过程控制实验册.doc
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1、第一部分 实验方法及操作实验1 熟悉并掌握组态王软件一、实验原理1、组态王使用入门:1.1 建立组态王新工程启动“组态王”工程管理器,选择菜单“文件新建工程”或单击“新建”按钮,弹出如下图所示。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之二对话框”,如下图所示。在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径,或单击“浏览”按钮,在弹出的路径选择对话框中选择一个有效的路径。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之三对话框”,如下图所示。 在工程名称文本框中输入工程的名称,该工程名称同时将被作为当前工程的路径名称。在工程描述文本框中输入对该工程的描述文字。工程名称长度应小于32个字符,工程描述长度应小于40
2、个字符。单击“完成”完成工程的新建。系统会弹出对话框,询问用户是否将新建工程设为当前工程,如下图所示。单击“否”按钮,则新建工程不是工程管理器的当前工程,如果要将该工程设为新建工程,还要执行“文件设为当前工程”命令;单击“是”按钮,则将新建的工程设为组态王的当前工程。定义的工程信息会出现在工程管理器的信息表格中。双击该信息条或单击“开发”按钮或选择菜单“工具切换到开发系统”,进入组态王的开发系统。1.2 创建组态王画面第一步:定义新画面 进入新建的组态王工程,选择工程浏览器左侧大纲项“文件画面”,在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标,弹出对话框如下图所示。在“画面名称”处输入新的画面名称
3、,如Test,其它属性不用更改。点击“确定”按钮进入内嵌的组态王画面开发系统。如下图所示。第二步:在组态王开发系统中从“工具箱”中分别选择“矩形”和“文本”图标,绘制一个矩形对象和一个文本对象,如下图所示。在工具箱中选中“圆角矩形”,拖动鼠标在画面上画一矩形,如上图所示。用鼠标在工具箱中点击“显示画刷类型”和“显示调色板”。在弹出的“过渡色类型”窗口点击第二行第四个过渡色类型;在“调色板”窗口点击第一行第二个“填充色”按钮,从下面的色块中选取红色作为填充色,然后点击第一行第三个“背景色”按钮,从下面的色块中选取黑色作为背景色。此时就构造好了一个使用过渡色填充的矩形图形对象。 在工具箱中选中“文
4、本”,此时鼠标变成“I”形状,在画面上单击鼠标左键,输入“#”文字。 选择“文件全部存”命令保存现有画面。1.3 构造数据库数据库是“组态王”软件的核心部分,工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上,操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场,所有这一切都是以实时数据库为中介环节,所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在TouchVew运行时,它含有全部数据变量的当前值。变量在画面制作系统组态王画面开发系统中定义,定义时要指定变量名和变量类型,某些类型的变量还需要一些附加信息。数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”,数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。选择工程浏览器左
5、侧大纲项“数据库数据词典”,在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标,弹出“变量属性”对话框如下图所示。变量名定义为a,变量类型为内存实数。1.4 建立动画连接双击图形对象即矩形,可弹出“动画连接”对话框,如下图所示。用鼠标单击“填充”按钮,弹出对话框如下图所示。在“表达式”处输入“a”,“缺省填充刷”的颜色改为黄色,其余属性目前不用更改,如下图所示。单击“确定”,再单击“确定”返回组态王开发系统。为了让矩形动起来,需要使变量即a能够动态变化,选择“编辑画面属性”菜单命令,弹出对话框如下图所示。单击“命令语言”按钮,弹出画面命令语言对话框,如下图所示。在编辑框处输入命令语言: if(a时,h
6、()-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2-1-2 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O
7、B即为对象的滞后时间,BC为对象的时间常数T,所得的传递函数为:H(S)= (2-8)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、F1-2、F1-8全开,将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度(30%80%),其余阀门均关闭。具体实验内容与步骤如下:1使用一根RS485通讯线将控制屏左侧的仪表通讯串口通过RS485/232转换器连接到计算机串口。接通总电源漏电保护器、三相和单相空气开关,打开DC24V开关电源,给变送器及传感器上电,打开电动调节阀和智能仪表的电源开关,给电动调节阀及智能仪表上电。(电磁流量计也可以上
8、电,观察对应的流量信号,接线类似。)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用3#实验导线将下水箱1-5V的液位信号LT3接到智能仪表1的1和2上,对应1-、2+。仪表1的输出接电动调节阀的控制信号输入端,正负对应,参数设置参考第10页。3打开上位机组态王组态环境,打开“智能仪表”工程,然后进入组态王运行环境,获得控制权
9、限后在主菜单中点击“实验一、单容水箱特性的测试”,进入“实验一”的监控界面。4通过调节仪1手动给定一个输出值(50%-70%),来控制电动调节阀的开度。5打开磁力驱动泵电源开关,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,记录此时的仪表输出值和液位测量值,液位的响应过程曲线将如图2-1-3所示:2-1-3单容
10、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,写出单容水箱的传递函数。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。实验三 双容水箱液位特性测试一、实验目的1掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法;2根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线
11、,确定其特征参数K、T1、T2及传递函数;3掌握同一控制采用不同控制方案的实现过程。二、实验设备:与实验一实验设备相同。三、实验原理(a)结构图 (b)方框图图2-2-1 双容水箱液位特性测试由图1-2-1所示,被测对象由两个不同容积的水箱相串联组成,故称其为双容对象。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。根据本章第一节单容水箱特性测试的原理,可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积,即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述:G(s)=G1(s)G2(s)= (2-9) 式中Kk1k2,为双容水箱的放大系数,T1、
12、T2分别为两个水箱的时间常数。本实验中被测量为下水箱的液位,当中水箱输入量有一阶跃增量变化时,两水箱的液位变化曲线如图2-2-2所示。由图2-2-2可见,上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数(图22-2 (a));而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线(图2-2-2 (b)),即下水箱的液位响应滞后了,它滞后的时间与阀F1-10和F1-11的开度大小密切相关。 (a)中水箱液位 (b)下水箱液位 图2-2-2 双容水箱液位的阶跃响应曲线双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。在图2-2-3所示的阶跃响应曲线上求取:(1) h2(t)|t=t1=0.4 h2()时曲线上的点B和对应的
13、时间t1;(2) h2(t)|t=t2=0.8 h2()时曲线上的点C和对应的时间t2。图2-2-3 双容水箱液位的阶跃响应曲线 然后,利用下面的近似公式计算式 (2-10) (2-11) (2-12)0.32t1/t20.46由上述两式中解出T1和T2,于是得到如式(2-9)所示的传递函数。在改变相应的阀门开度后,对象可能出现滞后特性,这时可由S形曲线的拐点P处作一切线,它与时间轴的交点为A,OA对应的时间即为对象响应的滞后时间。于是得到双容滞后(二阶滞后)对象的传递函数为:G(S)= (2-13) 四、实验内容与步骤本实验选择中水箱和下水箱串联作为被测对象(也可选择上水箱和中水箱)。实验之
14、前先将储水箱中贮足水量,然后将进水阀阀F1-7全开,出水阀门F1-10、F1-11开至适当开度(要求F1-10开度稍大于F1-11的开度)。具体实验内容与步骤如下:1用一根RS485通讯线将控制屏左侧的仪表通讯串口通过RS485/232转换器连接到计算机串口。接通总电源漏电保护器、三相和单相空气开关,打开DC24V开关电源,给变送器及传感器上电,打开电动调节阀和智能仪表的电源开关,给电动调节阀及智能仪表上电。(电磁流量计也可以上电,观察对应的流量信号,接线类似。)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 =999
15、9, 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用3#实验导线将下水箱1-5V的液位信号LT3接到智能仪表1的1和2上,对应1-、2+;中水箱1-5V的液位信号LT2接仪表2的1和2,对应1-、2+。仪表1的输出接电动调节阀的控制信号输入端,正负对应。 3打开上位机组态王组态环境,打开“智能仪表”工程,然后进入组态王运行环境,获得控制权限后在主菜单中点击“实验二、双容水箱液位特性测试”,进入“实验二”的监控界面。4通过调节仪1手动给定一个输出值(50%-70
16、%),来控制电动调节阀的开度。5打开磁力驱动泵电源开关,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,记录此时的仪表输出值和液位测量值,液位的响应过程曲线将如图2-2-4所示: 图2-2-4 双容水箱液位阶跃响应曲线7根据前面记录的液位和控制器输出值,按公式(2-10)计算K值,再根据图2-2-3中的实验曲线求
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