间TI置于最大（TI=2微分时间TD置零（TD=0）,比例度6置为较大的数值，使系统投入闭环运行。

•待系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃扰动，并减小3直到系统出现如图1.1所示的等幅振荡，即临界振荡过程。

记录此时的次（临界比例带）和等幅振荡周期Tk。

•根据记录的次和TK,按表给出的经验公式计算出调整器的本TI及TD的参

数。

需要指出的是，采用这种方法整定调节器的参数时会受到一定的限制，如有些过

程控制系统不允许进行反复振荡实验，像锅炉给水系统和燃烧控制系统等，就不可能

应用此法。

再如某些时间常数较大的单容过程，采用比例调节时根本不可能出现等幅

振荡，也就不能应用此法。

图1.1系统的临界振荡

表1-1采用临界比例度法的整定参数

（2）衰减曲线法

这种方法与临界比例度法相类似，所不同的是无需出现等幅振荡过程，具体方法如下：

•先置调节器积分时间TI=可微分时间TD=0,比例带6置于较大的值。

将系统投入运行。

•待系统工作稳定后，对设定值作阶跃扰动，然后观察系统的响应。

若响应振荡

（a）所示的衰减比为4:

1的振荡过程时，或者如图1.2（b）所示的10:

1振荡过程时,记录此时的6值（设为⑻，以及Ts的值（如图1.2（a）中所示），或者Tr的值（如图1.2（b）中所示）。

图1.2中，Ts为衰减振荡周期，Tr为响应上升时间。

图1.2系统衰减振荡曲线

•按表1-2中所给的经验公式计算8.TI及TD的参数。

表1-2衰减曲线法整定计算公式

衰减率

、、整走#数调节规律、、、

8（%）

0.75

P

5s

PI

1.2加

0.5Ts

PID

0.8加

0.3Ts

0.1Ts

0.90

P

es

PI

1.2加

2Tr

PID

0.8加

1.2Tr

0.4Tr

衰减曲线对多数过程都适用，该方法的缺点是较难确定4:

1的衰减程度，从而较难得到准确的8.Ti及Td的值。

一、实验目的：

1、了解简单过程控制系统的构成。

2、掌握简单过程控制的原理、计算机控制和参数整定方法。

二、实验设备及参考资料：

1、PCS—E过程控制实验装置（使用其中：

电动调节阀、DDC控制单元、下水

箱及液位变送器、水泵1系统等）

2、实验操作指南和液位变送器的调试（一般出厂前已调试好）方法。

三、实验系统流程图：

四、实验原理：

本实验采用计算机控制，将液位控制在设定高度。

根据下水箱液位信号输出给计算机，计算机根据P、I、D参数进行PID运算，输出信号给电动调节阀，然后由电动调节阀控制水泵供水系统的进水流量，从而达到控制设定液位基本恒定的目的。

单容液位过程控制的方框原理图：

如下图

扰动

e

调节器k执行器>被控对象-

展曲直

液位变送器

五、实验步骤：

1、按附图单容液位控制实验接线图接好实验导线和通讯线。

2、将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。

3、将手动阀门1V1、1V10、V5打开，其余阀门全部关闭。

4、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开DDC控制单元电源。

5、在信号板上打开电动调节阀输入信号、下水箱输出信号。

6、打开计算机上的组态王的“过程控制实验液位液位”工程，进入运行环境，选择“实验二：

单容液位控制系统参数整定实验”，给“阀门开度op”设置一个初始值。

7、在控制板上先打开电动调节阀，再打开水泵，一定要注意先后顺序，避免水

泵空抽，保护实验设备。

8、选择计算机控制方式。

9、设定参数值

设定2-3组控制参数，测试过渡过程曲线，注意观察参数变化对曲线如何影响。

Ts=1（参考值）

SV=20（参考值）

Kc=7，20，60（参考值）

Ti=20（参考值）