过程控制实验报告

过程控制系统实验 学 院 机电工程学院 班 级 学 号 姓 名 老 师 韩保君 第一节 一阶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 实验原理三 实验原理 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 动态时 则有 式中V为水箱的贮水容积 dtdV为水贮存量的变化率 它与H的关系 为 A为水箱的底面积 把式 3 代入式 2 得 基于RS为阀V2的液阻 则上式可改写为 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 若令Q1 S R0 S R0 常数 则式 5 可改为 对上式取拉氏反变换得 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 wentai 五 数据处理五 数据处理 1 正向增量 首先设置输出值为 50 使水箱系统达到一个稳定 的状态 然后再测量初始稳态时对应的参数 得到初始输出值 7 7929e001 时间77 92 再调节手动操作器 给一个正向的变 化 待其平衡稳定 测量时间为正无穷对应的参数 稳态输出 1 096e002 时间 109 6 所以 在 T 时间内 液位变化量为两个稳态输出的差值 经计算结 果为 57 0 632 36 024 对应 0 632h 将结果绘制成下表 参数值 测量值 液位h KT 正向输入 0 179288 负向输入 0 164981 平均值 0 172184 5 得到传递函数为 H s K s Ts 0 1721 1 84 5s 这次试验的注意事项有不能任意改变阀门开度的大小 阶跃信号 不能取得太大 否则会影响正常运行 也不能太小 以防止对象特 性的不真实性 在输入阶跃信号前 过程必须处于平衡状态 通 过这次试验 我们明白了过程控制的相关思想也明白了思考和实践 相结合的重要性 也更加注重团队合作能力 六 思考题 1 做本实验时 为什么不能任意改变出水口阀开度的大小 答 因为如果一开始进水阀的开度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 h2 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 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 wentai 五 数据处理 G s 0 1151 78 8s 1 92S 1 参数经过仔细的调整 最后达到了预期的效果 六 思考题 1 在本实验中 为什么对出水阀不能任意改变其开度 如果实验条件中没有水量大小 及水量是恒定的 肯定不能改变水 流大小 不然在其他外因发生变化时产生的测试结果就不能完全归 结于该外因变化的结果 可能还存在水流大小变化的影响 2 引起双容对象的滞后特性是什么 答 由于多了一个容积 水位差 h2 表现出来的响应特性就不同于单 容水箱 响应过程在时间上落后了一步 存在管道上的滞后 干扰 引起的传感器反