东北大学《过程装备控制》实验报告.doc

实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验一．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：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V2固定于某一开度值根据物料动态平衡的关系，求得：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V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R2*C，K=R2为单容对象的放大倍数，R1、R2分别为V1、V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。

令输入流量Q1 的阶跃变化量为R0，其拉氏变换式为Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为：当t=T时，则有：h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞)即 h(t)=KR0(1-e-t/T)当t—>∞时，h（∞）=KR0，因而有K=h（∞）/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1-2所示当由实验求得图1-2所示的 图1-2、 阶跃响应曲线阶跃响应曲线后，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，其理 论依据是：上式表示h（t）若以在原点时的速度h（∞）/T 恒速变化，即只要花T秒时间就可达到稳态值h（∞）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h1和上位机的测量显示值并填入下表原始平衡状态：系统输出值水箱水位高度h1上位机显示值0~100cmcm40%4.54.0从40%到50%阶跃数据：T（秒）102030405060水箱水位h1(cm)4.54.955.25.55.7上位机读数(cm)4.85.15.45.45.86.1T（秒）708090100110120水箱水位h1(cm)5.75.555.15.76上位机读数(cm)6.56.36.35.85.76.2T（秒）130140150160170180水箱水位h1(cm)5.95.55.55.85.85.7上位机读数(cm)6.76.76.36.26.46.4T（秒）190200210220230240水箱水位h1(cm)5.45.75.35.665.9上位机读数(cm)6.36.26.36.16.36.8T（秒）250260270280290300水箱水位h1(cm)5.95.965.95.75.7上位机读数(cm)6.86.76.76.76.36.7平衡状态1：系统输出值水箱水位高度h1上位机显示值0~100cmcm45%5.76.7从45%到50%阶跃数据：T（秒）102030405060水箱水位h1(cm)6.15.85.96.25.86.3上位机读数(cm)6.56.96.56.66.86.6T（秒）708090100110120水箱水位h1(cm)6.46.46.56.56.46上位机读数(cm)77.27.16.97.26.9T（秒）130140150160170180水箱水位h1(cm)6.16.46.56.56.46上位机读数(cm)6.76.56.97.27.26.8T（秒）190200210220230240水箱水位h1(cm)5.96.56.676.86.4上位机读数(cm)6.46.777.37.87.6T（秒）250260270280290300水箱水位h1(cm)6.776.96.46.66.5上位机读数(cm)77.27.77.67.17.3平衡状态2：系统输出值水箱水位高度h1上位机显示值0~100cmcm50%6.57.3从50%到55%阶跃数据：T（秒）102030405060水箱水位h1(cm)77.47.87.67.77.4上位机读数(cm)6.87.48.68.48.28.4T（秒）708090100110120水箱水位h1(cm)7.47.37.67.987.8上位机读数(cm)8.287.888.78.8T（秒）130140150160170180水箱水位h1(cm)7.97.87.97.87.98.3上位机读数(cm)8.98.78.88.48.58.3T（秒）190200210220230240水箱水位h1(cm)87.87.77.97.77.5上位机读数(cm)9.48.88.48.48.48.3T（秒）250260270280290300水箱水位h1(cm)7.988.17.97.57.9上位机读数(cm)8.38.78.98.88.78.6平衡状态3：系统输出值水箱水位高度h1上位机显示值0~100cmcm55%7.98.6从55%到60%阶跃数据：T（秒）102030405060水箱水位h1(cm)8.38.48.28.48.68.6上位机读数(cm)8.698.98.99.19.8T（秒）708090100110120水箱水位h1(cm)8.78.78.998.98.7上位机读数(cm)9.59.89.510.1109.7T（秒）130140150160170180水箱水位h1(cm)998.88.88.98.7上位机读数(cm)9.69.7109.79.79.9T（秒）190200210220230240水箱水位h1(cm)8.68.998.898.9上位机读数(cm)9.69.59.49.69.29.7T（秒）250260270280290300水箱水位h1(cm)8.68.68.78.79.19.2上位机读数(cm)9.89.49.19.19.310平衡状态4：系统输出值水箱水位高度h1上位机显示值0~100cmcm60%9.210六、 实验报告要求（1）作出一阶环节的阶跃响应曲线。

从40%到45%的阶跃响应曲线：从45%到50%的阶跃响应曲线：从50%到55%的阶跃响应曲线：从55%到60%的阶跃响应曲线：（2）根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数 答：从40%到45%从45%到50%从50%到55%从55%到60%平均值K*R01.71920.96431.1361.0581.097T31.8042100.676229.303434.690433.2473根据测量的数据可求得时间常数T=33.2473，K*R0=1.097七、注意事项（1）本实验过程中，出水阀不得任意改变开度大小2）阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止因读数误差和其他随机干扰影响对象特性参数的精确度一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%3)在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态八、思考题（1）在做本实验时，为什么不能任意变化上水箱出水阀的开度大小？答：因为T为水箱的时间常数，T=R2*C，K=R2为单容对象的放大倍数， R2为V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数当改变水箱出水阀的开度大小时，R2会改变，那么G(s)也会改变，那样的话就不会测出G(s)中的参数了，因为每次都不一样。

2)用两点法和用切线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点?答：两点法：从理论上来说两点就可以确定参数，但是在实际测量中，测量点总是在基准线附近不停地波动，这样很可能会造成测量的不准确，但是两点法只需要测两个点的数据，相对切线法来说简单多了切线法：和两点法相比，切线法随机性小一点，可以近似地测量和计算出对象的特性参数，但是切线法需要侧大量的数据，用来近似地描绘出对象的特性曲线 实验二、单容水箱液位PID控制系统一、实验目的1）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。