过控实验指导书(1)

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1、实验一、单容水箱对象特性的测试一、实验目的1、了解单容水箱的自衡特性。2、掌握单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。3、实测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1、THKGK-1型过程控制实验装置：GK-02GK-03GK-04GK-072、万用表一只3、计算机及上位机软件三、实验原理阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节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和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理的处理，

2、确定模型中的相关参数。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。单容水箱的数学模型可用一阶惯性环节来近似描述，用下述方法求取对象的特征参数。单容水箱液位开环控制结构图如图1所示：图1、单容水箱液位开环控制结构图设水箱的进水量为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=R2*C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），K=R2为过程的放大倍数，也是阀V2的液阻，C

3、为水箱的底面积。令输入流量Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位的高度为：（2）7（3）（4）式（3）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2-2所示。由式（2-4）可知该曲线上升到稳态值的63.2%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，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。图2阶跃响应曲线其理论依据是：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（∞）。式（2）中的K值由下式求取：K=h(∞)

4、/R0=输入稳态值/阶跃输入四、实验内容与步骤1、对上、下水箱液位传感器进行零点与增益的调整。2、按照图1的结构框图，完成系统的接线，并把PID调节器的“手动/自动”开关置于“手动”位置，此时系统处于开环状态。3、将单片机控制挂箱GK-03的输入信号端“LT1、LT2”分别与GK-02的传感器输出端“LT1、LT2”相连；用配套RS232通讯线将GK-03的“串行通信口”与计算机的COM1连接；打开所有电源开关用单片机进行液位实时监测；然后用上位机控制监控软件对液位进行监视并记录过程曲线。4、利用PID调节器的手动

5、旋钮调节输出，将被控参数液位控制在3cm左右。5、观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，记录此时调节器手动输出值VO以及水箱水位的高度h1和显示仪表LT1的读数值并填入下表。变频器输出频率f手动输出Vo水箱水位高度h1LT1显示值HZvcmcm6、迅速增调“手动调节”电位器，使PID的输出突加20%-30%，利用上位机监控软件记下由此引起的阶跃响应的过程曲线，并根据所得曲线填写下表。t（s）LT1读数(cm)等到进入新的平衡状态后，再记录测量数据，并填入下表：7变频器输出频率fPID输出Vo水箱

6、水位高度h1LT1显示值HZvcmcm8、重复上述实验步骤。五、注意事项1、做本实验过程中，阀V1和V2不得任意改变开度大小；2、阶跃信号不能取得太大，以免影响系统正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。3、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态4、在老师的帮助下，启动计算机系统和单片机控制屏。六、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，求出被测一阶环节的相关参数K和T。实验二、双容水箱对象特性的测试一、实验目的1、了解双容水箱的自衡特性。2、掌握双容水箱的数学模型及其阶

7、跃响应曲线。3、实测双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1、THKGK-1型过程控制实验装置：GK-02GK-03GK-04GK-072、万用表一只3、计算机及上位机软件三、实验原理阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节器手动操作改变对象的输入信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理地处理，确定模型中的相关参数。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。双容水

8、箱液位控制结构图如图1所示：7图1、双容水箱液位控制结构图设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度H2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为式中K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分别为阀V2和V4的液阻，C1和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数,式中的K、T1和T2可由实验求得的阶跃响应曲线求出,具