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.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:

V2

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Q1,出水量为Q2，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：

cL2h

R/C* ——_ +Z\h-R 2*Z^Q a J

d t

在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

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 I 、V 2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。令输 入流量Q i 的阶跃变

化量为 R o ,其拉氏变换式为 Q i （S ） =R O /S ，R O 为常量，则输出液位

高度的拉氏变换式为:

KR^

KR- KR

S (TS + 1)~~s~' s + F T

当t=T 时，则有:

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

)=0.632KR o =O.632h(

即 h(t)=KR o (1-e -t/T

)

当t — > 时，h （^） =KR o ，因而有

K=h （a ） /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

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

图1-2、阶跃响应曲线 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：

K T*S+1

1-2所示。当

坐标原点对响应曲线

上式表示h( t)若以在原点时的速度h (a) /T恒速变化，即只要花T秒时间就可达到稳态值h (a) o

五. 实验内容步骤

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hl和上位机的测量显示值并填入下表。

原始平衡状态：

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 :

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)