第二节双容自衡水箱液位特性测试实验.docx

1、第二节 双容自衡水箱液位特性测试实验第二节 双容水箱特性的测试一、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；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（同前）三、原理说明图2-9 双容水箱对象特性测试系统(a)结构图 (b)方框图由图2-9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。根据本章第一节单容水箱特性测试的原理，可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，

2、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)= (2-9) 式中Kk1k2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。本实验中被测量为下水箱的液位，当中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图2-10所示。由图2-10可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图2-10 (a)）；而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图2-10 (b)），即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1-10和F1-11的开度大小密切相关。图2-10 双容水箱液位的阶跃响应曲线（a）中水箱液位 （b）下水箱液位双容对象两个惯性环节的时间常数可

3、按下述方法来确定。在图2-11所示的阶跃响应曲线上求取：(1) h2（t）|t=t1=0.4 h2()时曲线上的点B和对应的时间t1；(2) h2（t）|t=t2=0.8 h2()时曲线上的点C和对应的时间t2。图2-11 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 (2-10) (2-11) (2-12) 0.32t1/t20.46由上述两式中解出T1和T2，于是得到如式（2-9）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

4、数为：G（S）= (2-13) 四、实验内容与步骤本实验选择中水箱和下水箱串联作为被测对象（也可选择上水箱和中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求F1-10开度稍大于F1-11的开度），其余阀门均关闭。具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。（一）、智能仪表控制1将SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按

5、照本章第一节控制屏接线图2-3连接实验系统。将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相、单相空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。3打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验二、双容自衡水箱对象特性测试”，进入实验二的监控界面。4在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”输出，并将输出值设置为一个合适的值（一般为最大值的4070%，不宜过大，以免水箱中水溢出），此操作需通过调节仪表实现。5合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当

6、增加/减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。6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图2-13所示。图2-12 双容水箱液位阶跃响应曲线7根据前面记录的液位和仪表输出值，按公式（2-10）计算K值，再根据图2-11中的实验曲线求得T1、T2值，写出对象的传递函数。（二）、远程数据采集控制1将挂件SA-22远程数据采集模拟量输出模块

7、、SA-23远程数据采集模拟量输入模块挂到屏上，并将挂件上的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照本章第一节的控制屏接线图2-5连接实验系统。将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给智能采集模块及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相空气开关，给电动调节阀上电。3打开上位机MCGS组态环境，打开“远程数据采集系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验二、双容自衡水箱对象特性测试”，进入实验二的监控界面。4以下步骤请参考前面“（一）智能

8、仪表控制”的步骤47。（三）、DCS分布式控制1按照前一节的实验组成DCS控制系统，并按照本章第一节的控制屏接线图2-6连接实验系统。将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给现场总线I/O模块及压力变送器上电，打开主控单元电源。启动服务器程序，在工程师站的组态中选择“单回路控制系统”工程进行编译下装，然后重启服务器程序。3启动操作员站，打开主菜单，点击“实验二、双容自衡水箱对象特性测试”，进入实验二的监控界面。在流程图的液位测量值上点击鼠标左键，弹出PID窗口，将PID设为手动控制，手动调节输出为一适当的值。4按下启动按钮，合上单

9、相空气开关，给电动调节阀上电。5以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤57。（四）、S7-200PLC控制1将SA-42 S7-200PLC控制挂件挂到屏上，并用PC/PPI通讯电缆线将S7-200PLC连接到计算机串口2，并按照本章第一节的控制屏接线图2-7连接实验系统。将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相、空气开关，给S7-200PLC及电动调节阀上电。3打开Step 7-Micro/WIN 32软件，并打开“S7-200PLC”程序进行下载，然后将S7-200PLC置于运行状

10、态，然后运行MCGS组态环境，打开“S7-200PLC控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验二、双容自衡水箱对象特性测试”，进入实验二的监控界面。4以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤47。（五）、S7-300PLC控制1将挂件SA-41 S7-300PLC控制挂件挂到屏上，并用MPI通讯电缆线将S7-300PLC连接到计算机CP5611专用网卡，并按照本章第一节的控制屏接线图2-8连接实验系统。将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给S7-300PLC及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相空气

11、开关，给电动调节阀上电。3打开Step 7软件，打开“S7-300”程序进行下载，然后将S7-300PLC置于运行状态，然后运行WinCC组态软件，打开“S7-300PLC控制系统”工程，然后激活WinCC运行环境，在主菜单中点击“实验二、双容自衡水箱对象特性测试”，进入实验二的监控界面。4以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤47。五、实验报告要求1画出双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，分析并计算出双容水箱液位对象的参数及传递函数。3综合分析以上五种控制方案的实验效果。六、思考题1做本实验时，为什么不能任意改变两个出水阀门开度的大小？2用响应曲线法确定对

12、象的数学模型时，其精度与那些因素有关？3如果采用上水箱和中水箱做实验，其响应曲线与用中水箱和下水箱做实验的曲线有什么异同？并分析差异原因。4引起双容对象滞后的因素主要有哪些？第三节 锅炉内胆温度特性的测试一、实验目的1了解锅炉内胆温度特性测试系统的组成原理。2 掌握锅炉内胆温度特性的测试方法。二、实验设备（同前）三、实验原理图2-13 锅炉内胆温度特性测试系统(a)结构图 (b)方框图由图2-13可知，本实验的被测对象为锅炉内胆的水温，通过调节器“手动”输出，控制三相电加热管的端电压，从而达到控制锅炉内胆水温的目的。锅炉内胆水温的动态变化过程可用一阶常微分方程来描述，即其数学模型为一阶惯性环节

13、。可以采用两种方案对锅炉内胆的温度特性进行测试：（一） 锅炉夹套不加冷却水将锅炉内胆加适量水，手动操作调节器的输出，使三相可控硅调压模块的输出电压为80100V左右。此电压加在加热管两端，内胆中的水温因而逐渐上升。当内胆中的水温上升到某一值时，水的吸热和放热过程趋于平衡，从而使内胆中的水温达到某一值。（二） 锅炉夹套加冷却水当锅炉夹套中注满冷却水，这相当于改变了锅炉内胆环境的温度，使其散热作用增强。显然，要维持内胆原有的水温，则必须提高三相调压模块的输出电压，即增加调节器的输出值。四、实验内容与步骤本实验仅以智能仪表控制为例，其余几种控制方案可仿照智能仪表控制自行设计系统、组态和实验。1本实验

14、选择锅炉内胆水温作为被测对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F2-1、F2-6、F1-13全开，将锅炉出水阀门F2-12、F2-11关闭，其余阀门也关闭。将变频器的A、B、C三端连接到三相磁力驱动泵（220V），手动调节变频器频率，给锅炉内胆贮一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的红线位置），然后关闭阀F1-13，打开阀F1-12，为夹套供水作好准备。2将SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图2-14连接实验系统。图2-14 仪表控制锅炉内胆水温特性

15、测试接线图3打开上位机MCGS组态环境，按照MCGS使用手册中的组态方法和“智能仪表控制系统”的组态构思，并结合本实验的要求进行上位机监控界面的组态。4接通总电源空气开关和钥匙开关，按下启动按钮，合上单相空气开关，给智能仪表上电。5打开上位机MCGS组态环境，打开自己组态好的工程，然后进入MCGS运行环境，进入实验的监控界面。6在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”状态，并调节仪表输出值，使三相调压模块输出线电压为80100V左右。此操作也可通过调节仪表实现。7合上三相电源空气开关，三相电加热管通电加热，适当增加/减少智能仪表的输出量，使锅炉内胆的水温处于某一平衡状态。记录此时的仪表输出值

16、和温度值。8待水温平衡后，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，此增量过大可能导致系统无法平衡），于是内胆的水温便离开原平衡状态，经过一段时间后，内胆水温进入新的平衡状态，记录此时的仪表输出值和温度值，并观察温度的响应过程曲线。9将内胆中已加热的水通过出水阀放掉，重新注满冷水；并启动变频器以较小的频率往夹套中打冷却水,重复第68步，观察实验的过程曲线与前面不加冷水的过程有何不同。10根据前面记录的温度和仪表输出值，按公式（2-6）计算K值，再根据实验曲线求得T值，写出对象的传递函数。五、实验报告1根据实验数据及曲线，按本章第一节单容水箱特性测试的原

17、理及分析方法求得锅炉内胆温度的特性参数K、T、，写出其传递函数。2分析比较计算机在两种不同条件下所测得的内胆温度变化曲线。第四节 电动调节阀流量特性的测试一、实验目的1了解电动调节阀的结构与工作原理。2通过实验进一步了解电动调节阀的流量特性。二、实验设备（同前）三、实验原理电动调节阀包括执行机构和阀两个部分，它是过程控制系统中的一个重要执行元件。电动调节阀接受来自调节器的420mADC信号u，将其转换为相应的阀门开度l，以改变阀截流面积f的大小，从而改变流量。图2-15为电动调节阀与管道的连接图。图2-15 电动阀连接示意图调节阀的静态特性Kvdq/du，其中u是调节器输出的控制信号，q是被调

18、介质流过阀门的相对流量。调节阀的动态特性Gv(s)=Kv/(Tvs+1)，其中Tv为调节阀的时间常数，一般很小，可以忽略。但在如流量控制这样的快速过程中， Tv有时不能忽略。调节阀结构特性是指阀芯与阀座间节流面积与阀门开度之间的关系，通常有四种结构,即快开特性、直线特性、抛物线特性、等百分比特性。调节阀的流量特性，是指介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系，因为执行机构静态时输出l（阀门的相对开度）与u成比例关系，所以调节阀静态特性又称调节阀流量特性，即qf(l)。式中：qQ/Q100为相对流量，即调节阀某一开度流量Q与全开流量Q100之比；lL/L100相对开度，即调节阀某一开度行程

19、L与全行程L100之比。四、实验内容与步骤本实验仅以智能仪表控制为例，其余几种控制方案可仿照智能仪表控制自行设计系统、组态和实验。下图所示为实验结构图。图2-16 电动阀流量特性测试系统结构图1本实验选择电动调节阀流量作为被测对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8、F1-11全开，其余阀门全关闭。图2-17 仪表控制电动阀流量特性测试接线图2将SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照上面的控制屏接线图2-17连接实验系统。将“FT1电动阀支路流量

20、”钮子开关打到“ON”的位置。3打开上位机MCGS组态环境，仿照“智能仪表控制系统”工程再结合本实验的要求进行组态。4接通总电源空气开关和钥匙开关，按下启动按钮，合上单相、单相空气开关，给智能仪表及电动阀上电。5打开上位机MCGS组态环境，打开自己组态好的工程，然后进入MCGS运行环境，进入实验的监控界面。6将调节器置于“手动”状态，并依次调节其输出量的大小对应于电动阀开度的10%、20%、100%，分别记录不同开度l时通过流量计检测到的管道的流量Q。7由阀门开度l作横坐标，流量Q作纵坐标，画出Q=F（l）的曲线。五、实验报告1画出电动调节阀流量特性测试实验的结构框图。2根据实验得到的曲线，判别该电动阀的阀体是属于快开特性，等百分比特性还是慢开特性？