实验过控实验指导书最新本科.docx
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实验过控实验指导书最新本科
【关键字】实验
《过程控制系统》
安阳工学院
电子信息与电气工程学院
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,确定其特征参数K、T1、T2及传递函数;
3.掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验条件
1.THJ-3型高级过程控制系统实验装置;
2.计算机、组态王工控组态软件、RS232/485转换器1只、串口线1根;
3.万用表1只。
三、实验原理
图2-1双容水箱东西特性测试系统
G(s)=G1(s)G2(s)=(2-1)
式中K=k1k2,为双容水箱的放大系数,T1、T2分别为两个水箱的时间常数。
本实验中被测量为中水箱的液位,当上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所示。
由图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2-2(a));而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线(图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。
图2-2双容水箱液位的阶跃响应曲线
(a)中水箱液位(b)下水箱液位
双容东西两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。
在图2-3所示的阶跃响应曲线上求取:
(1)h2(t)|t=t1=0.4h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t1;
(2)h2(t)|t=t2=0.8h2(∞)时曲线上的点C和对应的时间t2。
图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
(2-2)
(2-3)
(2-4)
0.32〈t1/t2〈0.46
由上述两式中解出T1和T2,于是得到如式(2-1)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)=
(2-5)
四、实验内容与要求
本实验选择上水箱和中水箱串联作为被测对象(也可选择中水箱和下水箱)。
实验之前先将储水箱中贮足水量,然后将阀门F1-1、F1-7全开,将上水箱出水阀门、中水箱出水阀门开至适当开度(上水箱出水阀开到70%左右,中水箱出水阀开到50%左右),其余阀门均关闭。
(一)、智能仪表控制
1.将SA-12挂件挂到屏上,并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上,将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1,并按照下图连接实验系统。
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.接通总电源空气开关和钥匙开关,打开24V开关电源,给压力变送器上电,按下启动按钮,合上单相空气开关,给智能仪表及电动调节阀上电。
3.打开上位机组态王环境,打开“智能仪表控制系统”工程,然后进入运行环境,在主菜单中点击“实验二、双容自衡水箱对象特性测试”,进入实验二的监控界面。
4.在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”输出,并将输出值设置为一个合适的值(一般为最大值的40~70%,不宜过大,以免水箱中水溢出),此操作需通过调节仪表实现。
5.合上三相电源空气开关,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.液位平衡后,突增(或突减)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,记录下此时的仪表输出值和液位值,液位的响应过程曲线将下图所示。
7.根据前面记录的液位和仪表输出值,按公式(2-2)计算K值,再根据图2-3中的实验曲线求得T1、T2值,写出对象的传递函数。
注意:
1.做本实训过程中,阀v2不得任意改变开度大小;
2.阶跃信号不能取得过大,以免影响系统正常运行;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10%;
3.在输入阶跃信号前,过程必须处于平稳状态。
五、实验报告要求
1.画出双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,分析并计算出双容水箱液位对象的参数及传递函数。
3.综合分析以上五种控制方案的实验效果。
六、思考题
1.做本实验时,为什么不能任意改变两个出水阀门开度的大小?
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.如果采用上水箱和中水箱做实验,其响应曲线与用中水箱和下水箱做实验的曲线有什么异同?
并分析差异原因。
4.引起双容对象滞后的因素主要有哪些?
一、实验目的
1.通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。
2.掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3.研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。
4.研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。
5.掌握双容液位定值控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验条件
THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台。
三、实验原理
图2-4单容液位定值控制系统原理框图
四、实验内容与要求
本实验选择中水箱液位作为被控参数,上水箱流入量为控制参数。
实验之前先将储水箱中贮足水量,然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7和F1-11全开,将中水箱出水阀F1-10开至适当开度(50%左右,上水箱出水阀开到70%左右),其余阀门均关闭。
按以下步骤进行实验。
1.根据系统组成方框图接线,如图2-5所示。
2.接通总电源空气开关和钥匙开关,打开24V开关电源,给压力变送器上电,按下启动按钮,合上单相1、单相对性空气开关,给智能仪表及电动调节阀上电。
3.打开上位机“组态王”组态环境,打开“智能仪表控制系统”工程,然后进入组态王运行环境,在主菜单中点击“实验四、双容液位定值控制系统”,进入实验四的监控界面。
4.在上位机监控界面中点击“启动仪表”,将智能仪表设置为“手动”,并将设定值和输出值设置为一个合适的值,此操作可通过调节仪表实现。
值得注意的是手自动切换的时间为:
当中水箱液位基本稳定不变(一般约为3~5cm)且下水箱的液位趋于给定值时切换为最佳。
5.合上三相电源空气开关,磁力驱动泵上电打水,适当增加/减少智能仪表的输出量,使中水箱的液位平衡于设定值。
6.按经验法或动态特性参数法整定调节器参数,选择PI控制规律,并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。
图2-5智能仪表控制单容液位定值控制实验接线图
3或F1.4(同电磁阀)开至适当开度。
(3)将下水箱进水阀F1-8开至适当开度(改变负载)。
(4)接上变频器电源,并将变频器输出接至磁力泵,然后打开阀门F2-1、F2-4,用变频器支路以较小频率给中水箱打水。
以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5%~15%(可以稍大一些),干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。
加入干扰后,水箱的液位便离开原平衡状态,经过一段调节时间后,水箱液位稳定至新的设定值(采用后面三种干扰方法仍稳定在原设定值),记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数,液位的响应过程曲线将如图2-6所示。
8.分别适量改变调节器的P和I参数,重复步骤6,用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。
9.分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤5~7,用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。
见表2.2。
表2.2进行参数整定,确定调节器的相关参数
次数
参数
参数值
曲线图
1
P
TI
2
P
TI
3
P
TI
五、参数设置
调节器采用AI-808。
设定值:
Sv=10cm
比例度:
P=-10-30(参考值)
积分时间:
TI=10~30(参考值)
微分时间:
TD=O(参考值)
输入规格:
Sn=33(1~5v电压输入)
系统功能选择:
CF=0(反作用调节、内给定等)
控制方式:
Ctrl=l(采用A1人工智能调节/PID调节)
小数点位置:
Dip=l(小数点在十位)
输入上限显示:
dIH=50
输入下限显示:
dIL=0
输出方式:
OPl=4(4-20mA线性电流输出)
参数修改级别:
Loc=808(Loc设置为808时,可设置全部参数)
具体请详细阅读调节器使用手册。
注:
若采用自整定则将Ctrl=2。
中水箱出水阀开度70%。
六、实验报告要求
1.画出双容水箱液位定值控制实验的结构框图。
2.用实验方法确定调节器的相关参数,写出整定过程。
3.根据实验数据和曲线,分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。
4.比较不同PI参数对系统的性能产生的影响。
5.分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实验系统的作用。
七、思考题
1.如果采用上水箱和中水箱做实验,其响应曲线与本实验的曲线有什么异同?
并分析差异原因。
2.改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响?
3.为什么本实验比单容液位定值控制系统更容易引起振荡?
要达到同样的动态性能指标,在本实验中调节器的比例度和积分时间常数要怎么设置?
一、实验目的
1.通过实验了解水箱液位串级控制系统组成原理。
2.掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3.了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。
4.掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验条件
THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台。
三、实验原理
本实验为水箱液位的串级控制系统,它是由主控、副控两个回路组成。
主控回路中的调节器称主调节器,控制对象为下水箱,下水箱的液位为系统的主控制量。
副控回路中的调节器称副调节器,控制对象为中水箱,又称副对象,中水箱的液位为系统的副控制量。
主调节器的输出作为副调节器的给定,因而副控回路是一个随动控制系统。
副调节器的的输出直接驱动电动调节阀,从而达到控制下水箱液位的目的。
为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制,系统的主调节器应为PI或PID控制。
由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律,对副参数的动态性能和余差无特殊的要求,因而副调节器可采用P调节器。
本实验系统结构图和方框图如图示。
四、实验内容与要求
本实验选择中水箱和下水箱串联作为被控对象(也可选择上水箱和中水箱)。
实验之前先将储水箱中贮足水量,然后将阀门F1-1、F1-7全开,将中水箱出水阀门F1-10开度开到70%左右、下水箱出水阀门F1-11开度50%左右(要求阀F1-10稍大于阀F1-11),其余阀门均关闭。
1.将两个SA-12挂件挂到屏上,并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上,将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1,并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。
智能仪表1(主控)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。
智能仪表2(副控)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=32,dIP=1,dIL=0,dIH=50,oP1=4,oPL=0,oPH=100,CF=8,Addr=2,bAud=9600。
图2-10智能仪表控制水箱液位串级控制实验接线图
2.接通总电源空气开关和钥匙开关,打开24V开关电源,给压力变送器上电,按下启动按钮,合上单相空气开关,给智能仪表1及电动调节阀上电。
3.打开上位机MCGS组态环境,打开“智能仪表控制系统”工程,然后进入MCGS运行环境,在主菜单中点击“实验十、水箱液位串级控制系统”,进入实验十的监控界面。
4.在上位机监控界面中点击“启动仪表1”、“启动仪表2”。
将主控仪表设置为“手动”,并将输出值设置为一个合适的值,此操作可通过调节仪表实现。
5.合上三相电源空气开关,磁力驱动泵上电打水,适当增加/减少主调节器的输出量,使下水箱的液位平衡于设定值,且中水箱液位也稳定于某一值(此值一般为3~5cm,以免超调过大,水箱断流或溢流)。
6.按本章第一节中任一种整定方法整定调节器参数,并按整定得到的参数进行调节器设定。
7.待液位稳定于给定值时,将调节器切换到“自动”状态,待液位平衡后,通过以下几种方式加干扰:
(1)突增(或突减)仪表设定值的大小,使其有一个正(或负)阶跃增量的变化;
(2)打开阀门F2-1、F2-4(或F2-5),用变频器支路以较小频率给中水箱(或下水箱)打水。
(干扰作用在主对象或副对象)
(3)将阀F1-5、F1-13开至适当开度(改变负载);
(4)将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4(同电磁阀)开至适当开度;
以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5%~15%,干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。
加入干扰后,水箱的液位便离开原平衡状态,经过一段调节时间后,水箱液位稳定至新的设定值(后面三种干扰方法仍稳定在原设定值),记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数,下水箱液位的响应过程曲线将如图2-11所示。
图2-11下水箱液位阶跃响应曲线
8.适量改变主、副控调节仪的PID参数,重复步骤7,用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。
五、实验报告要求
1.画出水箱液位串级控制系统的结构框图。
2.用实验方法确定调节器的相关参数,并写出整定过程。
3.根据扰动分别作用于主、副对象时系统输出的响应曲线,分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。
4.分析主、副调节器采用不同PID参数时对系统性能产生的影响。
6.综合分析五种控制方案的实验效果。
六、思考题
1.试述串级控制系统为什么对主扰动(二次扰动)具有很强的抗扰能力?
如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时,二次扰动对主控制量的影响是否仍很小,为什么?
2.当一次扰动作用于主对象时,试问由于副回路的存在,系统的动态性能比单回路系统的动态性能有何改进?
3.串级控制系统投运前需要作好那些准备工作?
主、副调节器的正反作用方向如何确定?
4.为什么本实验中的副调节器为比例(P)调节器?
5.改变副调节器的比例度,对串级控制系统的动态和抗扰动性能有何影响,试从理论上给予说明。
6.评述串级控制系统比单回路控制系统的控制质量高的原因?
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