過(guò)控實(shí)驗(yàn)報(bào)告1

太原科技大學(xué)

電子信息工程學(xué)院專業(yè)碩士學(xué)位研究生綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：雙容水箱特性測(cè)試專業(yè)：控制工程姓名：梁亮學(xué)號(hào)：S20130349指導(dǎo)教師：邵學(xué)卷完成時(shí)間：2014年6月9日一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆针p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、耳、T2及傳遞函數(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)；2.SA-12掛件一個(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)交換器兩個(gè)，網(wǎng)線四根；5.SA-41掛件一個(gè)、CP5611專用網(wǎng)卡及網(wǎng)線；6.SA-42掛件一個(gè)、PC/PPI通訊電纜一根。電動(dòng)閥上水箱Gi(s)G(s)=Gi(s)G2(s)=干擾下水箱G2(s)PC/PPI通訊電纜一根。電動(dòng)閥上水箱Gi(s)G(s)=Gi(s)G2(s)=干擾下水箱G2(s)(Tis+1)(T2S+1)(b)I11(液位)雙容水箱對(duì)象特性測(cè)試系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖由上圖所示，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。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)^k7*亠=K(2-9)Ts+1Ts+1(Ts+1)(Ts+1)1212式中K=k]k2，為雙容水箱的放大系數(shù)，T「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下圖所示。由圖可見(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(a))；而下水箱液位的響應(yīng)曲線則呈S形曲線(圖(b)),即下水箱的液位響應(yīng)滯后了，它滯后的時(shí)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。在下圖所示的階躍響應(yīng)曲線上求?。?1)h2(t)lt=t1=0.4h2(R)時(shí)曲線上的點(diǎn)B和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1；(2)h2(t)lt=t2=0.8h2(g)時(shí)曲線上的點(diǎn)C和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t2。

h2(t)h2(t)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K=H2（^）=輸入穩(wěn)態(tài)值（2-10）x°階躍輸入量T+T?土（厶11）字2?（1.74仝_0.55）（2-12）0.32〈也〈0.46122.16（T1+T2）2T2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(shù)。在改變相應(yīng)的閥門開(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e。于是得到雙容滯后（二階滯后）對(duì)象的傳遞函數(shù)為：G（S）=ke-肪（2-13）（TS+1）（TS+1）12四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.閥門F1-1、F1-2、F1-7全開(kāi)，中水箱出水閥門F1-10、下水箱出水閥門F1-11開(kāi)至適sA—44三相—22OV榆入亠〕S7-2OOsA—44三相—22OV榆入亠〕S7-2OOPJCPT編稈控制甜單才目電游輸岀?￥?-+F1II圧為變堆腳>.LT1LT2LT3f三掃*力華(38OV)=to(*>I1―‘—DI3—__2D15—土DI4—'■―D16—S7-200PLC控制雙容水箱特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)接線圖3?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，給S7-200PLC及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上電。4.運(yùn)行MCGS組態(tài)環(huán)境，打開(kāi)“S7-200PLC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“雙容自衡水箱對(duì)象特性測(cè)試”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)監(jiān)控界面。5?在上位機(jī)監(jiān)控界面中將智能儀表設(shè)置為“手動(dòng)”控制，并將輸出值設(shè)置為52.1，此操作需通過(guò)調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)。6?給磁力驅(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。7.待下水箱液位平衡后，突增智能儀表輸出量的大小，使其輸出有一個(gè)正階躍增量的變化（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)的儀表輸出值和液位值，液位的響應(yīng)過(guò)程曲線將如下圖所示。單容下水箱液位階躍響應(yīng)曲線單容下水箱液位階躍響應(yīng)曲線根據(jù)前面記錄的液位值和儀表輸出值,按公式K=h(8)-h(0)二輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸x0入計(jì)算K值,入計(jì)算K值,五、實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)及遇到的問(wèn)題實(shí)驗(yàn)之前確保所有電源開(kāi)關(guān)均處于“關(guān)”的位置。.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3.在投運(yùn)之前，請(qǐng)先檢查管道及閥門是否已按實(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.實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，由于沒(méi)有將24V給定電壓開(kāi)關(guān)打開(kāi)，導(dǎo)致中水箱液位數(shù)據(jù)沒(méi)能在組態(tài)軟件中顯示。5.由于F1-10開(kāi)度與F1-11的開(kāi)度調(diào)節(jié)不合理導(dǎo)致中水箱數(shù)據(jù)持續(xù)增加，沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定值。6.實(shí)驗(yàn)步驟5中的適當(dāng)值，是經(jīng)過(guò)兩次反復(fù)試驗(yàn)得出的結(jié)果。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析智能調(diào)節(jié)器手動(dòng)輸出F1-7中水箱電動(dòng)調(diào)1.畫出雙容水箱液位特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖。智能調(diào)節(jié)器手動(dòng)輸出F1-7中水箱電動(dòng)調(diào)干擾磁力驅(qū)動(dòng)泵申Fl-11墮_JQ3^_IM磁力驅(qū)動(dòng)泵申Fl-11墮_JQ3^_IMF1-10Q2y下水箱電動(dòng)閥上水箱

G(s)下水箱G2(S)Ih(液位)G(s)=Gi(s)G2(s)=(Tis+1)(T2S-f1)(a)(b)(a)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)。七、思考題1.做本實(shí)驗(yàn)時(shí)，為什么不能任意改變兩個(gè)出水閥門開(kāi)度的大小?答：出水閥F1-11的開(kāi)度是改變出水量Q2的，改變水箱泄水的過(guò)程。在此實(shí)驗(yàn)中是先將出水閥F1-11開(kāi)至適當(dāng)?shù)拈_(kāi)度。之后在單容水箱在穩(wěn)定的過(guò)程中，此閥門是不能任意改變的，因?yàn)橐桓淖兙蜁?huì)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)干擾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，不能正確反映實(shí)驗(yàn)特性。只有當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，要研究輸出量對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定特性影響時(shí)才改變出水閥F1-11。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)？答：應(yīng)曲線可能與實(shí)驗(yàn)工作電壓的波動(dòng)，執(zhí)行器的不穩(wěn)定性，和系統(tǒng)的控制參數(shù)比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間及測(cè)量值的波動(dòng)都可能帶來(lái)一定的誤差，造成精度下降，同時(shí)還跟壓力傳感器的精度，閥門開(kāi)度，測(cè)試軟件都有關(guān)系。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。引起雙容對(duì)象滯后的因素主要有哪些？答：因素有K、T及時(shí)間常數(shù)。八、總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)是過(guò)程控制這門課的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在老師的講解下，我們的實(shí)驗(yàn)上手很快，并很快取得了頭一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，但在數(shù)據(jù)處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，并不是每一個(gè)曲線都是理想的二階系統(tǒng)，自己在思考后，也給出的相應(yīng)的解釋，還請(qǐng)老師指點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，我們更加了解裝置設(shè)備，以