过程控制系统实验.doc

西安电子科技大学过程控制系统实验学 院 机电工程学院 专 业 自动化 班 级 041232班 学 号 04123131 学生姓名 何章 授课老师 韩保君 学 期 2015-2016第一学期 第一节 单容水箱特性的测试 一、实验目的 1. 掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并记录相应液位的响应曲线。 2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。 二、实验设备 1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置 2. 计算机及相关软件 3. 万用电表一只三、实验原理图2-1单容水箱特性测试结构图 由图2-1可知，对象的被控制量为水箱的液位H，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1，手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时 Q1-Q2=0 (1)动态时，则有 Q1-Q2=dv/dt (2)式中 V 为水箱的贮水容积，dV/dt为水贮存量的变化率，它与 H 的关系为 dV=Adh ,即dV/dt=Adh/dt (3)A 为水箱的底面积。把式(3)代入式(2)得 Q1-Q2=Adh/dt (4)基于Q2=h/RS，RS为阀V2的液阻,则上式可改写为 Q1-h/RS=Adh/dt即 ARsdh/dt+h=KQ1或写作 H(s)K/Q1(s)=K/(TS+1) (5)式中T=ARs,它与水箱的底积A和V2的Rs有关:K=Rs。式(5)就是单容水箱的传递函数。对上式取拉氏反变换得(6)当t时,h()=KR0 ,因而有K=h()/R0=输出稳态值/阶跃输入当 t=T 时，则有h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h() 式(6)表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图 2-2 所示。当由实验求得图2-2所示的阶跃响应曲线后,该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间,就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T,由响 应曲线求得K和T后,就能求得单容水箱的传递函数。如果对象的阶跃响应曲线为图2-3,则在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点,与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间,BC为对象的时间常数T,所得的传递函数为：四、实验内容与步骤1 按图2-1接好实验线路,并把阀V1和V2开至某一开度,且使V1的开度大于V2的开度。2接通总电源和相关的仪表电源,并启动磁力驱动泵。3把调节器设置于手动操作位置，通过调节器增/减的操作改变其输出量的大小，使水箱的液位处于某一平衡位置。4手动操作调节器，使其输出有一个正(或负)阶跃增量的变化(此增 量不宜过大,以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一定的调节时间后，水箱的液位进入新的平衡状态，如图 2-4 所示。5 启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。 正向输入曲线负向输入曲线6 把由实验曲线所得的结果填入下表。液位KTt正向输入0.175286s0负向输入0.189593s0平均值0.182489.5s0五、思考题1.在实验进行过程中，为什么不能任意改变出水口阀开度的大小？答：因为在实验过程中，任意改变出水口阀开度会影响出水流量的大小。在入水量不变的情况下，这样会使实验记录的数据和图形与实际相差较远。2.用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与哪些因素有关？答：因为系统用到了仪表，因此与仪表的精度有关，同时与出水阀开度的大小有关。并和放大系数K、时间常数T以及纯滞后时间有关。另外，也会受实验室电压的波动与测试软件的影响。3.如果采用中水箱做实验，其响应曲线与上水箱的曲线有什么异同？试分析差异原因。答：若采用中水箱做实验，它的响应曲线要比上水箱变化的慢。原因：因为中水箱的回路比上水箱的回路要长，上升相同的液位高度，中水箱要更长的时间。第二节 双容水箱特性的测试一、实验目的1. 熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。2. 根据由实际测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其传递函数。二、实验设备1. THJ-2 型高级过程控制系统实验装置2. 计算机、MCGS工控组态软件、RS232/485转换器1只、串口线 1 根 3. 万用表1只三、实验原理 由图2-5所示，被控对象由两个水箱相串联连接,由于有两个贮水的容积，故称其为双容对象。被控制量是下水箱的液位，当输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2-6所示。由图2-6 可见，上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数(图2-6(a)，而下水箱液位的响应曲线则呈S形状（2-6(b)）。显然,多了一个水箱，液位响应就更加滞后。 由S形曲线的拐点P处作一切线，它与时间轴的交点为A,OA则表示了对象响应的滞后时间。至于双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。在图 2-7 所示的阶跃响应曲线上求取：(1) h2（t)|t=t1 =0.4 h2()时曲线上的点B和对应的时间t1；(2) h2（t)|t=t1 =0.8 h2()时曲线上的点C和对应的时间t2；然后，利用下面的近似公式计算式由上述两式中解出T1和T2 ,于是求得双容(二阶)对象的传递函数为四、实验内容与步骤1、接通总电源和相关仪表的电源。2、接好实验线路，打开手动阀，并使它们的开度满足下列关系： V1的开度V2的开度V3的开度3、把调节器设置于手动位置，按调节器的增/减，改变其手动输出值，使下水箱的液位处于某一平衡位置（一般为水箱的中间位置）。4、按调节器的增/减按钮，突增/减调节器的手动输出量，使下水箱的液位由原平衡状态开始变化，经过一定的调节时间后，液位h 2 进入另一个平衡状态。5、 上述实验用计算机实时记录h2的历史曲线和在阶跃扰动后的响应曲线。 正向曲线输入负向输入曲线6、 把由计算机作用的实验曲线进行分析处理，并把结果填表入下表中：液位H KT1T2t正向输入0.0951125s289s0负向输入0.1779112s273s0平均值0.1365118.5s281s0五、思考题1. 做本实验时，为什么不能任意改变两个出水阀门开度的大小？答：出水阀的开度是改变出水量Q2的，改变水箱泄水的过程。在此实验中是先将出水阀开至适当的开度。之后在单容水箱在稳定的过程中，此阀门是不能任意改变的，因为一改变就会对系统带来干扰，造成系统不稳定，不能正确反映实验特性。只有当系统稳定时，要研究输出量对系统的稳定特性影响时才改变出水阀。2. 用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与哪些因素有关？答：应曲线可能与实验工作电压的波动，执行器的不稳定性，和系统的控制参数比例度、积分时间、微分时间及测量值的波动都可能带来一定的误差，造成精度下降，同时还跟压力传感器的精度，阀门开度，测试软件都有关系。3. 如果采用上水箱和中水箱做实验，其响应曲线与用中水箱和下水箱做实验的曲线有什么异同？试分析差异原因。答：若采用中水箱和上水箱做实验，它的响应曲线要比中水箱和下水箱变化的快。原因：因为中水箱和上水箱的回路较中水箱和下水箱短，上升相同的液位高度，中水箱和下水箱要更长的时间。4. 引起双容对象滞后的因素主要有哪些？答：因素有K、T及时间常数。六、总结本次实验是过程控制这门课的第一个实验，在老师的讲解下，我们的实验上手很快，并很快取得了头一个稳定状态，但在数据处理时发现，并不是每一个曲线都是理想的二阶系统，自己在思考后，也给出的相应的解释，还请老师指点。同时，对于实验的学习，我们更加了