過(guò)程控制水槽實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)打印

1、0下水 箱液 位傳 感器9閥11上水 箱液 位傳 感器 gPtIOor閥3閥2-O電動(dòng)謂節(jié)閥PtIOO實(shí)驗(yàn)一、一階單容上水箱對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）、熟悉單容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線。2）、根據(jù)由實(shí)際測(cè)得的單容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法分別 確定它們的參數(shù)。、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1）、 AE2000A 型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置：配置：萬(wàn)用表、上位機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)、 RS232-485 轉(zhuǎn)換器 1 只、串口線 1根、實(shí)驗(yàn)連接線。三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖單容水箱如圖 1-1 所示：四、實(shí)驗(yàn)原理階躍響應(yīng)測(cè)試法是系統(tǒng)在開(kāi)環(huán)運(yùn)行條件下他操作器，手動(dòng)改變對(duì)象的輸入信號(hào) 階躍響應(yīng)曲線。然后根據(jù)已給定對(duì)象模型的結(jié)構(gòu)

2、形式，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過(guò)調(diào)節(jié)器或其階躍信號(hào)），同時(shí)記錄對(duì)象的輸出數(shù)據(jù)或進(jìn)行處理，確定模型中各參數(shù)。圖解法是確定模型參數(shù)的一種實(shí)用方法。不同的模型結(jié)構(gòu)，有不同的圖解方 法。單容水箱對(duì)象模型用一階加時(shí)滯環(huán)節(jié)來(lái)近似描述時(shí)，?？捎脙牲c(diǎn)法直接求取 對(duì)象參數(shù)。如圖 1-1 所示，設(shè)水箱的進(jìn)水量為 Q1，出水量為 Q2，水箱的液面高度為 h， 出水閥 V2固定于某一開(kāi)度值。根據(jù)物料動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)系，求得：在零初始條件下，對(duì)上式求拉氏變換，得：式中， T 為水箱的時(shí)間常數(shù) 注意：閥 V2 的開(kāi)度大小會(huì)影響到水箱的時(shí)間常數(shù)），T=R2*C，K=R2為單容對(duì)象的放大倍數(shù)， R1、R2分別為 V1、V2閥的液阻

3、， C 為水箱的容量RO 為常1-2上式表示 h<t 恒速變化，即只要花T 秒時(shí)系數(shù)。令輸入流量 Q1 的階躍變化量為 R0，其拉氏變換式為 Q1<S)=RO/S ， 量，則輸出液位高度的拉氏變換式為：當(dāng) t=T 時(shí)，則有：h(T>=KR0(1-e -1>=0.632KR0=0.632h( >即 h(t>=KR 0(1-e -t/T >當(dāng) t >時(shí)， h<) =KR0，因而有K=h<) /R0=輸出穩(wěn)態(tài)值 / 階躍輸入 式<1-2)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)，如圖所示。當(dāng)由實(shí)驗(yàn)求得圖 1-2 所示的 階躍響

4、應(yīng)曲線后，該 曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的 63%所對(duì)應(yīng)時(shí)間，就 是水箱的時(shí)間常數(shù) T，該時(shí)間常數(shù) T 也 可以通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì) 響應(yīng)曲線作切線，切 線與穩(wěn) 態(tài)值交 點(diǎn) 所 對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間 常數(shù) T，其理論依據(jù) 是：間就可達(dá)到穩(wěn)態(tài)值 h<)五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1、設(shè)備的連接和檢查：<1)、關(guān)閉閥 23，將 AE2000A 實(shí)驗(yàn)對(duì)象的儲(chǔ)水箱灌滿水 <至最高高度)<2)、打開(kāi)以丹麥泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計(jì)組成的動(dòng)力支路至上水箱的出水閥門：閥 1、閥 4、閥 7，關(guān)閉動(dòng)力支路上通往其他對(duì)象的切換閥門 : 閥 2、閥 6、閥 11、閥 18、閥 21。3）、打開(kāi)上水箱的出水閥：閥 9

5、至適當(dāng)開(kāi)度。4）、檢查電源開(kāi)關(guān)是否關(guān)閉2、系統(tǒng)連線圖：3、 實(shí)驗(yàn)接線圖1）、電源控制柜里的三相電源空氣開(kāi)關(guān)、單相空氣開(kāi)關(guān)、單相泵電源開(kāi) 關(guān)打在關(guān)的位置。2）、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的 220V 電源開(kāi)關(guān)打在關(guān)的位置 。3）、智能調(diào)節(jié)儀的 220V 電源開(kāi)關(guān)打在關(guān)的位置 。4）、如圖 1-3 所示：將 I/O 信號(hào)接口板上的上水箱液位的鈕子開(kāi)關(guān)打到 OFF位置。5）、將上水箱液位 +正極）接到任意一個(gè)智能調(diào)節(jié)儀的 1 端即 RSV 的 + 極），上水箱液位 - 負(fù)極 ）接到智能調(diào)節(jié)儀的 2 端即 RSV的負(fù) 極）。6）、將智能調(diào)節(jié)儀的 420mA輸出端的 7 端 即 +極）接至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的 420mA輸入端

6、的 +端 即正極），將智能調(diào)節(jié)儀的 420mA輸出端的 5 端 即-極）接至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的 420mA輸入端的 -端即負(fù)極）。3、啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置1）、將實(shí)驗(yàn)裝置電源插頭 2 接到 380V 的三相交流電源2）、打開(kāi)電源三相帶漏電保護(hù)空氣開(kāi)關(guān) , 電壓表指示 380V。3）、打開(kāi)總電源鑰匙開(kāi)關(guān)，按下電源控制柜上的啟動(dòng)按鈕，即可開(kāi)啟電 4、實(shí)驗(yàn)步驟1）、開(kāi)啟單相空氣開(kāi)關(guān)，根據(jù)儀表使用說(shuō)明書(shū)和液位傳感器使用說(shuō)明調(diào) 整好儀表各項(xiàng)參數(shù)和液位傳感器的零位、增益，儀表輸出方式設(shè)為手動(dòng)輸出，初 始值為 0。2）、啟動(dòng)計(jì)算機(jī) MCGS組態(tài)軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)如圖 1-4 所示：1-4 、實(shí)驗(yàn)軟件界面3）、雙

7、擊設(shè)定輸出按鈕，設(shè)定輸出值的大小，或者在儀表手動(dòng)狀態(tài)下，按 住儀表的 STOP鍵將儀表的輸出值上升到所想設(shè)定的值，這個(gè)值根據(jù)閥門開(kāi)度的 大小來(lái)給定，一般初次設(shè)定值 <25。開(kāi)啟單相泵電源開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)動(dòng)力支路。將被 控參數(shù)液位高度控制在 20%處<一般為 7cm）。4）、觀察系統(tǒng)的被調(diào)量：上水箱的水位是否趨于平衡狀態(tài)。若已平衡，應(yīng) 記錄調(diào)節(jié)儀輸出值，以及水箱水位的高度 h1 和智能儀表的測(cè)量顯示值并填入下儀表輸出值水箱水位高度 h1儀表顯示值0100cmcm5）、迅速增加儀表手動(dòng)輸出值，增加 5%的輸出量，記錄此引起的階躍響應(yīng)的過(guò)程參數(shù)，它們均可在上位軟件上獲得。以所獲得的數(shù)據(jù)繪制變化

8、曲線。T<秒）水箱水位h1（cm>儀表讀數(shù)（cm>6）、直到進(jìn)入新的平衡狀態(tài)。再次記錄平衡時(shí)的下列數(shù)據(jù)，并填入下表：儀表輸出值水箱水位高度 h1儀表顯示值0100cmcm7）、將儀表輸出值調(diào)回到步驟 5）前的位置，再用秒表和數(shù)字表記錄由此引 起的階躍響應(yīng)過(guò)程參數(shù)與曲線。填入下表：t< 秒）水箱水位h1（cm>儀表讀數(shù)（cm>六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求<1）作出一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。<2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中所述的方法，求出一階環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)。七、注意事項(xiàng)<1）本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，閥 8 不得任意改變開(kāi)度大小。<2）階躍信號(hào)不能取得太大，以免影響正常運(yùn)行；

9、但也不能過(guò)小，以防止因讀 數(shù)誤差和其他隨機(jī)干擾影響對(duì)象特性參數(shù)的精確度。一般階躍信號(hào)取正常輸入信 號(hào)的 5%15%。（3>在輸入階躍信號(hào)前，過(guò)程必須處于平衡狀態(tài)。八、思考題<1）在做本實(shí)驗(yàn)時(shí)，為什么不能任意上水箱出水閥變化閥的開(kāi)度大小？（2>用兩點(diǎn)法和用切線對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，它們各有什么特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)二、上水箱液位 PID 整定實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）、通過(guò)實(shí)驗(yàn)熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理。2）、分析分別用 P、PI 和 PID 調(diào)節(jié)時(shí)的過(guò)程圖形曲線。3）、定性地研究 P、PI 和 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1）、 AE2000A型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝

10、置、上位機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)、 RS232-485 轉(zhuǎn)換器 1 只、串口線 1 根。2）、萬(wàn)用表一只三、實(shí)驗(yàn)原理擾動(dòng)給定+圖 2-1 、實(shí)驗(yàn)原理圖 4-1 為單回路上水箱液位控制系統(tǒng)。單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象上用一個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)保持一個(gè)參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個(gè)測(cè)量信號(hào)，其 輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的參數(shù)是液位的給定高度，即控制 的任務(wù)是控制上水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個(gè)閉 環(huán)反饋單回路液位控制，采用工業(yè)智能儀表控制。當(dāng)調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來(lái) 就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，一個(gè)單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與 控制器參數(shù)選擇有著很大的關(guān)系。合

11、適的控制參數(shù)，可以帶來(lái)滿意的控制效果。 反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會(huì)使控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期效果。一個(gè) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好以后，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定是十分重要的工作。一般言之，用比例 <P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個(gè)有差系統(tǒng)，比例度的大小不僅會(huì)影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分<PI ）調(diào)節(jié)器，因?yàn)榉e分的作用，不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)余差，而且只要參數(shù)， Ti 調(diào)節(jié)合 理，也能使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。比例積分微分 <PID）調(diào)節(jié)器是在 PI 調(diào)節(jié) 器的基礎(chǔ)上再引入微分 D 的作用，從而使系統(tǒng)既無(wú)余差存在，又能改善系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)性能 <快速性、穩(wěn)定性等）。但是

12、，并不是所有單回路控制系統(tǒng)在加入微分作 用后都能改善系統(tǒng)品質(zhì)，對(duì)于容量滯后不大，微分作用的效果并不明顯，而對(duì)噪 聲敏感的流量系統(tǒng)，加入微分作用后，反而使流量品質(zhì)變壞。對(duì)于我們的實(shí)驗(yàn)系 統(tǒng)，在單位階躍作用下， P、PI、PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖 4-2 中的曲線 、所示。圖 2-2 、P、PI 和 PID 調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1、設(shè)備的連接和檢查：<1）、將 AE2000A 實(shí)驗(yàn)對(duì)象的儲(chǔ)水箱灌滿水 <至最高高度）。<2）、打開(kāi)以丹麥泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計(jì)組成的動(dòng)力支路至上水箱的出水閥門：閥 1、閥 4、閥 7，關(guān)閉動(dòng)力支路上通往其他對(duì)象的切換閥門

13、:閥2、閥 6、 閥 11 、閥 18、閥 21。<3）、打開(kāi)上水箱的出水閥至適當(dāng)開(kāi)度。<4）、檢查電源開(kāi)關(guān)是否關(guān)閉。2、系統(tǒng)連線如圖 4-3 所示：圖 2-3 、上水箱液位 PID 參數(shù)整定控制接線圖1）、三相電源、單相空氣開(kāi)關(guān)打在關(guān)的位置。2）、智能調(diào)節(jié)儀的 220V的電源開(kāi)關(guān)打在關(guān)的位置。3）、將 I/O 信號(hào)接口板上的上水箱液位的鈕子開(kāi)關(guān)打到 OFF位置。4）、將上水箱液位 +正極）接到任意一個(gè)智能調(diào)節(jié)儀的1 端 即 RSV的正極），將上水箱液位 -負(fù)極）接到智能調(diào)節(jié)儀的 2端即 RSV的負(fù)極）。5）、將智能調(diào)節(jié)儀的 420mA輸出端的 7 端 即正極）接至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的 4

14、 20mA輸入端的 +端即正極），將智能調(diào)節(jié)儀的 420mA輸出端的 5 端即負(fù)極） 接至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的 420mA輸入端的 - 即負(fù)極）。3、啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置1）、將實(shí)驗(yàn)裝置電源插頭接到 380V的三相交流電源。2）、打開(kāi)電源三相帶漏電保護(hù)空氣開(kāi)關(guān)，電壓表指示380V。3）、打開(kāi)總電源鑰匙開(kāi)關(guān)，按下電源控制屏上的啟動(dòng)按鈕，即可開(kāi)啟電源4）、開(kāi)啟單相，調(diào)整好儀表各項(xiàng)參數(shù) 儀表初始狀態(tài)為手動(dòng)且為 0）和液位 傳感器的零位。5）、啟動(dòng)智能儀表，設(shè)置好儀表參數(shù)。（一）比例調(diào)節(jié)控制1）、啟動(dòng)計(jì)算機(jī) MCGS組態(tài)軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，如圖4-4所示：實(shí)驗(yàn)軟件界面圖 2-4 、開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。2）、打開(kāi)電

15、動(dòng)調(diào)節(jié)閥和單相電源泵開(kāi)關(guān)，3）、設(shè)定給定值，調(diào)整 P 參數(shù)。4）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對(duì)系統(tǒng)加擾動(dòng)信號(hào) 在純比例的基礎(chǔ)上加擾動(dòng)，一般可 通過(guò)改變?cè)O(shè)定值實(shí)現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過(guò)幾次波動(dòng)穩(wěn)定下來(lái)后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤 差，并記錄余差大小。5）、減小 P 重復(fù)步驟 4，觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，并記錄余差大小。6）、增大 P 重復(fù)步驟 4，觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，并記錄余差大小。7）、選擇合適的 P，可以得到較滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線。改變?cè)O(shè)定值 如設(shè)定 值由 50變?yōu)?60），同樣可以得到一條過(guò)渡過(guò)程曲線。8）、注意：每當(dāng)做完一次實(shí)驗(yàn)后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次實(shí)驗(yàn)。 二）、比例積分調(diào)節(jié)器 PI ）控制1）、在比例調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)

16、上，加入積分作用，即在界面上設(shè)置I 參數(shù)不 為 0 ，觀察被控制量是否能回到設(shè)定值，以驗(yàn)證 PI 控制下，系統(tǒng)對(duì)階躍擾動(dòng)無(wú)余 差存在。2）、固定比例 P 值中等大?。淖?PI 調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)值 Ti ，然 后觀察加階躍擾動(dòng)后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同 Ti 值時(shí)的超調(diào)量 p。 表二、不同 Ti 時(shí)的超調(diào)量 p積分時(shí)間常數(shù)Ti大中小超調(diào)量 p3）、固定 I 于某一中間值，然后改變 P 的大小，觀察加擾動(dòng)后被調(diào)量輸出 的動(dòng)態(tài)波形，據(jù)此列表記錄不同值 Ti 下的超調(diào)量 p。 表三、不同值下的 p比例 P大中小超調(diào)量 p4）、選擇合適的 P 和 Ti 值，使系統(tǒng)對(duì)階躍輸入擾動(dòng)的輸出響應(yīng)為一

17、條較滿 意的過(guò)渡過(guò)程曲線。此曲線可通過(guò)改變?cè)O(shè)定值如設(shè)定值由 50%變?yōu)?60%）來(lái)獲得。三）、比例積分微分調(diào)節(jié) PID）控制1）、在 PI 調(diào)節(jié)器控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即把軟件界 面上設(shè)置 D 參數(shù)，然后加上與前面實(shí)驗(yàn)幅值完全相等的擾動(dòng)，記錄系統(tǒng)被控制量 響應(yīng)的動(dòng)態(tài)曲線，并與實(shí)驗(yàn) 二）PI 控制下的曲線相比較，由此可看到微分 D 對(duì) 系統(tǒng)性能的影響。2）、選擇合適的 P、Ti 和 Td，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過(guò)渡過(guò)程 曲線 階躍輸入可由給定值從 50%突變至 60%來(lái)實(shí)現(xiàn)）。3）、在歷史曲線中選擇一條較滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線進(jìn)行記錄。 四）、用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)

18、在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中， PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)常用下述實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定。用臨界比例度法 去整定 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)是既方便又實(shí)用的。它的具體做法是：1）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步減小調(diào)節(jié)器的比例度 即 1/P ），并且每當(dāng)減小 一次比例度，待被調(diào)量回復(fù)到平衡狀態(tài)后，再手動(dòng)給系統(tǒng)施加一個(gè)5%15%的階躍擾動(dòng)，觀察被調(diào)量變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。若被調(diào)量為衰減的振蕩曲線，則應(yīng)繼續(xù)減 小比例度，直到輸出響應(yīng)曲線呈現(xiàn)等幅振蕩為止。如果響應(yīng)曲線出現(xiàn)發(fā)散振4-5 為它的蕩，則表示比例度調(diào)節(jié)得過(guò)小，應(yīng)適當(dāng)增大，使之出現(xiàn)等幅振蕩。圖 實(shí)驗(yàn)方塊圖。2）、在圖例度，用 k 表示之，相應(yīng)的振蕩周期就是臨界周期 Tk。據(jù)此，按下表可確定 P

19、ID 調(diào)節(jié)器的三個(gè)參數(shù)、 Ti 和 Td。表四、用臨界比例度 k 整定 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)kTi(S>Td(S>調(diào)節(jié)器名稱P2kPI2.2kTk/1.2PID1.6k0.5Tk0.125Tk3）、必須指出，表格中給出的參數(shù)值是對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)的一個(gè)初略設(shè)計(jì)，因 為它是根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)而得出的結(jié)論。若要就得更滿意的動(dòng)態(tài)過(guò)程<例如：在階躍作用下，被調(diào)參量作 4： 1 地衰減振蕩），則要在表格給出參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì) 、Ti< 或 Td）作適當(dāng)調(diào)整。二、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1）、畫出單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖。2）、用接好線路的單回路系統(tǒng)進(jìn)行投運(yùn)練習(xí)，并敘述無(wú)擾動(dòng)切換的方法。3）、

20、用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，寫出三種調(diào)節(jié)器的余差和超調(diào) 量。4）、作出 P 調(diào)節(jié)器控制時(shí)，不同值下的階躍響應(yīng)曲線。5）、作出 PI 調(diào)節(jié)器控制時(shí)，不同和 Ti 值時(shí)的階躍響應(yīng)曲線。6）、畫出 PID 控制時(shí)的階躍響應(yīng)曲線，并分析微分 D的作用。7）、比較 P、PI 和 PID 三種調(diào)節(jié)器對(duì)系統(tǒng)無(wú)差度和動(dòng)態(tài)性能的影響。注意事項(xiàng)1）、實(shí)驗(yàn)線路接好后，必須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查認(rèn)可后方可接通電源。四、 思考題1）、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在運(yùn)行前應(yīng)做好哪些準(zhǔn)備工作？2）、為什么要強(qiáng)調(diào)無(wú)擾動(dòng)切換？3）、試定性地分析三種調(diào)節(jié)器的參數(shù)、 、 Ti ）和、 Ti 和 Td）的變 化對(duì)控制過(guò)程各產(chǎn)生什么影響？4）、如何實(shí)現(xiàn)減小或

21、消除余差？純比例控制能否消除余差？實(shí)驗(yàn)三、二階雙容對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉雙容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線。2）、根據(jù)由實(shí)際測(cè)得的雙容液位階躍響應(yīng)曲線，分析雙容系統(tǒng)的飛升特性。 二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1 、 AE2000A 型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置配置：上位機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)、 RS232-485轉(zhuǎn)換器 1只、串口線 1 根、實(shí)驗(yàn)連接線。三、原理說(shuō)明如圖 2-1圖 3-1 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所示：這是由兩個(gè)一階非周期慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)起來(lái)，輸出量是下水箱的水位 h2。當(dāng)輸入量 有一個(gè)階躍增加 Q1 時(shí)，輸出量變化的反應(yīng)曲線如圖 2-2 所示的 h2 曲線。它不再是簡(jiǎn)單的指數(shù)曲線，而是就使調(diào)節(jié)對(duì)象的飛升特性

22、在時(shí)間上更加落后一步。在圖中 S 形曲線的拐點(diǎn) P 上作切線，它在時(shí)間軸上截出一段時(shí)間 OA。這段時(shí)間可以近似地衡量因?yàn)槎嗔艘粋€(gè)容量而使飛升過(guò)程向后推遲的程圖 3-2 、變化曲線度，因此，稱容量滯后，通常以C代表之。設(shè)流量 Q1 為雙容水箱的輸入量，下水箱的液位高度 h2 為輸出量，根據(jù)物料動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，并考慮到液體傳輸過(guò)程中的時(shí)延，其傳遞函數(shù)為：式中 K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分別為閥 V2和 V3的液阻， C1 和 C2分別為 上水箱和下水箱的容量系數(shù)。式中的 K、T1 和 T2 須從由實(shí)驗(yàn)求得的階躍響應(yīng)曲線 上求出。具體的做法是在圖 2-3 所示的階躍響應(yīng)曲線上

23、?。?）、 h2<t ）穩(wěn)態(tài)值的漸近線 h2（>；2）、h2<t）|t=t1=0.4 h 2（ >時(shí)曲線上的 點(diǎn) A和對(duì)應(yīng)的時(shí)間 t 1；3）、 h2<t ） | t=t2 =0.8 h 2（ >時(shí)曲線上的 點(diǎn) B和對(duì)應(yīng)的時(shí)間 t 2。然后，利用下面的近似公式計(jì)算式2-1 中的參數(shù) K、T1和 T2。其中：對(duì)于式 <2-1）所示的二階過(guò)程，0.32 t 1/t 20.46 。當(dāng) t 1/t 2=0.32 時(shí) ，可近似為一階環(huán)節(jié)當(dāng) t 1/t 2=0.46 時(shí) ，過(guò)程 的傳 遞 函數(shù) G（S>=K/（TS+1>2<此 時(shí)T1=T2=T=

24、(t 1+t 2>/2* 2.18 )四、實(shí)驗(yàn)步驟1、設(shè)備的連接和檢查： <1）、開(kāi)通以丹麥泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計(jì)以及上水箱出水閥1、閥 4、閥7、閥 9 所組成的水路系統(tǒng)。關(guān)閉通往其他對(duì)象的切換閥2、閥 6、閥 11、閥18、閥 21。<2）、將下水箱的出水閥 10 開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度。 <3）、檢查電源開(kāi)關(guān)是否關(guān)閉。2、系統(tǒng)連線 接線如圖 3-4 所示：圖 3-4 、實(shí)驗(yàn)接線圖1）、三相電源、單相空氣開(kāi)關(guān)打在關(guān)的位置。2）、智能調(diào)節(jié)儀的 220V的電源開(kāi)關(guān)打在關(guān)的位置。3）、將 I/O 信號(hào)接口板上的上水箱液位的鈕子開(kāi)關(guān)打到 OFF位置。4）、將下水箱液位 +接到任意

25、一個(gè)智能調(diào)節(jié)儀的信號(hào)輸入端1即 RSV的 +極），下水箱液位 -負(fù)端）接到智能調(diào)節(jié)儀的 2端即 RSV的-極）。5）、將智能調(diào)節(jié)儀的 20mA輸出端的 7 端 即+極）接至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的 4 20mA輸入端的 +端即正極），將智能調(diào)節(jié)儀的 4 20mA輸出端的 5 端即- 極） 接至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的 420mA輸入端的 - 即負(fù)極）。3、啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置1）、將實(shí)驗(yàn)裝置電源插頭接到 380V的三相交流電源。2）、打開(kāi)電源三相帶漏電保護(hù)空氣開(kāi)關(guān)，電壓表指示380V。3）、打開(kāi)總電源鑰匙開(kāi)關(guān)，按下電源控制屏上的啟動(dòng)按鈕，即可開(kāi)啟電 源。4、實(shí)驗(yàn)步驟1）、開(kāi)啟單相空氣開(kāi)關(guān)，下水箱液位傳感器輸出信號(hào)為15V 電

26、壓信號(hào)，調(diào)整好儀表輸入規(guī)格參數(shù)與其他各項(xiàng)參數(shù)，開(kāi)始校準(zhǔn)液位傳感器的零位和增益， 儀表輸出方式設(shè)為手動(dòng)輸出，初始值為 0。2）、啟動(dòng)計(jì)算機(jī) MCGS組態(tài)軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn) , 界面如圖 3-5 所示：圖 3-5 、實(shí)驗(yàn)軟件界面3）、開(kāi)啟單相泵電源開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)動(dòng)力支路，手動(dòng)將儀表的輸出值迅速上升 到小于等于 10，將被控參數(shù)液位高度控制在 30%處 一般為 5cm）。4）、觀察系統(tǒng)的被調(diào)量水箱的水位是否趨于平衡狀態(tài)。若已平衡，應(yīng)錄調(diào)節(jié)儀輸出值， 以及水箱水位的高度 h2 和智能儀表的測(cè)量顯示值并填入下表。儀表輸出值水箱水位高度 h2儀表顯示值0100cmcm5）、迅速增加儀表手動(dòng)輸出值，增

27、加 10%的輸出量，記錄此引起的階躍響應(yīng)的過(guò)程參數(shù)，均可在上位軟件上獲得各項(xiàng)參數(shù)和數(shù)據(jù)，并繪制過(guò)程變化曲線。T<秒）水箱水 位 h2（cm>儀表讀 數(shù)（cm>6）、直到進(jìn)入新的平衡狀態(tài)。再次記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，并填入下表：儀表輸出值水箱水位高度 h2儀表顯示值0100cmcm7）、將儀表輸出值調(diào)回到步驟 5）前的位置，再用秒表和數(shù)字表記錄由此引 起的階躍響應(yīng)過(guò)程參數(shù)與曲線。填入下表：T<秒）水箱水位h2（cm>儀表讀數(shù)（cm>8）、重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟五、注意事項(xiàng)1）做本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，閥 V2 不得任意改變開(kāi)度大小。2）階躍信號(hào)不能取得太大，以免影響正常運(yùn)行；但也不能過(guò)

28、小，以防止影 響對(duì)象特性參數(shù)的精確性。一般階躍信號(hào)取正常輸入信號(hào)的5%15%。3）在輸入階躍信號(hào)前，過(guò)程必須處于平衡狀態(tài)。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1）作出二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中所述的方法，求出二階環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)。3）試比較二階環(huán)節(jié)和一階環(huán)節(jié)的不同之處。七、思考題1）在做本實(shí)驗(yàn)時(shí)，為什么不能任意變化下水箱出水閥的開(kāi)度大??？2）用兩點(diǎn)法和用切線法對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，它們各有什么特點(diǎn)？實(shí)驗(yàn)四、上水箱下水箱液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）、掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的基本概念和組成。2）、掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)與參數(shù)整定方法。3）、研究階躍擾動(dòng)分別作用在副對(duì)象和主對(duì)象時(shí)對(duì)系統(tǒng)主被控量的影響。二、

29、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1）、 AE2000A型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置：上位機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)、 RS232-485 轉(zhuǎn)換 器 1 只、串口線 1 根。2）、萬(wàn)用表一只三、實(shí)驗(yàn)原理上水箱液位作為副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象，下水箱液位做為主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象?？?制框圖如圖 4-1 所示：4-1 、上水箱下水箱液位串級(jí)控制框圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1、設(shè)備的連接和檢查： <1）、打開(kāi)以丹麥泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計(jì)組成的動(dòng)力支路至上水箱的出水 閥門：閥 1、閥 4、閥 7，關(guān)閉動(dòng)力支路上通往其他對(duì)象的切換閥門: 閥 2、閥9 和閥 10 至適當(dāng)開(kāi)度11、閥 18、閥 21。2）、打開(kāi)上水箱和下水箱的出水閥：閥3）、檢查電源開(kāi)關(guān)是否關(guān)

30、閉2、系統(tǒng)連線圖：圖 4-2 、 實(shí)驗(yàn)接線1）、電源控制板上的三相電源、單相的空氣開(kāi)關(guān)、單相泵電源開(kāi)關(guān)打在 關(guān)的位置。2）、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的 220V電源開(kāi)關(guān)打在關(guān)的位置 。3）、智能調(diào)節(jié)儀的 220V電源開(kāi)關(guān)打在關(guān)的位置。4）、如圖 4-2 所示：將 I/O 信號(hào)接口板上的下水箱液位的鈕子開(kāi)關(guān)打到 OFF 位置，上水箱液位的鈕子開(kāi)關(guān)打到 ON位置。5）、將下水箱液位 +正極）接到任意一個(gè)智能調(diào)節(jié)儀的1 端 即 RSV的+極），下水箱液位 -負(fù)端）接到智能調(diào)節(jié)儀的 2 端即 RSV的-極）。智能儀表的 地址設(shè)為 1，軟件定義調(diào)節(jié)儀地址為 1 的調(diào)節(jié)器為主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)儀地址為 2 的 調(diào)節(jié)器為副調(diào)節(jié)

31、器。6）、將主調(diào)節(jié)儀的 420mA輸出接至 I/O 信號(hào)面板的轉(zhuǎn)換電阻上轉(zhuǎn)換成 15V 電壓信號(hào)，再將此轉(zhuǎn)換信號(hào)接至另一調(diào)節(jié)儀 副調(diào)節(jié)器）的 1 端和 2 端作為外部 給定，上水箱液位信號(hào)轉(zhuǎn)換為 0.2 1V 的信號(hào)后接入副調(diào)節(jié)器的 3、2 兩端。調(diào)節(jié) 器輸出的 420mA接電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的 420mA控制信號(hào)兩端。3、啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置：1）、將實(shí)驗(yàn)裝置電源插頭接到 380V的三相交流電源。2）、打開(kāi)電源三相帶漏電保護(hù)空氣開(kāi)關(guān)，電壓表指示380V。3）、打開(kāi)總電源鑰匙開(kāi)關(guān)，按下電源控制屏上的啟動(dòng)按鈕，即可開(kāi)啟電 源。4）、啟動(dòng)計(jì)算機(jī) MCGS組態(tài)軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)如圖14-3 所示：圖 4-

32、3 、實(shí)驗(yàn)軟件界面5）、設(shè)定主控參數(shù)和副控參數(shù)。主調(diào)節(jié)器的參數(shù)與單回路閉環(huán)控制設(shè)定方 法一樣，對(duì)副調(diào)節(jié)器參數(shù)主要的區(qū)別在于參數(shù) Sn 應(yīng)設(shè)為 32，CF應(yīng)設(shè)為 8。6）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，在上水箱給一個(gè)階躍信號(hào)，觀察軟件的實(shí)時(shí)曲線變 化，并記錄此曲線。7）、系統(tǒng)穩(wěn)定后，在副回路上加階躍干擾信號(hào)，觀察主回路和副回路上 的實(shí)時(shí)曲線的變化。記錄并保存曲線。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求。1）、畫出串級(jí)控制系統(tǒng)的控制方塊圖2）、分析串級(jí)控制和單回路 PID 控制不同之處。六、注意事項(xiàng)1）、實(shí)驗(yàn)線路接好后，必須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查認(rèn)可后方可接通電源。2）、系統(tǒng)連接好以后，在老師的指導(dǎo)下，運(yùn)行串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)。七、思考題1）、串級(jí)控

33、制控制相比于單回路控制有什么優(yōu)點(diǎn) ?實(shí)驗(yàn)五、電磁流量計(jì)流量 PID 整定實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）、了解電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)及其使用方法。 2）、熟悉單回路流量控制系統(tǒng)的組成。3）、試比較電磁流量計(jì)和渦輪流量計(jì)之間的不同之處。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1）、 AE2000A型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置： 配置：萬(wàn)用表、上位機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)、AE2000A 亞當(dāng)模塊實(shí)驗(yàn)柜、線。三、實(shí)驗(yàn)原理圖 5-控制系四、實(shí) 與步驟實(shí)驗(yàn)連接1、流量統(tǒng)框圖驗(yàn)內(nèi)容5-1 所示1）、利用實(shí)驗(yàn)裝置 , 信號(hào)接口面板上電磁流量計(jì)的測(cè)量信號(hào)組成圖 的單回路流量控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)接線如圖 5-2 、把 I/O 面板上鍋爐內(nèi)膽換成電磁流 量信號(hào)，把輸出接到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥

34、上。打開(kāi)閥 7、閥 22 隨意組一路通道。 接線如圖 5-2 所示：2）、啟動(dòng)工藝流程并開(kāi)啟相關(guān)儀器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，利用調(diào)節(jié)器的手動(dòng)操作按鈕把被調(diào)量管道的流量調(diào)到給定值一般把流量控制在流量量程的 50%處）。3）、運(yùn)行 MCGS組態(tài)軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn) , 如圖 5-3 所示：4）、設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。圖 5-3 、實(shí)驗(yàn)軟件界面5）、觀察計(jì)算機(jī)顯示屏上實(shí)時(shí)的響應(yīng)曲線，待系統(tǒng)的流量趨于平衡不變 后，加入階躍信號(hào) 一般可通過(guò)改變?cè)O(shè)定值的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)）。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行 后，系統(tǒng)進(jìn)入新的平穩(wěn)狀態(tài)。由記錄曲線觀察并記錄在不同的比例 P 下系統(tǒng)的余 差和超調(diào)量。表九、不同值時(shí)的余

35、差和超調(diào)量P大中小essp6 ）、記錄軟件中的實(shí)時(shí)曲線的過(guò)程數(shù)據(jù)作出一條完整的過(guò)渡過(guò)程曲線，記錄 表格自擬。二）、比例積分調(diào)節(jié)器 PI ）控制1）、在比例調(diào)節(jié)控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加上積分作用 I ），即把 I積分）設(shè) 置為一參數(shù)，根據(jù)不同的情況，設(shè)置不同的大小。觀察被控制量能否回到原設(shè)定 值的位置，以驗(yàn)證系統(tǒng)在 PI 調(diào)節(jié)器控制下，系統(tǒng)的階躍擾動(dòng)無(wú)余差產(chǎn)生。2）、固定比例 P 值中等大?。缓蟾淖冋{(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù) I 值，觀 察加入階躍擾動(dòng)后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同 I 值時(shí)的超調(diào)量 p。 表十、不同 Ti 值時(shí)的超調(diào)量 p積分時(shí)間常數(shù)I大中小超調(diào)量 p3）、固定 I 于某一中等大小的

36、值，然后改變比例 P 的大小，觀察加階躍擾 動(dòng)后被調(diào)量的動(dòng)態(tài)波形，并列表記錄不同值的超調(diào)量。表十一、不同 P 值下的超調(diào)量 p比例 P大中小超調(diào)量 p4）、選擇合適的 P 和 I 值，使系統(tǒng)對(duì)階躍輸入 包括階躍擾動(dòng)）的輸出響應(yīng) 為一條較滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線。此曲線可通過(guò)改變?cè)O(shè)定值 （ 如把設(shè)定值由 50%變?yōu)?60%來(lái)獲得。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1）、畫出流量控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)線路圖。2）、用臨界比例度法整定 P、PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并分別列出系統(tǒng)在這兩種 調(diào)節(jié)器控制下的余差和超調(diào)量。3）、作出 P 調(diào)節(jié)器控制時(shí)，不同值下的階躍響應(yīng)曲線。4）、作出 PI 調(diào)節(jié)器控制時(shí)，不同和 Ti 值時(shí)的階躍響應(yīng)曲線。六、注

37、意事項(xiàng)1）、實(shí)驗(yàn)線路接好后，必須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查認(rèn)可后方可接通電源。2）、在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。七、思考題1）、從理論上分析調(diào)節(jié)器參數(shù) （ 、 Ti的變化對(duì)控制過(guò)程產(chǎn)生什么影響？2）、消除系統(tǒng)的余差為什么采用 PI 調(diào)節(jié)器，而不采用純積分器？實(shí)驗(yàn)六、渦輪流量與小流量比值控制實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）、了解兩種流量計(jì)的結(jié)構(gòu)及其使用方法。2）、熟悉單回路流量控制系統(tǒng)的組成。3）、試了解比值控制在工業(yè)上的應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1）、 AE2000A型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置：配置：萬(wàn)用表、上位機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)、 AE2000A亞當(dāng)模塊實(shí)驗(yàn)柜、實(shí)驗(yàn)連接線。三、比值系統(tǒng)組成原理在各種生產(chǎn)過(guò)程中，需要使兩種物料的流量保持嚴(yán)格

38、的比例關(guān)系是常見(jiàn)的， 例如，在鍋爐的燃燒系統(tǒng)中，要保持燃料和空氣量的一定比例，以保證燃燒的經(jīng) 濟(jì)性。而且往往其中一個(gè)流量隨外界負(fù)荷需要而變，另一個(gè)流量則應(yīng)由調(diào)節(jié)器控 制，使之成比例地改變。保證二者之比值不變。否則，如果比例嚴(yán)重失調(diào)，就可 能造成生產(chǎn)事故，或發(fā)生危險(xiǎn)。又如，以重油為原料生產(chǎn)合成氨時(shí)，在造氣工段 應(yīng)該保持一定的氧氣和重油比率，在合成工段則應(yīng)保持氫和氮的比值一定。本實(shí) 驗(yàn)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成原理如下圖所示：FKC為比值器的放大系數(shù)。2-4=KC( F 1-4>圖 6-1 、比值控制系統(tǒng)原理圖四、實(shí)驗(yàn)原理： 對(duì)于節(jié)流元件來(lái)說(shuō)，壓差與流量的平方成正比，即PQPB=KBQB2其中， K A、KB為放大系數(shù)。變送器送出的信號(hào)為 4-20mA電流信號(hào)，那么 F1，F(xiàn)A有如下關(guān)系：F1-4=CA PAFA-4=CBPB式中 CA、CB 是變送器的放大系數(shù)， F1，F(xiàn)A 是變送器的輸出信號(hào)電流。比值器的輸出關(guān)系為： 對(duì)于圖 6-1 單閉環(huán)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)， A，B 兩個(gè)管路上的 P 可分別寫為2 PA=KAQA2則有：2