2016过程控制实验报告

西安电子科技大学过程控制系统实验

学院机电工程学院

专业自动化

班级 xxxx

学号 xxxxx

学生姓名 xxxx

授课老师 xxx

学期二〇一六学年春季学期

第一节单容水箱特性的测试

一、实验目的

1. 掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并记录相应液位的响应曲线。

2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。

二、实验设备

1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置

2. 计算机及相关软件

3. 万用电表一只

三、实验原理

2-1-1单容水箱对象特性测试系统

（a）结构图（b）方框图

所谓单容指只有一个贮蓄容器。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。图2-1-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。

阀门F1-1、F1-6、F1-10和F1-11全开，设上水箱流入量为Q1，改变气动调节阀的开度可以改变Q1的大小，上水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-9的开度可以改变Q2。液位h 的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q1作为被控过程的输入变量，h 为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h 与Q1之间的数学表达式。 根据物料平衡关系，在平衡状态时

Q1-Q2=0 （2-1-1）

动态时，则有 Q1-Q2=dt dV

（2-1-2）

式中V 为水箱的贮水容积，dt dV

为水贮存量的变化率，它与h 的关系为

Adh dV =， 即dt dV = A dt dh

（2-1-3）

A 为水箱的底面积。把式（2-1-3）代入式（2-1-2）得 Q1-Q2=A dt dh

（2-1-4）

基于Q2=S R h

，RS 为阀F1-9的液阻，则上式可改写为 Q1-S R h = A dt dh

即ARS dt dh

+h=KQ1 或写作)()(1s Q s H =1+TS K

（2-1-5）

式中T=ARS ，它与水箱的底面积A 和V2的RS 有关；K=RS 。

式（2-1-5）就是单容水箱的传递函数。

若令Q1（S ）=S R 0

，R0=常数，则式（2-1-5）可改为

H （S ）=

T S T K 1/+×S R 0=K S R 0-T S KR 10

+ 对上式取拉氏反变换得

h(t)=KR0(1-e-t/T) （2-1-6） 当t —>∞时，h （∞）=KR0，因而有

K=h （∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入

当t=T 时，则有

h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞)

式（2-1-6）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。

图2-1-2 单容水箱的单调上升指数曲线

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%所对应的时间，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 ，由响应曲线求得K 和T 后，就能求得单容水箱的传递函数如式（2-1-5）所示。

图2-1-3 单容水箱的阶跃响应曲线

如果对象的阶跃响应曲线为图2-1-3，则在此曲线的拐点D 处作一切线，它与时间轴交于B 点，与响应稳态值的渐近线交于A 点。图中OB 即为对象的滞后时间τ，BC 为对象的时间常数T ，所得的传递函数为： H(S)=Ts Ke s

+-1τ

四、实验内容与步骤

本实验选择上水箱作为被测对象（也可选择中水箱或下水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F1-10、F1-11全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度，其余阀门均关闭。

1、接通控制柜总电源，打开漏电保护器及各空气开关，接通空压机电源，并将三相磁力泵、三相电加热管、控制站的各旋钮开关打到开的位置。控制柜无需接线。

2、打开上位控制的PC 机，点击“开始”菜单，选择弹出菜单中的“SIMATIC ”选项，再点击弹出菜单中的“WINCC ”，再选择弹出菜单中的“WINCC CONTROL CENTER 6.0”,进入WINCC 资源管理器，打开组态好的上位监控程序，点击管理器工具栏上的“激活（运行）”按钮，进入实验主界面如图2-1-4所示。

3、鼠标左键点击实验项目“一阶单容水箱对象特性测试实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图2-1-5所示。

图2-1-5 实验界面

在实验界面的左边是实验流程图，右边是参数整定，下面一排六个切换键的功能如下：

“实验流程”键：系统进入正常测试状态时，实验界面左边就会显示实验流程图，当点击“历史曲线”键时，实验流程图将会被历史曲线所覆盖，如需转到实验流程图，应点击“实验流程”键就可在实验界面左边再现实验流程图。

“参数整定”键：系统进入正常测试状态时，实验界面右边就会显示参数整定画面，当你点击“实时曲线”或“数据报表”键时，参数整定画面的下半部分将会被实时曲线或数据报表所覆盖，如需转到参数整定，点击“参数整定”键即可在实验界面右边再现参数整定画面。“实时曲线”键：系统进入正常测试状态时，实时曲线是不显示的，如果需要观察实时曲线，点击“实时曲线”键，即可在实验界面右下方显示实时曲线。

“历史曲线”键：系统进入正常测试状态时，历史曲线是不显示的，如果需要观察历史曲线，点击“历史曲线”键，即可在实验界面左边显示历史曲线。

“数据报表”键：系统进入正常测试状态时，数据报表是不显示的，如果需要数据报表，点击“数据报表”键，即可在实验界面右下方显示历史曲线。

“返回主菜单”键：实验结束，需退出实验时，点击“返回主菜单”键，即关闭当前实验界面返回实验主界面。

4．在上位机实验界面窗口给定阀门开度值（既可拉动输出值旁边的滚动条，也可直接在输出值显示框中输入阀门开度值），使水箱的液位处于某一平衡位置。