單容自衡水箱液位特性測試實(shí)驗(yàn)

1、第一節(jié)單容自衡水箱液位特性測試實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 掌握單容水箱的階躍響應(yīng)測試方法，并記錄相應(yīng)液位的響應(yīng)曲線；根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的液位階躍響應(yīng)曲線，用相應(yīng)的方法確定被測對象的特征參數(shù)K、T 和傳遞函數(shù)；3掌握同一控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實(shí)現(xiàn)過程。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)對象及控制屏、SA-11掛件一個、計算機(jī)一臺、萬用表一個；SA-12掛件三個、SA-13掛件一個、SA-14掛件一個、RS485/232轉(zhuǎn)換器一個、通訊 線一根；SA-21掛件一個、SA-22掛件一個、SA-23掛件一個；SA-31掛件一個、SA-32掛件一個、SA-33掛件一個、主控單元一個、以太網(wǎng)交換機(jī) 一個、網(wǎng)線兩根；SA-41A掛件一

2、個、CP5611專用網(wǎng)卡及MPI通訊線;SA-44掛件一個、PC/PPI通訊電纜一根。下水箱1G (s)干擾上7電動閥調(diào)節(jié)器 手動輸出G(s)=點(diǎn)!(b)三、實(shí)驗(yàn)原理干擾上7電動閥調(diào)節(jié)器 手動輸出G(s)=點(diǎn)!(b)所謂單容指只有一個貯蓄容器。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(yù)，依靠其自身重新恢復(fù)平衡的過程。圖 2-1所示為單容自衡水箱特性測試結(jié)構(gòu)圖及方框圖。閥 門F1-1和F1-8全開，設(shè)下水箱流入量為Q,改變電 動調(diào)節(jié)閥V的開度可以改變Q的大小，下水箱的流 出量為Q2,改變出水閥F1-11的開度可以改變Q2o液 位h的變化反映了 Q1與Q2不等而引

3、起水箱中蓄水或 泄水的過程。若將Q作為被控過程的輸入變量，h為 其輸出變量，則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是h與Q1 之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。圖2-1單容自衡水箱特性測試系統(tǒng) 根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖dh TOC o 1-5 h z Q -Q =A(2-1)1 2 dt將式(2-1 )表示為增量形式d h Q - Q=A(2-2)12 dt式中： Q1， Q2， h分別為偏離某一平衡狀態(tài)的增量；A水箱截面積。dh在平衡時，Q=Q，=0；當(dāng)Q1發(fā)生變化時，液位h隨之變化，水箱出口處的靜壓也1 2 dt隨之變化，Q2也發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非 線性

4、關(guān)系。但為了簡化起見，經(jīng)線性化處理后，可近似認(rèn)為Q2與h成正比關(guān)系，而與閥F1-11 的阻力R成反比，即卜Q2=A卜Q2=AhRR=AhAQ2(2-3) 式中：R閥Fl-11的阻力，稱為液阻。將式(2-2)、式(2-3)經(jīng)拉氏變換并消去中間變量Q2,即可得到單容水箱的數(shù)學(xué)模型為H (s)RKW (s)=0Q( s) RCs +1 Ts +1(2-4)式中T為水箱的時間常數(shù),T = RC； K為放大系數(shù)，K=R； C為水箱的容量系數(shù)。若令Q1 (s)x作階躍擾動，即Qi(s)=才，于常數(shù)，則式(2-4)可改寫為 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark16 o Cur

5、rent Document K / T xxKxH (s)X O 二K-0H (s) HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1 s s , 1 s +s +對上式取拉氏反變換得(2-5)(2-6)(2-7)h(t )=Kx0(1-e(2-5)(2-6)(2-7)當(dāng) t8時，h () -h (0) =Kx0，因而有h &)-h (0) 輸出穩(wěn)態(tài)值K=x階躍輸入0當(dāng)t=T時，則有h(T)=Kx (1-e-i)=0.632Kx =0.632h(g)0 0式(2-5)表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖2-2 (a)所示, 該曲線上升到穩(wěn)

6、態(tài)值的63%所對應(yīng)的時間，就是水箱的時間常數(shù)T。也可由坐標(biāo)原點(diǎn)對響應(yīng) 曲線作切線0A,切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn)A所對應(yīng)的時間就是該時間常數(shù)T,由響應(yīng)曲線求得K 和T后，就能求得單容水箱的傳遞函數(shù)。如果對象具有滯后特性時，其階躍響應(yīng)曲線則為圖2-2 (b)，在此曲線的拐點(diǎn)D處作一 切線，它與時間軸交于B點(diǎn)，與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于A點(diǎn)。圖中OB即為對象的滯后時 間T，BC為對象的時間常數(shù)T,所得的傳遞函數(shù)為：Ke -心H（S）=四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1 + Ts本實(shí)驗(yàn)選擇下水箱作為被測對象（也可選擇上水箱或中水箱）。實(shí)驗(yàn)之前先將儲水箱中 貯足水量，然后將閥門Fl-1、F1-8全開，將下水箱出水閥門F1-11

7、的開度開到50%左右， 其余閥門均關(guān)閉。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟按五種方案分別敘述，這五種方案的實(shí)驗(yàn)與用戶所購的硬件設(shè)備有 關(guān)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選做或全做。（一）、智能儀表控制將“SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制”掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485 通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算機(jī)串口 1,并按照 下面的控制屏接線圖2-3連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。智能儀表1常用參數(shù)設(shè)置如下，其他參數(shù)按照默認(rèn)設(shè)置：HIAL=9999, LoAL=-1999,dHAL=9999, dLAL =9999, dF=0, CtrL=1,Sn=33, dIP =1, dlL =0, d

8、IH =50, oP1=4, oPL=0, oPH=100,CF=0,Addr=1,bAud=9600。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，合上單相空氣開關(guān)，給智能儀表及電動調(diào)節(jié)閥上電。打開上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行 環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)一、單容自衡水箱對象特性測試”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)一的監(jiān)控界面。4在上位機(jī)監(jiān)控界面中將智能儀表設(shè)置為“手動”控制，并將輸出值設(shè)置為一個合適 的值，此操作需通過調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)。5.合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量， 使下水箱的液位處于

9、某一平衡位置，記錄此時的儀表輸出值和液位值。6待下水箱液位平衡后，突增（或突減）智能儀表輸出量的大小，使其輸出有一個正 （或負(fù)）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(jìn)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(yīng)過程曲線將如圖2-4所示。圖2-4單容下水箱液位階躍響應(yīng)曲線根據(jù)前面記錄的液位值和儀表輸出值，按公式2-6）計算K值，再根據(jù)圖2-2中的 實(shí)驗(yàn)曲線求得T值，寫出對象的傳遞函數(shù)。（四）S7-200PLC 控制將“SA-44 S7-200PLC控制”掛件掛到屏上，并用PC/PPI通訊電纜線將

10、S7-200PLC 連接到計算機(jī)串口 1，并按照下面的控制屏接線圖2-7連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。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，合上單相I、III空氣開關(guān)，給S7-200PLC及電動調(diào)節(jié)閥上電。打開Step 7-Micro/WIN 32軟件，并打開“S7-200PLC”程序進(jìn)行下載,然后將S7-200PLC 置于運(yùn)行狀態(tài)，然后運(yùn)行MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“S7-200PLC控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS 運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)一、單容自衡水箱對象特性測試”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)一的監(jiān)控界 面。以下步驟請參考前面（一）智能儀表控制”的步驟47。五、實(shí)驗(yàn)報告要

11、求畫出單容水箱液位特性測試實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)及曲線，分析并計算出單容水箱液位對象的參數(shù)及傳遞函數(shù)。六、思考題做本實(shí)驗(yàn)時，為什么不能任意改變出水閥F1-11開度的大?。坑庙憫?yīng)曲線法確定對象的數(shù)學(xué)模型時，其精度與那些因素有關(guān)？如果采用中水箱做實(shí)驗(yàn)，其響應(yīng)曲線與下水箱的曲線有什么異同？并分析差異原因。第二節(jié)單容液位定值控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈫稳菀何欢ㄖ悼刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成。掌握單容液位定值控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定和投運(yùn)方法。研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對系統(tǒng)靜、動態(tài)性能的影響。了解P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對液位控制的作用。 5掌握同一控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實(shí)現(xiàn)過程。二、

12、實(shí)驗(yàn)設(shè)備（同前）三、實(shí)驗(yàn)原理(b)(b)圖3-6中水箱單容液位定值控制系統(tǒng)（a）結(jié)構(gòu)圖（b）方框圖本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖3-6所示。被控量為中水箱（也可采用上水箱或下水箱） 的液位高度，實(shí)驗(yàn)要求中水箱的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器LT2檢測到的中水箱液位 信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，以達(dá)到控 制中水箱液位的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調(diào) 節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇中水箱作為被控對象。實(shí)驗(yàn)之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、 Fl-7、F1-11全開，將中水箱出水閥門F1

13、-10開至適當(dāng)開度（50%左右），其余閥門均關(guān)閉。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟按五種方案分別敘述，這五種方案的實(shí)驗(yàn)與用戶所購的硬件設(shè)備有 關(guān)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選做或全做。（一）、智能儀表控制將“SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制”掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485 通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算機(jī)串口 1,并按照 下面的控制屏接線圖3-7連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。智能儀表1常用參數(shù)設(shè)置如下，其他參數(shù)按照默認(rèn)設(shè)置：HIAL=9999, LoAL=-1999,dHAL=9999, dLAL =9999, dF=0, CtrL=1,Sn=33, dIP =1, dlL

14、=0, dIH =50, oP1=4, oPL=0, oPH=100,CF=0,Addr=1,bAud=9600。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，合上單相空氣開關(guān)，給智能儀表及電動調(diào)節(jié)閥上電。打開上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行 環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)三、單容液位定值控制系統(tǒng)”進(jìn)入實(shí)驗(yàn)三的監(jiān)控界面。在上位機(jī)監(jiān)控界面中點(diǎn)擊“啟動儀表”。將智能儀表設(shè)置為“手動”，并將設(shè)定值和 輸出值設(shè)置為一個合適的值，此操作可通過調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)。合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，

15、 使中水箱的液位平衡于設(shè)定值。按本章第一節(jié)中的經(jīng)驗(yàn)法或動態(tài)特性參數(shù)法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，選擇PI控制規(guī)律，并 按整定后的PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。待液位穩(wěn)定于給定值后，將調(diào)節(jié)器切換到“自動”控制狀態(tài)，待液位平衡后，通過 以下幾種方式加干擾：（1）突增（或突減）儀表設(shè)定值的大小，使其有一個正（或負(fù)）階躍增量的變化;（此 法推薦，后面三種僅供參考）（2）將電動調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4 （同電磁閥）開至適當(dāng)開度；（3）將下水箱進(jìn)水閥F1-8開至適當(dāng)開度；（改變負(fù)載）4）接上變頻器電源，并將變頻器輸出接至磁力泵，然后打開閥門F2-1、F2-4，用變頻 器支路以較小頻率給中水箱打水。以上幾種干擾均

16、要求擾動量為控制量的5%15%,干擾過大可能造成水箱中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時間后，水箱液位 穩(wěn)定至新的設(shè)定值（采用后面三種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值），記錄此時的智能儀表的設(shè) 定值、輸出值和儀表參數(shù)，液位的響應(yīng)過程曲線將如圖3-8所示。h(2) h(l)圖3-8單容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線分別適量改變調(diào)節(jié)儀的P及I參數(shù)，重復(fù)步驟7,用計算機(jī)記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的 階躍響應(yīng)曲線。分別用P、PD、PID三種控制規(guī)律重復(fù)步驟48,用計算機(jī)記錄不同控制規(guī)律下系 統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。（四）、S7-200PLC 控制將SA-44 S7-200PLC控制掛件掛到屏

17、上，并用PC/PPI通訊電纜線將S7-200PLC連接 到計算機(jī)串口 1，并按照下面的控制屏接線圖3-11連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。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，合上單相空氣開關(guān)，給S7-200PLC及電動調(diào)節(jié)閥上電。打開Step 7-Micro/WIN 32軟件，并打開S7-200PLC”程序進(jìn)行下載,然后將S7-200PLC 置于運(yùn)行狀態(tài)，然后運(yùn)行MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“S7-200PLC控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS 運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)三、單容液位定值控制”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)三的監(jiān)控界面。以下步驟請參考前面（一）智能儀表控制”的步驟49。（五）、S7-300PLC 控制將掛件SA-41A S7-300PLC控制掛件掛到屏上，并用MPI通訊電纜線將S7-300PLC 連接到計算機(jī)CP5611專用網(wǎng)卡，并按照下面的控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。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S7-300PLC及壓力變送器 上電，按下啟動按鈕，合上單相空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。打開St ep 7軟件，打開“S7-300 ”程序進(jìn)行下載，然后將S7-300PLC置于運(yùn)行狀態(tài), 然后運(yùn)行WinCC組態(tài)軟件，打開“S7-300PLC控制系統(tǒng)”工程，然后激活WinC