实验一对象特性测试实验

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1、过程控制系统及装置 实验讲义1实验一：对象特性测试实验对象特性是指对象在输入的作用下，其输出的变量（即被控变量）随时间变化的特性。对象特性测试实验的目的：通过实验掌握对象特性曲线的测量方法。测量时应注意的问题：对象模型参数的求取。液位装置中的液位对象是自衡对象，单个水槽是一阶对象，上水槽与下水槽可以组成二阶对象。对象参数的求取：一、传递函数的求取 1、一阶对象 在 0.632 倍的稳态值处求取时间常数 T0。2、一阶加纯滞后的对象对于有纯滞后的一阶对象，如图 2 所示，当阶跃响应曲线在 t=0 时，斜率为 0；随着 t 的增加，其斜率逐渐增大；当到达拐点后斜率又慢慢减小，可见该曲线的形状为 S

2、 形，可用一阶惯性加时延环节来近似。确定 K0、T0 和 的方法如下：0/)(01/)(xyKsTsW0/)(01)(xyKseTSW过程控制系统及装置 实验讲义2在阶跃响应的拐点（即斜率的最大处）作一切线并与时间坐标轴交与 C 点，则OC 段的值即为纯滞后时间 ，而与 CB 段的值即为时间常数 T0。3、二阶或高阶对象二阶过程的阶跃响应曲线，其传递函数可表示为式中的 K0、T1、T2 需从阶跃响应曲线上求出。先在阶跃响应曲线上取（1） y（t）稳态值的渐近线 y（） ；（2） y（t1）=0.4 y（ ）时曲线上的点 y1 和相应的时间 t1；（3） y（t2）=0.8 y（ ）时曲线上的点

3、 y2 和相应的时间 t2；然后，利用如下近似公式计算 T1、T2。（4）（5）对于二阶过程，0.320.46 时，应用高于二阶环节来近似。二、实验中应注意的问题1、测试前系统处于平衡状态，反应曲线的出始点应是输入信号的开始作阶跃信号的瞬间，这一段时间必须在记录纸上标出，以便推算纯滞后时间 。2、测试与记录工作必须持续到输出参数达到新的稳态值。3、每次实验应在相同的条件下进行两次以上。只有在所测试数据相同时方为合格。4、为了进行线性校验，可作正、负两种干扰进行比较，也可作不同扰动量的实验。0/)(0121)(xyKsTSW5.02174.)1)(2(6.tTtT过程控制系统及装置 实验讲义31

4、、下水箱单容特性测试实验一、实验目的：通过实验测定单容特性阶跃响应曲线，通过数据处理求取一阶环节的传递函数。二、实验设备及参考资料：1、PCS E 型过程控制实验装置（使用其中：电动调节阀、DDC 控制单元、下水箱及液位变送器、水泵等）2、实验操作指南。三、实验步骤：1、了解实验装置中的对象，流程图如下图所示。 下水箱单容特性测试实验流程图2、按附图下水箱单容特性测试实验接线图接好实验导线和通讯线。过程控制系统及装置 实验讲义43、将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。4、将手动阀门 1V1、1V10、V5 打开，其余阀门全部关闭。5、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上

5、的总电源，再打开直流电压和 DDC 控制单元电源。6、在信号板上打开电动调节阀输入信号、下水箱输出信号。7、打开计算机上的组态王的“过程控制实验液位_液位”工程，进入运行环境，选择实验一下水箱单容特性测试实验，给“阀门开度 op”设置一个初始值（20-40）使初始液位 20 左右。8、在控制板上先打开电动调节阀，再打开水泵，即保证水路畅通的条件下，最后开泵，一定要注意先后顺序，避免水泵空抽，否则可能将水泵憋坏。9、等待下水箱液位达到某一平衡位置，记下此时的阀门开度值。10、增大阀门开度值，使系统输入幅值适宜的阶跃信号（阶跃信号不要太，估计下水箱水不要溢出） ，一般变化 10%即可，这时系统输出

6、也有一个变化的信号，使系统在较高液位也能达到平衡状态。11、记录阶跃响应曲线，直至达到新的平衡为止。12、设置阀门的开度为原来的值，记录一条液位下降的曲线（可以选作） 。13、对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表中，和实验中自动求取的参数进行比较。阶跃响应曲线数据处理记录表 时间（s）10 20 30 . 60 90液位（cm）按常规内容编写实验报告，并根据 K0、T0、 值写出广义的传递函数。2、下水箱双容特性测试实验(选作)过程控制系统及装置 实验讲义5一、实验目的通过实验测定双容特性阶跃响应曲线，通过数据处理写出二阶环节的传递函数。二、实验设备及参考资料1、PCS E 型

7、过程控制实验装置（使用其中：电动调节阀、DDC 控制单元、上下水箱及液位变送器、水泵等）2、实验操作指南。三、实验步骤：1、了解实验装置中的对象，流程图如下图所示。下水箱双容特性测试实验流程图2、按附图下水箱双容特性测试实验接线图接好实验导线和通讯线。增压泵HTT上水箱下水箱电动阀 计算机1V1V4V51V10 储水箱过程控制系统及装置 实验讲义63、将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。4、将手动阀门 1V1、1V10、V4、V5 打开，其余阀门全部关闭。5、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开直流电压和 DDC 控制单元电源。6、在信号板上打开电动调节

8、阀输入信号、下水箱输出信号。7、打开计算机上的组态王的“过程控制实验液位_液位”工程，进入运行环境，选择实验一中的下水箱双容特性测试实验，给“阀门开度 op”设置一个初始值。8、在控制板上先打开电动调节阀，再打开水泵，一定要注意先后顺序，避免水泵空抽，保护实验设备。9、准确记录此时的时间，备用，等待下水箱液位达到某一平衡位置，记下此时的阀门开度值。10、增大阀门开度值，使系统输入幅值适宜的阶跃信号（阶跃信号不要太，估计下水箱水不要溢出） ，一般变化 10%即可，这时系统输出也有一个变化的信号，使系统在较高液位也能达到平衡状态。11、观察计算机上的实时曲线和历史曲线，直至达到新的平衡为止。12、

9、设置阀门的开度为原来的值，记录一条液位下降的曲线（可以选作） 。13、对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表中，和实验中自动求取的参数进行比较。阶跃响应曲线数据处理记录表时间（s）10 20 30 . 60 90液位（cm）按常规内容编写实验报告，并根据 K0、T1、T2、 值写出广义的传递函数。实验二：单容液位控制系统参数整定实验过程控制系统及装置 实验讲义7调节器参数的整定是过程控制系统设计的核心内容之一。它的任务是：根据被控过程的特性确定 PID 调节器的比例度 ，积分时间 TI 及微分时间 TD 的大小。在简单的过程控制系统中，调节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主

10、要指标，保证系统具有一定的稳定裕量。调节器参数的整定的方法很多，概括起来分为两大类：一是理论计算整定法。它主要依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法频率特性法等，经过理论计算确定调节器的数值。这种方法不仅计算繁琐，而且过分依赖数学模型，所得到数据未必直接可用，还必须通过实际进行调整和修改。因此，理论计算整定法除了有理论指导意义外，工程实际中较少采用。二是工程整定法，它主要依靠工程经验，直接在过程控制的实验中进行，且方法简单，易于掌握，相当实用，从而在工程实际中被广泛采用。调节器的工程整定方法，主要有临界比例度法、衰减曲线法。（1）临界比例度法这是一种闭环整定方法。由于该方法直接在闭环系统

11、中进行，不需测试过程的动态特性，因为方法简单，使用方便，获得了广泛的应用。具体步骤如下： 先将调节器的积分时间 TI 置于最大（TI=）微分时间 TD 置零（TD=0） ，比例度 置为较大的数值，使系统投入闭环运行。 待系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃扰动，并减小 ，直到系统出现如图 1.1 所示的等幅振荡，即临界振荡过程。记录此时的 k（临界比例带）和等幅振荡周期 Tk。 根据记录的 k 和 TK，按表给出的经验公式计算出调整器的 、TI 及 TD 的参数。需要指出的是，采用这种方法整定调节器的参数时会受到一定的限制，如有些过程控制系统不允许进行反复振荡实验，像锅炉给水系统和燃烧控制系统

12、等，就不可能应用此法。再如某些时间常数较大的单容过程，采用比例调节时根本不可能出现等幅振荡，也就不能应用此法。过程控制系统及装置 实验讲义8图 1.1 系统的临界振荡表 1-1 采用临界比例度法的整定参数 （ 2）衰减曲线 法这 种方法与临界 比例度法相类 似，所不同的 是无需出现等幅振荡过程，具体方法如下： 先置调节器积分时间 TI =,微分时间 TD=0,比例带 置于较大的值。将系统投入运行。 待系统工作稳定后，对设定值作阶跃扰动，然后观察系统的响应。若响应振荡衰减太快，就减小比例带；反之，则增大比例带。如此反复，直到出现如图1.2（a）所示的衰减比为 4：1 的振荡过程时，或者如图 1.

13、2(b)所示的 10：1 振荡过程时，记录此时的 值（设为 s） ，以及 Ts 的值（如图 1.2(a)中所示） ，或者 Tr 的值（如图 1.2(b)中所示） 。图 1.2 中，Ts 为衰减振荡周期，Tr 为响应上升时间。图 1.2 系统衰减振荡曲线 按表 1-2 中所给的经验公式计算 、TI 及 TD 的参数。表 1-2 衰减曲线法整定计算公式整定参数调节规律 （） Ti TdP 2kPI 2.2k 0.85TkPID 1.7k 0.5Tk 0.125Tk过程控制系统及装置 实验讲义9衰减曲线对多数过程都适用，该方法的缺点是较难确定 4：1 的衰减程度，从而较难得到准确的 、Ti 及 Td

14、 的值。一、实验目的：1、了解简单过程控制系统的构成。 2、掌握简单过程控制的原理、计算机控制和参数整定方法。二、实验设备及参考资料：1、PCS E 过程控制实验装置（使用其中：电动调节阀、DDC 控制单元、下水箱及液位变送器、水泵 1 系统等）2、实验操作指南和液位变送器的调试（一般出厂前已调试好）方法。三、实验系统流程图：四、实验原理：本实验采用计算机控制，将液位控制在设定高度。根据下水箱液位信号输出给计算机，计算机根据 P、 I、D 参数进行 PID 运算，输出信号给电动调节阀，然后由衰减率 整定参数调节规律 （） P sPI 1.2s 0.5Ts0.75PID 0.8s 0.3Ts 0

15、.1TsP sPI 1.2s 2Tr 0.90PID 0.8s 1.2Tr 0.4Tr过程控制系统及装置 实验讲义10调节器 执行器 被控对象液位变送器电动调节阀控制水泵供水系统的进水流量，从而达到控制设定液位基本恒定的目的。单容液位过程控制的方框原理图：如下图扰动设定值 e反馈值五、实验步骤：1、按附图单容液位控制实验接线图接好实验导线和通讯线。2、将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。3、将手动阀门 1V1、1V10、V5 打开，其余阀门全部关闭。4、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开 DDC 控制单元电源。5、在信号板上打开电动调节阀输入信号、下水箱输出信号。6、打开计算机上的组态王的“过程控制实验液位_液位”工程，进入运行环境，过程控制系统及装置 实验讲义11选择“实验二：单容液位控制系统参数整定实验” ，给“阀门开度 op”设置一个初始值。7、在控制板上先打开电动调节阀，再打开水泵，一定要注意先后顺序，避免水泵空抽，保护实验设备。8、选择计算机控制方式。9、设定参数值设定 2-3 组控制参数，测试过渡过程曲线，注意观察参数变化对曲线如何影响。Ts=1 （参考值）SV=20 （参考值）Kc=7， 20，60 （参考值）Ti=20 （参考值）Td=0 （参考值）10、观察计算机上的实时曲线和历史曲线