一一阶单容上水箱对象特性测试.docx

实验一 一阶单容上水箱对象特性测试实验一、实验目的1. 熟悉单容水箱液位调节阀 PID 控制系统工作原理2. 掌握PLC控制单元的使用，3. 了解其工作机制，4. 掌握西门子模拟输入输出通道的应用5. 掌握 PLC 进行硬件组态的要求和方法6. 掌握组态界面的设计的方法二、实验设备THPCMP-1A型 过程控制系统 西门子PLC WINCC控制系统与监控软件PC机三、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q，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：电C曽，HJg在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：C(S)= H(S) _ R2 _ K—QMS) 一 R2*C*S 十 1 — T*S+ 1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=R为单容对象的放大倍数，R R分别为V V阀的液阻，C为水箱的容量系数。

令输入流量2 1、 2 分别 1、 2Q的阶跃变化量为R，其拉氏变换式为Q (S)=R/S, R为常量，则输出液位高度的拉氏变1 0 1 O O换式为："、— KRo KRo KRoS(TS + 1) =_S-' S+}T当t=T时，则有：h(T)=KR (l-e-i)=0.632KR=0.632h(g)00即 h(t)=KR (1—e-t/T)0当t—〉b时，h (b) =KR0，因而有K=h (-) /R0=输出稳态值/阶跃输入dh(t)=dt t=0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 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(b)五、实验项目的主要内容与步骤1、 根据系统要求进行硬件选型，并列出所选型号的技术参数2、 对PLC进行硬件组态，并进行I/O分配3、 按系统要求进行硬件连接。

4、 系统控制程序的编写与调试5、 组态界面的设计，主要实现组态界面控制系统的启动与停止， PID 参数的输入与修改， 给定液位和实际液位显示窗口，绘制系统阶跃响应曲线实验项目的主要过程考虑到初次接触本系统设计，将本系统设计分为4个步骤进行，分别为：一、 系统的硬件选型，包括控制PLC型号，变频器，流量计，液位变送器的选择二、 基于 STEP7 的控制程序的编写三、 组态界面的设计六、系统调试过程1) 对象的连接和检查：(1) 将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1) 打开控制柜中水泵、电动调节阀的电源开关2) 启动上位机组态软件，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hl和上位机的测量显示值并填入下表系统输出值水箱水位高度hl上位机显示值0 〜100cmcm5)迅速增加系统输出值，增加 5%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，它们均可在上位软件上获得。

以所获得的数据绘制变化曲线T (秒)水箱水位h](cm)上位机读数(cm)6)直到进入新的平衡状态再次记录平衡时的下列数据，并填入下表：系统输出值水箱水位高度hl上位机显示值0 〜100cmcm7)将系统输出值调回到步骤 5)前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线填入下表：t （秒）水箱水位h］（cm）上位机读数（cm）8）重复上述实验步骤七、实验报告要求（1）作出一阶环节的阶跃响应曲线2）根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数八、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九、思考题。