杭电《过程控制系统》实验报告..

实验时间：5月25号

序号：

杭州电子科技大学

自动化学院实验报告

课程名称：自动化仪表与过程控制

实验名称：一阶单容上水箱对象特性测试实验

实验名称：上水箱液位PID整定实验

实验名称：上水箱下水箱液位串级控制实验

指导教师：尚群立

学生姓名：俞超栋

学生学号：09061821

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

AE2000型过程控制实验装置， PC 机，DCS 控制系统与监控软件。 三、系统结构框图

单容水箱如图1-1所示：

丹麦泵电动调节阀

V1

DCS控制系统手动输出

h

V2

Q1

Q2

图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1-1所示，设水箱的进水量为Q 1，出水量为Q 2，水箱的液面高度为h ，出水阀V 2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：

在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

h1( t ) h1(∞ ) 0.63h1(∞)

0 T

式中，T 为水箱的时间常数（注意：阀V 2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R 2*C ，K=R 2为单容对象的放大倍数，R 1、R 2分别为V 1、V 2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。令输入流量Q 1 的阶跃变化量为R 0，其拉氏变换式为Q 1（S ）=R O /S ，R O 为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为：

当t=T 时，则有：

h(T)=KR 0(1-e -1

)=0.632KR 0=0.632h(∞) 即 h(t)=KR 0(1-e

-t/T

)

当t —>∞时，h （∞）=KR 0，因而有 K=h （∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入

式（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%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：

上式表示h （t ）若以在原点时的速度h （∞）/T 恒速变化，即只要花T 秒时间就可达到稳态值h （∞）。 五．实验内容步骤

图1-2、 阶跃响应曲线

1)对象的连接和检查：

(1)将AE2000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。

(2)打开以水泵、电动调节阀、孔板流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门.关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。

(3)打开上水箱的出水阀至适当开度。

2）实验步骤

(1)打开控制柜中水泵、电动调节阀的电源开关。

(2)启动DCS上位机组态软件，进入主画面，然后进入实验一画面。

(3)用鼠标点击调出PID窗体框，然后在“MV”栏中设定电动调节阀一个适当开度。（此实验必须在手动状态下进行）

（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，应记录系统输出值，以及水箱水位的高度h1和上位机的测量显示值并填入下表。

原始平衡状态：

系统输出值水箱水位高度h1 上位机显示值

0~100 cm cm

40% 4.5 4.0

从40%到50%阶跃数据：

T（秒）10 20 30 40 50 60 水箱水位

4.5 4.9 5

5.2 5.5 5.7 h1(cm)

上位机读数

4.8

5.1 5.4 5.4 5.8

6.1 (cm)

T（秒）70 80 90 100 110 120

水箱水位

5.7 5.5 5 5.1 5.7 6 h1(cm)

上位机读数

6.5 6.3 6.3 5.8 5.7 6.2 (cm)

T（秒）130 140 150 160 170 180

水箱水位

5.9 5.5 5.5 5.8 5.8 5.7 h1(cm)

上位机读数 6.7 6.7 6.3 6.2 6.4 6.4

(cm)

T（秒）190 200 210 220 230 240 水箱水位

5.4 5.7 5.3 5.6 6 5.9 h1(cm)

上位机读数

6.3 6.2 6.3 6.1 6.3 6.8 (cm)

T（秒）250 260 270 280 290 300

水箱水位

5.9 5.9 6 5.9 5.7 5.7 h1(cm)

上位机读数

6.8 6.7 6.7 6.7 6.3 6.7 (cm)

平衡状态1：

系统输出值水箱水位高度h1 上位机显示值

0~100 cm cm

45% 5.7 6.7

从45%到50%阶跃数据：

T（秒）10 20 30 40 50 60

水箱水位

6.1 5.8 5.9 6.2 5.8 6.3 h1(cm)

上位机读数

6.5 6.9 6.5 6.6 6.8 6.6 (cm)

T（秒）70 80 90 100 110 120

水箱水位

6.4 6.4 6.5 6.5 6.4 6 h1(cm)

上位机读数

7 7.2 7.1 6.9 7.2 6.9 (cm)

T（秒）130 140 150 160 170 180

水箱水位

6.1 6.4 6.5 6.5 6.4 6 h1(cm)

上位机读数

6.7 6.5 6.9

7.2 7.2 6.8 (cm)

T（秒）190 200 210 220 230 240