過控實驗報告1

太原科技大學

電子信息工程學院專業(yè)碩士學位研究生綜合實驗報告實驗名稱：雙容水箱特性測試專業(yè)：控制工程姓名：梁亮學號：S20130349指導教師：邵學卷完成時間：2014年6月9日一、實驗目的掌握雙容水箱特性的階躍響應曲線測試方法；2.根據(jù)由實驗測得雙容液位的階躍響應曲線，確定其特征參數(shù)K、耳、T2及傳遞函數(shù)；3.掌握同一控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實現(xiàn)過程。二、實驗設備1?實驗對象及控制屏、SA-11掛件一個、SA-13掛件一個、SA-14掛件一個、計算機

一臺；2.SA-12掛件一個、通訊線一根；3.SA-21掛件一個、SA-22掛件一個、SA-23掛件一個；4.SA-31掛件一個、SA-32掛件一個、SA-33掛件一個、主控單元一個、數(shù)據(jù)交換器兩個，網(wǎng)線四根；5.SA-41掛件一個、CP5611專用網(wǎng)卡及網(wǎng)線；6.SA-42掛件一個、PC/PPI通訊電纜一根。電動閥上水箱Gi(s)G(s)=Gi(s)G2(s)=干擾下水箱G2(s)PC/PPI通訊電纜一根。電動閥上水箱Gi(s)G(s)=Gi(s)G2(s)=干擾下水箱G2(s)(Tis+1)(T2S+1)(b)I11(液位)雙容水箱對象特性測試系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖由上圖所示，被測對象由兩個不同容積的水箱相串聯(lián)組成，故稱其為雙容對象。自衡是指對象在擾動作用下，其平衡位置被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預，依靠其自身重新恢復平衡的過程。雙容水箱的數(shù)學模型可用一個二階慣性環(huán)節(jié)來描述:G(s)=G1(s)G2(s)^k7*亠=K(2-9)Ts+1Ts+1(Ts+1)(Ts+1)1212式中K=k]k2，為雙容水箱的放大系數(shù)，T「T2分別為兩個水箱的時間常數(shù)。本實驗中被測量為下水箱的液位，當中水箱輸入量有一階躍增量變化時，兩水箱的液位變化曲線如下圖所示。由圖可見，上水箱液位的響應曲線為一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)(圖(a))；而下水箱液位的響應曲線則呈S形曲線(圖(b)),即下水箱的液位響應滯后了，它滯后的時雙容水箱液位的階躍響應曲線(a)中水箱液位(b)下水箱液位雙容對象兩個慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)可按下述方法來確定。在下圖所示的階躍響應曲線上求?。?1)h2(t)lt=t1=0.4h2(R)時曲線上的點B和對應的時間t1；(2)h2(t)lt=t2=0.8h2(g)時曲線上的點C和對應的時間t2。

h2(t)h2(t)雙容水箱液位的階躍響應曲線然后，利用下面的近似公式計算式K=H2（^）=輸入穩(wěn)態(tài)值（2-10）x°階躍輸入量T+T?土（厶11）字2?（1.74仝_0.55）（2-12）0.32〈也〈0.46122.16（T1+T2）2T2由上述兩式中解出T1和T2,于是得到如式（2-9）所示的傳遞函數(shù)。在改變相應的閥門開度后，對象可能出現(xiàn)滯后特性，這時可由S形曲線的拐點P處作一切線，它與時間軸的交點為A，OA對應的時間即為對象響應的滯后時間e。于是得到雙容滯后（二階滯后）對象的傳遞函數(shù)為：G（S）=ke-肪（2-13）（TS+1）（TS+1）12四、實驗內(nèi)容與步驟1.閥門F1-1、F1-2、F1-7全開，中水箱出水閥門F1-10、下水箱出水閥門F1-11開至適sA—44三相—22OV榆入亠〕S7-2OOsA—44三相—22OV榆入亠〕S7-2OOPJCPT編稈控制甜單才目電游輸岀?￥?-+F1II圧為變堆腳>.LT1LT2LT3f三掃*力華(38OV)=to(*>I1―‘—DI3—__2D15—土DI4—'■―D16—S7-200PLC控制雙容水箱特性測試實驗接線圖3?接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V開關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，給S7-200PLC及電動調(diào)節(jié)閥上電。4.運行MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“S7-200PLC控制系統(tǒng)”工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“雙容自衡水箱對象特性測試”，進入實驗監(jiān)控界面。5?在上位機監(jiān)控界面中將智能儀表設置為“手動”控制，并將輸出值設置為52.1，此操作需通過調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)。6?給磁力驅(qū)動泵上電打水，適當增加/減少智能儀表的輸出量，使下水箱的液位處于某一平衡位置，記錄此時的儀表輸出值和液位值。7.待下水箱液位平衡后，突增智能儀表輸出量的大小，使其輸出有一個正階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后，水箱液位進入新的平衡狀態(tài)，記錄下此時的儀表輸出值和液位值，液位的響應過程曲線將如下圖所示。單容下水箱液位階躍響應曲線單容下水箱液位階躍響應曲線根據(jù)前面記錄的液位值和儀表輸出值,按公式K=h(8)-h(0)二輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸x0入計算K值,入計算K值,五、實驗的注意事項及遇到的問題實驗之前確保所有電源開關(guān)均處于“關(guān)”的位置。.接線或拆線必須在切斷電源的情況下進行，接線時要注意電源極性。完3.在投運之前，請先檢查管道及閥門是否已按實驗指導書的要求打開，儲水箱中是否充水至三分之二以上，以保證磁力驅(qū)動泵中充滿水，磁力驅(qū)動泵無水空轉(zhuǎn)易造成水泵損壞。4.實驗開始時，由于沒有將24V給定電壓開關(guān)打開，導致中水箱液位數(shù)據(jù)沒能在組態(tài)軟件中顯示。5.由于F1-10開度與F1-11的開度調(diào)節(jié)不合理導致中水箱數(shù)據(jù)持續(xù)增加，沒有達到穩(wěn)定值。6.實驗步驟5中的適當值，是經(jīng)過兩次反復試驗得出的結(jié)果。六、實驗數(shù)據(jù)分析智能調(diào)節(jié)器手動輸出F1-7中水箱電動調(diào)1.畫出雙容水箱液位特性測試實驗的結(jié)構(gòu)框圖。智能調(diào)節(jié)器手動輸出F1-7中水箱電動調(diào)干擾磁力驅(qū)動泵申Fl-11墮_JQ3^_IM磁力驅(qū)動泵申Fl-11墮_JQ3^_IMF1-10Q2y下水箱電動閥上水箱

G(s)下水箱G2(S)Ih(液位)G(s)=Gi(s)G2(s)=(Tis+1)(T2S-f1)(a)(b)(a)雙容水箱對象特性測試系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖根據(jù)實驗得到的數(shù)據(jù)及曲線，分析并計算出雙容水箱液位對象的參數(shù)及傳遞函數(shù)。七、思考題1.做本實驗時，為什么不能任意改變兩個出水閥門開度的大小?答：出水閥F1-11的開度是改變出水量Q2的，改變水箱泄水的過程。在此實驗中是先將出水閥F1-11開至適當?shù)拈_度。之后在單容水箱在穩(wěn)定的過程中，此閥門是不能任意改變的，因為一改變就會對系統(tǒng)帶來干擾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，不能正確反映實驗特性。只有當系統(tǒng)穩(wěn)定時，要研究輸出量對系統(tǒng)的穩(wěn)定特性影響時才改變出水閥F1-11。用響應曲線法確定對象的數(shù)學模型時，其精度與那些因素有關(guān)？答：應曲線可能與實驗工作電壓的波動，執(zhí)行器的不穩(wěn)定性，和系統(tǒng)的控制參數(shù)比例度、積分時間、微分時間及測量值的波動都可能帶來一定的誤差，造成精度下降，同時還跟壓力傳感器的精度，閥門開度，測試軟件都有關(guān)系。如果采用上水箱和中水箱做實驗，其響應曲線與用中水箱和下水箱做實驗的曲線有什么異同？并分析差異原因。引起雙容對象滯后的因素主要有哪些？答：因素有K、T及時間常數(shù)。八、總結(jié)本次實驗是過程控制這門課的第一個實驗，在老師的講解下，我們的實驗上手很快，并很快取得了頭一個穩(wěn)定狀態(tài)，但在數(shù)據(jù)處理時發(fā)現(xiàn)，并不是每一個曲線都是理想的二階系統(tǒng)，自己在思考后，也給出的相應的解釋，還請老師指點。同時，對于實驗的學習，我們更加了解裝置設備，以