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

dVQ1-Q2=dt （2-1-2） dV式中V为水箱的贮水容积，dt为水贮存量的变化率，它与h的关系为

dV?Adh， dVdh即dt= Adt（2-1-3）

A为水箱的底面积。把式（2-1-3）代入式（2-1-2）得

dhQ1-Q2=A dt （2-1-4） h基于Q2=RS，RS为阀F1-9的液阻，则上式可改写为 hdhQ1-RS= A dt dh即ARSdt+h=KQ1

H(s)K或写作Q1(s)=TS?1 （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。

R0若令Q1（S）=S，R0=常数，则式（2-1-5）可改为

K/TKR0R0R011S?S?T×S=KS-T H（S）=

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：

Ke??sH(S)=1?Ts

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。

5、点击实验界面下边的“实时曲线”键，在界面的右下方将显示液位的变化曲线。

6．在上位机实验界面窗口改变给定的阀门开度值，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），使水箱液位上升或下降，经过一定时间的调节后，水箱的液位进入新的平衡状态，其响应曲线如图2-1-6所示。

图2-1-6单容箱特性响应曲线

7．观察上位机监控界面上水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。

8．实验曲线所得的结果填入下表。 参数放大系数值 K 测量值 正阶跃输入 负阶跃输入 平均值

0.1753 0.1895 0.1824 168s 148s 158s 0 0 0 95.2556 74.5312 84.9434 周期T 时间常数τ 液位h 五、思考题

1.在实验进行过程中，为什么不能任意改变出水口阀开度的大小？ 答：因为在实验过程中，任意改变出水口阀开度会影响出水流量的大小。在入水量不变的情况下，这样会使实验记录的数据和图形与实际相差较远。

2.用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与哪些因素有关？

答：因为系统用到了仪表，因此与仪表的精度有关，同时与出水阀开度的大小有关。并和放大系数K、时间常数T以及纯滞后时间有关。 另外，也会受实验室电压的波动与测试软件的影响。

3.如果采用中水箱做实验，其响应曲线与上水箱的曲线有什么异同？试分析差异原因。

答：若采用中水箱做实验，它的响应曲线要比上水箱变化的慢。 原因：因为中水箱的回路比上水箱的回路要长，上升相同的液位高度，中水箱要更长的时间。

第二节 双容水箱特性的测试

一、实验目的

1. 熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

2. 根据由实际测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其传递函数。

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、MCGS工控组态软件、RS232/485转换器1只、串口线 1 根 3. 万用表1只

三、实验原理

由图2-5所示，被控对象由两个水箱相串联连接,由于有两个贮水的容积，故称其为双容对象。被控制量是下水箱的液位，当输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2-6所示。由图2-6 可见，上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数(图2-6(a))，而下水箱液位的响应曲线则呈S形状（2-6(b)）。显然,多了一个水箱，液位响应就更加滞后。

由S形曲线的拐点P处作一切线，它与时间轴的交点为A,OA则表示了对象响应的滞后时间。至于双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。

在图 2-7 所示的阶跃响应曲线上求取：

(1)h2（t)|t=t1 =0.4 h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t1； (2)h2（t)|t=t1 =0.8 h2(∞)时曲线上的点C和对应的时间t2； 然后，利用下面的近似公式计算式

由上述两式中解出T1和T2 ,于是求得双容(二阶)对象的传递函数为

四、实验内容与步骤

本实验选择中水箱作为被测对象（也可选择下水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F1-11全开，将上水箱出水阀门F1-9和中水箱出水阀F1-10开至适当开度（中水箱出水阀开到70%左右，下水箱出水阀开到50%左右，即F1-10开度稍大于F1-11的开度），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，进入实验主界面如本实验指导书第二章第一节中的图2-1-4所示。 3、鼠标左键点击实验项目“二阶双容水箱对象特性测试实验”，系统进入正常的测试状 60%上升峰值

图2-2-4 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同实验指导第二章第一节所描述的功能相同。

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），使输出值设置为一个合适的值（一般为最大值的40～70%，不宜过大，以免水箱中水溢出），经过一段时间后，水箱的液位处于某一平衡位置。 5、液位平衡后，突增（或突减）输出值的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录下此时的输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如图2-2-5所示。

图2-2-5 双容水箱液位阶跃响应曲线

6、点击实验界面下边的按钮，可切换到实时曲线、历史曲线和数据报表。

7、根据实验所得的曲线报表和记录的数据，按公式（2-2-2）计算K值，再根据图2-2-3中的实验曲线求得T1、T2值，写出对象的传递函数。

突变为50%

峰值下降40%

再下降40%

液位H K 正向输入 0.0951 T1 125s T2 289s t 0 负向输入 平均值 0.1779 0.1365 112s 118.5s 273s 281s 0 0 五、思考题

1. 做本实验时，为什么不能任意改变两个出水阀门开度的大小？ 答：出水阀的开度是改变出水量Q2的，改变水箱泄水的过程。在此实验中是先将出水阀开至适当的开度。之后在单容水箱在稳定的过程中，此阀门是不能任意改变的，因为一改变就会对系统带来干扰，造成系统不稳定，不能正确反映实验特性。只有当系统稳定时，要研究输出量对系统的稳定特性影响时才改变出水阀。 2. 用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与哪些因素有关？ 答：应曲线可能与实验工作电压的波动，执行器的不稳定性，和系统的控制参数比例度、积分时间、微分时间及测量值的波动都可能带来一定的误差，造成精度下降，同时还跟压力传感器的精度，阀门开度，测试软件都有关系。

3. 如果采用上水箱和中水箱做实验，其响应曲线与用中水箱和下水箱做实验的曲线有什么异同？试分析差异原因。

答：若采用中水箱和上水箱做实验，它的响应曲线要比中水箱和下水箱变化的快。

原因：因为中水箱和上水箱的回路较中水箱和下水箱短，上升相同的液位高度，中水箱和下水箱要更长的时间。 4. 引起双容对象滞后的因素主要有哪些？ 答： 因素有K、T及时间常数。

第四节、串接双容水箱液位PID整定实验

一、实验目的

1、通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。

2、掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定与投运方法。 3、分析P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。 4、理解双容液位定值控制系统采用FCS控制方案的实现过程。

二、实验设备

（同前）

三、实验原理

本实验以中水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT3检测到的下水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。本实验系统结构图和方框图如图3-3-1所示。

图3-3-1 双容液位定值控制系统

(a)结构图 (b)方框图

四、实验内容与步骤

本实验选择中水箱和下水箱串联作为双容对象（也可选择上水箱和中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。

然后接通控制系统电源，打开用作上位监控的的PC机，进入实验界面的操作和打开实验主界面的操作过程与本实验指导书第二章第一节中所描述的相同。在实验主界面中选择本实验项即“串接双容水箱液位PID整定实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图3-3-2所示。

PID

K=4 积分 120000 微分 10000

五、思考题

1.为什么本实验较上水箱液位定值控制系统更容易引起振荡？如果达到同样的动态性能指标，为什么本实验中调节器的比例度和积分时间常数均要比前两个实验大？

答：由于在本实验中的比例系数相对较大，过程相应时间相对较长，更加容易引起振荡。要达到同样的动态性能指标，调节器的比例度应该调节的相对较大，积分时间常数调高。

2.你能说出下水箱的时间常数比中水箱时间常数大的原因吗？ 答：采用上中水箱做实验，它的响应曲线要比中下水箱变化快。原因：因为中水箱的截面积比下水箱的要小，上升相同的液位高度，下水箱要更长时间。

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