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:
一、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τ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τ,而与CB段的值即为时间常数T0。
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(∞);
(2)y(t1)=0.4y(∞)时曲线上的点y1和相应的时间t1;
(3)y(t2)=0.8y(∞)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。
(4)
(5)
对于二阶过程,0.32 当t1/t2=0.32时,为一阶环节(此时,时间常数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)/2×2.18);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τ。 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 时间(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、τ值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。 下水箱双容特性测试实验流程图 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性测试实验,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 时间(s) 10 20 30 ……. 60 90 液位 (cm) 按常规内容编写实验报告,并根据K0、T1、T2、τ值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δ,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=∞)微分时间TD置零(TD=0),比例度δ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δ,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δk(临界比例带)和等幅振荡周期Tk。 ●根据记录的δk和TK,按表给出的经验公式计算出调整器的δ、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 整定参数 调节规律 δ(℅) Ti Td P 2δk PI 2.2δk 0.85Tk PID 1.7δk 0.5Tk 0.125Tk (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=∞,微分时间TD=0,比例带δ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。 若响应振荡衰减太快,就减小比例带;反之,则增大比例带。 如此反复,直到出现如图1.2(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δ值(设为δs),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δ、TI及TD的参数。 表1-2衰减曲线法整定计算公式 衰减率 整定参数 调节规律 δ(℅) 0.75 P δs PI 1.2δs 0.5Ts PID 0.8δs 0.3Ts 0.1Ts 0.90 P δs PI 1.2δs 2Tr PID 0.8δs 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δ、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 设定值e 反馈值 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) Td=0(参考值) 10、观察计算机上的实时曲线和历史曲线。 11、待系统稳定后,给定加个阶跃信号,观察其液位变化曲线。 12、再等系统稳定后,给系统加个干扰信号,观察液位变化曲线。 13、曲线的分析处理,对实验的记录曲线分别进行分析和处理。 六、实验建议: 实验中,选择不同的P、I、D参数进行P调节、PI调节、PID调节实验,寻找最佳控制调节方法及参数,总结不同的调节过程特性,得出控制性能的结论。 实验三: 双容液位控制系统参数整定实验 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、双容液位计算机控制和参数整定的方法。 二、实验设备: 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、上水箱、下水箱及液位变送器等)。 2、实验操作指南。 三、实验系统流程图: 四、实验原理: 本实验采用计算机控制,将(下水箱)液位控制在设定高度。 通过上水箱根据下水箱信号输出给计算机,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出水流量,控制上水箱液位,再控制下水箱液位,从而达到控制设定液位的目的。 当下水箱液位平衡时,上水箱液位也达到平衡。 下面为双容水箱液位过程控制的方块原理图: 设定值干扰 (1)干扰 (2) e 五、实验步骤: 1、按附图上下水箱双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、V4、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、上水箱输出信号。 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“实验三: 双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、整定参数值的计算 设定适当的控制参数 Ts=1(参考值) SV=20,40,80(参考值) Kc=7(参考值) Ti=200(参考值) Td=0(参考值) 10、观察计算机上的实时曲线和历史曲线。 11、待系统稳定后,给定加个阶跃信号,观察其液位变化曲线。 12、再等系统稳定后,给系统加个干扰信号,观察液位变化曲线。 13、曲线的分析处理,对实验的记录曲线分别进行分析和处理。 六、实验建议: 实验中,学生选择不同的P、I、D参数进行P调节、PI调节、PID调节实验,寻找最佳控制调节方法及参数,总结不同的调节过程特性,得出控制性能的结论。 七、思考建议: 比较单容控制与双容控制区别和控制的难易度,为什么。 实验四: 电动调节阀流量特性测试及控制实验 1、电动调节阀流量特性测试实验 一、实验目的 通过实验测得的数据,画出流量特性曲线图,判断阀体特性。 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、液位变送器、涡轮流量计、水泵系统等) 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。 电动阀流量特性测试实验流程图 2、按附图电动阀流量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、电流表和DDC控制单元电源。 6、在信号板上打开电动调节阀输入信号、流量计输出信号。 7、打开计算机上的组态王的“过程控制实验液位__流量”工程,进入运行环境,选择实验四中的电动调节阀流量特性测试实验,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、改变阀门开度给定值10%、20%、30%……100%,分别记录阀门开度和流量计的流量(调节阀的进出口压力保持不变)。 10、由阀门开度作为横坐标、流量作为纵坐标,画出特性曲线图。 11、根据画出的特性曲线,判断阀体是快开特性、等百分比特性还是直线特性。 2、电动阀支路流量控制实验 一、实验目的: 1、了解简单流量过程控制系统构成和涡轮流量计的特性 2、掌握流量控制方法 二、实验设备: 1、PCS过程控制实验装置(其中使用DDC控制单元、电动调节阀、水泵、涡轮流量计等)。 2、实验操作指南,涡轮流量计使用说明书,电磁流量计应用资料。 三、实验系统流程图: 四、实验原理: 根据设定的流量输给计算机,用计算机的输出来控制电动调节阀,用流量计测出流量信号反馈给计算机,由计算机进行比较和运算输出给电动调节阀,从而最终达到管内流量的平衡。 流量控制系统原理方块图 设定流量 五、实验步骤: 1、按附图电动阀支路流量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、流量计输出信号。 6、打开计算机上的组态王的“过程控制实验液位__流量”工程,进入运行环境,选择实验四的电动阀支路流量控制实验,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、整定参数值的计算 设定适当的控制参数使过渡过程的衰减比为4: 1,整定参数值可按下列“阶跃反应曲线整定参数表” 阶跃反应曲线整定参数表 控制规则 控制器参数 δ TI TD P δs PI 1.2δs 0.5Ts PID 0.8δs 0.3Ts 0.1Ts 10、设置参数 Ts=1(参考值) SV=400(参考值) Kc=0.01(参考值) Ti=5(参考值) d=0(参考值) 11、观察计算机上的实时曲线和历史曲线。 12、待系统稳定后,给定加个阶跃信号,观察其流量变化曲线。 13、再等系统稳定后,给系统加个干扰信号,观察流量变化曲线。 14、曲线的分析处理,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。 阶跃响应曲线数据处理记录表 参数值 测量情况 流量1 流量2 K1 T1 τ1 K2 T2 τ2 阶跃1 阶跃2 平均值 按常规内容编写实验报告,并根据K、T、τ平均值写出广义的传递函数。 六、实验建议: 实验中,学生选择不同的P、I、D参数进行P调节、PI调节、PID调节实验,寻找最佳控制调节方法及参数,总结不同的调节过程特性,得出控制性能的结论。 七、思考建议: 流量控制的特点和流量控制的难点。
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- 实验 一对 特性 测试
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