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1、实验一、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VI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(2)Q1-Q2=dv/dt式中V为水箱的贮水容积，dV/dt
2、为水贮存量的变化率，它与H的关系为dV=Adh ,即 dV/dt二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二Rs。 式(5)就是单容水箱的传递函数。乩KR27=.对上式取拉氏反变换得当tg时,h(g)=KR0 ,因而有K=h()/R0=输出稳态值/阶跃输入当t=T时，则有h(T)二KR0(l-eT)=0.632KR0=0.632h(
3、8)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0B即为对象的滞后时间t ,BC为对象的时间常数T,所得E-竺1的传递函数为：-JAL,0h图A3甲容水紀的阶孤响应曲线四、实验内容与步骤1. 按图
4、2-1接好实验线路，并把阀VI和V2开至某一开度，且使VI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。2-4革容翔特性响应曲线5.启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。回Uzl 報出值ILPJ11 .jet 彳hm ti m.wsrwgaE insn* tg
5、iM+ Tirn/?7 宁 曲 嫌顾a口俯!实咄由规MCCajiiXii5皿点垃弟丹|实验一貿一阶单容上术箱对象特性测试实验Ol.-Ol.-U- LSI CtlAH宝UAM负向输入曲线宴转i. T；-单容1隶箱屯象待忤利试丈蟻6实验数据计算1）、正向输入:T=t12-t1= 1：53：55 - 1:52:18=1:37=97（s）h（8）= h2（8）- hl（8）= 74.71mm-26.81mm=49.7mmR0=Q2-Q1=459.8L/h-397.9L/h=61.9L/hK二h（8）/R0=49.7/61.9=0.8029H（S）=K/TR 0R 0 KR049.7S 口 = 丁T49
6、.7S + 0.01032）、负向输入:T=t23-t2= 1:57:24 - 1:56:06=1:18=78（s）h（8）= h2（8）- h3（8）= 74.71mm-37.44mm =37.27mmR0=Q2-Q1=459.8L/h-388.0L/h=71.8L/h37.27S + 0.0128K二h（8）/R0=37.27/71.8=0.5191参数值测量值 7、放大系数K周期T正阶跃输入0.802997（s）负阶跃输入0.519178（s）平均值0.661087.5H（S）=隹怕哙-拦=TT7实验曲线所得的结果填入下表。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
7、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。实
8、验三、上水箱液位 PID 整定实验一、实验目的1. 根据实验数据和曲线,分析系统在阶跃扰动作用下的动、静态 性能。2. 比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。3. 分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。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F1-10图3-2-1 上水箱单容液位定值控制系统干nh I港也）电功阀TQi 一二岳欄二V h剁M -刊* _TG1T_. Z0F1-11（a）结构图 （b）方框图本实验系统结构图和方框图如图3-2-1所示。被控量为上水箱（也可采用中水箱或下水箱）的液位高度，实验要
9、求它的液位稳定在给定 值。将压力传感器LT1检测到的上水箱液位信号作为反馈信号，在与 给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水 箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差 控制，系统的调节器应为PI或PID控制。四、实验内容与步骤1. 先将储水箱中贮足水量，然后将阀门 F1-1、F1-6、F1-10、F1-11 全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度（50%左右），其余阀门 均关闭。2. 接通控制柜总电源，打开漏电保护器及各空气开关，接通空压 机电源，并将三相磁力泵、三相电加热管、控制站的各旋钮开关打到 开的位置。控制柜无需接线。3. 在上位机监控界面
10、中点击“手动”，并将设定值和输出值设置 为一个合适的值，此操作可通过设定值或输出值旁边相应的滚动条或 输出输入框来实现。4. 启动磁力驱动泵，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少输出 量，使上水箱的液位平衡于设定值。5. 按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定 PI 调节器的 参数，并按整定后的 PI 参数进行调节器参数设置。6. 分别适量改变调节器的 P 参数，通过实验界面下边的按钮切换 观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。7. 分别用PI、PD、PID三种控制规律重复步骤36,通过实验 界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响 应曲线。8. 水箱液位的历史曲
11、线和阶跃响应曲线。1)、P 调节：K=5实验三、上水箱甌位PID整定实验mo.di&ccioo.om on辅岀HRciuL in, Qhi fsrd apl. TpIiAi ntojfHiJJ禧出下曜|垃沁 | 0曲1TZ |却虬玄i： tFx2: ?Rk返？ = 7实验三、上水箱礦恆罔D整定实验100 0 餐.电*-01 ；MEh3 叮h聊刿丘由建啤星用TEL： a5?l-3CZZ IKi枳护iFT1700 断 42q|an14 d JQ jttirWjlB 通24第細Wjd | 山如砂聞设定Bi (SV)2）、PIK=7 I=20000TiidT沖匸74Dg*TgMg辽1IJWCZMIpr
12、-1- i 2D0E 303 15：饭回主菜单1K=5 I=20003）、PDK=5 D=10000K=5 D=5000惴问5000.0输出上覘KKLOO实验三r上水箱蔽位冃ID整定实骏SJEffi (SV)FV)(OP)100 0 %Tp匸ggjtwi| 卫皿 |匸iawT石：1 ：:l-V输岀下限iTr-n.- Lb.让isd sjiL 讳氈怕 Stupid!实醴三水筆液侍円Cl罄左坯腑F 6j0TEITauOdDi 2dDEJl3Q4)、PIDK=5 I=20000 D=50009. 计算(1) 、P调节K=5 时：上升时间为：tr=t2-tl=2:50:22-2:50:04=18(s)稳态误差=60m
