THPFSY2型双容水箱液位对象系统实验指导书(西门子)

THPFSY-1型双容水箱液位对象系统流的线性关系进展调整，以便得到更为准确的试验结果。Z、S电位器〔Z：调零；S：增益LT、LT2如以下图所示：试验一单容自衡水箱液位特性测试试验一、试验目的把握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线；K、T和传递函数；二、试验设备THPFSY-2型双容水箱液位对象系统一台装有STEP7-Micro/WIN32 编程软件的电脑一台S7-200PLC一台〔EM235模块〕PC/PPI下载电缆一根三、试验原理以下图所示为单容自衡水箱特性测试构造图及方框图。Q1V1F1-1Q1的Q4F1-3Q4。液位hQ1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是hQ1之间的数学表达式。依据动态物料平衡关系有dhQ1-Q4=A dt

(1-1)将式(2-1)表示为增量形式

dhdt

(1-2)分别为偏离某一平衡状态的增量；A——水箱截面积。在平衡时，Q=Qdh＝0；当Q

发生变化时，液位h随之变化，水箱出1 4 dt 1液位h与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似Q4h成正比关系，而与阀F1-2R成反比，即

h 或R=hR Q

(2-3)4式中：R——阀F1-3的阻力，称为液阻。学模型为W〔s〕＝H(s)＝ R = K

(2-4)0 Q1(s) RCs1 Ts1

s

T

x x Kx×0=K 0- 0s1 s s s1T T

h(t)=Kx0(1-e-t/T) (1-5)t—>∞时，h〔∞〕-h〔0〕=Kx0，因而有K=输出稳态值K=＝ (1-6)x 阶跃输入0t=T时，则有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h(∞) (1-7)式〔1-5〕表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如以下图T。也可OAA所对应的时间就是该TKT后，就能求得单容水箱的传递函数。单容水箱的阶跃响应曲线假设对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为上图〔b，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。OB即为对象的滞后时间τBCKesH(S)= (1-8)1Ts四、试验内容与步骤F1-1、F1-3开至适当开度，其他阀们全部关闭。即Q1为一个适宜的值，调整F1-1、F1-3使被控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。待被控水箱液位平衡后，突增〔或突减〕磁力驱动泵输出量的大小，使其输出有一个正〔或负〕阶跃增量的变化〔即阶跃干扰，此增量不宜过大，以液位进入的平衡状态，记录下此时的仪表输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如以下图所示。单容被控水箱液位阶跃响应曲线〔1-6〕计算KT值，写出对象的传递函数。五、试验报告要求画出单容水箱液位特性测试试验的构造框图。及传递函数。六、思考题做本试验时，为什么不能任意转变出水阀F1-3开度的大小？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？试验二双容自衡水箱液位特性测试试验一、试验目的把握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；依据由试验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T1、T2及传递函数；二、试验设备三、原理说明双容水箱对象特性测试系统构造方框图kkKkkG(s)=G1(s)G2(s)=Ts 2 (2-1)1 Ts1 (T1 2

s1)(T2

s1)K＝k1k2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。本试验中被测量为左水箱的液位，当右水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如以下图所示。此图中，右水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数S形曲线F1-2F1-4的开度大小亲热相关。图双容水箱液位的阶跃响应曲线〔a〕右水箱液位〔b〕左水箱液位跃响应曲线上求取：h2(∞)Bt1；h2(∞)Ct2。双容水箱液位的阶跃响应曲线然后，利用下面的近似公式计算式Kh

2()输入稳态值 (2-2)x 阶跃输入量OTTt1t2 (2-3)1 2 2.16TTT(TT)2

t10.55) (2-4)t1 2 20.32〈t1/t2〈0.46T1T2，于是得到如式〔2-1〕所示的传递函数。在转变相应的阀门开度后，对象可能消灭滞后特性，这时可由S形曲线的A，OA对应的时间即为对象响应的滞后时间。于是得到双容滞后〔二阶滞后〕对象的传递函数为：KG〔S〕=

(2-5)1 2四、试验内容与步骤F1-1全开，将左水箱进F1-2、左水箱出水阀门F1-4开至适当开度〔要求F1-2F1-4的开度，其余阀门均关闭。对磁力驱动泵的掌握端加一恒定电压值，磁力驱动泵的输出值即Q1为一个适宜的值，使左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。〔或突减〔或负〕阶跃增量的变化〔即阶跃干扰，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，经过一段时间后，水箱液位进入的平衡状态，记录下此时的仪表输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如以下图所示。图 双容水箱液位阶跃响应曲线依据前面记录的液位和仪表输出值，按公式〔2-2〕计算K值，再依据T1、T2值，写出对象的传递函数。第一节单回路掌握系统的概述一、单回路掌握系统的概述以下图为单回路掌握系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调整等优点，故在工业生产中已被广泛应用。单回路掌握系统方框图二、干扰对系统性能的影响干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。f干扰通道的放大系数K会影响干扰加在系统中的幅值。假设系统是有差系统，则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。ff假设干扰通道是一惯性环节，令时间常数为T，则阶跃扰动通过惯性环节ff后，其过渡过程的动态重量被滤波而幅值变小。即时间常数Tf

越大，则系统的动态偏差就愈小。τ值，但不会影响系统的调整质量。干扰进入系统中的不同位置。一样的。对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。扰动作用于不同位置的掌握系统三、掌握规律的选择PID掌握规律及其对系统掌握质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简洁归纳一下。比例(P)调整很快。由于比例调整只有一个参数，所以整定很便利。这种调整器的主要缺点是系统有静差存在。其传递函数为：1GC(s)=KP=

(3-1)KP为比例系数，δ为比例带。比例积分(PI)调整PI调整器就是利用PI调整消退残差，I调整会降低系统的稳定性，这种调整器在过程掌握中是应用最多的一种调节器。其传递函数为：G(s)=K

(1+1 )＝1(1+1

) (3-2)CTI为积分时间。比例微分(PD)调整

P Ts TsI I这种调整器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调整过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰力量较差，且微分过大，易导致PD调整器的传递函数为： G(s)=K(1+Ts)＝1(1+Ts) (3-3)C P D DTD为微分时间。比例积分微分(PID)调整器PID是常规调整器中性能最好的一种调整器。由于它具有各类调整器的优点，因而使系统具有更高的掌握质量。它的传递函数为G(s)=K(1+1 +Ts)＝1

(1+1 +Ts) (3-4)C P Ts D I

Ts DI减率的响应过程。各种掌握规律对应的响应过程四、调整器参数的整定方法照阅历表，求得调整器的相关参数。工程试验整定法有以下四种：〔一〕阅历法1 1数作进一步修正。假设需加微分作用，微分时间常数按TD=(3～4)TI计算。表：阅历法整定参数参 数δ(%)Tδ(%)TI(min)TD(min)温流压液度量力位20～6040～10030～7020～803～100.1～10.4～30.5～3(二)临界比例度法图3-4 具有周期TS的等幅振荡比例状况下，将比例度由大渐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图4：1衰减为目标。表：临界比例度法整定调整器参数调整器参数调整器名称

δ TI(S) TD(S)P2δkPI2.2δkTS/1.2PID1.6δk0.5TS在求取等幅振荡曲线时，应特别留意掌握阀消灭开、关的极端状态。〔三〕衰减曲线法〔阻尼振荡法〕4：1衰减曲线法图形在闭环系统中，先把调整器设置为纯比例作用，然后把比例度由大渐渐减4：1衰减过程为止。这时的比例度称为4：1衰减比例度，用δS表示之。相邻两波峰间的距。依据出调整器预整定的参数值。表：衰减曲线法计算公式

PPI

δ〔%〕δS1.2δS

TI(min)0.5TS

TD(min)PID 0.8δS 0.3TS 0.1TS〔四〕动态特性参数法所谓动态特性参数法，就是依据系统开环广义过程阶跃响应特性进展近似计算的方法，即依据其次章中对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数、、τ等，利用下表所示的阅历公式，就可计算出对应于衰减率为4：1〔4：1衰减〕就有难度，此时应承受动态特性参数法进展整定。表：阅历计算公式调整器参数调整器名称P

δ〔%〕 TI TDKT ×100%PI 1.1KT

×100%

3.3τPID 0.85K T

2τ 0.5τ其次节 单容水箱液位定值掌握系统一、试验目的了解单容液位定值掌握系统的构造与组成。把握单容液位定值掌握系统调整器参数的整定和投运方法。争论调整器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。P、PI、PDPID四种调整器分别对液位掌握的作用。二、试验设备THPFSY-2型双容水箱液位对象系统一台装有STEP7-Micro/WIN32 编程软件的电脑一台S7-200PLC一台〔EM235模块〕PC/PPI下载电缆一根三、试验原理单容水箱液位定值掌握系统PIPID掌握。理解S7PIDPID供给PID循环指令〔成比例、整数、导出循环〕进展PID计算。规律堆栈〔TO〕〔功率流〕PIDTBL07PIDPID〔即使它们的表格地址不同，PID输出、增益、样本时间、整数时间〔重设、导出时间〔速率〕以及整数和〔偏差〕的当前值及从前值。PIDCPU编译器将生成一则错误〔范围错误PID输入值进展范围检查。您必需保证程序变量和设置点〔以及作为输入的偏差和1.0PID到错误，将设置SM1.1〔溢出或非法数值〕PID〔对循环表中的输出数值的更可能不完整，因此您应当无视这些数值，并在执行下一个PID〕字节。偏移量域格式类型说明0PVn进程变量双字-实数入0.01.0范围内。4SPn定点双字-实数入0.01.0围内。8Mn输出双字-实数入/出0.01.0围内12Kc增益双字-实数入包含增益，此为比例常量，可为正数或负数。16Ts样本时间双字-实数入包含样本时间，以秒为单位，必须为正数。20Ti设双字-实数入包含积分时间或重设，以分钟为单位，必需为正数。24Td率双字-实数入单位，必需为正数。28Mx偏差双字-实数入/出0.01.0分和数值。32PVn-1量双字-实数入/出的进程变量以前的数值。在P,I,D准时的特点。比例系数越大，比例调整作用越强，系统的稳态精度越高调整器中的积分作用与当前误差的大小和误差的历史状况都有关系因此很少单独使用。〔稳定性〕可能有所改善，但是，消退稳态误差的速度减慢。〔即误差的微分干扰的力量下降CPU。四、试验内容与步骤F1-3开至适当开度依据以下图连接PLC与试验模型。启动程序PID掌握开头自动掌握水位。在系统自身掌握的过程中，记录液位的响应过程曲线。如以下图所示。待液位平衡后，通过以下方式施加干扰：〔1〕突增〔或突减〕设定值的大小，使其有一个正〔或负〕阶跃增量的变5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。参加干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调整时间后，水箱液位稳定至的设定值。记录此时的液位的响应过程曲线，如以下图所示。单容水箱液位的阶跃响应曲线分别适量转变PI4，记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。3～5记录不同掌握规律下系统的阶跃响应曲线。五、试验报告要求1．画出单容水箱液位定值掌握试验的构造框图。依据试验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。六、思考题1．转变比例度δTI对系统的性能产生什么影响？一、试验目的通过试验进一步了解双容水箱液位的特性。把握双容水箱液位掌握系统调整器参数的整定与投运方法。争论调整器相关参数的转变对系统动态性能的影响。争论P、PI、PD和PID四种调整器分别对液位系统的掌握作用。二、试验设备三、试验原理要求左水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT2检测到的左水箱液位信号作为反响信号，在与给定量比较后的差值通过调整器掌握电动调整阀的开度，以到达掌握左水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无PI或PID图所示。双容液位定值掌握系统构造方框图四、试验内容与步骤F1-1F1-F1-4开至适当开度〔F1-2其余阀门均关闭。具体试验内容与步骤可依据本试验的目的与原理参照前一节单容液位定值PLC五、试验报告要求1．画出双容水箱液位定值掌握试验的构造框图。依据试验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。比较不同PI参数对系统的性能产生的影响。六、思考题么异同？并分析差异缘由。δTI对系统的性能产生什么影响？为什么本试验比单容液位定值掌握系统更简洁引起振荡？要到达同样的动态性能指标，在本试验中调整器的比例度和积分时间常数要怎么设置？第一节串级掌握系统概述一、串级掌握系统的概述以下图是串级掌握系统的方框图。该系统有主、副两个掌握回路，主、副调整m2掌握执行器，以转变主参数C1。串级掌握系统方框图R-主参数的给定值； C1-被控的主参数； C2-副参数；f1(t)-作用在主对象上的扰动；f2(t)-作用在副对象上的扰动。二、串级掌握系统的特点此将有关结论再简洁归纳一下。改善了过程的动态特性；能准时抑制进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动力量；提高了系统的鲁棒性；具有肯定的自适应力量。三、主、副调整器掌握规律的选择在串级掌握系统中，主、副调整器所起的作用是不同的。主调整器起定值掌握作用，它的掌握任务是使主参数等于给定值〔无余差，故一般宜承受PI现主调整器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特别的要求，PPI调整器。四、主、副调整器正、反作用方式的选择积必需为正值。各环节的放大系数极性是这样规定的：当测量值增加，调整器的输出也增加，则调整器的放大系数c为负〔即正作用调整器c为正〔作用调整器v恒为正；当过程的输入增大时，即调整器开大，其输出也增大，则过程的放大系数K0为正，反之K0为负。五、串级掌握系统的整定方法在工程实践中，串级掌握系统常用的整定方法有以下三种：〔一〕再整定主调整器。依此类推，逐步靠近，直至满足质量指标要求为止。〔二〕整定的具体步骤为：器的比例度置于100%，然后用单回路掌握系统的衰减〔如4：1〕曲线法来2S整定副回路。登记相应的比例度δ2S和振荡周期T 。2S将副调整器的比例度置于所求得的δ2S1S的一个环节用同样方法整定主回路求取主回路的比例度δ1S和振荡周期T 。1S1S、2S依据求取的δ1S、T 和δ2S T 值，按单回路系统衰减曲线法整定公1S、2SI式计算主、副调整器的比例度δTTd的数值。I按“先副后主器的参数，再观看过渡过程曲线，必要时进展适当调整，直到过程的动态品质到达满足为止。〔三〕由于两步整定法要寻求两个4：1而对两步整定法做了简化，提出了一步整定法。所谓一步整定法，就是依据阅历先确定副调整器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反具体的整定步骤为：K02/δ2＝0.5这一关系022并将其设置在副调整器上。依据单回路掌握系统的任一种参数整定方法来整定主调整器的参数。转变给定值，观看被掌握量的响应曲线。依据主调整器放大系数K1和最正确。δ或增大积分其次节双容水箱液位串级掌握系统一、试验目的通过试验了解水箱液位串级掌握系统组成原理。把握水箱液位串级掌握系统调整器参数的整