過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)02

PAGEPAGE20《過(guò)程控制系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)目錄第一章實(shí)驗(yàn)裝置說(shuō)明…………………1第二章實(shí)驗(yàn)要求及安全操作規(guī)程……4實(shí)驗(yàn)一單容自衡水箱液位特性測(cè)試…………………5實(shí)驗(yàn)二雙容水箱特性的測(cè)試…………9實(shí)驗(yàn)三單容水箱液位定值控制系統(tǒng)…………………12實(shí)驗(yàn)四單閉環(huán)流量定值控制系統(tǒng)…………………15實(shí)驗(yàn)五鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制系統(tǒng)………………17實(shí)驗(yàn)六鍋爐內(nèi)膽水溫位式控制系統(tǒng)…………19

第一章實(shí)驗(yàn)裝置說(shuō)明實(shí)驗(yàn)對(duì)象總貌圖如圖1-1所示：圖1-1實(shí)驗(yàn)對(duì)象總貌圖本實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)象主要由水箱、鍋爐和盤(pán)管三大部分組成。供水系統(tǒng)有兩路：一路由三相（380V恒壓供水）磁力驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動(dòng)泵（220V變頻調(diào)速）、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。一、被控對(duì)象由不銹鋼儲(chǔ)水箱、（上、中、下）三個(gè)串接有機(jī)玻璃水箱、4.5KW三相電加熱模擬鍋爐(由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式鍋爐夾套構(gòu)成)、盤(pán)管和敷塑不銹鋼管道等組成。1．水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲(chǔ)水箱。上、中、下水箱采用淡藍(lán)色優(yōu)質(zhì)有機(jī)玻璃，不但堅(jiān)實(shí)耐用，而且透明度高，便于學(xué)生直接觀察液位的變化和記錄結(jié)果。上、中水箱尺寸均為：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸為：D=35cm，H=20cm。水箱結(jié)構(gòu)獨(dú)特，由三個(gè)槽組成，分別為緩沖槽、工作槽和出水槽，進(jìn)水時(shí)水管的水先流入緩沖槽，出水時(shí)工作槽的水經(jīng)過(guò)帶燕尾槽的隔板流入出水槽，這樣經(jīng)過(guò)緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩(wěn)定，便于觀察。水箱底部均接有擴(kuò)散硅壓力傳感器與變送器，可對(duì)水箱的壓力和液位進(jìn)行檢測(cè)和變送。上、中、下水箱可以組合成一階、二階、三階單回路液位控制系統(tǒng)和雙閉環(huán)、三閉環(huán)液位串級(jí)控制系統(tǒng)。儲(chǔ)水箱由不銹鋼板制成，尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=68cm×52㎝×43㎝，完全能滿足上、中、下水箱的實(shí)驗(yàn)供水需要。儲(chǔ)水箱內(nèi)部有兩個(gè)橢圓形塑料過(guò)濾網(wǎng)罩，以防雜物進(jìn)入2．模擬鍋爐：是利用電加熱管加熱的常壓鍋爐，包括加熱層（鍋爐內(nèi)膽）和冷卻層（鍋爐夾套），均由不銹鋼精制而成，可利用它進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)。做溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測(cè)其溫度，可完成溫度的定值控制、串級(jí)控制，前饋-反饋控制，解耦控制等實(shí)驗(yàn)。3．盤(pán)管：模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的管道輸送和滯后環(huán)節(jié)，長(zhǎng)37米（43圈），在盤(pán)管上有三個(gè)不同的溫度檢測(cè)點(diǎn)，它們的滯后時(shí)間常數(shù)不同，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需要選擇不同的溫度檢測(cè)點(diǎn)。盤(pán)管的出水通過(guò)手動(dòng)閥門(mén)的切換既可以流入鍋爐內(nèi)膽，也可以經(jīng)過(guò)渦輪流量計(jì)流回儲(chǔ)水箱。它可用來(lái)完成溫度的滯后和流量純滯后控制實(shí)驗(yàn)。4．管道及閥門(mén)：整個(gè)系統(tǒng)管道由敷塑不銹鋼管連接而成，所有的手動(dòng)閥門(mén)均采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。有效提高了實(shí)驗(yàn)裝置的使用年限。其中儲(chǔ)水箱底部有一個(gè)出水閥，當(dāng)水箱需要更換水時(shí)，把球閥打開(kāi)將水直接排出。二、檢測(cè)裝置1．壓力傳感器、變送器：三個(gè)壓力傳感器分別用來(lái)對(duì)上、中、下三個(gè)水箱的液位進(jìn)行檢測(cè)，其量程為0～5KP，精度為0.5級(jí)。采用工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。采用標(biāo)準(zhǔn)二線制傳輸方式，工作時(shí)需提供24V直流電源，輸出：4～20mADC。2．溫度傳感器：裝置中采用了六個(gè)Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，分別用來(lái)檢測(cè)鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套、盤(pán)管（有3個(gè)測(cè)試點(diǎn)）以及上水箱出口的水溫。Pt100測(cè)溫范圍：-200～+420℃。經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器的溫度變送器，可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA直流電流信號(hào)。Pt100傳感器精度高，熱補(bǔ)償性較好3．模擬轉(zhuǎn)換器：三個(gè)模擬轉(zhuǎn)換器（渦輪流量計(jì)）分別用來(lái)對(duì)由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制的動(dòng)力支路、由變頻器控制的動(dòng)力支路及盤(pán)管出口處的流量進(jìn)行檢測(cè)。它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，反應(yīng)快。采用標(biāo)準(zhǔn)二線制傳輸方式，工作時(shí)需提供24V直流電源。流量范圍：0～1.2m3/h；精度：1.0%；輸出：4～20mADC三、執(zhí)行機(jī)構(gòu)1．電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來(lái)對(duì)控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)為：QSTP-16K。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，電源為單相220V，控制信號(hào)為4～20mADC或1～5VDC，輸出為4～20mADC的閥位信號(hào)，使用和校正非常方便。2．水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ-8P，流量為30升/分，揚(yáng)程為8米，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長(zhǎng)。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動(dòng)泵,3．電磁閥：在本裝置中作為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號(hào)為：2W-160-25；工作壓力：最小壓力為0Kg/㎝2，最大壓力為7Kg/㎝2；工作溫度：－5～80℃；工作電壓：24VDC。4．三相電加熱管：由三根1.5KW電加熱管星形連接而成，用來(lái)對(duì)鍋爐內(nèi)膽內(nèi)的水進(jìn)行加溫，每根加熱管的電阻值約為50Ω左右。

第二章實(shí)驗(yàn)要求及安全操作規(guī)程一、實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)前應(yīng)復(fù)習(xí)教科書(shū)有關(guān)章節(jié)，認(rèn)真研讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?xiàng)目、方法與步驟，明確實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題，并按實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目準(zhǔn)備記錄等。實(shí)驗(yàn)前應(yīng)了解實(shí)驗(yàn)裝置中的對(duì)象、水泵、變頻器和所用控制組件的名稱、作用及其所在位置,以便于在實(shí)驗(yàn)中對(duì)它們進(jìn)行操作和觀察。熟悉實(shí)驗(yàn)裝置面板圖，要求做到：由面板上的圖形、文字符號(hào)能準(zhǔn)確找到該設(shè)備的實(shí)際位置。熟悉工藝管道結(jié)構(gòu)、每個(gè)手動(dòng)閥門(mén)的位置及其作用。認(rèn)真作好實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力，提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量和保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備都是很重要的。二、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的基本要求1．明確實(shí)驗(yàn)任務(wù)；2．提出實(shí)驗(yàn)方案；3．畫(huà)實(shí)驗(yàn)接線圖；4．進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，做好觀測(cè)和記錄；5．整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在進(jìn)行本書(shū)中的綜合實(shí)驗(yàn)時(shí)，上述要求應(yīng)盡量讓學(xué)生獨(dú)立完成，老師給予必要的指導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，要做好各主題實(shí)驗(yàn)，就應(yīng)做到：實(shí)驗(yàn)前有準(zhǔn)備；實(shí)驗(yàn)中有條理，實(shí)驗(yàn)后有分析。三、實(shí)驗(yàn)安全操作規(guī)程1．實(shí)驗(yàn)之前確保所有電源開(kāi)關(guān)均處于“關(guān)”的位置。2．接線或拆線必須在切斷電源的情況下進(jìn)行，接線時(shí)要注意電源極性。完成接線后，正式投入運(yùn)行之前，應(yīng)嚴(yán)格檢查安裝、接線是否正確，并請(qǐng)指導(dǎo)老師確認(rèn)無(wú)誤后，方能通電。3．在投運(yùn)之前，請(qǐng)先檢查管道及閥門(mén)是否已按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的要求打開(kāi)，儲(chǔ)水箱中是否充水至三分之二以上，以保證磁力驅(qū)動(dòng)泵中充滿水，磁力驅(qū)動(dòng)泵無(wú)水空轉(zhuǎn)易造成水泵損壞。4．在進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)前，請(qǐng)先檢查鍋爐內(nèi)膽內(nèi)水位，至少保證水位超過(guò)液位指示玻璃管上面的紅線位置，以免造成實(shí)驗(yàn)失敗。5．實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)進(jìn)行變送器零位和量程的調(diào)整，調(diào)整時(shí)應(yīng)注意電位器的調(diào)節(jié)方向，并分清調(diào)零電位器和滿量程電位器。6．儀表應(yīng)通電預(yù)熱15分鐘后再進(jìn)行校驗(yàn)。7．小心操作，切勿亂扳硬擰，嚴(yán)防損壞儀表。8．嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室有關(guān)規(guī)定。

實(shí)驗(yàn)一單容自衡水箱液位特性測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握單容水箱的階躍響應(yīng)測(cè)試方法，并記錄相應(yīng)液位的響應(yīng)曲線；2．根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的液位階躍響應(yīng)曲線，用相應(yīng)的方法確定被測(cè)對(duì)象的特征參數(shù)K、T和傳遞函數(shù)；3．掌握同一控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1．實(shí)驗(yàn)對(duì)象及控制屏、SA-11掛件一個(gè)、SA-13掛件一個(gè)、SA-14掛件一個(gè)、計(jì)算機(jī)一臺(tái)、萬(wàn)用表一個(gè)；2．SA-12掛件一個(gè)、RS485/232轉(zhuǎn)換器一個(gè)、通訊線一根；3．SA-21掛件一個(gè)、SA-22掛件一個(gè)、SA-23掛件一個(gè)；4．SA-31掛件一個(gè)、SA-32掛件一個(gè)、SA-33掛件一個(gè)、主控單元一個(gè)、數(shù)據(jù)交換器一個(gè)，網(wǎng)線兩根；5．SA-41掛件一個(gè)、CP5611專用網(wǎng)卡一個(gè)、MPI編程電纜一根；6．SA-44掛件一個(gè)、PC/PPI通訊電纜一根。三、實(shí)驗(yàn)原理所謂單容指只有一個(gè)貯蓄容器。自衡是指對(duì)象在擾動(dòng)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(yù)，依靠其自身重新恢復(fù)平衡的過(guò)程。圖1-1所示為單容自衡水箱特性測(cè)試結(jié)構(gòu)圖及方框圖。閥門(mén)F1-1、F1-2和F1-8全開(kāi)，設(shè)下水箱流入量為Q1，改變電動(dòng)調(diào)節(jié)閥V1的開(kāi)度可以改變Q1的大小，下水箱的流出量為Q2，改變出水閥F1-11的開(kāi)度可以改變Q2。液位h的變化反映了Q1與Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的過(guò)程。若將Q1作為被控過(guò)程的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型就是h與Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有Q1-Q2=A(1-1)將式(1-1)表示為增量形式ΔQ1-ΔQ2=A(1-2)式中：ΔQ1，ΔQ2，Δh——分別為偏離某一平衡狀態(tài)的增量；A——水箱截面積。在平衡時(shí)，Q1=Q2，＝0；當(dāng)Q1發(fā)生變化時(shí)，液位h隨之變化，水箱出口處的靜壓也隨之變化，Q2也發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，圖1-1單容自衡水箱特性測(cè)試系統(tǒng)液位h與流量之間為非線性關(guān)系。但為（a）結(jié)構(gòu)圖（b）方框圖了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，經(jīng)線性化處理后，可近似認(rèn)為Q2與h成正比關(guān)系，而與閥F1-11的阻力R成反比，即ΔQ2=或R=(1-3)式中：R——閥F1-11的阻力，稱為液阻。將式(1-2)、式(1-3)經(jīng)拉氏變換并消去中間變量Q2，即可得到單容水箱的數(shù)學(xué)模型為W0（s）＝＝=(1-4)式中T為水箱的時(shí)間常數(shù)，T＝RC；K為放大系數(shù)，K＝R；C為水箱的容量系數(shù)。若令Q1（s）作階躍擾動(dòng)，即Q1（s）=，x0=常數(shù)，則式(1-4)可改寫(xiě)為H（s）=×=K-對(duì)上式取拉氏反變換得h(t)=Kx0(1-e-t/T)(1-5)當(dāng)t—>∞時(shí)，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有K=＝(1-6)當(dāng)t=T時(shí)，則有:h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h(∞)(1-7)式（1-5）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（a）所示，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，就是水箱的時(shí)間常數(shù)T。也可由坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線OA，切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn)A所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是該時(shí)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)。圖1-2單容水箱的階躍響應(yīng)曲線如果對(duì)象具有滯后特性時(shí)，其階躍響應(yīng)曲線則為圖1-2（b），在此曲線的拐點(diǎn)D處作一切線，它與時(shí)間軸交于B點(diǎn)，與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于A點(diǎn)。圖中OB即為對(duì)象的滯后時(shí)間τ，BC為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)T，所得的傳遞函數(shù)為：H(S)=(1-8)四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇下水箱作為被測(cè)對(duì)象（也可選擇上水箱或中水箱）。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門(mén)F1-1、F1-2、F1-8全開(kāi)，將下水箱出水閥門(mén)F1-11開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度（30%～80%），其余閥門(mén)均關(guān)閉。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟按五種方案分別敘述，這五種方案的實(shí)驗(yàn)與用戶所購(gòu)的硬件設(shè)備有關(guān)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選做或全做。1．將“SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制”掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過(guò)RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)串口1，并按照下面的控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將“LT3下水箱液位”鈕子開(kāi)關(guān)撥到“ON”的位置。2．接通總電源空氣開(kāi)關(guān)和鑰匙開(kāi)關(guān)，打開(kāi)24V開(kāi)關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，合上單相Ⅰ、單相Ⅲ空氣開(kāi)關(guān)，給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及智能儀表上電。3．打開(kāi)上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開(kāi)“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)一、單容自衡水箱對(duì)象特性測(cè)試”，進(jìn)入“實(shí)驗(yàn)一”的監(jiān)控界面。4．通過(guò)調(diào)節(jié)儀將輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值（50%-70%）。5．合上三相電源空氣開(kāi)關(guān)，磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使下水箱的液位處于某一平衡位置，記錄此時(shí)的儀表輸出值和液位值。6．待下水箱液位平衡后，突增（或突減）智能儀表輸出量的大小，使其輸出有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過(guò)大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便離開(kāi)原平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，水箱液位進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，記錄此時(shí)的儀表輸出值和液位測(cè)量值，液位的響應(yīng)過(guò)程曲線將如圖1-4所示。圖1-3儀表控制“單容水箱特性測(cè)試”實(shí)驗(yàn)接線圖圖1-4單容下水箱液位階躍響應(yīng)曲線7．根據(jù)前面記錄的液位值和儀表輸出值，按公式（1-6）計(jì)算K值，再根據(jù)圖1-2中的實(shí)驗(yàn)曲線求得T值，寫(xiě)出單容水箱的傳遞函數(shù)。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．畫(huà)出“單容水箱液位特性測(cè)試”實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖。2．根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)及曲線，分析并計(jì)算出單容水箱液位對(duì)象的參數(shù)及傳遞函數(shù)。六、思考題1．做本實(shí)驗(yàn)時(shí)，為什么不能任意改變出水閥F1-11開(kāi)度的大?。?．用響應(yīng)曲線法確定對(duì)象的數(shù)學(xué)模型時(shí)，其精度與那些因素有關(guān)？3．如果采用中水箱做實(shí)驗(yàn)，其響應(yīng)曲線與下水箱的曲線有什么異同？并分析差異原因。

實(shí)驗(yàn)二雙容水箱特性的測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握雙容水箱特性的階躍響應(yīng)曲線測(cè)試方法；2．根據(jù)由實(shí)驗(yàn)測(cè)得雙容液位的階躍響應(yīng)曲線，確定其特征參數(shù)K、T1、T2及傳遞函數(shù)；二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備（同前）三、實(shí)驗(yàn)原理圖2-1雙容水箱對(duì)象特性測(cè)試系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖由圖2-1所示，被測(cè)對(duì)象由兩個(gè)不同容積的水箱相串聯(lián)組成，故稱其為雙容對(duì)象。自衡是指對(duì)象在擾動(dòng)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(yù)，依靠其自身重新恢復(fù)平衡的過(guò)程。根據(jù)本章第一節(jié)單容水箱特性測(cè)試的原理，可知雙容水箱數(shù)學(xué)模型是兩個(gè)單容水箱數(shù)學(xué)模型的乘積，即雙容水箱的數(shù)學(xué)模型可用一個(gè)二階慣性環(huán)節(jié)來(lái)描述：G(s)=G1(s)G2(s)=(2-1)式中K＝k1k2，為雙容水箱的放大系數(shù)，T1、T2分別為兩個(gè)水箱的時(shí)間常數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中被測(cè)量為下水箱的液位，當(dāng)中水箱輸入量有一階躍增量變化時(shí)，兩水箱的液位變化曲線如圖2-2所示。由圖2-2可見(jiàn)，上水箱液位的響應(yīng)曲線為一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)（圖2-2(a)）；而下水箱液位的響應(yīng)曲線則呈S形曲線（圖2-2(b)），即下水箱的液位響應(yīng)滯后了，它滯后的時(shí)間與閥F1-10和F1-11的開(kāi)度大小密切相關(guān)。圖2-2雙容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線（a）中水箱液位（b）下水箱液位雙容對(duì)象兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)可按下述方法來(lái)確定。在圖2-3所示的階躍響應(yīng)曲線上求取：(1)h2（t）|t=t1=0.4h2(∞)時(shí)曲線上的點(diǎn)B和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1；(2)h2（t）|t=t2=0.8h2(∞)時(shí)曲線上的點(diǎn)C和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t2。圖2-3雙容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線然后，利用下面的近似公式計(jì)算式(2-2)(2-3)(2-4)0.32〈t1/t2〈0.46由上述兩式中解出T1和T2，于是得到如式（2-1）所示的傳遞函數(shù)。在改變相應(yīng)的閥門(mén)開(kāi)度后，對(duì)象可能出現(xiàn)滯后特性，這時(shí)可由S形曲線的拐點(diǎn)P處作一切線，它與時(shí)間軸的交點(diǎn)為A，OA對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為對(duì)象響應(yīng)的滯后時(shí)間。于是得到雙容滯后（二階滯后）對(duì)象的傳遞函數(shù)為：G（S）=(2-5)四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇中水箱和下水箱串聯(lián)作為被測(cè)對(duì)象（也可選擇上水箱和中水箱）。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將中水箱出水閥門(mén)F1-10、下水箱出水閥門(mén)F1-11開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度（要求F1-10開(kāi)度稍大于F1-11的開(kāi)度）。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟如下：1．將實(shí)驗(yàn)控制器相關(guān)控制種類掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線接好。2．接通總電源空氣開(kāi)關(guān)和鑰匙開(kāi)關(guān)，打開(kāi)24V開(kāi)關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，打開(kāi)相關(guān)部件電源。3．打開(kāi)上位機(jī)組態(tài)環(huán)境，進(jìn)入本節(jié)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的控制工程運(yùn)行環(huán)境。4．在上位機(jī)監(jiān)控界面中將控制器設(shè)置為“手動(dòng)”輸出，并將輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值（一般為最大值的40～70%，不宜過(guò)大，以免水箱中水溢出）。5．打開(kāi)三相電源開(kāi)關(guān)，磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適當(dāng)增加/減少控制器的輸出量，使下水箱的液位處于某一平衡位置，記錄此時(shí)的控制器輸出值和液位值。6．液位平衡后，突增（或突減）控制器輸出量的大小，使其輸出有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過(guò)大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便離開(kāi)原平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，水箱液位進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，記錄下此時(shí)的控制器的輸出值和液位值，液位的響應(yīng)過(guò)程曲線將如圖2-4所示。圖2-4雙容水箱液位階躍響應(yīng)曲線7．根據(jù)前面記錄的液位和控制器輸出值，按公式（2-2）計(jì)算K值，再根據(jù)圖2-3中的實(shí)驗(yàn)曲線求得T1、T2值，寫(xiě)出對(duì)象的傳遞函數(shù)。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．畫(huà)出雙容水箱液位特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖。2．根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)及曲線，分析并計(jì)算出雙容水箱液位對(duì)象的參數(shù)及傳遞函數(shù)。六、思考題1．做本實(shí)驗(yàn)時(shí)，為什么不能任意改變兩個(gè)出水閥門(mén)開(kāi)度的大小？2．用響應(yīng)曲線法確定對(duì)象的數(shù)學(xué)模型時(shí)，其精度與那些因素有關(guān)？3．如果采用上水箱和中水箱做實(shí)驗(yàn)，其響應(yīng)曲線與用中水箱和下水箱做實(shí)驗(yàn)的曲線有什么異同？并分析差異原因。4．引起雙容對(duì)象滯后的因素主要有哪些？

實(shí)驗(yàn)三單容水箱液位定值控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解單容液位定值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成。2．掌握單容液位定值控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定和投運(yùn)方法。3．研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能的影響。4．了解P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對(duì)液位控制的作用。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備（同前）三、實(shí)驗(yàn)原理圖3-1中水箱單容液位定值控制系統(tǒng)[(a)結(jié)構(gòu)圖、(b)方框圖]本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖3-1所示。被控量為中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，實(shí)驗(yàn)要求中水箱的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器LT2檢測(cè)到的中水箱液位信號(hào)作為反饋信號(hào)，在與給定量比較后的差值通過(guò)調(diào)節(jié)器控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，以達(dá)到控制中水箱液位的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無(wú)靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇中水箱作為被控對(duì)象。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門(mén)F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全開(kāi)，將中水箱出水閥門(mén)F1-10開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度（20%～80%），其余閥門(mén)均關(guān)閉。1．將“SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制”掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過(guò)RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)串口1，并按照下面的控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開(kāi)關(guān)撥到“ON”的位置。圖3-2智能儀表控制“單容液位定值控制”實(shí)驗(yàn)接線圖2．接通總電源空氣開(kāi)關(guān)和鑰匙開(kāi)關(guān)，打開(kāi)24V開(kāi)關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，合上單相Ⅰ、單相Ⅲ空氣開(kāi)關(guān)，給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及智能儀表上電。3．打開(kāi)上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開(kāi)“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)三、單容液位定值控制系統(tǒng)”，進(jìn)入“實(shí)驗(yàn)三”的監(jiān)控界面。4．在上位機(jī)監(jiān)控界面中點(diǎn)擊“啟動(dòng)儀表”。將智能儀表設(shè)置為“手動(dòng)”，并將設(shè)定值和輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值，此操作可通過(guò)調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)。5．合上三相電源空氣開(kāi)關(guān)，磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使中水箱的液位平衡于設(shè)定值。6．按本章第一節(jié)中的經(jīng)驗(yàn)法或動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，選擇PI控制規(guī)律，并按整定后的PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。7．待液位穩(wěn)定于給定值后，將調(diào)節(jié)器切換到“自動(dòng)”控制狀態(tài)，待液位平衡后，通過(guò)以下幾種方式加干擾：（1）突增（或突減）儀表設(shè)定值的大小，使其有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化；（此法推薦，后面三種僅供參考）（2）將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路F1-4（同電磁閥）開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度；（3）將下水箱進(jìn)水閥F1-8開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度；（改變負(fù)載）（4）接上變頻器電源，并將變頻器輸出接至磁力泵，然后打開(kāi)閥門(mén)F2-1、F2-4，用變頻器支路以較小頻率給中水箱打水。以上幾種干擾均要求擾動(dòng)量為控制量的5％～15％，干擾過(guò)大可能造成水箱中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定。加入干擾后，水箱的液位便離開(kāi)原平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段調(diào)節(jié)時(shí)間后，水箱液位穩(wěn)定至新的設(shè)定值（采用后面三種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值），記錄此時(shí)的智能儀表的設(shè)定值、輸出值和儀表參數(shù)，液位的響應(yīng)過(guò)程曲線將如圖3-3所示。圖3-3單容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線8．分別適量改變調(diào)節(jié)儀的P及I參數(shù)，重復(fù)步驟7，用計(jì)算機(jī)記錄不同參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。9．分別用P、PD、PID三種控制規(guī)律重復(fù)步驟4～8，用計(jì)算機(jī)記錄不同控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．畫(huà)出單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖。2．用實(shí)驗(yàn)方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，寫(xiě)出整定過(guò)程。3．根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下的靜、動(dòng)態(tài)性能。4．比較不同PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。5．分析P、PI、PD、PID四種控制規(guī)律對(duì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的作用。六、思考題1．如果采用下水箱做實(shí)驗(yàn)，其響應(yīng)曲線與中水箱的曲線有什么異同？并分析差異原因。2．改變比例度δ和積分時(shí)間TI對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生什么影響？

實(shí)驗(yàn)四單閉環(huán)流量定值控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與原理。2．掌握單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法。3．研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能的影響。4．研究P、PI、PD和PID四種控制分別對(duì)流量系統(tǒng)的控制作用。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備（同前）三、實(shí)驗(yàn)原理圖4-1單閉環(huán)流量定值控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖4-1所示。被控量為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路（也可采用變頻器支路）的流量，實(shí)驗(yàn)要求電動(dòng)閥支路流量穩(wěn)定至給定值。將渦輪流量計(jì)FT1檢測(cè)到的流量信號(hào)作為反饋信號(hào)，并與給定量比較，其差值通過(guò)調(diào)節(jié)器控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，以達(dá)到控制管道流量的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無(wú)靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI控制，并且在實(shí)驗(yàn)中PI參數(shù)設(shè)置要比較大。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇電動(dòng)閥支路流量作為被控對(duì)象。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門(mén)F1-1、F1-2、F1-8、F1-11全開(kāi)，其余閥門(mén)均關(guān)閉。將“FT1電動(dòng)閥支路流量”鈕子開(kāi)關(guān)撥到“ON”的位置。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟可根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的目的與原理參照前面的單閉環(huán)定值控制中相應(yīng)方案進(jìn)行，下面只給出實(shí)驗(yàn)的接線圖。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．畫(huà)出單閉環(huán)流量定值控制實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖。2．用實(shí)驗(yàn)方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，寫(xiě)出整定過(guò)程。3．根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下的靜、動(dòng)態(tài)性能。4．比較不同PI參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。5．分析P、PI、PD、PID四種控制方式對(duì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的作用。六、思考題1．改變比例度δ和積分時(shí)間TI對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生什么影響？2．在本實(shí)驗(yàn)中為什么采用PI控制規(guī)律，而不用純P控制規(guī)律？

實(shí)驗(yàn)五鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解單回路溫度控制系統(tǒng)的組成與工作原理。2．研究P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對(duì)溫度系統(tǒng)的控制作用。3．了解PID參數(shù)自整定的方法及其參數(shù)整定在整個(gè)系統(tǒng)中的重要性。4．分析鍋爐內(nèi)膽動(dòng)態(tài)水溫與靜態(tài)水溫在控制效果上有何不同之處？二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備(同前)三、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)以鍋爐內(nèi)膽作為被控對(duì)象，內(nèi)膽的水溫為系統(tǒng)的被控制量。本實(shí)驗(yàn)要求鍋爐內(nèi)膽的水溫穩(wěn)定至給定量，將鉑電阻TT1檢測(cè)到的鍋爐內(nèi)膽溫度信號(hào)作為反饋信號(hào)，在與給定量比較后的差值通過(guò)調(diào)節(jié)器控制三相調(diào)壓模塊的輸出電壓（即三相電加熱管的端電壓），以達(dá)到控制鍋爐內(nèi)膽水溫的目的。在鍋爐內(nèi)膽水溫的定值控制系統(tǒng)中，其參數(shù)的整定方法與其它單回路控制系統(tǒng)一樣，但由于加熱過(guò)程容量時(shí)延較大，所以其控制過(guò)渡時(shí)間也較長(zhǎng)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器可選擇PD或PID控制。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖5-1所示。圖5-1鍋爐內(nèi)膽溫度特性測(cè)試系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖可以采用兩種方案對(duì)鍋爐內(nèi)膽的水溫進(jìn)行控制：（一）鍋爐夾套不加冷卻水（靜態(tài)）（二）鍋爐夾套加冷卻水（動(dòng)態(tài)）顯然，兩種方案的控制效果是不一樣的，后者比前者的升溫過(guò)程稍慢，降溫過(guò)程稍快，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間稍短。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇鍋爐內(nèi)膽水溫作為被控對(duì)象，實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后打開(kāi)F2-6,F2-9,將變頻器輸出A、B、C三端連接到三相磁力驅(qū)動(dòng)泵（220V），打開(kāi)變頻器電源并手動(dòng)調(diào)節(jié)其頻率，給鍋爐內(nèi)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(guān)閉閥門(mén)F2-9，打開(kāi)F2-8，為給鍋爐夾套供冷水做好準(zhǔn)備。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：1．將實(shí)驗(yàn)控制器相關(guān)控制種類掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線接好。2．接通總電源空氣開(kāi)關(guān)和鑰匙開(kāi)關(guān)，打開(kāi)24V開(kāi)關(guān)電源，按下啟動(dòng)按鈕，打開(kāi)相關(guān)部件電源。3．打開(kāi)上位機(jī)組態(tài)環(huán)境，進(jìn)入本節(jié)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的控制工程運(yùn)行環(huán)境。4．在上位機(jī)監(jiān)控界面中將對(duì)應(yīng)控制器設(shè)置為“手動(dòng)”控制，將設(shè)定值和輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值。5．打開(kāi)三相電源開(kāi)關(guān)，三相電加熱管通電加熱，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使鍋爐內(nèi)膽的水溫平衡于設(shè)定值。6．按本章第一節(jié)中的經(jīng)驗(yàn)法或動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，選擇PID控制規(guī)律，并按整定后的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。7．待鍋爐內(nèi)膽水溫穩(wěn)定于給定值時(shí)，將調(diào)節(jié)器切換到“自動(dòng)”狀態(tài)，待水溫平衡后，突增（或突減）調(diào)節(jié)器設(shè)定值的大小，使其有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過(guò)大，一般為設(shè)定值的5％～15%為宜），于是鍋爐內(nèi)膽的水溫便離開(kāi)原平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段調(diào)節(jié)時(shí)間后，水溫穩(wěn)定至新的設(shè)定值，記錄此時(shí)調(diào)節(jié)器的設(shè)定值、輸出值和調(diào)節(jié)參數(shù)，內(nèi)膽水溫的響應(yīng)過(guò)程曲線將如圖5-2所示。 圖5-2鍋爐內(nèi)膽水溫階躍響應(yīng)曲線8．適量改變控制器的PID參數(shù)，重復(fù)步驟7，用計(jì)算機(jī)記錄不同參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。9．打開(kāi)變頻器電源開(kāi)關(guān)，給變頻器上電，將變頻器設(shè)置在適當(dāng)?shù)念l率（19Hz左右），變頻器支路開(kāi)始往鍋爐夾套打冷水，重復(fù)步驟4～8，觀察實(shí)驗(yàn)的過(guò)程曲線與前面不加冷水的過(guò)程有何不同。10．分別采用P、PI、PD控制規(guī)律重復(fù)實(shí)驗(yàn)，觀察在不同的PID參數(shù)值下，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．畫(huà)出鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖。2．用實(shí)驗(yàn)方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，寫(xiě)出整定過(guò)程。3．根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下的靜、動(dòng)態(tài)性能。4．比較不同PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。5．分析P、PI、PD、PID四種控制方式對(duì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的作用。六、思考題1．在溫度控制系統(tǒng)中，為什么用PD和PID控制，系統(tǒng)的性能并不比用PI控制時(shí)有明顯地改善？2．為什么內(nèi)膽動(dòng)態(tài)水的溫度控制比靜態(tài)水時(shí)的溫度控制更容易穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)性能更好？

實(shí)驗(yàn)六鍋爐內(nèi)膽水溫位式控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解溫度位式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成。2．掌握位式控制系統(tǒng)的工作原理及其調(diào)試方法。3．了解位式控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)和參數(shù)整定方法。4．分析鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制與位式控制的控制效果有何不同之處？二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備(同前)三、實(shí)驗(yàn)原理圖6-1鍋爐內(nèi)膽溫度位式控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖6-1所示。本實(shí)驗(yàn)的被控對(duì)象為鍋爐內(nèi)膽，系統(tǒng)的被控制量為內(nèi)膽的水溫。由于實(shí)驗(yàn)中用到的調(diào)節(jié)器輸出只有“開(kāi)”或“關(guān)”兩種極限的工作狀態(tài)，故稱這種控制器為二位式調(diào)節(jié)器。溫度變送器把鉑電阻TT1檢測(cè)到的鍋爐內(nèi)膽溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉答侂妷篤i。它與二位調(diào)節(jié)器設(shè)定的上限輸入Vmax和下限輸入Vmin比較，從而決定二位調(diào)