現(xiàn)控實驗報告

1、實驗一 單容水箱特性的測試 一、實驗?zāi)康?1. 掌握單容水箱的階躍響應(yīng)的測試方法，并記錄相應(yīng)液位的響應(yīng)曲線。 2. 根據(jù)實驗得到的液位階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法確定被測對象的特征參數(shù)T和傳遞函數(shù)。 二、實驗設(shè)備 1. THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置 2. 計算機(jī)及相關(guān)軟件 3. 萬用電表一只 三、實驗原理 圖1-1單容水箱特性測試結(jié)構(gòu)圖由圖1-1可知，對象的被控制量為水箱的液位H，控制量（輸入量）是流入水箱中的流量Q1，手動閥V1和V2的開度都為定值，Q2為水箱中流出的流量。根據(jù)物料平衡關(guān)系，在平衡狀態(tài)時 Q10-Q20=0 （1） 動態(tài)時，則有 Q1-Q2=dV/dt （2） 式中V為

2、水箱的貯水容積，dV/dt為水貯存量的變化率，它與H的關(guān)系為 dV=Adh，即 （3） A為水箱的底面積。把式（3）代入式（2）得 Q1-Q2= （4） 基于Q2=，RS為閥V2的液阻，則上式可改寫為 Q1-= AdV/dt 即 ARS+h=KQ1或?qū)懽?（5） 式中T=ARS，它與水箱的底積A和V2的RS有關(guān)；K=RS。 式（5）就是單容水箱的傳遞函數(shù)。 若令Q1（S）=，R0=常數(shù)，則式（5）可改為 KH（S）= 對上式取拉氏反變換得 h(t)=KR0(1-e-t/T) （6） 當(dāng)t時，h（）=KR0，因而有 K=h（）/R0=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入當(dāng)t=T時，則有 h(T)=KR0(1-e

3、-1)=0.632KR0=0.632h() 式（6）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖1-2所示。當(dāng)由實驗求得圖1-2所示的階躍響應(yīng)曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%圖1-2 單容水箱的單調(diào)上升指數(shù)曲線所對應(yīng)的時間，就是水箱的時間常數(shù)T。該時間常數(shù)T也可以通過坐標(biāo)原點對響應(yīng)曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點所對應(yīng)的時間就是時間常數(shù)T，由響應(yīng)曲線求得K和T后，就能求得單容水箱的傳遞函數(shù)。如果對象的階躍響應(yīng)曲線為圖1-3，則在此曲線的拐點D處作一切線，它與時間軸交于B點，與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于A點。圖中OB即為對象的滯后時間，BC為對象的時間 常數(shù)T，所得的傳遞函數(shù)為：H(S)=圖

4、1-3 單容水箱的階躍響應(yīng)曲線 四、實驗內(nèi)容與步驟 1按圖1-1接好實驗線路，并把閥V1和V2開至某一開度，且使V1的開度大于V2的開度。2接通總電源和相關(guān)的儀表電源，并啟動磁力驅(qū)動泵。 3把調(diào)節(jié)器設(shè)置于手動操作位置，通過調(diào)節(jié)器增/減的操作改變其輸出量的大小，使水箱的液位處于某一平衡位置。 4手動操作調(diào)節(jié)器，使其輸出有一個正（或負(fù)）階躍增量的變化（此增量不宜過大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一定的調(diào)節(jié)時間后，水箱的液位進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，如圖1-4所示。圖1-4單容箱特性響應(yīng)曲線5啟動計算機(jī)記下水箱液位的歷史曲線和階躍響應(yīng)曲線。 6把由實驗曲線所得的結(jié)果填入下表。 參

5、數(shù)值測量值液位hKT正向輸入3210min0負(fù)向輸入3012min30秒平均值3111min15秒五、實驗分析分析用上述方法建立對象的數(shù)學(xué)模型有什么局限性？六、思考題 1做本實驗時，為什么不能任意改變出水口閥開度的大??？ 答：由公式（1）Q10-Q20=0 和公式 （2）Q1-Q2=dV/dt 知，如果任意改變閥口的大小則可能導(dǎo)致流入水箱中的流量Q1小于水箱中流出的流量Q2，這會導(dǎo)致水箱中的水量為零，系統(tǒng)不穩(wěn)定等，是不合理的。 2用響應(yīng)曲線法確定對象的數(shù)學(xué)模型時，其精度與那些因素有關(guān)？實驗二 上水箱(中水箱或下水箱)液位定值控制系統(tǒng) 一、實驗?zāi)康?1了解單閉環(huán)液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成。 2掌握

6、單閉環(huán)液位控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。 3研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。 二、實驗設(shè)備 1THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)裝置 2計算機(jī)、上位機(jī)MCGS組態(tài)軟件、RS232-485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根 3萬用表 1只 三、實驗原理 本實驗系統(tǒng)的被控對象為上水箱，其液位高度作為系統(tǒng)的被控制量。系統(tǒng)的給定信號為一定值，它要求被控制量上水箱的液位在穩(wěn)態(tài)時等于給定值。由圖2-1 上水箱液位定值控制結(jié)構(gòu)圖反饋控制的原理可知，應(yīng)把上水箱的液位經(jīng)傳感器檢測后的信號作為反饋信號。圖2-1為本實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖2-2為控制系統(tǒng)的方框圖。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下無靜差，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為

7、PI或PID。圖2-2 上水箱液位定值控制方框圖四、實驗內(nèi)容與步驟 1按圖2-1要求，完成系統(tǒng)的接線。 2接通總電源和相關(guān)儀表的電源。 3打開閥F1-1、F1-2、F1-6和F1-9，且把F1-9控制在適當(dāng)?shù)拈_度。 4選用單回路控制系統(tǒng)實驗中所述的某種調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法整定好調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。 5設(shè)置好系統(tǒng)的給定值后，用手動操作調(diào)節(jié)器的輸出，使電動調(diào)節(jié)閥給上水箱打水，待其液位達(dá)到給定量所要求的值，且基本穩(wěn)定不變時，把調(diào)節(jié)器切換為自動，使系統(tǒng)投入自動運行狀態(tài)。 6啟動計算機(jī)，運行MCGS組態(tài)軟件軟件，并進(jìn)行下列實驗： 1）當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，突加階躍擾動（將給定量增加5%15%），觀察并記錄系統(tǒng)

8、的輸出響應(yīng)曲線。 2）待系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，適量改變閥F1-6的開度，以作為系統(tǒng)的擾動，觀察并記錄在階躍擾動作用下液位的變化過程。 7適量改變PI的參數(shù)，用計算機(jī)記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。 P=30，I=60，D=0時，測試結(jié)果 P=30，I=0，D=0時，測試結(jié)果P=20，I=40，D=30時，測試結(jié)果五、實驗分析 1用實驗方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。 2列表記錄，在上述參數(shù)下求得階躍響應(yīng)的動、靜態(tài)性能指標(biāo)。 3列表記錄，在上述參數(shù)下求得系統(tǒng)在階躍擾動作用下響應(yīng)曲線的動、靜態(tài)性能指標(biāo)。 4變比例度和積分時間TI對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生什么影響？ 實驗三 單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng) 一、實驗?zāi)康?1、了解單

9、閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)組成。2、掌握比值系數(shù)的計算。 3、掌握比值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定與投運。 二、實驗設(shè)備 1、THJ-2型高級過程控制實驗裝置 2、計算機(jī)、上位機(jī)MCGS組態(tài)軟件、RS232-485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根 3、萬用表 1只 三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖3-1單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖四、實驗原理 在工業(yè)生產(chǎn)過程中,往往需要幾種物料以一定的比例混合參加化學(xué)反應(yīng)。如果比例失調(diào)，則會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的降低、原料的浪費，嚴(yán)重時還發(fā)生事故。例如在造紙工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了保證紙漿的濃度，必須自動地控制紙漿量和水量按一定的比例混合。這種用來實現(xiàn)兩個或兩個以上參數(shù)之間保持一定比值關(guān)系的過程控制系

10、統(tǒng)，均稱為比值控制系統(tǒng)。本實驗是流量比值控制系統(tǒng)。其實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6-1所示。該系統(tǒng)中有兩條支路，一路是來自于電動閥支路的流量Q1，它是一個主動量；另一路是來自于變頻器磁力泵支路的流量Q2，它是系統(tǒng)的從動量。要求從動量Q2能跟隨主動量Q1的變化而變化，而且兩者間保持一個定值的比例關(guān)系，即Q2/Q1=K。 圖3-2 單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)方框圖圖3-2為單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)的方框圖。由圖可知，主控流量Q1經(jīng)流量變送器后為I1（實際中已轉(zhuǎn)化為電壓值,若用電壓值除以250則為電流值,其它算法一樣），如設(shè)比值器的比值為K，則流量單閉環(huán)系統(tǒng)的給定量為KI1。如果系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器，則在穩(wěn)態(tài)時，從動

11、流量Q2經(jīng)變送器的輸出為I2，不難看出，KI1=I2。 五、比值系數(shù)的計算設(shè)流量變送器的輸出電流與輸入流量間成線性關(guān)系，當(dāng)流量Q由0Qmax變化時，相應(yīng)變送器的輸出電流為420mA。由此可知，任一瞬時主動流量Q1和從動流量Q2所對應(yīng)變送器的輸出電流分別為 I1= (1) I2= (2) 式中Q1max和Q2max分別為Q1和Q2 最大流量值。 設(shè)工藝要求Q2/Q1=K，則式（1）可改寫為Q1= (3) 同理式（2）也可改寫為 Q2= (4) 于是求得 (5) 折算成儀表的比值系數(shù)K為: K = K (6) 六、實驗內(nèi)容與步驟 1、按圖3-1所示的實驗結(jié)構(gòu)圖組成一個為圖3-2所要求的單閉環(huán)流量比

12、值控制系統(tǒng)。 2、確定Q2與Q1的比值K，并測定Q1max和Q2max，按式（6）計算比值器的比例系數(shù)K(實驗中可把電壓轉(zhuǎn)化為電流再計算)。 3、完成實驗系統(tǒng)的接線，并把圖3-1所示中的閥F1-1，F(xiàn)1-2、F1-8和F2-1，F(xiàn)2-5打開（若兩套動力支路的流量太大,還可把通向鍋爐的進(jìn)水閥打開）。 4、經(jīng)確認(rèn)所有連接線無誤后，接通總電源和相關(guān)儀表的電源。 5、另選一只調(diào)節(jié)器設(shè)置為手動輸出，并設(shè)定在某一數(shù)值，以控制電動調(diào)節(jié)閥支路的流量Q1。 6、PI調(diào)節(jié)器WC的參數(shù)整定，按單回路的整定方法進(jìn)行。實驗時將控制變頻器支路流量的調(diào)節(jié)器（CF=8，即外部給定）先設(shè)置為手動，待系統(tǒng)接近于給定值時再把手動切換為自動運行。 7、打開電腦中的MCGS組態(tài)工程進(jìn)入相應(yīng)的實驗，記錄下實驗實時（歷史）曲線及各項參數(shù)。 8、等系統(tǒng)的從動流量Q2趨于不變時（系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)），適量改變主動流量Q1的大小，然后觀察并記錄從動流量Q2的變化過程。 9、改變比值器的比例系數(shù)K，觀察從動流量Q2的變化，并記錄相應(yīng)的動態(tài)曲線。 初始狀