过控实验指导书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） （3） （4） 式（3）表示一阶惯性环节的响

3、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： 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

4、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h1LT1显示值HZvcmcm6、迅速增

5、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fPID输出Vo水箱水位高度h1LT1显示值HZvcmcm8、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

6、、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

7、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。双容水箱液位控制结构图如图1所示： 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

8、上的点A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、按照图1结构框图，完成系统的接

9、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h1LT1显示值HZvcmcm6、迅速增

10、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fPID输出Vo水箱水位高度h1LT1显示值HZvcmcm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

11、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较，全面了解智能仪表控制系统的优点。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

12、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）。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：l 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

13、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

14、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通断或报警频繁产生/解除。另外： Sn（输入规格）、CF（系统功能选择）、M5（保持参数），P（速率参数）等。2、液位控制原理与调试方法：1）、 AI-708智能调节器作为二位调节器时的参数设置：控制方式：Ctrl=1输入规格：SN

15、=34输入下限值： dIL=0输入上限值： dIH=20输出方式： OP1=1输出下限值： OPL=0输出上限值： OPH=100回差： dF=0.3系统功能选择： CF=4通讯地址： Addr=40通讯波特率：BAUd=200(10mA)运行及上电信号处理： RUN=13、智能仪表控制系统与其它控制系统在原理上是一样的，它也采用PID控制算法。智能仪表的输入端为0-5V或1-5V的电压信号，所以把传感器的信号加到智能仪表的输入端作为反馈信号，输出端直接加到变频器上驱动三相磁力泵打水。四、实验步骤1、首先调节压力变送器的零点和增益，调试方法如同实验一那样，并且多调几次使得变送器输出的信号与液位变化成线性。2、连接好实验线路，检查水路管道的各个阀门是否在相应的位置，本实验装置有两套动力系统供水，可以选用其中的任意一套供水，另外一套可用来作为系统扰动。3、合上电源开关，设定智能仪表的P、I、D以及设定值等参数，GK-03上串口与上位机相连，进入上位机监控软件进行监控，一切准备就绪后打开变频器电源，使系统开