过控实验指导书(1)

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1、1实验一、单容水箱对象特性的测试一、 实验目的1、了解单容水箱的自衡特性。2、掌握单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。3、实测单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。二、 实验设备1、THKGK-1 型过程控制实验装置：GK-02 GK-03 GK-04 GK-072、万用表一只 3、计算机及上位机软件三、实验原理阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节器手动改变对象的输入信号（阶跃信号） 。同时，记录对象的输出数据和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理的处理，确定模型中的相关参数。图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同

2、的模型结构，有不同的图解方法。单容水箱的数学模型可用一阶惯性环节来近似描述，用下述方法求取对象的特征参数。单容水箱液位开环控制结构图如图 1 所示：图 1、 单容水箱液位开环控制结构图设水箱的进水量为 Q1，出水量为 Q2，水箱的液面高度为 h，出水阀 V2 固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：式中，T=R2*C 为水箱的时间常数（注意：阀 V2 的开度大小会影响到水箱的时间常数） ，K=R2 为过程的放大倍数，也是阀 V2 的液阻，C 为水箱的底面积。令输入流量 Q1（S）=RO/S，RO 为常量，则输出液位的高度为：（2）TSKRTSKRH

3、/1)1() 000QRhdtCR2221() (1)1HsKGST2t0h 00 00 22Th ) 1-TO .O h(t)KR(e) ()Rtth 即当 时 ， 因 而 有 输 出 稳 态 值阶 跃 输 入 （3）（4） -100,:h(T)KR(e.632t当 时 则 有式（3）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。由式（ 2-4）可知该曲线上升到稳态值的 63.2%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，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数 T。 图 2 阶跃响应曲线 其理论依据是： 100()

4、 () (5)tTtdhKRhe上式表示 h（t）若以在原点时的速度 h（）/T 恒速变化，即只要花 T 秒时间就可达到稳态值 h（） 。式（2）中的 K 值由下式求取：K = h()/R0 = 输入稳态值/ 阶跃输入四、实验内容与步骤1、对上、下水箱液位传感器进行零点与增益的调整。2、按照图 1 的结构框图，完成系统的接线，并把 PID 调节器的“手动/自动”开关置于“手动”位置，此时系统处于开环状态。3、将单片机控制挂箱 GK-03 的输入信号端“LT1、LT2 ”分别与 GK-02 的传感器输出端“LT1、LT2”相连；用配套 RS232 通讯线将 GK-03 的 “串行通信口”与计算机

5、的COM1 连接；打开所有电源开关用单片机进行液位实时监测；然后用上位机控制监控软件对液位进行监视并记录过程曲线。4、利用 PID 调节器的手动旋钮调节输出，将被控参数液位控制在 3cm 左右。5、观察系统的被调量水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，记录此时调节器手动输出值 VO 以及水箱水位的高度 h1 和显示仪表 LT1 的读数值并填入下表。变频器输出频率 f 手动输出 Vo 水箱水位高度 h1 LT1 显示值HZ v cm cm6、迅速增调“手动调节”电位器，使 PID 的输出突加 20%-30%，利用上位机监控软件记下由此引起的阶跃响应的过程曲线，并根据所得曲线填写下表。t（s ）L

6、T1 读数(cm)3等到进入新的平衡状态后，再记录测量数据，并填入下表：变频器输出频率 f PID 输出 Vo 水箱水位高度 h1 LT1 显示值HZ v cm cm8、重复上述实验步骤。五、注意事项1、做本实验过程中，阀 V1 和 V2 不得任意改变开度大小；2、阶跃信号不能取得太大，以免影响系统正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。3、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态4、在老师的帮助下，启动计算机系统和单片机控制屏。六、实验报告要求1、作出一阶环节的阶跃响应曲线。2、根据实验原理中所述的方法，求出被测一阶环节的相关参数 K 和 T。实验二、双容水箱对象特性的测试一、实验目

7、的1、了解双容水箱的自衡特性。2、掌握双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。3、实测双容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。二、实验设备1、THKGK-1 型过程控制实验装置：GK-02 GK-03 GK-04 GK-072、万用表一只 3、计算机及上位机软件三、实验原理阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节器手动操作改变对象的输入信号（阶跃信号） 。同时，记录对象的输出数据和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理地处理，确定模型中的相关参数。图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。双容水箱液位

8、控制结构图如图 1 所示： 4图 1、双容水箱液位控制结构图设流量 Q1 为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度 H2 为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为 2112() (1)()sHSKGQTSe式中 K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4 分别为阀 V2 和 V4 的液阻，C1 和 C2 分别为上水箱和下水箱的容量系数, 式中的 K、T1 和 T2 可由实验求得的阶跃响应曲线求出, 具体的做法是在图 3-2 所示的阶跃响应曲线上取：1） 、h2（t）稳态值的渐近线 h2()；2） 、h2（t）|t=t1=0.4 h2()时曲线上的点 A

9、和对应的时间 t1；3） 、h2（t）|t=t2=0.8 h2()时曲线上的点 B 和对应的时间 t2。然后，利用下面的近似公式计算式 3-5 中 的参数 K、T1 和 T2。其中： 图 2、 阶跃响应曲线对于式（3-1）所示的二阶过程， 0.32t1/t20.46。当 t1/t2=0.32 时 ，为一阶环节；当t1/t2=0.46 时，过程的传递函数 G(S)=K/(TS+1)2（此时 T1=T2=T=(t1+t2)/2*2.18 ）过曲线的拐点做一条切线，它与横轴交于 A 点，OA 即为滞后时间常数。四、实验内容与步骤1、按实验一的要求和步骤，对上、下水箱液位传感器进行零点与增益的调整。2

10、、按照图 1 结构框图，完成系统的接线，并把 PID 调节器的“手动/自动”开关置于“手动”位置，此时系统处于开环状态。.16tT )4)( 2212、 阶 跃 输 入 量输 入 稳 态 值ORh)5.074.1()T( )5221t、 t h t 0 0.4 0.8 2 0 0 ( ) h 0 ( ) h 0 0 ( ) 1 t 2 B A h 2 2 (t) 2 P A 53、将单片机控制屏 GK-03 的输入信号端“LT2” 接 GK-02 的传感器输出端“ LT2” ；用配套 RS232 通讯线将 GK-03 的“串行通信口”与计算机的 COM1 连接；然后用上位机控制监控软件对液位进

11、行监视并记录过程曲线。4、利用 PID 调节器的手动旋钮调节输出，将被控参数液位控制在 3cm 左右。5、观察系统的被调量水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，记录此时调节器手动输出值 VO 以及水箱水位的高度 h1 和显示仪表 LT1 的读数值并填入下表：变频器输出频率 f 手动输出 Vo 水箱水位高度 h1 LT1 显示值HZ v cm cm6、迅速增调“手动调节”电位器，使 PID 的输出突加 20-30%，利用上位机监控软件记下由此引起的阶跃响应的过程曲线，并根据所得曲线填写下表：t（s ）LT1 读数(cm)等到进入新的平衡状态后，再记录测量数据，并填入下表：变频器输出频率 f PI

12、D 输出 Vo 水箱水位高度 h1 LT1 显示值HZ v cm cm五、注意事项1、做本实验过程中阀 V2 的开度必须大于阀 V4 的开度，以保证实验效果。2、阶跃信号不能取得太大，以免影响系统正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。3、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。4、在老师的帮助下，启动计算机系统和单片机控制屏。六、实验报告要求1、作出二阶环节的阶跃响应曲线。2、根据实验原理中所述的方法，求出二阶环节的相关参数。实验三、智能仪表单容液位控制系统一、实验目的1、熟悉知能仪表的使用和参数整定方法。2、分别进行液位、压力、流量、温度的控制实验。3、通过与其它的控制方式进行比

13、较，全面了解智能仪表控制系统的优点。6二、实验设备1、THKGK-1 型实验装置GK-02 GK-03 GK-05 GK-072、计算机及上位机监控软件三、实验原理1、 AI-708 智能调节仪简介：1） 、特点与用途： AI-708 型仪表，具备 0.2 级精度，可编程输入，通过参数设置即可选择热电偶、热电阻、线性电阻和电压（电流）的输出，具备位式调节、AI 人工智能调节、通讯、变送和上限、下限、正偏差、负偏差等报警功能，具有可编程模块化输出，支持时间比例（继电器触点开关、SSR 电压、可控硅无触点开关及单相 /三相可控硅过零触发信号等）和线性电流（包括 0 10mA 及 0 20mA 等）

14、 。其中 AI 人工智能调节可使系统实现较为理想的温度控制。2） 、主要参数功能说明： Ctrl (控制方式)：Ctrl=0 , 采用位式调节，只适合要求不高的场合。 Ctrl=1 ，采用 AI 人工智能调节 /PID 调节，该设置下，允许从面板启动执行自整定功能。Ctrl=2 ，启动自整定参数功能，自整定结束后会自动设置 3 或 4。Ctrl=3 ，采用 AI 人工智能调节，自整定结束后仪表自动进入该设置，在该设置下不允许从面板启动自整定参数功能，以防止误操作重复启动自整定。Ctrl=4 ，该方式下与 Ctrl=3 时基本相同，但其 P 参数定义为原来的 10 倍，即可将 P参数放大 10

15、倍，获得更精细的控制。HIAL(上限报警)：测量值大于 HIAL+dF 值时，仪表将产生上限报警。小于 HIAL-dF值时，仪表将解除上限报警。设置 HIAL 到其最大值（9999 ）可避免产生报警作用。LOAL(下限报警)： 测量值小于 LOAL-dF 时产生下限报警，当测量值大于 LOAL+dF时下限报警解除。设置 LOAL 到其最小值（-1999 ）可避免产生报警作用。dHAL（正偏差报警）： 采用 AI 人工智能调节时，当正偏差（测量值 PV 减给定值SV）大于 dHAL+dF 时产生正偏差报警。当偏差小于 dHAL-dF 时正偏差报警解除。设置dHAL=9999 时，负偏差报警功能被取消。dLAL(负偏差报警)：采用 AI 人工智能调节时，当负偏差（测量值 PV 减给定值 SV）大于 dLAL+dF 产生负偏差报警，当偏差小于 dLAL-dF 时负偏差报警解除。设置dLAL=9999 时，负偏差报警功能被取消。dF（回差）：回差用于避免因测量输入值波动而导致位式调节频繁