THPFSY2型双容水箱液位对象系统实验指导书西门子.docx
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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
为了保证实验的正确性和精确性，在实验前要对实物模型的液位与输出电流的线性关系进行调节，以便得到更为精确的实验结果。
把液压传感器后盖打开，用一字螺丝刀分别调节Z、S电位器（Z：
调零；S：
增益），使左右水箱各自液位与相对应的LT1、LT2输出电流的线性关系均如下图所示：
实验一单容自衡水箱液位特性测试实验
一、实验目的
1．掌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；
2．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
1．THPFSY-2型双容水箱液位对象系统一台
2．装有STEP7-Micro/WIN32编程软件的电脑一台
3．西门子S7-200系列PLC一台（附带EM235模块）
4．PC/PPI下载电缆一根
5．实验导线若干
三、实验原理
所谓单容指只有一个贮蓄容器。
自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。
下图所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。
设被控水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度F1-1可以改变Q1的大小，被控水箱的流出量为Q4，改变出水阀F1-3的开度可以改变Q4。
液位h的变化反映了Q1与Q4不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。
若将Q1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h与Q1之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系有
Q1-Q4=A
（1-1）
将式（2-1）表示为增量形式
ΔQ1-ΔQ4=A
（1-2）
式中：
ΔQ1，ΔQ4，Δh——分别为偏离某一平衡状态的增量；
A——水箱截面积。
在平衡时，Q1=Q4，
＝0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出
口处的静压也随之变化，Q4也发生变化。
由流体力学可知，流体在紊流情况下，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，可近似认为Q4与h成正比关系，而与阀F1-2的阻力R成反比，即
ΔQ4=
或R=
（2-3）
式中：
R——阀F1-3的阻力，称为液阻。
将式（1-2）、式（1-3）经拉氏变换并消去中间变量Q4，即可得到单容水箱的数学模型为
W0（s）＝
＝
=
（2-4）
式中T为水箱的时间常数，T＝RC；K为放大系数，K＝R；C为水箱的容量系数。
若令Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=
，x0=常数，则式（1-4）可改写为
H（s）=
×
=K
-
对上式取拉氏反变换得
h（t）=Kx0（1-e-t/T）（1-5）
当t—>∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有
K=
＝
（1-6）
当t=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，如下图（a）所示，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。
也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数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。
单容水箱的阶跃响应曲线
如果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。
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：
H（S）=
（1-8）
四、实验内容与步骤
1．实验之前先将储水箱中贮足水量，将右水箱出水阀门F1-1、F1-3开至适当开度，其他阀们全部关闭。
2．对磁力驱动泵的控制端加一恒定电压值，使其输出值即Q1为一个合适的值，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。
3．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，水箱液位进入新的平衡状态，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下图所示。
单容被控水箱液位阶跃响应曲线
4．根据前面记录的液位值和仪表输出值，按公式（1-6）计算K值，再根据阶跃响应曲线图求得T值，写出对象的传递函数。
五、实验报告要求
1．画出单容水箱液位特性测试实验的结构框图。
2．根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出单容水箱液位对象的参数及传递函数。
六、思考题
1．做本实验时，为什么不能任意改变出水阀F1-3开度的大小？
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？
实验二双容自衡水箱液位特性测试实验
一、实验目的
1．掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；
2．根据由实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、实验设备
同单容自衡水箱液位特性测试实验
三、原理说明
双容水箱对象特性测试系统结构方框图
由上图所示，被测对象由两个不同容积的水箱相串联组成，故称其为双容对象。
自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。
双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：
G（s）=G1（s）G2（s）=
（2-1）
式中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。
本实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（a）；而左水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（b），即左水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1-2和F1-4的开度大小密切相关。
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
双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。
在下图所示的阶跃响应曲线上求取：
（1）h2（t）|t=t1=0.4h2（∞）时曲线上的点B和对应的时间t1；
（2）h2（t）|t=t2=0.8h2（∞）时曲线上的点C和对应的时间t2。
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
（2-2）
（2-3）
（2-4）
0.32〈t1/t2〈0.46
由上述两式中解出T1和T2，于是得到如式（2-1）所示的传递函数。
在改变相应的阀门开度后，对象可能出现滞后特性，这时可由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：
G（S）=
（2-5）
四、实验内容与步骤
1．实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1全开，将左水箱进水阀门F1-2、左水箱出水阀门F1-4开至适当开度（要求F1-2开度稍大于F1-4的开度），其余阀门均关闭。
2．对磁力驱动泵的控制端加一恒定电压值，磁力驱动泵的输出值即Q1为一个合适的值，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。
3．液位平衡后，突增（或突减）仪表输出量的大小，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，水箱液位进入新的平衡状态，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下图所示。
图双容水箱液位阶跃响应曲线
4．根据前面记录的液位和仪表输出值，按公式（2-2）计算K值，再根据图双容水箱液位阶跃响应曲线求得T1、T2值，写出对象的传递函数。
实验三单容水箱液位定值控制实验
第一节单回路控制系统的概述
一、单回路控制系统的概述
下图为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。
系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。
由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。
单回路控制系统方框图
二、干扰对系统性能的影响
1．干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。
干扰通道的放大系数Kf会影响干扰加在系统中的幅值。
若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。
如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为Tf，则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分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。
通常干扰通道中还会有纯滞后环节，它使被调参数的响应时间滞后一个τ值，但不会影响系统的调节质量。
2．干扰进入系统中的不同位置。
复杂的生产过程往往有多个干扰量，它们作用在系统的不同位置，如下图所示。
同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。
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控制系统
三、控制规律的选择
PID控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。
1．比例（P）调节
纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。
由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。
这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。
其传递函数为：
GC（s）=KP=
（3-1）
式中KP为比例系数，δ为比例带。
2．比例积分（PI）调节
PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。
其传递函数为：
GC（s）=KP（1+
）＝
（1+
）（3-2）
式中TI为积分时间。
3．比例微分（PD）调节
这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。
因此一般不用于流量和液位控制系统。
PD调节器的传递函数为：
GC（s）=KP（1+TDs）＝
（1+TDs）（3-3）
式中TD为微分时间。
4．比例积分微分（PID）调节器
PID是常规调节器中性能最好的一种调节器。
由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。
它的传递函数为
GC（s）=KP（1+
+TDs）＝
（1+
+TDs）（3-4）
下图表示了同一对象在相同阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。
各种控制规律对应的响应过程
四、调节器参数的整定方法
调节器参数的整定一般有两种方法：
一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。
工程实验整定法有以下四种：
（一）经验法
若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。
下表为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。
若需加微分作用，微分时间常数按TD=（
～
）TI计算。
表：
经验法整定参数
系统
参数
δ（%）
TI（min）
TD（min）
温度
20～60
3～10
0.5～3
流量
40～100
0.1～1
压力
30～70
0.4～3
液位
20～80
（二）临界比例度法
图3-4具有周期TS的等幅振荡
这种整定方法是在闭环情况下进行的。
设TI=∞，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图3-4所示。
根据临界比例度δk和振荡周期TS，按下表所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到4：
1衰减为目标。
表：
临界比例度法整定调节器参数
调节器参数
调节器名称
δ
TI（S）
TD（S）
P
2δk
PI
2.2δk
TS/1.2
PID
1.6δk
0.5TS
0.125TS
临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。
首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。
在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、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，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现上图所示的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。
相邻两波峰间的距离称为4：
1衰减周期TS。
根据δS和TS，运用下表所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。
表：
衰减曲线法计算公式
调节器参数
调节器名称
δ（%）
TI（min）
TD（min）
P
δS
PI
1.2δS
0.5TS
PID
0.8δS
0.3TS
0.1TS
（四）动态特性参数法
所谓动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据第二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（K、T、τ等），利用下表所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：
1时调节器的相关参数。
如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（4：
1衰减）就有难度，此时应采用动态特性参数法进行整定。
表：
经验计算公式
调节器参数
调节器名称
δ（%）
TI
TD
P
×100%
PI
1.1
×100%
3.3τ
PID
0.85
×100%
2τ
0.5τ
第二节单容水箱液位定值控制系统
一、实验目的
1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。
2．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。
3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。
4．了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。
二、实验设备
1．THPFSY-2型双容水箱液位对象系统一台
2．装有STEP7-Micro/WIN32编程软件的电脑一台
3．西门子S7-200系列PLC一台（附带EM235模块）
4．PC/PPI下载电缆一根
5．实验导线若干
三、实验原理
单容水箱液位定值控制系统
本实验系统结构图和方框图上图所示。
被控量为右水箱中液位高度，实验要求该水箱的液位稳定在给定值。
将压力传感器检测到的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电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。
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。
理解S7系列的PID功能指令
PID循环（PID）指令根据表格（TBL）中的输入和配置信息对引用LOOP执行PID循环计算。
提供PID循环指令（成比例、整数、导出循环）进行PID计算。
逻辑堆栈（TOS）顶值必须是“打开”（功率流）状态，才能启用PID计算。
本指令有两个操作数：
表示循环表起始地址的TBL地址和0至7常量的“循环”号码。
程序中可使用八条PID指令。
如果两条或多条PID指令使用相同的循环号码（即使它们的表格地址不同），PID计算会互相干扰，结果难以预料。
循环表存储九个参数，用于控制和监控循环运算，包括程序变量、设置点、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）的当前值及先前值。
如果循环表起始地址或指令中指定的PID循环号码操作数超出范围，CPU编译器将生成一则错误（范围错误），编译将会失败。
PID指令不对某些循环表输入值进行范围检查。
您必须保证程序变量和设置点（以及作为输入的偏差和先前程序变量）是0.0和1.0之间的实数。
如果进行PID计算的数学运算时遇到错误，将设置SM1.1（溢出或非法数值）并终止PID指令的执行。
（对循环表中的输出数值的更新可能不完整，因此您应当忽略这些数值，并在执行下一个循环PID指令之前纠正引起数学错误的输入值。
）
在PID指令框中输入的表格（TBL）起始地址为循环表分配三十六（36）个字节。
偏移量
域
格式
类型
说明
0
PVn
进程变量
双字-实数
入
包含进程变量，必须在0.0至1.0范围内。
4
SPn
定点
双字-实数
入
包含定点，必须在0.0至1.0范围内。
8
Mn
输出
双字-实数
入/出
包含计算输出，在0.0至1.0范围内
12
Kc
增益
双字-实数
入
包含增益，此为比例常量，可为正数或负数。
16
Ts
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。
20
Ti
积分时间或重设
双字-实数
入
包含积分时间或重设，以分钟为单位，必须为正数。
24
Td
微分时间或速率
双字-实数
入
包含微分时间或速率，以分钟为单位，必须为正数。
28
Mx
偏差
双字-实数
入/出
包含0.0和1.0之间的偏差或积分和数值。
32
PVn-1
以前的进程变量
双字-实数
入/出
包含最后一次执行PID指令存储的进程变量以前的数值。
在P,I,D这三种控制作用中，比例部分与误差部分信号在时间上时一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产生与误差成正比例的调节作用，具有调节及时的特点。
比例系数越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数的系统来说，比例系数过大，会使系统的输出振荡加剧，稳定性降低。
调节器中的积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化，因此，积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度。
但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性代来不良影响，因此很少单独使用。
积分时间常数增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，但是，消除稳态误差的速度减慢。
根据误差变化的速度（即误差的微分），微分部分提前给出较大的调节作用，微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部分具有预测的特点。
微分时间常数增大时，超调量减小，动态性能得到改善，但抑制高频干扰的能力下降。
如果微分时间常数过大，系统输出量在接近稳态值时上升缓慢。
采样时间按常规来说应越小越好，但是时间间隔过小时，会增加CPU的工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不易将此时间取的过小，另外，假如此项取比运算时间短的时间数值，则系统无法执行。
四、实验内容与步骤
1．实验之前先将储水箱中贮足水量，将水箱出水阀门F1-3开至适当开度，然后将阀门F1-1全开，其余阀门均关闭。
2．按照下图连接PLC与实验模型。
3．启动程序PID控制开始自动控制水位。
在系统自身控制的过程中，记录液位的响应过程曲线。
如下图所示。
4．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）阶跃增量的变化。
干扰要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。
加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值。
记录此时的液位的响应过程曲线，如下图所示。
单容水箱液位的阶跃响应曲线
5．分别适量改变P及I参数，重复步骤4，记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。
6．分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤3～5记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。
五、实验报告要求
1．画出单容水箱液位定值控制实验的结构框图。
3．根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。
4．比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。
5．分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。
六、思考题
1．改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？
实验四双容水箱液位定值控制实验
一、实验目的
1．通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。
2．掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3．研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。
4．研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。
5．掌握双容液位定值控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验设备
同单容水箱液位定值控制实验
三、实验原理
本实验以双水箱串联作为被控对象，左水箱的液位高度为系统的被控制量。
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馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制左水箱液位的目的。
为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。
本实验系统结构图和方框图如下图所示。
双容液位定值控制系统结构方框图
四、实验内容与步骤
实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1全开，将右水箱出水阀门F1-2、左水箱出水阀门F1-4开至适当开度（要求阀F1-2稍大于阀F1-4），其余阀门均关闭。
具体实验内容与步骤可根据本实验的目的与原理参照前一节单容液位定值控制中的相应方案进行。
实验的接线中PLC模拟量输入换接到LT2，其他不变。
五、实验报告要求
1．画出双容水箱液位定值控制实验的结构框图。
3．根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。
4．比较不同PI参数对系统的性能产生的影响。
5．分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实验系统的作用。
六、思考题
1．如果采用右水箱液位作为被控对象，其响应曲线与本实验的曲线有什么异同？
并分析差异原因。
2．改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？
3．为什么本实验比单容液位定值控制系统更容易引起振荡？
要达到同样的动态性能指标，在本实验中调节器的比例度和积分时间常数要怎么设置？
实验五双容水箱液位的串级控制实验
第一节串级控制系统概述
一、串级控制系统的概述
下图是串级控制系统的方框图。
该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。
串级控制系统方框图
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、串级控制系统的特点
串级控制系统及其副回路对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。
1．改善了过程的动态特性；
2．能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力；
3．提高了系统的鲁棒性；
4．具有一定的自适应能力。
三、主、副调节器
升级会员 