過(guò)控實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)1

1、實(shí)驗(yàn)一、單容水箱對(duì)象特性的測(cè)試一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解單容水箱的自衡特性。2、掌握單容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線。3、實(shí)測(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)備1、THKGK-1型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置： GK-02 GK-03 GK-04 GK-072、萬(wàn)用表一只 3、計(jì)算機(jī)及上位機(jī)軟件三、實(shí)驗(yàn)原理 階躍響應(yīng)測(cè)試法是被控對(duì)象在開(kāi)環(huán)運(yùn)行狀況下，待工況穩(wěn)定后，通過(guò)調(diào)節(jié)器手動(dòng)改變對(duì)象的輸入信號(hào)（階躍信號(hào)）。同時(shí)，記錄對(duì)象的輸出數(shù)據(jù)和階躍響應(yīng)曲線，然后根據(jù)給定對(duì)象模型的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)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(xué)模型可用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)近似描述，用下述方法求取對(duì)象的特征參數(shù)。單容水箱液位開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：圖1、 單容水箱液位開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 設(shè)水箱的進(jìn)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(kāi)度值。根據(jù)物料動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)系，求得：在零初始條件下，對(duì)上式求拉氏變換，得： 式中，T=R2*C為水箱的時(shí)間常數(shù)（注意：閥V2的開(kāi)度大小會(huì)影響到水箱的時(shí)間常數(shù)），K=R2為過(guò)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(duì)應(yīng)的時(shí)間，就是水箱的時(shí)間常數(shù)T。該時(shí)間常數(shù)T也可以通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線，此切線與穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)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(diǎn)時(shí)的速度h（）/T 恒速變化，即只要花T秒時(shí)間就可達(dá)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、對(duì)上、下水箱液位傳感器進(jìn)行零點(diǎn)與增益的調(diào)整。2、按照?qǐng)D1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(dòng)/自動(dòng)”開(kāi)關(guān)置于“手動(dòng)”位置，此時(shí)

4、系統(tǒng)處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)。3、將單片機(jī)控制掛箱GK-03的輸入信號(hào)端“LT1、LT2”分別與GK-02的傳感器輸出端“LT1、LT2”相連；用配套R(shí)S232通訊線將GK-03的“串行通信口”與計(jì)算機(jī)的COM1連接；打開(kāi)所有電源開(kāi)關(guān)用單片機(jī)進(jìn)行液位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；然后用上位機(jī)控制監(jiān)控軟件對(duì)液位進(jìn)行監(jiān)視并記錄過(guò)程曲線。4、利用PID調(diào)節(jié)器的手動(dòng)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(shí)調(diào)節(jié)器手動(dòng)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(dòng)輸出Vo水箱水位高度h1LT1顯示值HZvcmcm6、迅速增

5、調(diào)“手動(dòng)調(diào)節(jié)”電位器，使PID的輸出突加20%-30%，利用上位機(jī)監(jiān)控軟件記下由此引起的階躍響應(yīng)的過(guò)程曲線，并根據(jù)所得曲線填寫(xiě)下表。t（s）LT1讀數(shù)(cm)等到進(jìn)入新的平衡狀態(tài)后，再記錄測(cè)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(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。五、注意事項(xiàng)1、做本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，閥V1和V2不得任意改變開(kāi)度大??；2、階躍信號(hào)不能取得太大，以免影響系統(tǒng)正常運(yùn)行；但也不能過(guò)小，以防止對(duì)象特性的不真實(shí)性。3、在輸入階躍信號(hào)前，過(guò)程必須處于平衡狀態(tài)4、在老師的幫助下，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和單片機(jī)控制屏。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)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(shí)驗(yàn)原理中所述的方法，求出被測(cè)一階環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)K和T。實(shí)驗(yàn)二、雙容水箱對(duì)象特性的測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解雙容水箱的自衡特性。2、掌握雙容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線。3、實(shí)測(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)備1、THKGK-1型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置： GK-02 GK-03 GK-04 GK-072、萬(wàn)用表一只 3、計(jì)算機(jī)及上位機(jī)軟件三、實(shí)驗(yàn)原理 階躍響應(yīng)測(cè)試法是被控對(duì)象在開(kāi)環(huán)運(yùn)行狀況下，待工況穩(wěn)定后，通過(guò)調(diào)節(jié)器手動(dòng)操作改變對(duì)象的輸入信號(hào)（階躍信號(hào)）。同時(shí)，記錄對(duì)象的輸出數(shù)據(jù)和階躍響應(yīng)曲線，然后根據(jù)給定對(duì)象模型的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)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(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，并考慮到液體傳輸過(guò)程中的時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)曲線

8、上的點(diǎn)A和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1；3）、h2（t）|t=t2=0.8 h2()時(shí)曲線上的點(diǎn)B和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t2。然后，利用下面的近似公式計(jì)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(duì)于式（3-1）所示的二階過(guò)程，0.32t1/t20.46。當(dāng)t1/t2=0.32時(shí) ，為一階環(huán)節(jié)；當(dāng)t1/t2=0.46時(shí)，過(guò)程的傳遞函數(shù)G(S)=K/(TS+1)2（此時(shí)T1=T2=T=(t1+t2)/2*2.18 ）過(guò)曲線的拐點(diǎn)做一條切線，它與橫軸交于A點(diǎn)，OA即為滯后時(shí)間常數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、按實(shí)驗(yàn)一的要求和步驟，對(duì)上、下水箱液位傳感器進(jìn)行零點(diǎn)與增益的調(diào)整。2、按照?qǐng)D1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(dòng)/自動(dòng)”開(kāi)關(guān)置于“手動(dòng)”位置，此時(shí)系統(tǒng)處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)。3、將單片機(jī)控制屏GK-03的輸入信號(hào)端“LT2” 接GK-02的傳感器輸出端“ LT2” ；用配套R(shí)S232通訊線將GK-03的“串行通信口”與計(jì)算機(jī)的COM1連接；然后用上位機(jī)控制監(jiān)控軟件對(duì)液位進(jìn)行監(jiān)視并記錄過(guò)程曲線。4、利用PID調(diào)節(jié)器的手動(dòng)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(shí)調(diào)節(jié)器手動(dòng)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(dòng)輸出Vo水箱水位高度h1LT1顯示值HZvcmcm6、迅速增

10、調(diào)“手動(dòng)調(diào)節(jié)”電位器，使PID的輸出突加20-30%，利用上位機(jī)監(jiān)控軟件記下由此引起的階躍響應(yīng)的過(guò)程曲線，并根據(jù)所得曲線填寫(xiě)下表：t（s）LT1讀數(shù)(cm)等到進(jìn)入新的平衡狀態(tài)后，再記錄測(cè)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(xiàng)1、做本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中閥V2的開(kāi)度必須大于閥V4的開(kāi)度，以保證實(shí)驗(yàn)效果。2、階躍信號(hào)不能取得太大，以免影響系統(tǒng)正常運(yùn)行；但也不能過(guò)小，以防止對(duì)象特性的不真實(shí)性。3、在輸入階躍信號(hào)前，過(guò)程必須處于平衡狀態(tài)。4、在老師的幫助下，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和單片機(jī)控制屏。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)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(shí)

11、驗(yàn)原理中所述的方法，求出二階環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)三、智能儀表單容液位控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉知能儀表的使用和參數(shù)整定方法。2、分別進(jìn)行液位、壓力、流量、溫度的控制實(shí)驗(yàn)。3、通過(guò)與其它的控制方式進(jìn)行比較，全面了解智能儀表控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、THKGK-1型實(shí)驗(yàn)裝置 GK-02 GK-03 GK-05 GK-072、計(jì)算機(jī)及上位機(jī)監(jiān)控軟件三、實(shí)驗(yàn)原理1、 AI-708智能調(diào)節(jié)儀簡(jiǎn)介：1）、特點(diǎn)與用途： AI-708型儀表，具備0.2級(jí)精度，可編程輸入，通過(guò)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(fù)

12、偏差等報(bào)警功能，具有可編程模塊化輸出，支持時(shí)間比例（繼電器觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、SSR電壓、可控硅無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)及單相/三相可控硅過(guò)零觸發(fā)信號(hào)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(shí)現(xiàn)較為理想的溫度控制。2）、主要參數(shù)功能說(shuō)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(chǎng)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(dòng)執(zhí)行自整定功能。Ctrl=2 ，啟動(dòng)自整定參數(shù)功能，自整定結(jié)束后會(huì)自動(dòng)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(dòng)進(jìn)入該設(shè)置，在該設(shè)置下不允許從面板啟動(dòng)自整定參數(shù)

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

14、正偏差報(bào)警。當(dāng)偏差小于dHAL-dF時(shí)正偏差報(bào)警解除。設(shè)置dHAL=9999時(shí)，負(fù)偏差報(bào)警功能被取消。dLAL(負(fù)偏差報(bào)警)：采用AI人工智能調(diào)節(jié)時(shí)，當(dāng)負(fù)偏差（測(cè)量值PV減給定值SV）大于dLAL+dF產(chǎn)生負(fù)偏差報(bào)警，當(dāng)偏差小于dLAL-dF時(shí)負(fù)偏差報(bào)警解除。設(shè)置dLAL=9999時(shí)，負(fù)偏差報(bào)警功能被取消。dF（回差）：回差用于避免因測(cè)量輸入值波動(dòng)而導(dǎo)致位式調(diào)節(jié)頻繁通斷或報(bào)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(shí)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(yùn)行及上電信號(hào)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(hào)，所以把傳感器的信號(hào)加到智能儀表的輸入端作為反饋信號(hào)，輸出端直接加到變頻器上驅(qū)動(dòng)三相磁力泵打水。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、首先調(diào)節(jié)壓力變送器的零點(diǎn)和增益，調(diào)試方法如同實(shí)驗(yàn)一那樣，并且多調(diào)幾次使得變送器輸出的信號(hào)與液位變化成線性。2、連接好實(shí)驗(yàn)線路，檢查水路管道的各個(gè)閥門是否在相應(yīng)的位置，本實(shí)驗(yàn)裝置有兩套動(dòng)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(lái)作為系統(tǒng)擾動(dòng)。3、合上電源開(kāi)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(jī)相連，進(jìn)入上位機(jī)監(jiān)控軟件進(jìn)行監(jiān)控，一切準(zhǔn)備就緒后打開(kāi)變頻器電源，使系統(tǒng)開(kāi)