实验一 单容水箱对象特性的测试(5页).doc

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1、-实验一、单容水箱对象特性的测试一、 实验目的 1、了解本实验装置的结构与组成，掌握压力变送器的使用方法。2、掌握实验装置的基本操作与变送器仪表的调整方法。3、了解单容水箱的自衡特性掌握单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。4、实测单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、THKGK-1型过程控制实验装置 GK-02 GK-03 GK-04 GK-072、 万用表一只三、实验原理 阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节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和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据

2、进行合理的处理，确定模型中的相关参数。 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。单容水箱的数学模型可用一阶惯性环节来近似描述，且用下述方法求取对象的特征参数。单容水箱液位开环控制结构图如图2-1所示：图2-1、 单容水箱液位开环控制结构图 设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2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=R2*C为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数，也是阀V2的液阻，C 为水箱的底面积。令输入流量Q1（S）=RO/

3、S，RO为常量，则输出液位的高度为： 2-2 2-3 2-4式（2-3）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所示。由式（2-4）可知该曲线上升到稳态值的63.2%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，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。 图2-2 阶跃响应曲线其理论依据是：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（）。式（2-2）中的K值由下式求取： K = h()/R0 = 输入稳态值/阶跃输入四、实验装置的结构框图图1-1、液位、压力 、流量控制系统结构框图五、

4、实验内容及步骤1、 设备组装与检查：1）、将GK-02、GK-03、GK-04、GK-07挂箱由右至左依次挂于实验屏上。并将挂件的三芯蓝插头插于相应的插座中。2）、先打开空气开关再打开钥匙开关，此时停止按钮红灯亮。3）、按下起动按钮，此时交流电压表指示为220V，所有的三芯蓝插座得电。4）、关闭各个挂件的电源进行连线。2、系统接线：1）、交流支路1：将GK-04 PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”接GK-07变频器的“2”与“5”两端（注意：2正、5负），GK-07的输出“A、B、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U1、V1、W1”输入端； GK-07 的“

5、SD”与“STR”短接，使电机驱动磁力泵打水（若此时电机为反转，则“SD”与“STF”短接 ）。2）、交流支路2：将GK-04 PID调节器的给定“输出”端接到GK-07变频器的“2”与“5”两端（注意：2正、5负）； 将GK-07变频器的输出“A、B、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U2、V2、W2”输入端； GK-07 的“SD”与“STR”短接，使电机正转打水（若此时电机为反转，则“SD”与“STF”短接 ）。3、仪表调整：（仪表的零位与增益调节 ）在GK-02挂件上面有四组传感器检测信号输出：LT1、PT、LT2、FT（输出标准DC05V），它们旁边分别设有数字显示器，以显示相

6、应水位高度、压力、流量的值。对象系统左边支架上有两只外表为蓝色的压力变送器，当拧开其右边的盖子时，它里面有两个3296型电位器，这两个电位器用于调节传感器的零点和增益的大小。（标有ZERO的是调零电位器，标有SPAN的是调增益电位器）仪表的调整步骤如下：1)、首先我们在水箱没水时调节零位电位器，使其输出显示数值为零。2）、用交流支路1打水（也可以用交流支路2打水）：打开阀1、阀3、阀4，关闭阀5、阀6、阀7，然后开启GK-07变频器及GK-04给定启动三相磁力泵给上、下水箱打水，使其液面均上升至10cm高度后停止打水。3）、看各自表头显示数值是否与实际水箱液位高度相同，如果不相同则要调节增益电

7、位器使其输出大小与实际水箱液位的高度相同，同法调节上、下水箱压力变送器的零位和增益。4）、按上述方法对压力变送器进行零点和增益的调节，如果一次不够可以多调节几次，使得实验效果更佳。4、数据测量1）、仪表调整完毕后，将单片机控制挂箱GK-03的输入信号端“LT1、LT2”分别与GK-02的传感器输出端“LT1、LT2”相连；用配套RS232通讯线 将GK-03的“串行通信口”与计算机的COM1连接；打开所有电源开关用单片机进行液位实时监测；然后用上位机控制监控软件对液位进行监视并记录过程曲线。2）、利用PID调节器的手动旋钮调节输出，将被控参数液位控制在4cm左右。3）观察系统的被调量水箱的水位

8、是否趋于平衡状态。若已平衡，记录此时调节器手动输出值VO 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f手动输出Vo水箱水位高度h1LT1显示值HZvcmcm6、迅速增调“手动调节”电位器，使PID的输出突加10%，利用上位机监控软件记下由此引起的阶跃响应的过程曲线，并根据所得曲线填写下表。t（s）水箱水位h1(cm)LT1读数(cm)等到进入新的平衡状态后，再记录测量数据，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HZvcmcm7、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（s）水箱水位h1(cm)LT1读数(cm)8、重复上述实验步骤。六、注意事项1、做本实验过程中，阀V1和V2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。七、实验报告要求1、作出一阶环节的阶跃响应曲线。2、根据实验原理中所述的方法，求出被测一阶环节的相关参数K和T。-第 5 页-