工程测试与控制实验指导书.docx
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工程测试与控制实验指导书
西南科技大学
《工程测试与控制》
实验指导书
制造科学与工程学院·实验中心
2008.2
目录
实验一 莫托曼机器人实习（2学时）1
一、实验目的1
二、实验仪器和设备1
三、实验简介1
四、实验步骤及内容（示教模式）4
五、实验报告4
六、预习要求5
七、注意事项5
八、思考题5
实验二 三相异步电动机点动和自锁控制线路（2学时）6
一、实验目的6
二、实验仪器和设备6
三、实验方法6
四、讨论题7
实验三 C620车床的电气控制线路（2学时）8
一、实验目的8
二、实验仪器和设备8
三、实验方法8
四、讨论题9
实验四 单容水箱液位特性测试实验（2学时）10
一、实验目的10
二、实验设备10
三、实验原理10
四、实验内容与步骤12
五、实验报告要求16
六、思考题16
附：
实验装置说明16
实验五双容水箱液位定值控制系统（2学时）20
一、实验目的20
二、实验设备20
三、实验原理20
四、实验步骤21
五、实验报告要求25
附：
单回路控制系统实验26
实验六智能风暴AS-UⅡ走正方形（2学时）30
一、实验目的30
二、实验设备30
三、实验简介30
四、实验步骤37
五、实验报告38
六、预习要求38
七、注意事项38
八、思考题38
实验七综合性设计型实验（6学时）39
一、实验目的39
二、基本原理39
三、实验原理39
四、实验步骤及内容39
五、实验报告39
六、预习要求39
实验八热电偶的温度效应（2学时）40
一、实验目的40
二、基本原理40
三、实验设备40
四、实验步骤40
附录42
实验二 三相异步电动机点动和自锁控制线路（2学时）
一、实验目的
1、通过对三相异步电动机点动控制和自锁控制线路的实际安装接线，掌握由电气原理图变换成安装接线图的知识。
2、通过实验进一步加深理解点动控制和自锁控制的特点以及在机床控制中的应用。
二、实验仪器和设备
1、实验设备
序号
型号
名称
数量
1
DJ24
三相鼠笼异步电动机（△/220V）
1件
2
D61
继电接触控制挂箱
（一）
1件
3
D62
继电接触控制挂箱
（二）
1件
2、屏上挂件排列顺序
D61、D62
三、实验方法
实验前要检查控制屏左侧端面上的调压器旋钮须在零位，下面“直流电机电源”的“电枢电源”开关及“励磁电源”开关须在“关”断位置。
开启“电源总开关”，按下启动按钮，旋转调压器旋钮将三相交流电源输出端U、V、W的线电压调到220V。
再按下控制屏上的“关”按钮以切断三相交流电源。
以后在实验接线之前都应如此。
三相异步电动机既可点动又可自锁控制线路：
按下控制屏上“关”按钮切断三相交流电源后，按图8-3接线，图中SB1、SB2、SB3、KM1、FR1选用D61挂件，Q1、FU1、FU2、FU3、FU4选用D62挂件，电机选用DJ24（△/220V），检查无误后通电实验：
（1）合上Q1接通三相交流220V电源；
（2）按下起动按钮SB2，松手后观察电机M是否继续运转；
（3）运转半分钟后按下SB3，然后松开，电机M是否停转；连续按下和松开SB3，观察此时属于什么控制状态；
（4）按下停止按钮SB1，松手后观察M是否停转。
图2-1既可点动又可自锁控制线路
四、讨论题
1、试分析什么叫点动，什么叫自锁，并比较图8-1和图8-2的结构和功能上有什么区别？
2、图中各个电器如Q1、FU1、FU2、FU3、FU4、KM1、FR、SB1、SB2、SB3各起什么作用？
3、图2-1电路能否对电动机实现过流、短路、欠压和失压保护？
4、画出图2-1的工作原理流程图。
实验三 C620车床的电气控制线路（2学时）
一、实验目的
1、通过对C620车床电气控制线路的接线，使学生真正掌握机床控制的原理。
2、使学生真正从书本走向实际，接触实际的机床控制。
二、实验仪器和设备
1、实验设备
序号
型号
名称
数量
1
DJ16
三相鼠笼异步电动机（△/220V）
1件
2
DJ24
三相鼠笼异步电动机（△/220V）
1件
3
D61
继电接触控制挂箱
（一）
1件
4
D62
继电接触控制挂箱
（二）
1件
2、屏上挂件排列顺序
D61、D62
三、实验方法
1、调节三相输出线电压220V，按下“关”按钮，按图2接线。
图中FR1、SB1、SB2、KM1、T、HL1、HL2选用D61挂件，Q1、Q2、Q3、FR2、FU1、FU2、FU3、FU4、EL选用D62挂件，电机M1用DJ16（Δ/220V），M2用DJ24（Δ/220V）。
接线完毕后，检查无误后，按以下步骤操作：
（1）启动控制屏，合上开关Q1，接通220V交流电源。
（2）按下SB1按钮，KM1通电吸合，主轴电动机M1起动运转。
（3）合上开关Q2，冷却泵电动机M2起动运转。
（4）按下SB2按钮，KM1线圈断电，主轴电动机M1断电停止运转，同时冷却泵电动机M2也停止运转。
（5）图中EL为机床工作灯，由开关Q3控制。
图3-1C620车床的电气控制线路
四、讨论题
1、试分析冷却泵电机为什么接在KM1下面。
2、分析C620车床控制线路具有什么保护？
实验四 单容水箱液位特性测试实验（2学时）
被控对象数学模型的建立通常采用下列二种方法。
一种是分析法，即根据过程的机理，物料或能量平衡关系求得它的数学模型；另一种是用实验的方法确定。
本装置采用实验方法通过被控对象对阶跃信号的响应来确定它的参数及数学模型。
由于此法较简单，因而在过程控制中得到了广泛地应用。
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，用相应方法确定被测对象特征参数K、T和传递函数；
3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验设备
1．实验对象及控制屏、计算机一台；
2．RS485/232通讯线一根，PC/PPI通讯电缆一根。
三、实验原理
1.一阶对象
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。
图4-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图。
1V2、1V10、V4、V5全开，设上水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，上水箱的流出量为Q2，改变出水阀V4的开度可以改变Q2。
液位h的变化反映了Q1与Q2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-Q2=A
／
（4-1）
将式（4-1）表示为增量形式
ΔQ1-ΔQ2=A
／
（4-2）
式中：
ΔQ1，ΔQ2，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=Q2，
／
＝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，Q2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Q2与h成正比关系，而与阀V4的阻力R成反比，即
ΔQ2=Δh/R或R=Δh/ΔQ2（4-3）
式中：
R——阀V4的阻力，称为液阻。
将式（4-2）、式（4-3）经拉氏变换并消去中间变量Q2，即可得到单容水箱的数学模型为
W0（s）=H（S）/Q1（S）＝
（4-4）
图4-1特性测试结构图
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/s，x0=常数，则式（4-4）可改写为
H（s）=
=
对上式取拉氏反变换得
h（t）=Kx0（1-e-t/T）（4-5）
当t—>∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有
K=
=
（4-6）
当t=T时，则有
h（T）=Kx0（1-e-1）=0.632Kx0=0.632h（∞）（4-7）
式（4-5）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图4-2（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。
一阶加纯滞后的对象：
如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图4-2（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）=
（4-8）
图4-2单容水箱的阶跃响应曲线
3.二阶或高阶对象用一阶加纯滞后的方法在阶跃响应的拐点（即斜率的最大处）作一切线并与时间坐标轴交与C点，则OC段的值即为纯滞后时间τ，而与CB段的值即为时间常数T。
4．放大倍数K的求取
（4-9）
式中ΔX——调节器输出电流的变化量、mA
Xmax——调节器输出电流的上限值、mA
Xmin——调节器输出电流的下限值、mA
ΔY——液位的变化量、mm
Ymax——液位的上限值、mm
Ymin——液位的下限值、mm
例：
实验中调节器输出电流由8mA增加到12mA
ΔX=12-8=4Ma
ΔX/（Xmax-Xmin）=4/（20-4）=0.25
ΔY/（Ymax-Ymin）=0.4
则：
K=0.4/0.25=1.6
5、实验中应注意的问题
（1）测试前系统处于正常的工作状态（平衡状态），反应曲线的出始点应是输入信号的开始作阶跃信号的瞬间，这一段时间必须在记录纸上标出，以便推算纯滞后时间τ。
测试与记录工作必须持续到输出参数达到新的稳态值。
（2）每次实验应在相同的条件下进行两次以上。
只有在所测试数据相同时方为合格。
（3）为了进行线性校验，可作正、负两种干扰进行比较，也可作不同扰动量的实验。
四、实验内容与步骤
（一）DDC控制
1、了解实验装置中的对象，流程图如下图所示。
图4-3上水箱单容特性测试实验流程图
2、按附图上水箱单容特性测试实验接线图接好实验导线和通讯线。
图4-4上水箱单容特性测试接线图
3、将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。
4、将手动阀门1V1、1V10、V4、V5打开，其余阀门全部关闭。
5、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开直流电压和DDC控制单元电源。
6、在控制板上打开水泵1、电动调节阀。
7、在信号板上打开电动调节阀输入信号、上水箱输出信号。
8、打开计算机上的MCGS运行环境，选择系统管理菜单中的用户登录，登录用户。
9、选择特性实验的上水箱单容特性实验。
10、选择手动控制方式。
11、设置阀门开度值，使上水箱液位处于某一平衡位置，记下此时的阀门开度值。
12、增大（减小）阀门开度值，使系统输入幅值适宜的阶跃信号（阶跃信号不要太大，估计上水箱水不要溢出），这时系统输出也有一个变化的信号，使系统在较高液位也能达到平衡状态。
13、观察计算机上的实时曲线和历史曲线，直至达到新的平衡为止。
14、曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果于表4-3中。
表4-3阶跃响应曲线数据处理记录表
参数值
测量情况
低液位
高液位
K1
T1
τ1
K2
T2
τ2
输入
平均值
15、根据前面记录的液位值和电流值，按公式（4-9）计算K值，再根据图4-2中的实验曲线求得T值，写出对象得传递函数。
（二）PLC控制
1、了解实验装置中的对象，流程图如图4-5所示。
图4-5上水箱单容特性测试实验流程图
2、按附图上水箱单容特性测试实验接线图接好实验导线和通讯线。
3、将PLC上的通讯口用PC/PPI电缆与上位机连接。
4、将手动阀门1V1、1V10、V4、V5打开，其余阀门全部关闭。
5、先打开实验对象系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开PLC控制单元电源。
6、在控制板上打开水泵1、电动调节阀。
图4-6上水箱单容特性测试接线图
7、在信号板上打开电动调节阀输入信号、上水箱输出信号。
8、打开计算机上的MCGS运行环境，选择系统管理菜单中的用户登录，登录用户。
9、选择特性实验的上水箱单容特性实验。
10、选择手动控制方式。
11、设置阀门开度值，使上水箱液位处于某一平衡位置，记下此时的阀门开度值。
12、增大（减小）阀门开度值，使系统输入幅值适宜的阶跃信号（阶跃信号不要太大，估计上水箱水不要溢出），这时系统输出也有一个变化的信号，使系统在较高液位也能达到平衡状态。
13、观察计算机上的实时曲线和历史曲线，直至达到新的平衡为止。
14、曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果于表中。
表4-4阶跃响应曲线数据处理记录表
参数值
测量情况
低液位
高液位
K1
T1
τ1
K2
T2
τ2
输入
平均值
15、根据前面记录的液位值和电流值，按公式（4-9）计算K值，再根据图4-2中的实验曲线求得T值，写出对象得传递函数。
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V4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？
附：
实验装置说明
1系统概述
“PCS—B型过控综合实验系统”是由实验控制装置、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。
本装置结合了当今工业现场过程控制的实际，是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。
该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。
本装置还可根据用户的需要设计构成AI智能仪表，PLC可编程控制，FCS现场总线控制等多种控制系统，它既可作为本科，专科，高职过程控制课程的实验装置，也可为教师、研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供一个物理模拟对象和实验平台。
学生通过本实验装置进行综合实验后可掌握以下内容：
（1）传感器特性的认识和零点迁移；
（2）自动化仪表的初步使用；
（3）变频器的基本原理和初步使用；
（4）电动调节阀的调节特性和原理；
（5）测定被控对象特性的方法；
（6）单回路控制系统的参数整定；
（7）串级控制系统的参数整定；
（8）复杂控制回路系统的参数整定；
（9）控制参数对控制系统的品质指标的要求；
（10）控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力培养；
（11）各种控制方案的生成过程及控制算法程序的编制方法。
2PCS—B型过控综合自动化控制系统对象
实验对象总貌图如图1-1所示。
本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。
供水系统有两路：
一路由增压泵、电动调节阀、涡轮流量计及电动调节阀组成；另一路由变频器、磁力驱动泵、涡轮流量计及手动调节阀组成。
（一）被控对象
由不锈钢储水箱、（上、下）三个串接有机玻璃水箱、三相电加热模拟锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成）、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。
（1）水箱：
包括上水箱、下水箱和储水箱。
上、下水箱采用优质有机玻璃，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。
水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。
上、下水箱可以组合成一阶、二阶单回路液位控制系统和双闭环液位串级控制系统。
储水箱由不锈钢板制成，能满足上、下水箱的实验供水需要。
（2）模拟锅炉：
是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和和冷却层（锅炉夹套），可利用它进行温度实验。
做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。
冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。
图1-1实验对象总貌图
（3）管道及阀门：
整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。
（二）检测装置
（1）压力传感器、变送器：
三个压力传感器分别用来对上、下两个水箱的液位进行检测，其量程为0～5KP，精度为0.5级。
输出：
4～20mADC。
（2）温度传感器：
装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。
经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号。
（3）流量传感器、变送器：
三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。
输出：
4～20mADC。
（三）执行机构
（1）电动调节阀：
采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。
电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号。
（2）水泵：
本装置采用一台磁力驱动泵、一台增压泵，磁力泵电机是三相三角形接法（三相220V供电），另一只为220V输出驱动。
（3）电磁阀：
在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。
（4）三相电加热管：
由三根1.5KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温。
3PCS-B型过控综合自动化控制系统实验平台
“PCS-B型过控综合自动化控制系统实验平台”主要由智能仪表控制组件、计算机直接控制组件、PLC控制组件等几部分组成。
（一）智能仪表控制组件
（1）AI智能调节仪表挂件
采用上海虹润仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，仪表为PID控制型，输出为4～20mADC信号；仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。
（2）PLC控制组件
本装置采用了FX系列PLC控制系统。
FX1N系列PLC有13个基本单元，可以组成14～128个I/O点的系统，并能使用特殊功能模块、显示模块和扩展板。
用户存储器的容量为8000步，有内置的实时钟。
4软件介绍
（一）MCGS组态软件
本装置中智能仪表控制方案、FX1NPLC控制方案均采用了北京昆仑公司的MCGS组态软件作为上位机监控组态软件。
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows95/98/NT/2000等操作系统。
MCGS5.5为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。
有关MCGS软件的使用请参考配套的手册及光盘。
（二）三菱FX系列PLC编程软件
本装置中PLC控制方案采用了日本三菱公司的FX1N，它采用的是FXGP WIN-C编程软件。
利用这个软件可以对相应的PLC进行编程、调试、下装、诊断。
有关软件使用请参考光盘中相应的内容。
5实验要求及安全操作规程
（一）实验前的准备
实验前应复习教科书有关章节，认真研读实验指导书，了解实验目的、项目、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题，并按实验项目准备记录等。
实验前应了解实验装置中的对象、水泵、变频器和所用控制组件的名称、作用及其所在位置。
以便于在实验中对它们进行操作和观察。
熟悉实验装置面板图，要求做到：
由面板上的图形、文字符号能准确找到该设备的实际位置。
熟悉工艺管道结构、每个手动阀门的位置及其作用。
（二）实验安全操作规程
（1）实验之前确保所有电源开关均处于“关”的位置。
（2）接线或拆线必须在切断电源的情况下进行，接线时要注意电源极性。
完成接线后，正式投入运行之前，应严格检查安装、接线是否正确，并请指导老师确认无误后，方能通电。
（3）在投运之前，请先检查管道及阀门是否已按实验指导书的要求打开，储水箱中是否充水至三分之二以上，以保证磁力驱动泵中充满水，磁力驱动泵无水空转易造成水泵损坏。
（4）在进行温度试验前，请先检查锅炉内胆内水位，至少保证水位超过液位指示玻璃管上面的红线位置，无水空烧易造成电加热管烧坏。
（5）本装置的B型、C型、D型有二路循环供水系统，A型为一路供水：
a．水路系统1：
是静音增压泵、智能电动调节阀、涡轮流量计等组成。
适用A、B、C、D型装置。
b．水路系统2：
是磁力泵、变频器、涡轮流量计等组成。
适用B、C、D型装置，A型无此水路。
磁力泵电机是三相三角形接法（三相220V供电）。
电源由变频器的三相输出端（三相220VAC）U、V、W供电。
不能将三相磁力泵直接使用市电，否则烧坏电机。
（6）在PCS变频器单元模块面板上，标记有“输入220VAC”端子和“输出U、V、W”端子，在使用时，万不可出错，否则，变频器烧坏；变频器内部有容量较大的电容器，断电后，放电约需4-5分钟。
因此，断电后变频器的指示灯仍亮一段时间，在此期间，不能人身触及，防止电击伤。
（
实验六智能风暴AS-UⅡ走正方形（2学时）
一、实验目的
1．了解智能风暴AS-UⅡ的基本知识；
2．掌握智能风暴AS-UⅡ实验的准备工作；
3．了解智能风暴AS-UⅡ的内部结构；
4．掌握VJC1.5软件编程实现机器人运动；
5．掌握智能风暴AS-UⅡ走正方形的设计、调试及实现。
二、实验设备
1．通过对节流阀进、回、旁三种调速回路的实验，得出它们的调速回路特性曲线，并分析比较它们的调速性能（速度－负载特性和功率特性）。
2．通过本实验，综合掌握设计液压回路的基本方法。
三、实验简介
上海广茂达伙伴机器人有限公司研制的智能机器人在机械创意设计训练及三维空间智能训练与动手能力训练等方面处于世界领先的地位，与可视化编程软件VJC一起构成了理想的教育平台，采用项目导向的形式，学生通过自己动手，能对机械、电子、控制、软件等多学科知识的直观体验，同时也激发学习兴趣。
1．取出机器人
打开包装箱，里面有：
能力风暴机器人一台，串口通信线一根，AS-DIY配件一包，VJC1.5开发光盘一张，充电器一只。
小心地拿出机器人，放在桌子上。
机器人下部的碰撞环是柔性部件，拿的时候要小心，尽量不要接触碰撞环。
拿机器人的姿势如图1（a）所示。
图1（b）的拿法要避免，否则会使碰撞传感器失灵。
图1（a）图1（b）
方式（a）：
正确的拿法
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