过程控制实验报告

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1、过程控制系统实验学院 班级 学号 姓名 老师机电工程学院*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、实验原理图2T单容水箱特件测试结构图由图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Q，手动阀V和V的开度都为定值，Q为水箱中1 1 2 2流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时(1)动态时，则有式中V为

2、水箱的贮水容积，dtdv为水贮存量的变化率，它与H的关系A为水箱的底面积。把式（3）代入式（2）得基于R为阀V2的液阻，则上式可改写为S式中T=AR，它与水箱的底积A和V的R有关；K=R。S2 SS式(5)就是单容水箱的传递函数。若令Q (S) =R0/S,R=常数，则式(5)可改为10KRq门T对上式取拉氏反变换得6)h(t)=KRjl-e当t8时，h(8)=KR，因而有0K=h(8)/RO二输出稳态值/阶跃输入当t=T时，则有h(T)=KR(1-e-1)=O.632KR=O.632h(8)OO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

3、阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%12-2单容水箱的单调上升指戴曲线所对应的时间，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t, BC为对象的时间H二行常数所得的传递函数为一7、实验内容与步骤1 按图2-1接好实验线路，并把阀V和V开至某一开度，且使V的开1 2 1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

4、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。M2-4单容箱特性响应曲线5启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。P定fFT1物岀上用jTriaj! ia Um hcBETHaJ 田 町皿1“ jErfj-iliRE历史由琥 删砸 第回押津炀三吝上水弟勺鏗村炷利氏宏堑isnTMB巧l?ni*4* 耐阳Sdl-flANU LI _

5、d a6 MMBI卿1、一阶单吝上水耗对象特性测试实验辱款腿辽wentai掺載益定舫土谢裁哺r单吝上水箱对劭特性劃试实验0：fllM#3UWIEXI K?l-I332iw |15fl US Trw in Z (h-rcoJ rl M* TtMH时 UI12AKri5 Rmioftm 諒缰 Kb：相哑貯(Bgi冲ffli册五、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：1.096e00

6、2, 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hKT正向输入0 179288负向输入0 164981平均值0 1721845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

7、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出水阀的开度，那么系统永远无 法达到平衡。同时出水阀也决定了液位达到设定值所需时间的长短， 所以记录数据前，应先调好出水阀开度的大小，才能快速达到平衡。 任意改变出水阀开度大小会对响应曲线造成干扰，从而使实验结果的 误差变大。2用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？ 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。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.

8、 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、原理说明水的容积， 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(图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

9、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。h2 (t)|t二t1=0.4 h2(8)时曲线上的点B和对应的时间t1 ； h (t) |t=t2=0.8 h2(8)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* （1一 网）0.32 /12 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

10、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：:命单详I水箱：性劃试宣盖垂回圭菜单叱如！5和 MM SI-lffllMkt腹工I段第耐闻針蓉泸聲呼l1出上悦戏区2OKIXI0ins n辱XV v疋占上本箱r 們性劃试比骑辱凉荒：辽:命单酉I水箱町特性测试空笙wentai-埼益綽上水:箱勺京特性测试宝盖五、数据处理参数值?17|曰彳古液位hKT1T2测量值 正向输入0.09785109120负向输入0.13234864平均值0.115178.892G(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 起的传感器反馈信号上的滞后。这段滞后时间主要是对象容量增加和 容积之间存在阻力所造成的。