1、實驗一、單容水箱對象特性的測試一、 實驗目的1、了解單容水箱的自衡特性。2、掌握單容水箱的數(shù)學模型及其階躍響應(yīng)曲線。3、實測單容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法分別確定它們的參數(shù)。二、 實驗設(shè)備1、THKGK-1型過程控制實驗裝置： GK-02 GK-03 GK-04 GK-072、萬用表一只 3、計算機及上位機軟件三、實驗原理 階躍響應(yīng)測試法是被控對象在開環(huán)運行狀況下，待工況穩(wěn)定后，通過調(diào)節(jié)器手動改變對象的輸入信號（階躍信號）。同時，記錄對象的輸出數(shù)據(jù)和階躍響應(yīng)曲線，然后根據(jù)給定對象模型的結(jié)構(gòu)形式，對實驗數(shù)據(jù)進行合理的處理，確定模型中的相關(guān)參數(shù)。 圖解法是確定模型參數(shù)的一種實用方法，不同

2、的模型結(jié)構(gòu)，有不同的圖解方法。單容水箱的數(shù)學模型可用一階慣性環(huán)節(jié)來近似描述，用下述方法求取對象的特征參數(shù)。單容水箱液位開環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：圖1、 單容水箱液位開環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 設(shè)水箱的進水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開度值。根據(jù)物料動態(tài)平衡的關(guān)系，求得：在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得： 式中，T=R2*C為水箱的時間常數(shù)（注意：閥V2的開度大小會影響到水箱的時間常數(shù)），K=R2為過程的放大倍數(shù)，也是閥V2的液阻，C 為水箱的底面積。令輸入流量Q1（S）=RO/S，RO為常量，則輸出液位的高度為： （2） （3） （4） 式（3）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響

3、應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖2-2所示。由式（2-4）可知該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所對應(yīng)的時間，就是水箱的時間常數(shù)T。該時間常數(shù)T也可以通過坐標原點對響應(yīng)曲線作切線，此切線與穩(wěn)態(tài)值的交點所對應(yīng)的時間就是時間常數(shù)T。 圖 2 階躍響應(yīng)曲線 其理論依據(jù)是： 上式表示h（t）若以在原點時的速度h（）/T 恒速變化，即只要花T秒時間就可達到穩(wěn)態(tài)值h（）。式（2）中的K值由下式求取： K = h()/R0 = 輸入穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入四、實驗內(nèi)容與步驟1、對上、下水箱液位傳感器進行零點與增益的調(diào)整。2、按照圖1的結(jié)構(gòu)框圖，完成系統(tǒng)的接線，并把PID調(diào)節(jié)器的“手動/自動”開關(guān)置于“手動”位置，此時

4、系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)。3、將單片機控制掛箱GK-03的輸入信號端“LT1、LT2”分別與GK-02的傳感器輸出端“LT1、LT2”相連；用配套RS232通訊線將GK-03的“串行通信口”與計算機的COM1連接；打開所有電源開關(guān)用單片機進行液位實時監(jiān)測；然后用上位機控制監(jiān)控軟件對液位進行監(jiān)視并記錄過程曲線。4、利用PID調(diào)節(jié)器的手動旋鈕調(diào)節(jié)輸出，將被控參數(shù)液位控制在3cm左右。5、觀察系統(tǒng)的被調(diào)量水箱的水位是否趨于平衡狀態(tài)。若已平衡，記錄此時調(diào)節(jié)器手動輸出值VO 以及水箱水位的高度h1和顯示儀表LT1的讀數(shù)值并填入下表。變頻器輸出頻率f手動輸出Vo水箱水位高度h1LT1顯示值HZvcmcm6、迅速增

5、調(diào)“手動調(diào)節(jié)”電位器，使PID的輸出突加20%-30%，利用上位機監(jiān)控軟件記下由此引起的階躍響應(yīng)的過程曲線，并根據(jù)所得曲線填寫下表。t（s）LT1讀數(shù)(cm)等到進入新的平衡狀態(tài)后，再記錄測量數(shù)據(jù)，并填入下表：變頻器輸出頻率fPID輸出Vo水箱水位高度h1LT1顯示值HZvcmcm8、重復上述實驗步驟。五、注意事項1、做本實驗過程中，閥V1和V2不得任意改變開度大小；2、階躍信號不能取得太大，以免影響系統(tǒng)正常運行；但也不能過小，以防止對象特性的不真實性。3、在輸入階躍信號前，過程必須處于平衡狀態(tài)4、在老師的幫助下，啟動計算機系統(tǒng)和單片機控制屏。六、實驗報告要求1、作出一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。2

6、、根據(jù)實驗原理中所述的方法，求出被測一階環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)K和T。實驗二、雙容水箱對象特性的測試一、實驗目的1、了解雙容水箱的自衡特性。2、掌握雙容水箱的數(shù)學模型及其階躍響應(yīng)曲線。3、實測雙容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法分別確定它們的參數(shù)。二、實驗設(shè)備1、THKGK-1型過程控制實驗裝置： GK-02 GK-03 GK-04 GK-072、萬用表一只 3、計算機及上位機軟件三、實驗原理 階躍響應(yīng)測試法是被控對象在開環(huán)運行狀況下，待工況穩(wěn)定后，通過調(diào)節(jié)器手動操作改變對象的輸入信號（階躍信號）。同時，記錄對象的輸出數(shù)據(jù)和階躍響應(yīng)曲線，然后根據(jù)給定對象模型的結(jié)構(gòu)形式，對實驗數(shù)據(jù)進行合理地處理，確

7、定模型中的相關(guān)參數(shù)。 圖解法是確定模型參數(shù)的一種實用方法，不同的模型結(jié)構(gòu)，有不同的圖解方法。雙容水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示： 圖1、雙容水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖設(shè)流量Q1為雙容水箱的輸入量，下水箱的液位高度H2為輸出量，根據(jù)物料動態(tài)平衡關(guān)系，并考慮到液體傳輸過程中的時延，其傳遞函數(shù)為式中 K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分別為閥V2和V4的液阻，C1 和C2分別為上水箱和下水箱的容量系數(shù), 式中的K、T1和T2可由實驗求得的階躍響應(yīng)曲線求出, 具體的做法是在圖3-2所示的階躍響應(yīng)曲線上取：1）、h2（t）穩(wěn)態(tài)值的漸近線h2()；2）、h2（t）|t=t1=0.4 h2()時曲線

8、上的點A和對應(yīng)的時間t1；3）、h2（t）|t=t2=0.8 h2()時曲線上的點B和對應(yīng)的時間t2。然后，利用下面的近似公式計算式3-5中 的參數(shù)K、T1和T2。其中： 圖2、 階躍響應(yīng)曲線對于式（3-1）所示的二階過程，0.32t1/t20.46。當t1/t2=0.32時 ，為一階環(huán)節(jié)；當t1/t2=0.46時，過程的傳遞函數(shù)G(S)=K/(TS+1)2（此時T1=T2=T=(t1+t2)/2*2.18 ）過曲線的拐點做一條切線，它與橫軸交于A點，OA即為滯后時間常數(shù)。四、實驗內(nèi)容與步驟1、按實驗一的要求和步驟，對上、下水箱液位傳感器進行零點與增益的調(diào)整。2、按照圖1結(jié)構(gòu)框圖，完成系統(tǒng)的接

9、線，并把PID調(diào)節(jié)器的“手動/自動”開關(guān)置于“手動”位置，此時系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)。3、將單片機控制屏GK-03的輸入信號端“LT2” 接GK-02的傳感器輸出端“ LT2” ；用配套RS232通訊線將GK-03的“串行通信口”與計算機的COM1連接；然后用上位機控制監(jiān)控軟件對液位進行監(jiān)視并記錄過程曲線。4、利用PID調(diào)節(jié)器的手動旋鈕調(diào)節(jié)輸出，將被控參數(shù)液位控制在3cm左右。5、觀察系統(tǒng)的被調(diào)量水箱的水位是否趨于平衡狀態(tài)。若已平衡，記錄此時調(diào)節(jié)器手動輸出值VO 以及水箱水位的高度h1和顯示儀表LT1的讀數(shù)值并填入下表：變頻器輸出頻率f手動輸出Vo水箱水位高度h1LT1顯示值HZvcmcm6、迅速增

10、調(diào)“手動調(diào)節(jié)”電位器，使PID的輸出突加20-30%，利用上位機監(jiān)控軟件記下由此引起的階躍響應(yīng)的過程曲線，并根據(jù)所得曲線填寫下表：t（s）LT1讀數(shù)(cm)等到進入新的平衡狀態(tài)后，再記錄測量數(shù)據(jù)，并填入下表：變頻器輸出頻率fPID輸出Vo水箱水位高度h1LT1顯示值HZvcmcm五、注意事項1、做本實驗過程中閥V2的開度必須大于閥V4的開度，以保證實驗效果。2、階躍信號不能取得太大，以免影響系統(tǒng)正常運行；但也不能過小，以防止對象特性的不真實性。3、在輸入階躍信號前，過程必須處于平衡狀態(tài)。4、在老師的幫助下，啟動計算機系統(tǒng)和單片機控制屏。六、實驗報告要求1、作出二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。2、根據(jù)實

11、驗原理中所述的方法，求出二階環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)。實驗三、智能儀表單容液位控制系統(tǒng)一、實驗目的1、熟悉知能儀表的使用和參數(shù)整定方法。2、分別進行液位、壓力、流量、溫度的控制實驗。3、通過與其它的控制方式進行比較，全面了解智能儀表控制系統(tǒng)的優(yōu)點。二、實驗設(shè)備1、THKGK-1型實驗裝置 GK-02 GK-03 GK-05 GK-072、計算機及上位機監(jiān)控軟件三、實驗原理1、 AI-708智能調(diào)節(jié)儀簡介：1）、特點與用途： AI-708型儀表，具備0.2級精度，可編程輸入，通過參數(shù)設(shè)置即可選擇熱電偶、熱電阻、線性電阻和電壓（電流）的輸出，具備位式調(diào)節(jié)、AI人工智能調(diào)節(jié)、通訊、變送和上限、下限、正偏差、負

12、偏差等報警功能，具有可編程模塊化輸出，支持時間比例（繼電器觸點開關(guān)、SSR電壓、可控硅無觸點開關(guān)及單相/三相可控硅過零觸發(fā)信號等）和線性電流（包括0 10mA及0 20mA等）。其中AI人工智能調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)實現(xiàn)較為理想的溫度控制。2）、主要參數(shù)功能說明：l Ctrl (控制方式)：Ctrl=0 , 采用位式調(diào)節(jié)，只適合要求不高的場合。 Ctrl=1 ，采用AI人工智能調(diào)節(jié)/PID調(diào)節(jié)，該設(shè)置下，允許從面板啟動執(zhí)行自整定功能。Ctrl=2 ，啟動自整定參數(shù)功能，自整定結(jié)束后會自動設(shè)置3或4。Ctrl=3 ，采用AI人工智能調(diào)節(jié)，自整定結(jié)束后儀表自動進入該設(shè)置，在該設(shè)置下不允許從面板啟動自整定參數(shù)

13、功能，以防止誤操作重復啟動自整定。Ctrl=4 ，該方式下與Ctrl=3 時基本相同，但其P參數(shù)定義為原來的10倍，即可將P參數(shù)放大10倍，獲得更精細的控制。HIAL(上限報警)：測量值大于HIAL+dF值時，儀表將產(chǎn)生上限報警。小于HIAL-dF值時，儀表將解除上限報警。設(shè)置 HIAL到其最大值（9999）可避免產(chǎn)生報警作用。LOAL(下限報警)： 測量值小于LOAL-dF時產(chǎn)生下限報警，當測量值大于LOAL+dF時下限報警解除。設(shè)置LOAL到其最小值（-1999）可避免產(chǎn)生報警作用。dHAL（正偏差報警）： 采用AI人工智能調(diào)節(jié)時，當正偏差（測量值PV減給定值SV）大于dHAL+dF時產(chǎn)生

14、正偏差報警。當偏差小于dHAL-dF時正偏差報警解除。設(shè)置dHAL=9999時，負偏差報警功能被取消。dLAL(負偏差報警)：采用AI人工智能調(diào)節(jié)時，當負偏差（測量值PV減給定值SV）大于dLAL+dF產(chǎn)生負偏差報警，當偏差小于dLAL-dF時負偏差報警解除。設(shè)置dLAL=9999時，負偏差報警功能被取消。dF（回差）：回差用于避免因測量輸入值波動而導致位式調(diào)節(jié)頻繁通斷或報警頻繁產(chǎn)生/解除。另外： Sn（輸入規(guī)格）、CF（系統(tǒng)功能選擇）、M5（保持參數(shù)），P（速率參數(shù)）等。2、液位控制原理與調(diào)試方法：1）、 AI-708智能調(diào)節(jié)器作為二位調(diào)節(jié)器時的參數(shù)設(shè)置：控制方式：Ctrl=1輸入規(guī)格：SN

15、=34輸入下限值： dIL=0輸入上限值： dIH=20輸出方式： OP1=1輸出下限值： OPL=0輸出上限值： OPH=100回差： dF=0.3系統(tǒng)功能選擇： CF=4通訊地址： Addr=40通訊波特率：BAUd=200(10mA)運行及上電信號處理： RUN=13、智能儀表控制系統(tǒng)與其它控制系統(tǒng)在原理上是一樣的，它也采用PID控制算法。智能儀表的輸入端為0-5V或1-5V的電壓信號，所以把傳感器的信號加到智能儀表的輸入端作為反饋信號，輸出端直接加到變頻器上驅(qū)動三相磁力泵打水。四、實驗步驟1、首先調(diào)節(jié)壓力變送器的零點和增益，調(diào)試方法如同實驗一那樣，并且多調(diào)幾次使得變送器輸出的信號與液位變化成線性。2、連接好實驗線路，檢查水路管道的各個閥門是否在相應(yīng)的位置，本實驗裝置有兩套動力系統(tǒng)供水，可以選用其中的任意一套供水，另外一套可用來作為系統(tǒng)擾動。3、合上電源開關(guān)，設(shè)定智能儀表的P、I、D以及設(shè)定值等參數(shù)，GK-03上串口與上位機相連，進入上位機監(jiān)控軟件進行監(jiān)控，一切準備就緒后打開變頻器電源，使系統(tǒng)開