北京工商大学过程控制实验..docx

第一节 单容自衡水箱特性的测试一、实验目的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。根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K、T和传递函数。二、实验设备A3000高级过程控制实验系统计算机及相关软件QV116V104V103h?hQV105QV102P102LT103LICA103FV101MQ1Q2图2.1单容水箱特性测试结构图三、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，Q2为流出水箱的流量。手动阀QV105和闸板QV116的开度（5~10毫米）都为定值。根据物料平衡关系，在平衡状态时： （1）动态时则有： （2）式中V为水箱的贮水容积，为水贮存量的变化率，它与h的关系为，即： （3）A为水箱的底面积。把式（3）代入式（2）得： （4）基于，RS为闸板QV116的液阻，则上式可改写为，即：或写作： （5）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，R0=常数，则式（5）可改为：对上式取拉氏反变换得： （6）当时，因而有 。当t=T时，则。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。 图2.2 单容水箱的单调上升指数曲线当由实验求得图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。图2.3 单容水箱的阶跃响应曲线如果对象的阶跃响应曲线为图2.3，则在此曲线的拐点D处作一条切线，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τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：四、实验内容与步骤智能仪表的测量值输入端AI0可任意选择上、中、下水箱中的一个水箱连接，操作值输出端AO0接电动调节阀。接通控制系统柜的电源开关和现场系统单项电源开关，启动执行机构。打开上位机“组态王”的工程管理器，选择 “智能仪表过程控制实验组态”工程，进入“A3000高级过程控制实验监控系统”运行环境，点击“进入系统”按钮进入主画面《A3000 高级过程控制实验系统__智能仪表》 ，在实验目录中选择“单容自衡水箱对象特性测试”工程，进入本实验的监控界面。在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”控制，并将输出值设置为一个合适的值，即给电动调节阀设置一个合适的开度，此操作须通过调节仪表实现。打开现场系统面板上的“水泵2#”开关，给2#水泵上电打水。通过适当增/减智能仪表的输出量，使水箱液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。改变电动调节阀的开度，使其输出有一个正（或负）阶跃量的变化（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，记录此时的仪表输出值和液位值。液位的响应过程曲线如图2.4所示。图2.4 单容箱特性响应曲线 参数值测量值液位hKTτ正向输入94min2.1负向输入85min2.2平均值8.54.5min2.15根据前面记录的液位值和仪表输出值，按公式（6）计算K值，再根据图2.3中的实验曲线求得T值，把所得的结果填入下表。写出对象的传递函数。 五、实验报告写出常规的实验报告内容。分析用上述方法建立对象的数学模型有什么局限性？六、思考题做本实验时，为什么不能任意改变出水口闸板开度的大小？因为如果一开始进水阀开度就小于出水阀开度的话，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的时间长短，所以要调好开度大小，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。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？因为系统用到了仪表，因此与仪表的精度有关，同时与谁水阀的开度大小有关。并且和放大系数时间常数纯滞后时间有关。第二节 单容水箱液位定值控制系统实验目的了解单容液位定值控制系统的结构与组成。掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。实验设备A3000高级过程控制实验系统计算机及相关软件实验原理本实验系统的被控对象为下水箱，其液位高度作为系统的被控制量。系统的给定信号为一定值，它要求被控制量下水箱液位的稳态值等于给定值。由反馈控制的原理可知，应把下水箱的液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。QV116V104V103h?hQV105QV102P102LT103LICA103FV101MQ1Q2图3.5 下水箱液位定值控制系统结构图图3.6 上水箱液位定