过控实验

实验一：一阶单容上水箱对象特性测试实验一、实验目的1）、熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

2）、根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。

二、实验设备AE2000A型过程控制实验装置，万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。

三、系统结构框图单容水箱如图2-1-1所示：图2-1-1单容水箱系统结构图四、实验原理阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。

同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。

图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。

单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。

如图2-1-1所示，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。

根据物料动态平衡的关系，求得：（2-1-1）在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：（2-1-2）式中，T为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R2*C，K=R 2为过程的放大倍数，R 2为V 2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。

令输入流量Q 1（S ）=R 0/S ，R 0为常量，则输出液位的高度为：（2-1-3）即h(t)=KR 0(1-e -t/T )（2-1-4）当t →∞时，h （∞）=KR 0；当t=T 时，则有：h(T)=KR 0(1-e -1)=0.632KR 0=0.632h(∞)因而有K=h （∞）/R 0=输出稳态值/阶跃输入（2-1-5）式（2-1-2）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2-1-2所示。

当由实验求得图2-1-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应时间，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 ，其理论依据是：0000()()tT t t dh t KR KR h e dtTT T-==∞===（2-1-6）h1( t ) h1(∞ ) 0.63h1(∞)0 T图2-1-2 阶跃响应曲线五、实验内容和步骤 1．设备的连接和检查1) 检查电源开关是否关闭。

2) 关闭阀22，将AE2000A 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。

3) 打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门：阀1、阀4、阀6，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门：阀2、阀10、阀17、阀20。

4) 打开上水箱的出水阀8至适当开度。

2. 系统连线1) 电源控制板上的三相电源、单相Ⅰ的空气开关、单相泵电源开关在关的位置。

2) 电动调节阀的～220V 电源开关打在关的位置。

3) 智能调节仪的～220V电源开关打在关的位置。

4) 如图2-1-3所示：将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到OFF位置。

5) 将上水箱液位＋（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV的＋极），上水箱液位－（负极）接到智能调节仪的2端（即RSV的负极）。

6) 将智能调节仪的4～20mA输出端的7端（即＋极）接至电动调节阀的4～20mA输入端的＋端（即正极），将智能调节仪的4～20mA输出端的5端（即－极）接至电动调节阀的4～20mA输入端的－（即负极）。

图2-1-3实验接线图3．启动实验装置1) 将实验装置电源插头2接到380V的三相交流电源。

2) 打开电源三相带漏电保护空气开关,电压表指示380V。

3) 打开总电源钥匙开关，按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源。

4．实验步骤1) 开启单相Ⅰ空气开关，根据仪表使用说明书和液位传感器使用说明调整好仪表各项参数，仪表输出方式设为手动输出，初始值为0。

2) 启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验如图2-1-4所示：3) 双击设定输出按钮，进行设定输出值的大小，或者在仪表手动状态下，按住仪表的STOP键将仪表的输出值上升到所想设定的值，这个值根据阀门开度的大小来给定，一般初次设定值<25。

开启单相泵电源开关，启动动力支路。

将被控参数液位高度控制在20%处（一般为7cm）。

图2-1-4实验软件界面4) 观察系统的被调量：上水箱的水位是否趋于平衡状态。

若已平衡，应记录调节仪输出值，以及水箱水位的高度h1和智能仪表的测量显示值并填入表2-1-1。

表2-1-15) 迅速增加仪表手动输出值，增加5%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，填入表2-1-2。

可在上位软件上获得，以此数据绘制变化曲线。

表2-1-26) 直到进入新的平衡状态。

再次记录平衡时的下列数据，并填入表2-1-3：表2-1-37) 将仪表输出值调回到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。

填入表2-1-4：表2-1-48) 重复上述实验步骤。

六、实验报告要求1) 推导式（2-1-1）。

2) 作出一阶环节的阶跃响应曲线。

3) 根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。

七、注意事项1) 做本实验过程中，阀8不得任意改变开度大小。

2) 阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。

一般阶跃信号取正常输入信号的5%～15%。

3) 在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。

八、思考题1) 在做本实验时，为什么不能任意变化阀8的开度大小？2) 用两点法和切线法对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点?3) 实验中仪表测量值的误差对参数计算结果有无影响？请述理由。

实验二：二阶双容下水箱对象特性测试实验一、实验目的1)、熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

2）、根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的飞升特性。

二、实验设备AE2000A 型过程控制实验装置，上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。

三、原理说明图2-2-1双容水箱系统结构图如图2-2-1所示：这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，被调量是第二水槽的水位h 2。

当输入量有一个阶跃增加∆Q 1时，被调量变化的反应曲线如图2-2-2所示的∆h 2曲线。

它不再是简单的指数曲线，而是呈S 形的一条曲线。

由于多了一个容器,就使调节对象的飞升特性在时间上更加落后一步。

在图中S 形曲线的拐点P 上作切线，它在时间轴上截出一段时间OA 。

这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此称容量滞后，通常以τC 代表之。

设流量Q 1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度h 2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：2112()()* ()(*1)(*1)sH S K G S Q S T S T S e τ-==++(2-2-1)式中 K=R 3，T 1=R 2C 1，T 2=R 3C 2，R 2、R 3分别为阀V 2和V 3的液阻，C 1和C 2分别为上水箱和下水箱的容量系数。

由式中的K 、T 1和T 2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。

具体的做法是在图2-2-3所示的阶跃响应曲线上取：图2-2-2变化曲线图2-2-3阶跃响应曲线1) h 2（t ）稳态值的渐近线h 2(∞)；2) h 2（t ）|t=t1=0.4 h 2(∞)时曲线上的点A 和对应的时间t 1； 3) h 2（t ）|t=t2=0.8 h 2(∞)时曲线上的点B 和对应的时间t 2。

然后，利用下面的近似公式计算式（2-2-1）中的参数K 、T1和T2。

其中：2()K O h R ∞==输入稳态值阶跃输入量（2-2-1） 4)1212t t T T 2.16++≈1212122T T (1.740.55) (T T )t t ≈-+（2-2-2） 对于式（2-2-1）所示的二阶过程，0.32<t 1/t 2<0.46。

当t 1/t 2=0.32时，为一阶环节； 当t 1/t 2=0.46时，过程的传递函数：G(S)=K/(TS ＋1)2（此时T 1=T 2=T=(t 1＋t 2)/2* 2.18 ） （2-2-3）四、实验步骤 1．设备的连接和检查1) 检查电源开关是否关闭。

2) 开通以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计以及上水箱出水阀1、阀4、阀6、阀8所组成的水路系统;关闭通往其他对象的切换阀10、阀20、阀17。

3) 将下水箱的出水阀9开至适当开度。

2．系统连线接线如图2-2-4所示。

1) 电源控制板上的三相电源、单相Ⅰ的空气开关、单相泵电源开关在关的位置。

2) 电动调节阀的～220V电源开关打在关的位置。

3) 智能调节仪的～220V电源开关打在关的位置。

4) 将下水箱液位＋接到任意一个智能调节仪的信号输入端1（即RSV的＋极），下水箱液位－（负端）接到智能调节仪的2端（即RSV的－极）。

5) 将智能调节仪的～20mA输出端的7端（即＋极）接至电动调节阀的4～20mA输入端的＋端（即正极），将智能调节仪的4～20mA输出端的5端（即－极）接至电动调节阀的4～20mA输入端的－（即负极）。

图2-2-4实验接线图3．启动实验装置1) 将实验装置电源插头接到380V的三相交流电源。

2) 打开电源三相带漏电保护空气开关，电压表指示380V。

3) 打开总电源钥匙开关，按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源。

4．实验步骤1) 开启单相Ⅰ空气开关，下水箱液位传感器输出信号为1～5V电压信号，调整好仪表输入规格参数与其他各项参数，开始校准液位传感器的零位和增益，仪表输出方式设为手动输出，初始值为0。

2) 启动计算机，进入实验系统相应的实验，界面如图2-2-5所示。

3) 开启单相泵电源开关，启动动力支路，手动将仪表的输出值迅速上升到小于等于10，将被控参数液位高度控制在30%处（一般为5cm）。

4) 观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。

若已平衡，应记录调节仪输出值、水箱水位的高度h2和智能仪表的测量显示值并填入表2-2-1。

表2-2-1图2-2-5实验软件界面5) 迅速增加仪表手动输出值，增加10%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，填入表2-2-2，可在上位软件上获得各项参数和数据，并绘制过程变化曲线。

表2-2-26) 直到进入新的平衡状态。

再次记录测量数据，并填入表2-2-3：表2-2-37) 将仪表输出值调回到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。

填入2-2-4表：表2-2-48) 重复上述实验步骤。