过程控制及检测仪表实验指导书简版.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date过程控制及检测仪表实验指导书简版第一章 过程控制实验概述（简化版）柏逢明 韩学辉长春理工大学电信学院2009年10月30日-第一章 过程控制及过程检测仪表实验概述过程控制及过程检测仪表是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程自动化中，过程控制及过程检测仪表技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。它涉及面广，包括电力、电子、控制、计算机技术等，而实验环节是这些课程的重要组成部分。通过实验，可以加深对理论的理解，培养和提高实际动手能力，分析和解决问题的能力。实现生产过程自动化对于发展国民经济、提高技术水平有着十分重要的意义。过程控制及过程检测仪表将在我国社会主义现代化的建设过程中得到更快的发展。1.1 实验的特点和要求 过程控制及过程检测仪表与电机控制实验的内容较多、较新，实验系统也比较复杂，系统性较强。过程控制及过程检测仪表与电机控制实验是上述课程理论教学的重要的补充和继续，而理论教学则是实验教学的基础。学生在实验中应学会运用所学的理论知识去分析和解决实际系统中出现的各种问题，提高动手能力；同时通过实验来验证理论，促使理论和实践相结合，使认识不断提高、深化。具体地说，学生在完成指定的实验后，应具备以下能力:(1)掌握过程控制及过程检测仪表装置主电路、扰动或驱动电路及调试方法，能初步设计和应用这些电路。 (2)掌握过程控制及过程检测仪表系统的组成和调试方法，系统参数的测量和整定方法。 (3)能设计过程控制及过程检测仪表系统的具体实验线路，列出实验步骤。 (4)熟悉并掌握基本实验设备、测试仪器的性能及使用方法。 (5)能够运用理论知识对实验现象、结果进行分析和处理，解决实验中遇到的问题。 (6)能够综合实验数据，解释实验现象，编写实验报告。本书介绍了20余个过程控制及过程检测仪表、电机控制及控制理论方面的实验。过程控制及过程检测仪表实验可以完成比例-积分-微分控制、直流调速控制、交流调速控制、传感器的零点迁移和性能测试、单容双容水箱控制、温度控制和流量控制等。过程控制及过程检测仪表的分类方法很多，按系统的结构特点分为反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈控制系统，按给定值信号的特点分为定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。1.2 实验前的准备 实验准备即为实验的预习阶段，是保证实验能否顺利进行的必要步骤。每次实验前都应先进行预习，从而提高实验质量和效率，否则就有可能在实验时不知如何下手，浪费时间，完不成实验要求，甚至有可能损坏实验装置。因此，实验前应做到：(1) 复习教材中与实验有关的内容，熟悉与本次实验相关的理论知识。(2) 阅读本教材中的实验指导，了解本次实验的目的和内容；掌握本次实验系统的工作原理和方法；明确实验过程中应注意的问题。(3)写出预习报告，其中应包括实验系统的详细接线图、实验步骤、数据记录表格等。(4)进行实验分组，一般情况下，过程控制及过程检测仪表实验分组为每组68人，交、直流调速系统实验的实验小组为每组68人。1.3 实验实施 在完成理论学习、实验预习等环节后，就可进入实验实施阶段。实验时要做到以下几点：(1) 实验开始前，指导教师要对学生的预习报告作检查，要求学生了解本次实验的目的、内容和方法，只有满足此要求后，方能允许实验。 (2) 指导教师对实验装置作介绍，要求学生熟悉本次实验使用的实验设备、仪器，明确这些设备的功能与使用方法。(3) 按实验小组进行实验，实验小组成员应进行明确的分工，以保证实验操作协调，记录数据准确可靠，各人的任务应在实验进行中实行轮换，以便实验参加者能全面掌握实验技术，提高动手能力。(4) 按预习报告上的实验系统详细线路图进行接线，一般情况下，接线次序为先主电路，后控制电路；先串联，后并联。在进行调速系统实验时，也可由2人同时进行主电路和控制电路的接线。(5) 完成实验系统接线后，必须进行自查。串联回路从电源的某一端出发，按回路逐项检查各仪表、设备、负载的位置、极性等是否正确;并联支路则检查其两端的连接点是否在指定的位置。距离较远的两连接端必须选用长导线直接跨接，不得用2根导线在实验装置上的某接线端进行过渡连接。(6) 实验时，应按实验教材所提出的要求及步骤，逐项进行实验和操作。除作阶跃启动试验外,系统启动前，应使负载电阻值最大，给定电位器处于零位；测试记录点的分布应均匀；改接线路时，必须断开电源方可进行。实验中应观察实验现象是否正常，所得数据是否合理，实验结果是否与理论相一致。(7) 完成本次实验全部内容后，应请指导教师检查实验数据、记录的波形。经指导教师认可后方可拆除接线，整理好连接线、仪器、工具，使之物归原位。1.4 实验总结 实验的最后阶段是实验总结，即对实验数据进行整理、绘制波形和图表、分析实验现象、撰写实验报告。每位实验参与者都要独立完成一份实验报告，实验报告的编写应持严肃认真、实事求是的科学态度。如实验结果与理论有较大出入时，不得随意修改实验数据和结果，不得用凑数据的方法来向理论靠拢，而是用理论知识来分析实验数据和结果，解释实验现象，找出引起较大误差的原因。实验报告的一般格式如下: (1)实验名称、专业、班级、实验学生姓名、同组者姓名和实验时间。 (2)实验目的、实验线路、实验内容。 (3)实验设备、仪器、仪表的型号、规格、铭牌数据及实验装置编号。(4)实验数据的整理、列表、计算，并列出计算所用的计算公式。(5)画出与实验数据相对应的特性曲线及记录的波形。(6)用理论知识对实验结果进行分析总结，得出明确的结论。(7)对实验中出现的某些现象、遇到的问题进行分析、讨论，写出心得体会，并对实验提出自己的建议和改进措施。(8)实验报告应写在一定规格的报告纸上，保持整洁。(9)每次实验每人独立完成一份报告，按时送交指导教师批阅。1.5 实验安全操作规程为了顺利完成电力电子技术及电机控制实验，确保实验时人身安全与设备可靠运行要严格遵守如下安全操作规程：1、在实验过程时，绝对不允许双手同时接到隔离变压器的两个输出端，将人体作为负载使用。2、为了提高学生的安全用电常识，任何接线和拆线都必须在切断电源后方可进行。3、为了提高实验过程中的效率，学生独立完成接线或改接线路后，应仔细再次核对线路，并使组内其他同学引起注意后方可接通电源。4、如果在实验过程中发生告警，应仔细检查线路以及电位器的调节位置，确定无误后方能重新进行实验。5、在实验中应注意所接仪表的最大量程，选择合适的负载完成实验，以免损坏仪表、电源或负载。6、电源控制屏以及各挂件所用保险丝规格和型号是经我们反复实验选定的，不得私自改变其规格和型号，否则可能会引起不可预料的后果。7、在加电流、转速闭环前一定要确保反馈极性是否正确，应构成负反馈。8、除作阶跃起动试验外，系统起动前负载电阻必须放在最大阻值，给定电位器必须退回至零位后，才允许合闸起动并慢慢增加给定，以免元件和设备过载损坏。9、在直流电机启动时，要先开励磁电源，后加电枢电压。在完成实验时，要先关电枢电压，再关励磁电源。第二章 实验装置控制组件2.1 概述 TKGK-1型过程控制及过程检测仪表实验装置是根据自动化专业及相关专业教学的特点，吸收了国外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证，向广大师生推出一套全新的实验设备。该设备可以满足过程控制及过程检测仪表、自动化仪表、工程检测、计算机控制系统等课程的教学实验。整个系统结构紧凑、功能多样、使用方便，既能进行验证性、设计性实验，又能提供综合性实验，可满足本科、大专及中专等不同层次的教学实验要求，还可为研究开发提供实验手段。 本实验装置的控制信号及被控信号均采用IEC标准，即电压05V或15V，电流010mA或420mA。实验系统供电要求为单相交流220V±10%，10A；外型尺寸为：167*164*73，重量：580Kg。2.2实验系统结构与组成TKGK-1型过程控制及过程检测仪表实验装置集多参数闭环控制为一体，由过程控制及过程检测仪表对象、调节器模块、执行器模块、变送器模块和单片机控制模块等组成，各模块间灵活组合，基本包含了目前所有的工业控制方式，涉及温度、压力、流量和液位等重要的过程控制及过程检测仪表参数。 控制对象主要由上、下两个水箱，一个电加热器复合水箱及一个储水箱组成，上、下水箱液位或压力作为被控对象由两个水泵供水（由交流、直流调速电机、齿轮泵和压力传感器等构成），水箱水温作为被控对象是由温度传感器、加热器、固态继电器等构成；管道上装有电磁流量计、阀门等。水位、水温、压力以及供水流量均可作为被控变量。两个水泵，可同时工作，也可单独工作，也可将其中一个作为执行器，另一个作为干扰源。整个对象可设计成一阶、二阶系统。 系统的工艺流程图见图2.1。交流电机从储水箱中抽水，提供给对象，一方面它可以通过阀5或阀6供给复合温控水箱，再经过电磁流量计（FT）后，经阀1或阀3分别供水给上、下两个水箱，另一方面，直流电机从储水箱中抽水，通过阀7或阀8也供水给上、下两个水箱，两个水箱内均装有液位传感器（LT1，LT2）和溢流口，而且每个水箱的出水口均经过线性化处理，上水箱的水通过阀2 的调节流到下水箱，在上水箱中还安装了压力传感器（PT），用于检测压力大小，而下水箱的水经阀4流到复合加热水箱的外套，最后经溢流口3流回储水箱，从而构成了一个水的循环系统。在复合加热水箱的内套安装了加热器和PT100温度传感器（TT），用于检测温度的大小。 调节器模块主要有模拟调节器（含比例调节、比例积分调节、比例微分调节、比例积分微分调节）、位式调节器、智能调节器、PLC调节、单片机调节、计算机控制等。调节器的参数可任意设置。 执行器模块主要有固态继电器、交流电机及水泵、直流电机及水泵等。通过调节进水流量或电热丝的通断可实现对压力、流量、液位、温度等参数的自动控制。 变送器模块主要有流量变送器（FT）、液位变送器（LT1，LT2）、温度变送器（TT）、压力变送器（PT）等。变送器的零位、增益可调，并均以标准信号输出。另外，根据用户需要，配置微机通讯接口单元（RS232），以满足计算机过程控制及过程检测仪表实验教学的需要。 图2.1 装置结构显示屏面板图TKGK-1型过程控制及过程检测仪表实验装置电源接线如图2.2所示：图2.2 TKGK-1型过程控制及过程检测仪表实验装置电源接线图2.3 实验系统挂箱电源挂箱是TKGK-1型过程控制及过程检测仪表实验装置的重要组成部分。根据实验的具体内容可以灵活挂装和拆卸，使用便捷。图2.3 交流电源控制面板图2.3.1 电源控制屏 如图2.3所示，电源控制屏由一个交流电源控制区与三个执行部件接线区组成：1、交流电源控制区：由总电源钥匙开关，空气开关，带灯启动、停止按钮，漏电保护器，电加热器电源开关，照明开关，电压表及告警指示灯与复位按钮等组成。具体操作方法：1）、将电源插座接220V市电电源。2）、打开总电源空气开关3）、打开总电源钥匙开关，此时“停止”按钮红灯亮表示系统总电源接通。4）、按下“启动”按钮，此时“启动”按钮绿灯亮表示系统电源接通。5）、扳动照明钮子开关可以切换日光灯。 注意：本实验装置配电压型和电流型漏电保护系统。当屏上漏电时保护系统动作，告警灯亮并自动切断系统电源。2、三相异步电动机电源接线区：它与GK-07交流变频控制挂件配合使用。在此接线区一共有 A、B、C、Z、X、Y六个空蕊接线柱，它们与三相异步电动机引线一一对应。在3、直流他励电动机电源接线区：它与GK-06直流调速控制挂箱配合使用。在此接线区有电机的励磁、电枢四个空蕊接线拄，它们与直流他励电动机的引线一一对应。为了获得特定的转向，特规定接线原则为“左正右负”即左边的接线柱都接励磁、电枢的正电压输入，右边的接线柱接地。4、加热器控制接线区：共有两个空蕊接线柱。因固态继电器的接线原则为“左正右负”，即控制电压信号正端接左边接线柱，地端接右边接线柱。本装置中由于电源线为单相交流220V，固实验时必须按三角形接线方式（即 将A与Z、B与X、C与Y相接）。2.3.2 装置结构展示屏1、控制对象： 如图2.1所示，装置结构展示屏示有三个实验对象，上下两个水箱的水位控制对象，和一个温度控制对象（是一个由复合水箱与电加热容器构成）。对象的具体流程见实验装置面板图。2、供水系统： 装置的供水系统由三相交流鼠笼电动机或他励直流电动机驱动各自的齿轮泵，直流电机及泵将储水箱中的水经阀7、8分别注入上、下水箱，交流电机及泵将储水箱中的水经电磁流量计和手动调节阀1、3、6将水分别注入上、下水箱和复合加热水箱的外套水箱。复合水箱的内套水箱通过阀5一次性加满水后即关闭阀5。调节阀2、阀4，可调节上、下水箱的排水量。各水箱的过量水将通过溢流口1、2、3回流到储水箱中。3、控制参数有四种即：温度、压力、流量、液位。4、传感器输出与显示仪表： 在GK-02屏的左侧，设有控制参数的数显仪表，它们分别指示液位、压力、流量和温度等参数值。各表头左侧的接线柱分别接LT1、PT、LT2、FT、TT等相应传感器检测信号的输出，其标准05V D.C。其中LT1、PT、LT2均有调零和调增益电位器，可根据需要自行调整。传感器的输出显示表头为三位半的数显表。温度指示仪TT实际上是一台智能调节仪表（AI-708型），其输出信号可通过TR输出，提供用于控制固态继电器开关（AI-708型具体操作见使用说明书）。5、传感器的调试步骤： 开阀1、阀3，关闭阀2、阀4，然后启动齿轮泵，给上、下水箱供水。使其液面上升至10cm高度，关闭齿轮泵。 用三根ø6的橡皮导气管（约0.6m长），一端（上端）竖直地插入上、下水箱底部（上水箱两根，下水箱一根）。另一端（下端）完全裸露在大气中。 将三根导气管的下端接到三个差压传感器（MPX2010DP）的正压室。 将各增益调节电位器置于中间位置，然后调节零位调节电位器使LT1两端的输出电压为3.33V，LT2两端的输出电压为3.33V，PT两端的输出电压为3.33V（显示器显示980）。 开始零位调节：a、打开阀2、阀4，排空上、下水箱中的水，关闭阀2、阀4。b、调节零位调节电位器，使LT1、LT2和PT输出为零伏，显示器显示为00.00cm。注：稳定几分钟后进入下一步。 开始增益调节：a、启动齿轮泵，使上、下水箱水位上升至于10cm高度，然后再关闭齿轮泵。b、调节增益调节电位器，使LT1、LT2显示器显示10.00cm，Pa显示器显示980Pa。 重复5、6步骤，复调零位和增益，以满足系统要求（传感器输出电压为3.33V伏时，LT1与LT2的显示值为10.00cm，Pa的显示值为980Pa）。6、温度变送器（AI-708P）是一台含变送、调节双重功能的人工智能仪表，此表左侧为变送输出端TT，而下方（TR）输出端为调节器的输出信号，用于控制固态继电器。 温度变送器变送输出参数设置： 控制方式：CTRL=0 输入规格：SN=21（PT100） 输入下限显示值：dIL=0 输入上限显示值：dIH=100 输出方式：OP1=0 输出下限值：OPL=0 输出上限值：OPH=100 系统功能选择：CF=4 通讯地址：Addr=00(0mA) 通讯波特率：BAUd=100(10mA) 运行状态及上电信号处理：RUN=1另外，保持参数M5，速率参数P，滞后时间t可通过系统自我整定确定。 图2.4 控制面板及功能说明图2.5 系统显示状态2.3.3 模拟PID调节器挂箱如图2.6所示，本挂箱有两路完全相同的PID调节器和一路给定信号源。调节器的结构使用如下：1、接线端：一组给定信号输入，一组反馈信号输入（即PID输入信号），一组PID输出信号。注意地线是公共的，只有两个地线接线端子。给定信号大小由本模块中给定信号源提供，反馈信号输入由传感器输出提供，PID输出信号用于控制执行器（如交流电机、直流电机）。2、积分时间波段开关：共有三档：X、X1、X10。当选择X档时才可进入纯P，或PD控制方式。 P、I、D参数设置图2.6 PID调节器控制挂箱面板 “P比例调节”指比例系数KBBCBB（即放大系数），调节范围为“2至500”。比例度，即=1/KBBCBB。 “I积分调节”指积分时间常数Ti的调节，调节范围“0.01至2.5分”和“0.1至25分”。 “D微分调节器”指微分时间常数Td的调节，调节范围“0.01至10分”。 3、“I”有开/关两种状态，“D”也有开/关两种状态（通过钮子开关切换，两个开关处于“开”状态时积分和微分才起作用）。4、若需要选用“PI”控制，具体设置为：“I”波段开关置于X1或X10档，I开/关置于“开”电位器P、I旋置某一个刻度即可，此时“D”开关应置于“关”5、正/反作用开关：用于改变调节器的正反作用，实质上是改变输入偏差信号的正负号，以保证系统是一个负反馈系统。6、手动/自动开关：当开关置于“手动”时，调节手动电位器，即可手动控制执行机构。若需要进行PID控制，则此开关必须位于“自动”状态。7、给定信号源：其输出信号有两种（正信号、负信号），有两个钮子开关。 图2.7 位式控制器挂箱面板图1）、“±给定/0V”开关打到0V处，则无给定信号输出，只有在“±给定”状态下才有输出。图2.8直流调速控制挂箱面板图图2.7 位式控制挂箱面板 2）、“正给定/负给定”开关用于选择给定信号输出的正负值。8、当进行控制实验时，可利用GK-04的两个调节器组成所需的自动控制系统。2.3.4 位式控制器挂箱 如图2.7所示，位式控制挂箱由位式控制器和给定信号源两部分组成。 1、位式控制器输入端为Vmax 、Vi、Vmin,输出端为Vo。（在温度控制系统中用于控制固态继电器的开关端TR）。其中Vmax表示上限电压值，Vmin表示下限电压值，Vi为控制信号输入端。接线原则：上正下负（即上方空蕊接线柱接电压信号正端，下方空蕊接线柱接电压信号地端。注意：其中Vmax应大于Vmin，为保证实验效果明显，可令Vmax与Vmin差值大于1V。 2、给定信号源提供两组信号，其大小通过电位器RP1、RP2调节，可以整定所需要的Vmax、Vmin之值。 2.3.5 直流调速控制挂箱 如图2.8所示，内置直流调速板、光电隔离板和供电电源。直流调速面板，共有三组接线端，两个调整旋钮。1、输入端接各调节器（如PID、单片机）的输出控制信号。输入电压范围为05V，用于控制直流他励电动机的转速。2、电枢绕组接线端与GK-01中的电动机接线端对应。3、励磁绕组接线端与GK-01中的电动机接线端对应。接线原则上正下负，左正右负。4、 流截止负反馈作用是限制启动电流过大和负载过大时，烧坏直流电动机。5、 电压反馈量调节旋钮。用于调节电压负反馈值的大小，从而达到调节电机的转速。通常启动时，将反馈调至较小，从而获得低速下有较大启动转矩。 2.3.6 交流变频调速挂箱 如图2.9所示，内置变频器7，光电隔离板和供电电源。变频器为三菱FR-S20S-0.4K型或松下MID043A1型或东芝VF-S-2004型，具体使用说明、参数设置及操作，详见随附的产品使用手册。图2.9交流变频控制挂箱面板 （一）、挂箱面板接线端子功能说明：为了保护变频器各接线端子不因实验时经常的装拆线而损坏或丢失，故将其常用的端子引到挂箱面板上。1、A、B、C：变频器的三个输出端，（连接GK-01中的三相鼠笼电机三相定子绕阻的接线端A、B、C）。2、VIA和GND：外部电压控制信号（010V）输入端，VIA接信号正极，GND接信号地端。3、F、R：电机正、反转控制端，F与CC相连为正转，R与CC相连为反转。 *4、其它： 1）、SBB1BB、SBB2BB：控制输入信号，与CC连接可选择某档速运转。 2）、RST：复位。 3）、outBB1BB、outBB2BB：控制输出信号。 4）、II：外部电流控制信号（420mA）输入，不能与VIA信号并用。 5）、PP：外接电位器。 6）、FM：接模拟测试表。 7）、P24：24VDC输出。 8）、 FLA、FLB、FLC：继电器触点。 9）、CC：输入/输出公共端。*本实验装置空着不和，各端子引出的目的是为用户提供其它自拟实验接线的需要。（二）、变频器的基本操作说明：（以松下、东芝为例）1、变频器操作面板组成：由显示器，功能开关MON，设定开关、，运行开关RUN，确认开关ENT，停止开关STOP等组成。2、 各部分功能说明：显示器：由四位LED数码管组成，用作显示输出频率的监视方式（或开机显示方式：末二位显示00）、参数号方式（显示在4位LED的前两位）和参数值方式（以闪亮方式显示设定值）。在参数号方式下，若在3秒内不触模MON键，则返回监视方式。 MON：功能键，用以选择监视方式，参数号方式和参数值方式。 、：设定键，进行参数选择，数值的设定与变更。若按此键不放，则会连续变更参数和数值。 ENT：确认键，确认并保存当前的方式、数值设定。 RUN、STOP：电动机起动与停止的指令开关。 3、操作方式之间的转换与显示方式的特点：图2.30 变频器操作拓扑流程图每按MON键后再按ENT键便确认并保存当前的设置）4、输出频率设定方式（电动机额定工作频率为50Hz，设定范围应为050Hz）1）、外接电位器调节。2)、面板键盘操作设定。 3)、采用输入电压（010V）控制。 4）、采用输入电流（420mA）控制。第三章 过程控制及过程检测仪表实验内容3.1 实验装置的基本操作与仪表调试实验一、实验目的 1）、了解系统结构与组成。2）、了解液位、压力传感器的结构原理与使用方法。3）、掌握实验装置的基本操作与变送器仪表的调整方法二、实验设备 TKGK-1实验台、万用表三、系统结构框图图3.1是水位、压力 、流量的控制系统框图图图3.1 水位、压力、流量控制系统框图 图3.2 温度控制系统结构图四、实验内容1、设备组装与检查：1）、将GK-07、GK-06、GK-05、GK-04挂件由左至右依次挂于实验屏上。并将挂件的三蕊插头插于相应插座中。2）、检查挂件电源开关是否关闭。3）、用万用表检查挂件的电源保险丝是否完好。2、系统接线1）、按照装置使用说明书中的GK-07交流变频调速控制箱的常用使用方法进行接线。2）、将GK-05正给定信号接至GK-07变频器的VIA与GND端子。3）、经指导老师检查通过后，进入下一步。3、启动实验装置：1）、将实验装置电源插头接到220V市电电源。2）、打开电源空气开关与电源总钥匙开关。3）、按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源，电压表指示220V。4、仪表调整：在GK-02模块左侧，设有四个控制参数的数显仪表， 其输入接线柱分别接LT1、PT、LT2、FT、TT等相应传感器检测信号的输出（标准信号为05V DC）。表头的右侧各有二个电位器，可通过这些电位器调整零位和增益，在传感器校验实验时要使用，同时在实验进行之前，每次都应调整好传感器的零位和增益。 调试步骤如下：1）、打开阀1、阀3，关闭阀7、阀8，（或者打开阀7、阀8，关闭阀1、阀3）关闭阀2、阀4，然后开启变频器（或直流调速器），启动一个齿轮泵，给上下水箱供水，使其液面上升至10cm高度，关闭变频器。2）、用三根ø6的橡皮导气管（约0.6m长），使其一端（上端）竖直地插入上、下水箱底部（上水箱插两根，下水箱插一根）。另一端（下端）完全裸露在大气中。3）、将三根导气管的下端接到三个差压传感器（MPX2010DP）的正压室。4）、将各增益调节电位器置于中间位置，然后调节零位调节电位器，使LT1两端的输出电压为3.33V(显示器显示10.00)，LT2两端的输出电压为3.33V(显示器显示10.00)，PT两端的输出电压为3.33V（显示器显示980）。5）、开始零位调节： a、打开阀2、阀4，排空上、下水箱中的水，关闭阀2、阀4。 b、调节“零位调节”电位器，使LT1、LT2和PT输出为零伏，显示器显示为00.00cm。注：稳定几分钟后进入下一步。6）、开始增益调节： a、启动齿轮泵，使上、下水箱水位上升至于10cm高度，然后再关闭齿轮泵。 b、调节“增益调节”电位器，使LT1、LT2显示器显示10.00cm，Pa显示器显示980Pa。7）、重复5、6步骤，复调零位和增益，以满足系统要求（传感器输出电压为3.33V伏时，LT1与LT2的显示值为10.00cm，Pa的显示值为980Pa）。五、 预习熟读TKGK-1型过程控制及过程检测仪表实验装置产品使用说明书的一、二、六、七四部分内容。3.2 单容自衡水箱系统对象特性的测试实验一、实验目的1）、熟悉单容/双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。2）、根据由实际测得的单容/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）、TKGK-1型过程控制及过程检测仪表实验装置： 系统模型：GK-02 PID调节器：GK-04 计算机控制屏：GK-03 变频器：GK-072）、万用表一只3）、秒表一只4）、计算机三、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： 其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。 单容水箱控制系统结构图如图3.4所示：图3.4 单容水箱控制系统结构图 设水箱的进水量为QBB1BB，出水量为QBB2BB，水箱的液面高度为h，出水阀VBB2BB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为水箱的时间常数（注意：阀VBB2BB的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=RBB2BB*C，K=RBB2BB为过程的放大倍数，RBB2BB为VBB2BB阀的液阻，C 为水箱的容量系数。令输入流量QBB1BB（S）=RBBOBB/S，RBBOBB为常量，则输出液位的高度为：式（3-2）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3.5 3-2 3-3即 当 因而有 图3.5 阶跃响应曲线 式（3-2）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3-2所示。当由实验求得图3-2所示的阶跃响应曲线后，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，切线与稳态值的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（）。四、实验内容与步骤1)、按使用说明要求和步骤，对上、下水箱液位传感器进行零点与增益的调整。2）、按图3.4将系统接成单回路形式，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）、按TKGK-1型使用说明书的要求，启动工艺流程并开动各种仪器，然后利用一路PID调节器的手动操作开关，将被控参数液位高度控制在30%处（一般为4cm）。4）、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，应记录此时调节器“手动调节”电位器的调定位置和PID的输出值VBBOBB 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fPID输出Vo水箱水位高度h1LT1显示值HZvcmcm5）、迅速增调“手动调节”电位器，使PID的输出增加10%，利用秒表、万用表记下由此引起的阶跃响应的过程参数。并绘制变化曲线。t（秒）水箱水位hBB1BB(cm)LT1读数(cm)直到进入新的平衡状态。再次记录测量数据，并填入下表：变频器输出频率fPID输出Vo水箱水位高度h1LT1显示值HZvcmcm6）、将“手动调节”电位器回调到步骤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hBB1BB(cm)LT1读数(cm)7）、重复上述实验步骤。8）、上述实验步骤同样适用于双容水箱的下水箱水位的控制，系统框图如图3-3所示，实验步骤自拟。五、注意事项1）、做本实验过程中，阀VBB1BB和VBB2BB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，以防止对象特性的不真实性。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。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）、作出一阶和二阶环节的阶跃响应曲线。2）、根据实验原理中所述的方法，求出一阶和二阶环节的相关参数。七、思考题1）、在做本实验时，为什么不能任意变化阀VBB1BB或VBB2BB的开度大小？2）、用两点法和用切线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点？3）、对于快速响应的对象，如何实现使输入信号成为真实的阶跃信号？（注）：本次实验在指导老师的帮助下，开启计算机系统和单片机控制屏，利用计算机显示屏记录显示上述实验的过程曲线。3.3双容自衡水箱系统对象特性的测试实验一、实验目的1）、熟悉单容/双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。2）、根据由实际测得的单容/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）、TKGK-1型过程控制及过程检测仪表实验装置： 系统模型：GK-02 PID调节器：GK-04 计算机控制屏：GK-03 变频器：GK-072）、万用表一只3）、秒表一只4）、计算机三、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。双容水箱控制系统结构图如图3.6所示： 图3.6 双容水箱控制系统结构图 设流量QBB1BB为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度HBB2BB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： 图3.7阶跃响应曲线式中 K=RBB3BB，TBB1BB=RBB2BBCBB1BB，TBB2BB=R