单容自衡水箱液位特性测试实验数据

《单容自衡水箱液位特性测试实验数据》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

第一节单容自衡水箱液位特性测试实验一、实验目的1．掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，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，用相应的方法确定被测对象的特征参数K、T和传递函数；3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。二、实验设备1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、计算机一台、万用表一个；2．SA-12挂件三个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个；4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、以太网交换机一个、网线两根；5．SA-41A挂件一个、CP5611专用网卡及MPI通讯线；6．SA-44挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。三、实验原理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所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1和F1-8全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-11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。图2-1单容自衡水箱特性测试系统根据动态物料平衡关系有（a）结构图（b）方框图Q1-Q2=A(2-1)将式(2-1)表示为增量形式ΔQ1-ΔQ2=A(2-2)式中：ΔQ1，ΔQ2，Δh——分别为偏离某一平衡状态的增量；A——水箱截面积。在平衡时，Q1=Q2，

1＝0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q2与h成正比关系，而与阀F1-11的阻力R成反比，即ΔQ2=或R=(2-3)式中：R——阀F1-11的阻力，称为液阻。将式(2-2)、式(2-3)经拉氏变换并消去中间变量Q2，即可得到单容水箱的数学模型为W0（s）＝＝=(2-4)式中T为水箱的时间常数，T＝RC；K为放大系数，K＝R；C为水箱的容量系数。若令Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=，x0=常数，则式(2-4)可改写为H（s）=×=K-对上式取拉氏反变换得h(t)=Kx0(1-e-t/T)(2-5)当t—>∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有K=＝(2-6)当t=T时，则有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h(∞)(2-7)式（2-5）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（a）所示，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。也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数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。图2-2单容水箱的阶跃响应曲线如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图2-2（b），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：

2H(S)=四、实验内容与步骤本实验选择下水箱作为被测对象（也可选择上水箱或中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11的开度开到50%左右，其余阀门均关闭。具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。（一）、智能仪表控制1．将“SA-12智能调节仪控制”挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照下面的控制屏接线图2-3连接实验系统。智能仪表1常用参数设置如下，其他参数按照默认设置：HIAL=9999，LoAL=-1999,dHAL=9999,dLAL=9999,dF=0,CtrL=1,Sn=33,dIP=1,dIL=0,dIH=50,oP1=4,oPL=0,oPH=100,CF=0,Addr=1,bAud=9600。2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入实验一的监控界面。4．在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”控制，并将输出值设置为一个合适的值，此操作需通过调节仪表实现。5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。6．待下水箱液位平衡后，突增（或突减）智能仪表输出量的大小，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，记录下此时的仪表输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如图2-4所示。图2-4单容下水箱液位阶跃响应曲线7．根据前面记录的液位值和仪表输出值，按公式（2-6）计算K值，再根据图2-2中的实验曲线求得T值，写出对象的传递函数。（四）、S7-200PLC控制1．将“SA-44S7-200PLC控制”挂件挂到屏上，并用PC/PPI通讯电缆线将S7-200PLC连接到计算机串口1，并按照下面的控制屏接线图2-7连接实验系统。

32．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、Ⅲ空气开关，给S7-200PLC及电动调节阀上电。3．打开Step7-Micro/WIN32软件，并打开“S7-200PLC”程序进行下载，然后将S7-200PLC置于运行状态，然后运行MCGS组态环境，打开“S7-200PLC控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入实验一的监控界面。4．以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤4～7。五、实验报告要求1．画出单容水箱液位特性测试实验的结构框图。2．根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出单容水箱液位对象的参数及传递函数。六、思考题1．做本实验时，为什么不能任意改变出水阀F1-11开度的大小？2．用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？3．如果采用中水箱做实验，其响应曲线与下水箱的曲线有什么异同？并分析差异原因。第二节单容液位定值控制系统一、实验目的1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。2．掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。4．了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。5．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。二、实验设备（同前）三、实验原理图3-6中水箱单容液位定值控制系统

4(a)结构图(b)方框图本实验系统结构图和方框图如图3-6所示。被控量为中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT2检测到的中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电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。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。四、实验内容与步骤本实验选择中水箱作为被控对象。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-7、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度（50%左右），其余阀门均关闭。具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。（一）、智能仪表控制1．将“SA-12智能调节仪控制”挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照下面的控制屏接线图3-7连接实验系统。智能仪表1常用参数设置如下，其他参数按照默认设置：HIAL=9999，LoAL=-1999,dHAL=9999,dLAL=9999,dF=0,CtrL=1,Sn=33,dIP=1,dIL=0,dIH=50,oP1=4,oPL=0,oPH=100,CF=0,Addr=1,bAud=9600。2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制系统”，进入实验三的监控界面。4．在上位机监控界面中点击“启动仪表”。将智能仪表设置为“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使中水箱的液位平衡于设定值。6．按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。7．待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：（1）突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面三种仅供参考）（2）将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；（3）将下水箱进水阀F1-8开至适当开度；（改变负载）4）接上变频器电源，并将变频器输出接至磁力泵，然后打开阀门F2-1、F2-4，用变频器支路以较小频率给中水箱打水。

5以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图3-8所示。图3-8单容水箱液位的阶跃响应曲线8．分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。9．分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤4～8，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。（四）、S7-200PLC控制1．将SA-44S7-200PLC控制挂件挂到屏上，并用PC/PPI通讯电缆线将S7-200PLC连接到计算机串口1，并按照下面的控制屏接线图3-11连接实验系统。2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相空气开关，给S7-200PLC及电动调节阀上电。3．打开Step7-Micro/WIN32软件，并打开“S7-200PLC”程序进行下载，然后将S7-200PLC置于运行状态，然后运行MCGS组态环境，打开“S7-200PLC控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制”，进入实验三的监控界面。4．以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤4～9。（五）、S7-300PLC控制1．将挂件SA-41AS7-300PLC控制挂件挂到屏上，并用MPI通讯电缆线将S7-300PLC连接到计算机CP5611专用网卡，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给S7-300PLC及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相空气开关，给电动调节阀上电。3．打开Step7软件，打开“S7-300”程序进行下载，然后将S7-300PLC置于运行状态，然后运行WinCC组态软件，打开“S7-300PLC控制系统”工程，然后激活WinCC运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制”，进入实验三的监控界面。4．以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤4～9。五、实验报告要求1．画出单容水箱液位定值控制实验的结构框图。2．用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。3．根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。4．比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。5．分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。6．综合分析五种控制方案的实验效果。六、思考题

61．如果采用下水箱做实验，其响应曲线与中水箱的曲线有什么异同？并分析差异原因。2．改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？