2023年过程控制实验报告范文.docx

《2023年过程控制实验报告范文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2023年过程控制实验报告范文.docx（11页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、2023 过程把握试验报告范文西安电子科技大学过程把握系统试验学院机电工程学院专业自动化班级某某某某学号某某某某某学生姓名某某某某授课教师某某某学期2023学年春季学期第一节单容水箱特性的测试一、试验目的1. 把握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并记录相应液位的响应曲线。2. 依据试验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T 和传递函数。二、试验设备1.THJ-2 型高级过程把握系统试验装置 2.计算机及相关软件 3.万用电表一只三、试验原理2-1-1 单容水箱对象特性测试系统a构造图b方框图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

2、人员或仪表等干预，依靠其自身重恢复平衡的过程。图 2-1-1 所示为单容自衡水箱特性测试构造图及方框图。阀门F1-1、F1-6、F1-10 和F1-11 全开，设上水箱流入量为Q1，转变气动调整阀的开度可以转变Q1 的大小，上水箱的流出量为Q2，转变出水阀F1-9 的开度可以转变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。假设将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。依据物料平衡关系，在平衡状态时Q1-Q2=02-1-1动态时，则有dVQ1-Q2=dt2-1-2dV 式中V 为水箱的贮水容积，dt 为

3、水贮存量的变化率，它与h 的关系为dVAdh，dVdh 即dt=Adt2-1-3A 为水箱的底面积。把式2-1-3代入式2-1-2得dhQ1-Q2=Adt2-1-4h 基于 Q2=RS，RS 为阀 F1-9 的液阻，则上式可改写为 hdhQ1-RS=Adtdh 即 ARSdt+h=KQ1HK 或写作Q1=TS12-1-5式中T=ARS，它与水箱的底面积A 和V2 的RS 有关；K=RS。式2-1- 5就是单容水箱的传递函数。R0 假设令Q1S=S，R0=常数，则式2-1-5可改为K/TKR0R0R011SST 某S=KS-THS=对上式取拉氏反变换得h(t)=KR0(1-e-t/T)2-1-6

4、当t时，h=KR0，因而有K=h/R0=输出稳态值/阶跃输入当t=T 时，则有h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h()式2-1-6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 2-1-2 所示。图 2-1-2 单容水箱的单调上升指数曲线当由试验求得图 2-1-2 所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的 63%所对应的时间，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，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数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如式2- 1-5所示。图 2-1-3 单容水箱的阶跃响应曲线假设

5、对象的阶跃响应曲线为图 2-1-3，则在此曲线的拐点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，BC 为对象的时间常数T，所得的传递函数为：KeH(S)=1T四、试验内容与步骤本试验选择上水箱作为被测对象也可选择中水箱或下水箱。试验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F1-10、F1-11 全开，将上水箱出水阀门F1-9 开至适当开度，其余阀门均关闭。1、接通把握柜总电源，翻开漏电保护器及各空气开关，接通空压机电源，并将三相磁力泵、三相电加热管、把握站的各旋钮开关打到开的位置。把握柜无需接线。2、翻开上位把握的PC 机

6、，点击“开头”菜单，选择弹出菜单中的“SIMATIC”选项，再点击弹出菜单中的“WINCC”，再选择弹出菜单中的“WINCCCONTROLCENTER6.0”,进入WINCC 资源治理器，翻开组态好的上位监控程序，点击治理器工具栏上的“激活运行”按钮，进入试验主界面如图 2-1-4 所示。3、鼠标左键点击试验工程“一阶单容水箱对象特性测试试验”，系统进入正常的测试状态，呈现的试验界面如图 2-1-5 所示。图 2-1-5 试验界面在试验界面的左边是试验流程图，右边是参数整定，下面一排六个切换键的功能如下：“试验流程”键：系统进入正常测试状态时，试验界面左边就会显示试验流程图，当点击“历史曲线”

7、键时，试验流程图将会被历史曲线所掩盖，如需转到试验流程图，应点击“试验流程”键就可在试验界面左边再现试验流程图。“参数整定”键：系统进入正常测试状态时，试验界面右边就会显示参数整定画面，当你点击“实时曲线”或“数据报表”键时，参数整定画面的下半局部将会被实时曲线或数据报表所掩盖，如需转到参数整定，点击“参数整定”键即可在试验界面右边再现参数整定画面。“实时曲线” 键：系统进入正常测试状态时，实时曲线是不显示的，假设需要观看实时曲线，点击“实时曲线”键，即可在试验界面右下方显示实时曲线。“历史曲线”键：系统进入正常测试状态时，历史曲线是不显示的， 假设需要观看历史曲线，点击“历史曲线”键，即可在

8、试验界面左边显示历史曲线。“数据报表”键：系统进入正常测试状态时，数据报表是不显示的， 假设需要数据报表，点击“数据报表”键，即可在试验界面右下方显示历史曲线。“返回主菜单”键：试验完毕，需退出试验时，点击“返回主菜单” 键，即关闭当前试验界面返回试验主界面。4在上位机试验界面窗口给定阀门开度值既可拉动输出值旁边的滚动条，也可直接在输出值显示框中输入阀门开度值，使水箱的液位处于某一平衡位置。5、点击试验界面下边的“实时曲线”键，在界面的右下方将显示液位的变化曲线。6在上位机试验界面窗口转变给定的阀门开度值，使其输出有一个正或负阶跃增量的变化此增量不宜过大，以免水箱中水溢出，使水箱液位上升或下降

9、，经过确定时间的调整后，水箱的液位进入的平衡状态，其响应曲线如图 2-1-6 所示。图 2-1-6 单容箱特性响应曲线7观看上位机监控界面上水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。8试验曲线所得的结果填入下表。参数放大系数值K 测量值正阶跃输入负阶跃输入平均值0.17530.18950.182416814815800095.255674.531284.9434 周期T 时间常数 液位h 五、思考题1. 在试验进展过程中，为什么不能任意转变出水口阀开度的大小？答： 由于在试验过程中，任意转变出水口阀开度会影响出水流量的大小。在入 水量不变的状况下，这样会使试验记录的数据和图形与实际相差较远。2. 用响

10、应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与哪些因素有关？答：由于系统用到了仪表，因此与仪表的精度有关，同时与出水阀开 度的大小有关。并和放大系数 K、时间常数 T 以及纯滞后时间有关。另外， 也会受试验室电压的波动与测试软件的影响。3. 假设承受中水箱做试验，其响应曲线与上水箱的曲线有什么异同？ 试分析差异缘由。答：假设承受中水箱做试验，它的响应曲线要比上水箱变化的慢。缘由： 由于中水箱的回路比上水箱的回路要长，上升一样的液位高度，中水箱要 更长的时间。其次节双容水箱特性的测试一、试验目的1. 生疏双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。2. 依据由实际测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其传递函数。二、

11、试验设备1. THJ-2 型高级过程把握系统试验装置2. 计算机、MCGS 工控组态软件、RS232/485 转换器 1 只、串口线 1 根3. 万用表 1 只三、试验原理由图 2-5 所示，被控对象由两个水箱相串联连接,由于有两个贮水的容积，故称其为双容对象。被把握量是下水箱的液位，当输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图 2-6 所示。由图 2-6 可见，上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数(图 2-6(a)，而下水箱液位的响应曲线则呈S 外形2-6(b)。明显,多了一个水箱，液位响应就更加滞后。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 则表示了对象响应的

12、滞后时间。至于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 2-7 所示的阶跃响应曲线上求取：(1) h2t)|t=t1=0.4h2()时曲线上的点B 和对应的时间t1；(2)h2t)|t=t1=0.8h2()时曲线上的点C 和对应的时间t2；然后，利用下面的近似公式计算式由上述两式中解出T1 和T2,于是求得双容(二阶)对象的传递函数为四、试验内容与步骤本试验选择中水箱作为被测对象也可选择下水箱。试验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F1-11 全开，将上水箱出水阀门F1-9 和中水箱出水阀F1-10 开至适当开度中水箱出水阀开到 70%左右，下水箱出水阀开到

13、 50%左右，即 F1-10 开度稍大于 F1-11 的开度， 其余阀门均关闭。1、接通把握柜总电源，翻开漏电保护器及各空气开关，接通空压机电源，并将三相磁力泵、三相电加热管、把握站的各旋钮开关打到开的位置。把握柜无需接线。2、翻开上位把握的PC 机，点击“开头”菜单，选择弹出菜单中的“SIMATIC”选项，再点击弹出菜单中的“WINCC”，再选择弹出菜单中的“WINCCCONTROLCENTER6.0”,进入WINCC 资源治理器，翻开组态好的上位监控程序，点击治理器工具栏上的“激活运行”按钮， 进入试验主界面如本试验指导书其次章第一节中的图 2-1-4 所示。3、鼠标左键点击试验工程“二阶

14、双容水箱对象特性测试试验”，系统进入正常的测试状 60%上升峰值图 2-2-4 试验界面在试验界面的左边是试验流程图，右边是参数整定，下面一排六个切换键的功能同试验指导其次章第一节所描述的功能一样。4. 在上位机试验界面窗口给定阀门开度值既可拉动输出值旁边的滚动条，也可直接在输出值显示框中输入阀门开度值，使输出值设置为一个适宜的值一般为最大值的 4070%，不宜过大，以免水箱中水溢出，经过一段时间后，水箱的液位处于某一平衡位置。 5、液位平衡后， 突增或突减输出值的大小，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

15、时间后，水箱液位进入的平衡状态，记 录下此时的输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如图2-2-5 所示。图 2-2-5 双容水箱液位阶跃响应曲线6、点击试验界面下边的按钮，可切换到实时曲线、历史曲线和数据报表。7、依据试验所得的曲线报表和记录的数据，按公式2-2-2计算 K 值，再依据图 2-2-3 中的试验曲线求得 T1、T2 值，写出对象的传递函数。突变为 50% 峰值下降 40%再下降 40%液位HK 正向输入 0.0951T1125T2289t0 负向输入平均值0.17790.1365112118.527328100 五、思考题1.做本试验时，为什么不能任意转变两个出水阀门开度的大小？

16、答： 出水阀的开度是转变出水量Q2 的，转变水箱泄水的过程。在此试验中是先将出水阀开至适当的开度。之后在单容水箱在稳定的过程中，此阀门是不能任意转变的，由于一转变就会对系统带来干扰，造成系统不稳定，不能正确反映试验特性。只有当系统稳定时，要争论输出量对系统的稳定特性影响时才转变出水阀。2.用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与哪些因素有关？答：应曲线可能与试验工作电压的波动，执行器的不稳定性，和系统的把握参数比例度、积分时间、微分时间及测量值的波动都可能带来确定的误差，造成精度下降，同时还跟压力传感器的精度，阀门开度，测试软件都有关系。3.假设承受上水箱和中水箱做试验，其响应曲线与用中水箱

17、和下水箱做试验的曲线有什么异同？试分析差异缘由。答：假设承受中水箱和上水箱做试验，它的响应曲线要比中水箱和下水箱变化的快。缘由：由于中水箱和上水箱的回路较中水箱和下水箱短，上升一样的液位高度，中水箱和下水箱要更长的时间。4.引起双容对象滞后的因素主要有哪些？答：因素有K、T 准时间常数。第四节、串接双容水箱液位PID 整定试验一、试验目的1、通过试验进一步了解双容水箱液位的特性。2、把握双容水箱液位把握系统调整器参数的整定与投运方法。3、分析P、PI、PD 和PID 四种调整器分别对液位系统的把握作用。4、理解双容液位定值把握系统承受FCS 把握方案的实现过程。二、试验设备同前 三、试验原理本

18、试验以中水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被把握量。要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT3 检测到的下水箱液位信号作为反响信号，在与给定量比较后的差值通过调整器把握调整阀的开度，以到达把握下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差把握，系统的调整器应为PI 或 PID 把握。调整器的参数整定可承受本章第一节所述任意一种整定方法。本试验系统构造图和方框图如图 3-3-1 所示。图 3-3-1 双容液位定值把握系统(a)构造图(b)方框图四、试验内容与步骤本试验选择中水箱和下水箱串联作为双容对象也可选择上水箱和中 水箱。试验之前先将储水箱中贮足水量

19、，然后将阀门 F1-1、F1-7 全开， 将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11 开至适当开度要求阀F1-10 稍大于阀F1-11，其余阀门均关闭。然后接通把握系统电源，翻开用作上位监控的的PC 机，进入试验界面的操作和翻开试验主界面的操作过程与本试验指导书其次章第一节中所描述的一样。在试验主界面中选择本试验项即“串接双容水箱液位PID 整定试验”，系统进入正常的测试状态，呈现的试验界面如图3-3-2 所示。PIDK=4 积分 120230 微分 10000五、思考题1. 为什么本试验较上水箱液位定值把握系统更简洁引起振荡？假设到达同样的动态性能指标，为什么本试验中调整器的比例度和积分时间常数均要比前两个试验大？答：由于在本试验中的比例系数相对较大，过程相应时间相对较长， 更加简洁引起振荡。要到达同样的动态性能指标，调整器的比例度应当调整的相对较大，积分时间常数调高。2. 你能说出下水箱的时间常数比中水箱时间常数大的缘由吗？答：承受上中水箱做试验，它的响应曲线要比中下水箱变化快。缘由：由于中水箱的截面积比下水箱的要小，上升一样的液位高度，下水箱要更长时间。