第二節(jié)雙容自衡水箱液位特性測試實驗

1、第二節(jié) 雙容水箱特性的測試一、實驗目的1掌握雙容水箱特性的階躍響應曲線測試方法；2根據由實驗測得雙容液位的階躍響應曲線，確定其特征參數K、T1、T2及傳遞函數；3掌握同一控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實現過程。二、實驗設備（同前）三、原理說明圖2-9 雙容水箱對象特性測試系統(tǒng)(a)結構圖 (b)方框圖由圖2-9所示，被測對象由兩個不同容積的水箱相串聯組成，故稱其為雙容對象。自衡是指對象在擾動作用下，其平衡位置被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預，依靠其自身重新恢復平衡的過程。根據本章第一節(jié)單容水箱特性測試的原理，可知雙容水箱數學模型是兩個單容水箱數學模型的乘積，即雙容水箱的數學模型可用一個二階慣性

2、環(huán)節(jié)來描述：G(s)=G1(s)G2(s)= (2-9) 式中Kk1k2，為雙容水箱的放大系數，T1、T2分別為兩個水箱的時間常數。本實驗中被測量為下水箱的液位，當中水箱輸入量有一階躍增量變化時，兩水箱的液位變化曲線如圖2-10所示。由圖2-10可見，上水箱液位的響應曲線為一單調上升的指數函數（圖2-10 (a)）；而下水箱液位的響應曲線則呈S形曲線（圖2-10 (b)），即下水箱的液位響應滯后了，它滯后的時間與閥F1-10和F1-11的開度大小密切相關。圖2-10 雙容水箱液位的階躍響應曲線（a）中水箱液位 （b）下水箱液位雙容對象兩個慣性環(huán)節(jié)的時間常數可按下述方法來確定。在圖2-11所示的

3、階躍響應曲線上求?。?1) h2（t）|t=t1=0.4 h2()時曲線上的點B和對應的時間t1；(2) h2（t）|t=t2=0.8 h2()時曲線上的點C和對應的時間t2。圖2-11 雙容水箱液位的階躍響應曲線 然后，利用下面的近似公式計算式 (2-10) (2-11) (2-12) 0.32t1/t20.46由上述兩式中解出T1和T2，于是得到如式（2-9）所示的傳遞函數。在改變相應的閥門開度后，對象可能出現滯后特性，這時可由S形曲線的拐點P處作一切線，它與時間軸的交點為A，OA對應的時間即為對象響應的滯后時間。于是得到雙容滯后（二階滯后）對象的傳遞函數為：G（S）= (2-13) 四、

4、實驗內容與步驟本實驗選擇中水箱和下水箱串聯作為被測對象（也可選擇上水箱和中水箱）。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-7全開，將中水箱出水閥門F1-10、下水箱出水閥門F1-11開至適當開度（要求F1-10開度稍大于F1-11的開度），其余閥門均關閉。具體實驗內容與步驟按五種方案分別敘述，這五種方案的實驗與用戶所購的硬件設備有關，可根據實驗需要選做或全做。（一）、智能儀表控制1將SA-12掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內RS485通訊口上，將控制屏右側RS485通訊線通過RS485/232轉換器連接到計算機串口2，并按照本章第一節(jié)控制屏接線圖2-3連接實

5、驗系統(tǒng)。將“LT3下水箱液位”鈕子開關撥到“ON”的位置。2接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V開關電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相、單相空氣開關，給智能儀表及電動調節(jié)閥上電。3打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗二、雙容自衡水箱對象特性測試”，進入實驗二的監(jiān)控界面。4在上位機監(jiān)控界面中將智能儀表設置為“手動”輸出，并將輸出值設置為一個合適的值（一般為最大值的4070%，不宜過大，以免水箱中水溢出），此操作需通過調節(jié)儀表實現。5合上三相電源空氣開關，磁力驅動泵上電打水，適當增加/減少智能儀表的輸出量，使下水箱

6、的液位處于某一平衡位置，記錄此時的儀表輸出值和液位值。6液位平衡后，突增（或突減）儀表輸出量的大小，使其輸出有一個正（或負）階躍增量的變化（即階躍干擾，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)，經過一段時間后，水箱液位進入新的平衡狀態(tài)，記錄下此時的儀表輸出值和液位值，液位的響應過程曲線將如圖2-13所示。圖2-12 雙容水箱液位階躍響應曲線7根據前面記錄的液位和儀表輸出值，按公式（2-10）計算K值，再根據圖2-11中的實驗曲線求得T1、T2值，寫出對象的傳遞函數。（二）、遠程數據采集控制1將掛件SA-22遠程數據采集模擬量輸出模塊、SA-23遠程數據采集模擬量輸入模

7、塊掛到屏上，并將掛件上的通訊線插頭插入屏內RS485通訊口上，將控制屏右側RS485通訊線通過RS485/232轉換器連接到計算機串口2，并按照本章第一節(jié)的控制屏接線圖2-5連接實驗系統(tǒng)。將“LT3下水箱液位”鈕子開關撥到“ON”的位置。2接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V開關電源，給智能采集模塊及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相空氣開關，給電動調節(jié)閥上電。3打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“遠程數據采集系統(tǒng)”工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗二、雙容自衡水箱對象特性測試”，進入實驗二的監(jiān)控界面。4以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟47。（三）、DCS

8、分布式控制1按照前一節(jié)的實驗組成DCS控制系統(tǒng)，并按照本章第一節(jié)的控制屏接線圖2-6連接實驗系統(tǒng)。將“LT3下水箱液位”鈕子開關撥到“ON”的位置。2接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V開關電源，給現場總線I/O模塊及壓力變送器上電，打開主控單元電源。啟動服務器程序，在工程師站的組態(tài)中選擇“單回路控制系統(tǒng)”工程進行編譯下裝，然后重啟服務器程序。3啟動操作員站，打開主菜單，點擊“實驗二、雙容自衡水箱對象特性測試”，進入實驗二的監(jiān)控界面。在流程圖的液位測量值上點擊鼠標左鍵，彈出PID窗口，將PID設為手動控制，手動調節(jié)輸出為一適當的值。4按下啟動按鈕，合上單相空氣開關，給電動調節(jié)閥上電。5以下

9、步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟57。（四）、S7-200PLC控制1將SA-42 S7-200PLC控制掛件掛到屏上，并用PC/PPI通訊電纜線將S7-200PLC連接到計算機串口2，并按照本章第一節(jié)的控制屏接線圖2-7連接實驗系統(tǒng)。將“LT3下水箱液位”鈕子開關撥到“ON”的位置。2接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V開關電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相、空氣開關，給S7-200PLC及電動調節(jié)閥上電。3打開Step 7-Micro/WIN 32軟件，并打開“S7-200PLC”程序進行下載，然后將S7-200PLC置于運行狀態(tài)，然后運行MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“

10、S7-200PLC控制系統(tǒng)”工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗二、雙容自衡水箱對象特性測試”，進入實驗二的監(jiān)控界面。4以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟47。（五）、S7-300PLC控制1將掛件SA-41 S7-300PLC控制掛件掛到屏上，并用MPI通訊電纜線將S7-300PLC連接到計算機CP5611專用網卡，并按照本章第一節(jié)的控制屏接線圖2-8連接實驗系統(tǒng)。將“LT3下水箱液位”鈕子開關撥到“ON”的位置。2接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V開關電源，給S7-300PLC及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相空氣開關，給電動調節(jié)閥上電。3打開Ste

11、p 7軟件，打開“S7-300”程序進行下載，然后將S7-300PLC置于運行狀態(tài)，然后運行WinCC組態(tài)軟件，打開“S7-300PLC控制系統(tǒng)”工程，然后激活WinCC運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗二、雙容自衡水箱對象特性測試”，進入實驗二的監(jiān)控界面。4以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟47。五、實驗報告要求1畫出雙容水箱液位特性測試實驗的結構框圖。2根據實驗得到的數據及曲線，分析并計算出雙容水箱液位對象的參數及傳遞函數。3綜合分析以上五種控制方案的實驗效果。六、思考題1做本實驗時，為什么不能任意改變兩個出水閥門開度的大?。?用響應曲線法確定對象的數學模型時，其精度與那些因素有關

12、？3如果采用上水箱和中水箱做實驗，其響應曲線與用中水箱和下水箱做實驗的曲線有什么異同？并分析差異原因。4引起雙容對象滯后的因素主要有哪些？第三節(jié) 鍋爐內膽溫度特性的測試一、實驗目的1了解鍋爐內膽溫度特性測試系統(tǒng)的組成原理。2 掌握鍋爐內膽溫度特性的測試方法。二、實驗設備（同前）三、實驗原理圖2-13 鍋爐內膽溫度特性測試系統(tǒng)(a)結構圖 (b)方框圖由圖2-13可知，本實驗的被測對象為鍋爐內膽的水溫，通過調節(jié)器“手動”輸出，控制三相電加熱管的端電壓，從而達到控制鍋爐內膽水溫的目的。鍋爐內膽水溫的動態(tài)變化過程可用一階常微分方程來描述，即其數學模型為一階慣性環(huán)節(jié)?？梢圆捎脙煞N方案對鍋爐內膽的溫度特

13、性進行測試：（一） 鍋爐夾套不加冷卻水將鍋爐內膽加適量水，手動操作調節(jié)器的輸出，使三相可控硅調壓模塊的輸出電壓為80100V左右。此電壓加在加熱管兩端，內膽中的水溫因而逐漸上升。當內膽中的水溫上升到某一值時，水的吸熱和放熱過程趨于平衡，從而使內膽中的水溫達到某一值。（二） 鍋爐夾套加冷卻水當鍋爐夾套中注滿冷卻水，這相當于改變了鍋爐內膽環(huán)境的溫度，使其散熱作用增強。顯然，要維持內膽原有的水溫，則必須提高三相調壓模塊的輸出電壓，即增加調節(jié)器的輸出值。四、實驗內容與步驟本實驗僅以智能儀表控制為例，其余幾種控制方案可仿照智能儀表控制自行設計系統(tǒng)、組態(tài)和實驗。1本實驗選擇鍋爐內膽水溫作為被測對象，實驗之

14、前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F2-1、F2-6、F1-13全開，將鍋爐出水閥門F2-12、F2-11關閉，其余閥門也關閉。將變頻器的A、B、C三端連接到三相磁力驅動泵（220V），手動調節(jié)變頻器頻率，給鍋爐內膽貯一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的紅線位置），然后關閉閥F1-13，打開閥F1-12，為夾套供水作好準備。2將SA-12掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內RS485通訊口上，將控制屏右側RS485通訊線通過RS485/232轉換器連接到計算機串口2，并按照下面的控制屏接線圖2-14連接實驗系統(tǒng)。圖2-14 儀表控制鍋爐內膽水溫特性測試接線圖3打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)

15、境，按照MCGS使用手冊中的組態(tài)方法和“智能儀表控制系統(tǒng)”的組態(tài)構思，并結合本實驗的要求進行上位機監(jiān)控界面的組態(tài)。4接通總電源空氣開關和鑰匙開關，按下啟動按鈕，合上單相空氣開關，給智能儀表上電。5打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開自己組態(tài)好的工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，進入實驗的監(jiān)控界面。6在上位機監(jiān)控界面中將智能儀表設置為“手動”狀態(tài)，并調節(jié)儀表輸出值，使三相調壓模塊輸出線電壓為80100V左右。此操作也可通過調節(jié)儀表實現。7合上三相電源空氣開關，三相電加熱管通電加熱，適當增加/減少智能儀表的輸出量，使鍋爐內膽的水溫處于某一平衡狀態(tài)。記錄此時的儀表輸出值和溫度值。8待水溫平衡后，突增（或突

16、減）儀表輸出量的大小，使其輸出有一個正（或負）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量過大可能導致系統(tǒng)無法平衡），于是內膽的水溫便離開原平衡狀態(tài)，經過一段時間后，內膽水溫進入新的平衡狀態(tài)，記錄此時的儀表輸出值和溫度值，并觀察溫度的響應過程曲線。9將內膽中已加熱的水通過出水閥放掉，重新注滿冷水；并啟動變頻器以較小的頻率往夾套中打冷卻水,重復第68步，觀察實驗的過程曲線與前面不加冷水的過程有何不同。10根據前面記錄的溫度和儀表輸出值，按公式（2-6）計算K值，再根據實驗曲線求得T值，寫出對象的傳遞函數。五、實驗報告1根據實驗數據及曲線，按本章第一節(jié)單容水箱特性測試的原理及分析方法求得鍋爐內膽溫度的特性參

17、數K、T、，寫出其傳遞函數。2分析比較計算機在兩種不同條件下所測得的內膽溫度變化曲線。第四節(jié) 電動調節(jié)閥流量特性的測試一、實驗目的1了解電動調節(jié)閥的結構與工作原理。2通過實驗進一步了解電動調節(jié)閥的流量特性。二、實驗設備（同前）三、實驗原理電動調節(jié)閥包括執(zhí)行機構和閥兩個部分，它是過程控制系統(tǒng)中的一個重要執(zhí)行元件。電動調節(jié)閥接受來自調節(jié)器的420mADC信號u，將其轉換為相應的閥門開度l，以改變閥截流面積f的大小，從而改變流量。圖2-15為電動調節(jié)閥與管道的連接圖。圖2-15 電動閥連接示意圖調節(jié)閥的靜態(tài)特性Kvdq/du，其中u是調節(jié)器輸出的控制信號，q是被調介質流過閥門的相對流量。調節(jié)閥的動態(tài)

18、特性Gv(s)=Kv/(Tvs+1)，其中Tv為調節(jié)閥的時間常數，一般很小，可以忽略。但在如流量控制這樣的快速過程中， Tv有時不能忽略。調節(jié)閥結構特性是指閥芯與閥座間節(jié)流面積與閥門開度之間的關系，通常有四種結構,即快開特性、直線特性、拋物線特性、等百分比特性。調節(jié)閥的流量特性，是指介質流過閥門的相對流量與閥門相對開度之間的關系，因為執(zhí)行機構靜態(tài)時輸出l（閥門的相對開度）與u成比例關系，所以調節(jié)閥靜態(tài)特性又稱調節(jié)閥流量特性，即qf(l)。式中：qQ/Q100為相對流量，即調節(jié)閥某一開度流量Q與全開流量Q100之比；lL/L100相對開度，即調節(jié)閥某一開度行程L與全行程L100之比。四、實驗內容與步驟本實驗僅以智能