對(duì)象數(shù)模確定實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)12_14學(xué)生版

1、對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，特征參數(shù)；2、了解被控對(duì)象特征參數(shù)變化對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響；3、了解被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法；4、運(yùn)用階躍響應(yīng)曲線法測(cè)得被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；5、掌握階躍響應(yīng)曲線的數(shù)據(jù)處理方法。二、實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)備1、QXLTT三容液位被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)測(cè)定（1）QXLTT三容液位控制實(shí)驗(yàn)裝置（2）EN600系列數(shù)字調(diào)節(jié)器（3）記錄儀2、QXLPC-IV型單容被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)測(cè)定（1）QXLPC-IV型小型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置，（如圖1所示）。（2）S7200系列PLC（主機(jī)CPU222CN 8點(diǎn)input，6點(diǎn)output；擴(kuò)展單元EM235 4A

2、I,1AO）。（3）執(zhí)行器：MICROMASTER 420型變頻器以及160Q-8F磁動(dòng)泵；晶閘管SCR。（4）壓力變送器、液位變送器、Pt100鉑電阻和數(shù)顯溫度變送儀、渦輪流量計(jì)和數(shù)顯流量變送儀。（5）QXLPC-IV型小型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置。（6）安裝有軟件STEP 7-MicroWIN 的PC機(jī)。三、實(shí)驗(yàn)原理被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型是反映被控過(guò)程的輸出量與輸入量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。本實(shí)驗(yàn)采用階躍響應(yīng)法辨識(shí)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。階躍響應(yīng)法是指操作對(duì)象的調(diào)節(jié)閥，使對(duì)象的控制輸入產(chǎn)生一個(gè)階躍變化，將被控量隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線用記錄儀或其他方法測(cè)試記錄下來(lái)，再根據(jù)測(cè)試紀(jì)錄的響應(yīng)曲線求取過(guò)程輸出與輸入之間的數(shù)學(xué)

3、關(guān)系。1、圖10所示為被控對(duì)象測(cè)定數(shù)學(xué)模型的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖，被控對(duì)象部分按需要可由一階、二階、三階等構(gòu)成。針對(duì)實(shí)驗(yàn)室相應(yīng)的設(shè)備，本實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)原理圖如圖11所示。圖10 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)器置手動(dòng)，改變輸出閥位值（獲得階躍輸入信號(hào)），同時(shí)記錄閥位值和對(duì)象輸出值。調(diào)節(jié)器reu執(zhí)行器y對(duì)象測(cè)量變送記錄儀信號(hào)發(fā)生器圖11 系統(tǒng)原理圖2、階躍輸入如圖12所示，輸出階躍響應(yīng)曲線如圖13所示。從圖中可得、T、K，其中K= h()/ m，T= t2- t1，= t1。、T、K也可以根據(jù)圖中數(shù)據(jù)計(jì)算得出，計(jì)算方法請(qǐng)參閱本課程教材對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定章節(jié)。0h (mm)t 秒h()t1t210%10%m

4、%t 秒0 圖13 輸出階躍響應(yīng)曲線圖12 階躍輸入 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.QXLTT雙容液位被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)測(cè)定（1） 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)調(diào)整到相對(duì)穩(wěn)定 調(diào)節(jié)器置手動(dòng)，手操調(diào)節(jié)器改變輸出閥位，使閥位輸出為50%，等待幾分鐘看液位基本不變，即開(kāi)環(huán)系統(tǒng)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。（2） 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的正向階躍擾動(dòng) 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)在相對(duì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，手操調(diào)節(jié)器閥位階躍增加10%；同步記錄系統(tǒng)在開(kāi)環(huán)時(shí)液位的階躍響應(yīng)曲線，求解系統(tǒng)模型的三大特性參數(shù)：、T0、K0。（3） 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的反向階躍擾動(dòng) 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)在正向階躍擾動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后，再手操調(diào)節(jié)器閥位階躍減少10%；同步記錄系統(tǒng)在開(kāi)環(huán)時(shí)液位的階躍響應(yīng)曲線，求解系統(tǒng)的特性參數(shù)：、T0、

5、K0及其平均值。 （4） 雙容水箱的數(shù)學(xué)模型根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試到的系統(tǒng)開(kāi)環(huán)時(shí)的正、反向階躍響應(yīng)曲線，分別求解系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的三大特性參數(shù)：（1）時(shí)延時(shí)間、（2）時(shí)間常數(shù)T0、（3）過(guò)程放大倍數(shù)K0；再求其平均值。2. QXLPC-IV型單容被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)測(cè)定（1）按對(duì)應(yīng)的流程圖的要求接線,對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行選擇。用變頻器作執(zhí)行器去控制液位時(shí)，出水手閥V22應(yīng)開(kāi)啟一半左右；而控制壓力、流量時(shí)，出水閥V22應(yīng)全開(kāi)。電磁閥VD1不通電處于關(guān)閉狀態(tài)；并聯(lián)手筏V1應(yīng)開(kāi)啟（V1和VD1至少有一個(gè)開(kāi)啟才能啟動(dòng)泵）。若實(shí)驗(yàn)中要用VD1進(jìn)行對(duì)象擾動(dòng)，則開(kāi)關(guān)量選擇開(kāi)關(guān)置于PLC，VD1的并聯(lián)手閥VI開(kāi)啟一半左右。沒(méi)有溫

6、度調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)，不要接通“加熱”開(kāi)關(guān)！若要做溫度調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)，要等鍋爐水位100mm（20%）后才能接通“加熱”開(kāi)關(guān)。（2）PG/PC接口設(shè)置1)雙擊指令樹(shù)“設(shè)置PG/PC接口”圖標(biāo)，在打開(kāi)的對(duì)話框中設(shè)置編程計(jì)算機(jī)的“PC/PPICable（PPI）”的屬性。設(shè)地址為2其它的選擇默認(rèn)設(shè)置，本地連接采用COM1端口。2)雙擊指令樹(shù)文件夾“通信”圖標(biāo)，雙擊刷新設(shè)備后,程序軟件將會(huì)自動(dòng)自動(dòng)搜索連接在網(wǎng)絡(luò)上的S7-200,之后選擇所顯示的S7-200,建立PC機(jī)與PLC之間的連接。（3）將“全部實(shí)驗(yàn)”下載到PLC中并開(kāi)始運(yùn)行。4、接通操作臺(tái)的電源，1分鐘后將變頻器的使能開(kāi)關(guān)從“0”切到“1”，水泵啟動(dòng)，調(diào)節(jié)

7、變頻器內(nèi)給定電位器，觀察調(diào)節(jié)儀或電腦的壓力測(cè)量值，使壓力值在合適的范圍內(nèi)。此后可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作（略）。（4）打開(kāi)組態(tài)王首先在桌面上雙擊組態(tài)王的圖標(biāo),在跳出的如下界面中選擇運(yùn)行。鼠標(biāo)點(diǎn)擊進(jìn)入系統(tǒng),在下面的界面中選擇實(shí)驗(yàn)四。注意:在選擇實(shí)驗(yàn)前請(qǐng)先確認(rèn)接線和外圍設(shè)備的選擇是否正確!（5）調(diào)節(jié)器置手動(dòng)，手操調(diào)節(jié)器改變輸出閥位。點(diǎn)擊 “液位調(diào)節(jié)”，將調(diào)節(jié)器置手動(dòng)，手操調(diào)節(jié)器改變輸出閥位，使閥位輸出為50%，等待幾分鐘看液位基本不變，即開(kāi)環(huán)系統(tǒng)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)在相對(duì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，手操調(diào)節(jié)器閥位階躍增加10%；同步記錄系統(tǒng)在開(kāi)環(huán)時(shí)液位的階躍響應(yīng)曲線，求解系統(tǒng)模型的三大特性參數(shù)：、T0、K0。 開(kāi)環(huán)

8、系統(tǒng)在正向階躍擾動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后，再手操調(diào)節(jié)器閥位階躍減少10%；同步記錄系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試到的系統(tǒng)開(kāi)環(huán)時(shí)的正、反向階躍響應(yīng)曲線，分別求解系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的三大特性參數(shù)：（1）時(shí)延時(shí)間、（2）時(shí)間常數(shù)T0、（3）過(guò)程放大倍數(shù)K0；再求其平均值。（6）曲線顯示點(diǎn)擊開(kāi)始顯示曲線曲線的操作坐標(biāo)操作：可以放大，縮小X，Y軸，來(lái)更加清晰的分析曲線保存曲線：保存還可以通過(guò)保存曲線來(lái)保存做過(guò)的曲線五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)（1）三容液位裝置中有些部件精細(xì)，容易損壞，實(shí)驗(yàn)中嚴(yán)禁學(xué)生私自操作。實(shí)驗(yàn)中遇到不正常情況或設(shè)備損壞，應(yīng)立即通知指導(dǎo)教師，不得隱瞞。（2）實(shí)驗(yàn)均應(yīng)從穩(wěn)定平衡狀況下開(kāi)始；（3）準(zhǔn)確性與安全性。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算計(jì)算

9、公式：G(S)=K/TS+1兩點(diǎn)法： Y( Y() T1=t1 T2=2.5*t2 T=(T1+T2)/21、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的正向階躍擾動(dòng)：Y()= Y( t1=200s Y(T1=t1=200s T2=2.5t2=2*78s=156s KT=(T1+T2)/2=356/2=178s所以G1（s）=51/(178s+1)2、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的反向階躍擾動(dòng)：Y()=- Y()=/500=0.40585 t1=167s Y()= =26526 t2=69sT1=t1=167s T2=2.5t2=2*101s =s KT=(T1+T2)/2=170s所以G2（s）=52/(170s+1)3、雙容水箱的數(shù)學(xué)模型：雙

10、容上升： Y ()=270-116=154 Y()=60.06+116=176.06 t1=194sY()=97.02+116=213.02 t2=378sK=(270-116)/（36-20）=2t1-t2=10 T=2(t2-t1)=368sG3（s）=10e-10s/(368s+1)雙容下降：Y ()=174-270=96 Y()=270-37.44=232.56 t1=200SY()=270-60.48=209.52 t2=375SK=(174-270)/(36-22)=2t1-t2=25 T=2(t2-t1)=350sG4（s）=7e-25s/(350s+1)七、實(shí)驗(yàn)結(jié)論本實(shí)驗(yàn)做的是

11、無(wú)自平衡能力的單容水箱和雙容水箱，在其內(nèi)部不存在負(fù)反饋機(jī)制，水位只與流量有關(guān)。具有自平衡能力的被控對(duì)象，本身對(duì)擾動(dòng)有一定的克服能力，控制性能較好。而無(wú)自平衡能力的被控對(duì)象，是不穩(wěn)定的。被控變量若要按要求的規(guī)律變化，必須完全依賴(lài)于對(duì)象外部的控制系統(tǒng)。T 稱(chēng)為系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，它是系統(tǒng)或環(huán)節(jié)慣性大小的量度。被控對(duì)象的容量系數(shù)，表示了被控對(duì)象抵抗擾動(dòng)的能力，如水箱的橫截面積大，同樣流入量下，水位上升得就慢。慣性環(huán)節(jié)的慣性，其根本原因就是因?yàn)樗哂写尜A能力。但這并不是決定慣性大小的唯一因素。描述有自平衡能力單容被控對(duì)象的參數(shù)有兩個(gè)：放大系數(shù)K和時(shí)間常數(shù)T，稱(chēng)為被控對(duì)象的特性參數(shù)。放大系數(shù)K表示輸入信號(hào)通過(guò)被控