1、过程控制实验解析第一节 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. 计算机及相关软件3. 万用电表一只三、实验原理图2-1单容水箱特性测试结构图由图2-1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）动态时，则有Q1-Q2= （2）式中V为水箱的贮水容积，为水
2、贮存量的变化率，它与H的关系为，即= A （3）A为水箱的底面积。把式（3）代入式（2）得Q1-Q2=A （4）基于Q2=，RS为阀V2的液阻，则上式可改写为Q1-= A 即ARS+h=KQ1或写作= （5）式中T=ARS，它与水箱的底积A和V2的RS有关；K=RS。式（5）就是单容水箱的传递函数。若令Q1（S）=，R0=常数，则式（5）可改为H（S）=K-对上式取拉氏反变换得h(t)=KR0(1-e-t/T) （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（6）表示一阶惯性环节的
3、响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示。当由实验求得图2-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%图2-2 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2-3，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，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：H(S)=图2-3 单容水箱的阶跃响应曲线四、实验内容与步骤1按图2-1接好实验线路
4、，并把阀V1和V2开至某一开度，且使V1的开度大于V2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，如图2-4所示。图2-4单容箱特性响应曲线5启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。6把由实验曲线所得的结果填入下表。 参数值测量值液位hKT正向输入负向输入平均值五、实验报告1写出常规的实验报告内容。2
5、分析用上述方法建立对象的数学模型有什么局限性？六、思考题1做本实验时，为什么不能任意改变出水口阀开度的大小？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？第二节 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、MCGS工控组态软件、RS232/485转换器1只、串口线1根3. 万用表 1只三、原理说明图2-5 双容水箱对象特性结构图 由图2-5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
6、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2-6所示。由图2-6可见，上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数（图2-6 (a)），而下水箱液位的响应曲线则呈S形状（图2-6 (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。图2-6 双容液位阶跃响应曲线图2-7 双容液位阶跃响应曲线在图2-7所示的阶跃响应曲线上求取：(1) h2（t）|t=t1=0.4 h2()时曲线上的点B和对应的时间t1；(2)h2（t）|t=t2=0.8 h
7、2()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 0.32t1/t20.46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）=四、实验内容与步骤1、接通总电源和相关仪表的电源。2、接好实验线路，打开手动阀，并使它们的开度满足下列关系：V1的开度V2的开度V3的开度3、把调节器设置于手动位置，按调节器的增/减，改变其手动输出值，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、按调节器的增/减按钮，突增/减调节器的手动输出量，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，液位h2进入另一个平衡状态。5、上述实验用计算机实时记录h
8、2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hKT1T2正向输入负向输入平均值五、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。六、思考题1、在本实验中，为什么对出水阀不能任意改变其开度？2、引起双容对象的滞后特性是什么？第三节 电动调节阀流量特性的测试一、实验目的1、了解电动阀节阀的结构与工作原理。2、通过实验，进一步了解电动调节阀流量的特性。二、实验设备1、THJ-2型过程控制实验装置2、计算机及相关的软件。3、万用表 1只三、实验原理电动调节阀包括执行机构和阀两个部分，它是过程控制系统中的一个重要环
9、节。电动调节阀接受调节器输出420mADC的信号，并将其转换为相应输出轴的角位移，以改变阀节流面积S的大小。图2-9为电动调节阀与管道的连接图。图2-9 电动调节阀与管道的连接图图中： u-来自调节器的控制信号（420mADC）-阀的相对开度s -阀的截流面积q-液体的流量 由过程控制仪表的原理可知，阀的开度与控制信号的静态关系是线性的，而开度与流量Q的关系是非线性的。图2-10为本实验结构示意图.图2-10 电动调节阀特性实验结构示意图四、实验报告与步骤1按图2-10 所示的实验结构示意图，完成实验系统的接线。2接通总电源和相关仪表的电源，并把手动阀置于一定的开度。3把调节器置于手动状态，并
10、使其输出相应于电动阀开度的10%、20%、100%，分别记录不同状态时调节器的输出电流和相应的流量。4由电流I作横作标，流量Q作纵坐标，画出Q=F（I）的曲线。五、实验报告1. 完成常规的实验报告内容。2. 根据所画出的曲线，判别该电动阀的阀体是快开特性，等百分比特性还是慢开特性。第四节 上水箱(中水箱或下水箱)液位定值控制系统一、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1THJ-2型高级过程控制系统装置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
11、用表 1只三、实验原理本实验系统的被控对象为上水箱，其液位高度作为系统的被控制量。系统的给定信号为一定值，它要求被控制量上水箱的液位在稳态时等于给定值。由图3-7 上水箱液位定值控制结构图反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。图3-7为本实验系统的结构图，图3-8为控制系统的方框图。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下无静差，系统的调节器应为PI或PID。图3-8 上水箱液位定值控制方框图四、实验内容与步骤1按图3-7要求，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、F1-6和F1-9，且把F1-9控制在适当的开度。4选用单回路控
12、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，使电动调节阀给上水箱打水，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F1-6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1用实验方法确定调节器的相关参数。2列表
13、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。4 变比例度和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？第五节 双容水箱液位定值控制系统一、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1THJ-2型高级过程控制系统装置。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、实验原理本实验系统以中水箱与下水箱为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被图3-9 双容液位定值控制系统结构图控制量。基于
14、系统的给定量是一定值，要求被控制量在稳态时等于给定量所要求的值，所以调节器的控制规律为PI或PID。本系统的执行元件既可采用电动调节图3-10 双容液位定值控制系统方框图阀，也可用变频调速磁力泵。如果采用电动调节阀作执行元件，则变频调速磁力泵支路中的手控阀F2-4或F2-5打开时可分别作为中水箱或下水箱的扰动。图3-9为实验系统的结构图，图3-10为控制系统的方框图。四、实验内容与步骤1图3-9所示，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用本章第一节实验中所述的临界比例度法或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
