過程控制實(shí)驗(yàn)報(bào)告材料

1、過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)學(xué) 院 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名機(jī)電工程學(xué)院*老 師韓保君第一節(jié) 一階單容水箱特性的測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握單容水箱的階躍響應(yīng)的測(cè)試方法，并記錄相應(yīng)液位的響應(yīng)曲線。2. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的液位階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法確定被測(cè)對(duì)象的特征參數(shù)T和傳遞函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. THJ-2型高級(jí)過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置2計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件3. 萬用電表一只三、實(shí)驗(yàn)原理看能調(diào)節(jié)器手動(dòng)at作量硝力驅(qū)動(dòng)泉電動(dòng)調(diào)節(jié)間圖21單容水箱特性測(cè)試結(jié)構(gòu)圖由圖2-1可知，對(duì)象的被控制量為水箱的液位H ,控制量（輸入量）是流入水箱中的流量Qi，手動(dòng)閥Vi和V2的開度都為定值，Q2為水箱 中流出的流量。根據(jù)物料平衡關(guān)系

2、，在平衡狀態(tài)時(shí)Qr-Qh二0（1）動(dòng)態(tài)時(shí)，則有dt式中V為水箱的貯水容積，dtdV為水貯存量的變化率，它與H的關(guān)系 為d 3,即子弓A為水箱的底面積。把式（3）代入式（2 ）得dr基于Rs為閥V2的液阻，則上式可改寫為 hdhQ1 二 A Rs dtAR. h二 dr或?qū)懽?5)式中T=ARs，它與水箱的底積A和V2的Rs有關(guān)；K=Rs。式(5)就是單容水箱的傳遞函數(shù)。若令Qi(S)=R0/S,Ro=常數(shù)，則式(5)可改為對(duì)上式取拉氏反變換得h(t)=KEc 仃-亡 “)(6)當(dāng)t > 乂時(shí)，h () =KRo，因而有K=h () /R0=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入當(dāng)t=T時(shí)，則有h(T)二K

3、R0(1-e-1)=0.632KR 0=0.632h(呵式(6 )表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖2-2所示。當(dāng)由實(shí)驗(yàn)求得圖2-2所示的階躍響應(yīng)曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，就是水箱的時(shí)間常數(shù)T。該時(shí)間常數(shù)T也可以通過 坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí) 間常數(shù)T,由響應(yīng)曲線求得K和T后，就能求得單容水箱的傳遞函數(shù)。 如果對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線為圖2-3，則在此曲線的拐點(diǎn)D處作一切線， 它與時(shí)間軸交于B點(diǎn)，與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于 A點(diǎn)。圖中0B即為 對(duì)象的滯后時(shí)間t, BC為對(duì)象的時(shí)間四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.按圖2-1接好實(shí)驗(yàn)線路，

4、并把閥Vi和V2開至某一開度，且使Vi的開度大于V2的開度。2 .接通總電源和相關(guān)的儀表電源，并啟動(dòng)磁力驅(qū)動(dòng)泵。3.把調(diào)節(jié)器設(shè)置于手動(dòng)操作位置，通過調(diào)節(jié)器增/減的操作改變其輸出量的大小，使水箱的液位處于某一平衡位置。4 .手動(dòng)操作調(diào)節(jié)器，使其輸出有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化（此 增量不宜過大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便離開原平衡 狀態(tài)，經(jīng)過一定的調(diào)節(jié)時(shí)間后，水箱的液位進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，如圖2-4所示。閭2-4單容箱特性響應(yīng)曲線5 .啟動(dòng)計(jì)算機(jī)記下水箱液位的歷史曲線和階躍響應(yīng)曲線。3單器上出越礦割CTwen tai五、數(shù)據(jù)處理(1)正向增量：首先設(shè)置輸出值為50%，使水箱系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)

5、穩(wěn)定的 狀態(tài)，然后再測(cè)量初始穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)，得到初始輸出值： 7.7929e001，時(shí)間77' 92。再調(diào)節(jié)手動(dòng)操作器，給一個(gè)正向的變 化，待其平衡穩(wěn)定，測(cè)量時(shí)間為正無窮對(duì)應(yīng)的參數(shù)，穩(wěn)態(tài)輸出：1.096e002，時(shí)間 109' 6所以，在T時(shí)間內(nèi)，液位變化量為兩個(gè)穩(wěn)態(tài)輸出的差值，經(jīng)計(jì)算結(jié)果為 57*0.632 = 36.024 ，對(duì)應(yīng) 0.632h。將結(jié)果繪制成下表：參數(shù)值液位h測(cè)量值KT正向輸入H4 7QOQO負(fù)向輸入0717 920. 16498881平均值0. 172184.5得到傳遞函數(shù)為：H(s)二K/(s+Ts)=0.1721心+84.5S)這次試驗(yàn)的注意事項(xiàng)有不

6、能任意改變閥門開度的大??；階躍信號(hào) 不能取得太大，否則會(huì)影響正常運(yùn)行，也不能太小，以防止對(duì)象特性 的不真實(shí)性；在輸入階躍信號(hào)前，過程必須處于平衡狀態(tài)。通過這次試驗(yàn)，我們明白了過程控制的相關(guān)思想也明白了思考和實(shí)踐相結(jié)合 的重要性，也更加注重團(tuán)隊(duì)合作能力。六、思考題1. 做本實(shí)驗(yàn)時(shí)，為什么不能任意改變出水口閥開度的大?。?答：因?yàn)槿绻婚_始進(jìn)水閥的開度 出水閥的開度，那么系統(tǒng)永遠(yuǎn)無 法達(dá)到平衡。同時(shí)出水閥也決定了液位達(dá)到設(shè)定值所需時(shí)間的長(zhǎng)短， 所以記錄數(shù)據(jù)前，應(yīng)先調(diào)好出水閥開度的大小，才能快速達(dá)到平衡。 任意改變出水閥開度大小會(huì)對(duì)響應(yīng)曲線造成干擾，從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果的 誤差變大。2 .用響應(yīng)曲線法確定

7、對(duì)象的數(shù)學(xué)模型時(shí)，其精度與那些因素有關(guān)？ 答：因?yàn)橄到y(tǒng)用到了儀表，因此與儀表的精度有關(guān)，同時(shí)與出水閥開 度的大小有關(guān)。并和放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T以及純滯后時(shí)間有關(guān)。第二節(jié)雙容水箱特性的測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉雙容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線。2. 根據(jù)由實(shí)際測(cè)得雙容液位的階躍響應(yīng)曲線，確定其傳遞函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. THJ-2型高級(jí)過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置2. 計(jì)算機(jī)、MCGS工控組態(tài)軟件、RS232/485 轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根3. 萬用表1只三、原理說明磁力驅(qū)動(dòng)泵智能調(diào)節(jié)器和手動(dòng)輸出電動(dòng)調(diào)節(jié)牌|Q1hl _Tq=S12-5雙容水箱對(duì)象特性結(jié)構(gòu)圖由圖2-5所示，被控對(duì)象由兩個(gè)水箱相串聯(lián)連

8、接，由于有兩個(gè)貯 水的容積，故稱其為雙容對(duì)象。被控制量是下水箱的液位，當(dāng)輸入 量有一階躍增量變化時(shí)，兩水箱的液位變化曲線如圖 2-6所示。由圖2-6可見，上水箱液位的響應(yīng)曲線 為一單調(diào)的指數(shù)函數(shù)(圖2-6 (a)，而下水箱液位的響應(yīng)曲線則呈 S形狀(圖2-6 (b)。顯然， 多了一個(gè)水箱，液位響應(yīng)就更加滯后。由S形曲線的拐點(diǎn)P處作一切線，它與時(shí)間軸的交點(diǎn)為 A，OA則表示了對(duì)象響應(yīng)的滯后時(shí)間。至于雙容對(duì)象兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)可按下述方法來確定。(1) h2 (t) |t=t1=0.4 h2( 呵時(shí)曲線上的點(diǎn)B和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1 ;(2) h (t) |t=t2=0.8 h2(時(shí)曲線上的點(diǎn)C和對(duì)

9、應(yīng)的時(shí)間t2 <然后，利用下面的近似公式計(jì)算式l _ 加 S)輸入穩(wěn)態(tài)值h -RoT1 + T2 P一階躍輸入董ti+b2.16(1.74 - 0.55)Z20.32 <t>/t2 <0, 46(T 1+ T2)2由上述兩式中解出T1和T2，于是求得雙容（二階）對(duì)象的傳遞函數(shù)為G 一（石3十1）（厶3十1）四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、接通總電源和相關(guān)儀表的電源。2、接好實(shí)驗(yàn)線路，打開手動(dòng)閥，并使它們的開度滿足下列關(guān)系：V1的開度V2的開度V3的開度3、把調(diào)節(jié)器設(shè)置于手動(dòng)位置，按調(diào)節(jié)器的增/減，改變其手動(dòng)輸出值, 使下水箱的液位處于某一平衡位置（一般為水箱的中間位置）。4、按調(diào)

10、節(jié)器的增/減按鈕，突增/減調(diào)節(jié)器的手動(dòng)輸出量，使下水箱的液位由原平衡狀態(tài)開始變化，經(jīng)過一定的調(diào)節(jié)時(shí)間后，液位h2進(jìn)入另一個(gè)平衡狀態(tài)。5、上述實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄h2的歷史曲線和在階躍擾動(dòng)后的響應(yīng)曲線6、把由計(jì)算機(jī)作用的實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行分析處理，并把結(jié)果填表入下表中:h L禍七上用1! '!* fR Rp*1*1* rl¥ IVR哉r?葉|引主寒厚出 TTF.3單器上出越礦割CTwen tai五、數(shù)據(jù)處理參數(shù)值液位hKT1T2測(cè)量值 正向輸入0.09785109120負(fù)向輸入0.13234864平均值0.115178.892G(s)=0.1151/(78.8s+1)(92S+1)參數(shù)經(jīng)過仔細(xì)的調(diào)整，最后達(dá)到了預(yù)期的效果。六、思考題1、在本實(shí)驗(yàn)中，為什么對(duì)出水閥不能任意改變其開度？如果實(shí)驗(yàn)條件中沒有水量大小，及水量是恒定的，肯定不能改變水流 大小，不然在其他外因發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)