现控实验报告.docx
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现控实验报告
实验一单容水箱特性的测试
一、实验目的
1.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。
2.根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。
二、实验设备
1.THJ-2型高级过程控制系统实验装置
2.计算机及相关软件
3.万用电表一只
三、实验原理
图1-1单容水箱特性测试结构图
由图1-1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，手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。
根据物料平衡关系，在平衡状态时
Q10-Q20=0
（1）
动态时，则有
Q1-Q2=dV/dt
（2）
式中V为水箱的贮水容积，dV/dt为水贮存量的变化率，它与H的关系为
dV=Adh，即
（3）
A为水箱的底面积。
把式（3）代入式
（2）得
Q1-Q2=
（4）
基于Q2=
，RS为阀V2的液阻，则上式可改写为
Q1-
=AdV/dt
即
ARS
+h=KQ1
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Q1（S）=
，R0=常数，则式（5）可改为K
H（S）=
对上式取拉氏反变换得
h（t）=KR0（1-e-t/T）（6）
当t—>∞时，h（∞）=KR0，因而有
K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入
当t=T时，则有
h（T）=KR0（1-e-1）=0.632KR0=0.632h（∞）
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1-2所示。
当由实验求得图1-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%
图1-2单容水箱的单调上升指数曲线
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。
如果对象的阶跃响应曲线为图1-3，则在此曲线的拐点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）=
图1-3单容水箱的阶跃响应曲线
四、实验内容与步骤
1．按图1-1接好实验线路，并把阀V1和V2开至某一开度，且使V1的开度大于V2的开度。
2．接通总电源和相关的仪表电源，并启动磁力驱动泵。
3．把调节器设置于手动操作位置，通过调节器增/减的操作改变其输出量的大小，使水箱的液位处于某一平衡位置。
4．手动操作调节器，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（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，如图1-4所示。
图1-4单容箱特性响应曲线
5．启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。
6．把由实验曲线所得的结果填入下表。
参数值
测量值
液位h
K
T
τ
正向输入
32
10min
0
负向输入
30
12min
30秒
平均值
31
11min
15秒
五、实验分析
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
1．做本实验时，为什么不能任意改变出水口阀开度的大小？
答：
由公式
（1）Q10-Q20=0和公式
（2）Q1-Q2=dV/dt知，如果任意改变阀口的大小则可能导致流入水箱中的流量Q1小于水箱中流出的流量Q2，这会导致水箱中的水量为零，系统不稳定等，是不合理的。
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？
实验二上水箱（中水箱或下水箱）液位定值控制系统
一、实验目的
1．了解单闭环液位控制系统的结构与组成。
2．掌握单闭环液位控制系统调节器参数的整定。
3．研究调节器相关参数的变化对系统动态性能的影响。
二、实验设备
1．THJ-2型高级过程控制系统装置
2．计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根
3．万用表1只
三、实验原理
本实验系统的被控对象为上水箱，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，它要求被控制量上水箱的液位在稳态时等于给定值。
由
图2-1上水箱液位定值控制结构图
反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。
图2-1为本实验系统的结构图，图2-2为控制系统的方框图。
为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下无静差，系统的调节器应为PI或PID。
图2-2上水箱液位定值控制方框图
四、实验内容与步骤
1．按图2-1要求，完成系统的接线。
2．接通总电源和相关仪表的电源。
3．打开阀F1-1、F1-2、F1-6和F1-9，且把F1-9控制在适当的开度。
4．选用单回路控制系统实验中所述的某种调节器参数的整定方法整定好调节器的相关参数。
5．设置好系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，使电动调节阀给上水箱打水，待其液位达到给定量所要求的值，且基本稳定不变时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。
6．启动计算机，运行MCGS组态软件软件，并进行下列实验：
1）当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增加5%～15%），观察并记录系统的输出响应曲线。
2）待系统进入稳态后，适量改变阀F1-6的开度，以作为系统的扰动，观察并记录在阶跃扰动作用下液位的变化过程。
7．适量改变PI的参数，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。
P=30，I=60，D=0时，测试结果
P=30，I=0，D=0时，测试结果
P=20，I=40，D=30时，测试结果
五、实验分析
1．用实验方法确定调节器的相关参数。
2．列表记录，在上述参数下求得阶跃响应的动、静态性能指标。
3．列表记录，在上述参数下求得系统在阶跃扰动作用下响应曲线的动、静态性能指标。
4．变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？
实验三单闭环流量比值控制系统
一、实验目的
1、了解单闭环比值控制系统的原理与结构组成。
2、掌握比值系数的计算。
3、掌握比值控制系统的参数整定与投运。
二、实验设备
1、THJ-2型高级过程控制实验装置
2、计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根
3、万用表1只
三、系统结构框图
图3-1单闭环流量比值控制系统结构图
四、实验原理
在工业生产过程中,往往需要几种物料以一定的比例混合参加化学反应。
如果比例失调，则会导致产品质量的降低、原料的浪费，严重时还发生事故。
例如在造纸工业生产过程中，为了保证纸浆的浓度，必须自动地控制纸浆量和水量按一定的比例混合。
这种用来实现两个或两个以上参数之间保持一定比值关系的过程控制系统，均称为比值控制系统。
本实验是流量比值控制系统。
其实验系统结构图如图6-1所示。
该系统中有两条支路，一路是来自于电动阀支路的流量Q1，它是一个主动量；另一路是来自于变频器—磁力泵支路的流量Q2，它是系统的从动量。
要求从动量Q2能跟随主动量Q1的变化而变化，而且两者间保持一个定值的比例关系，即Q2/Q1=K。
图3-2单闭环流量比值控制系统方框图
图3-2为单闭环流量比值控制系统的方框图。
由图可知，主控流量Q1经流量变送器后为I1（实际中已转化为电压值,若用电压值除以250Ω则为电流值,其它算法一样），如设比值器的比值为K，则流量单闭环系统的给定量为KI1。
如果系统采用PI调节器，则在稳态时，从动流量Q2经变送器的输出为I2，不难看出，KI1=I2。
五、比值系数的计算
设流量变送器的输出电流与输入流量间成线性关系，当流量Q由0→Qmax变化时，相应变送器的输出电流为4→20mA。
由此可知，任一瞬时主动流量Q1和从动流量Q2所对应变送器的输出电流分别为
I1=
（1）
I2=
（2）
式中Q1max和Q2max分别为Q1和Q2最大流量值。
设工艺要求Q2/Q1=K，则式
（1）可改写为
Q1=
（3）
同理式
（2）也可改写为
Q2=
（4）
于是求得
（5）
折算成仪表的比值系数K′为:
K′=K
（6）
六、实验内容与步骤
1、按图3-1所示的实验结构图组成一个为图3-2所要求的单闭环流量比值控制系统。
2、确定Q2与Q1的比值K，并测定Q1max和Q2max，按式（6）计算比值器的比例系数K′（实验中可把电压转化为电流再计算）。
3、完成实验系统的接线，并把图3-1所示中的阀F1-1，F1-2、F1-8和F2-1，F2-5打开（若两套动力支路的流量太大,还可把通向锅炉的进水阀打开）。
4、经确认所有连接线无误后，接通总电源和相关仪表的电源。
5、另选一只调节器设置为手动输出，并设定在某一数值，以控制电动调节阀支路的流量Q1。
6、PI调节器WC的参数整定，按单回路的整定方法进行。
实验时将控制变频器支路流量的调节器（CF=8，即外部给定）先设置为手动，待系统接近于给定值时再把手动切换为自动运行。
7、打开电脑中的MCGS组态工程进入相应的实验，记录下实验实时（历史）曲线及各项参数。
8、等系统的从动流量Q2趋于不变时（系统进入稳态），适量改变主动流量Q1的大小，然后观察并记录从动流量Q2的变化过程。
9、改变比值器的比例系数K′，观察从动流量Q2的变化，并记录相应的动态曲线。
初始状态
副流量扰动态
突减状态
突增状态
七、实验分析
1、根据实验系统的结构图，画出它的方框图。
2、根据实验要求，实测比值器的比值系数，并与设计值进行比较。
设计值K
实测值K
3、列表表示主控量Q1变化与从动量Q2之间的关系。
流量值
Q1与Q2之间的关系
主控量Q1
从动量Q2
八、思考题
1、如果Q1（t）是一斜坡信号，试问在这种情况下Q1与Q2还能保持原比值关系？
2、试根据工程比值系数确定仪表比值系数？
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