2013级研究生控制工程实训指导书(过程控制)

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1、2013-2014(Ⅱ)自动化专业研究生《控制工程实训》指导书(过程控制部分)一、《控制工程实训》的目的自动化专业研究生《控制工程实训》(过程控制部分)是在学生学完《过程控制工程》、《测控仪表及装置》、《DCS及现场总线》以及《计算机控制技术》等相关课程的教学后而设置的一门独立的实践教学环节。通过实训，使学生掌握控制系统的组成以及系统的连接方法，了解有关仪表、计算机在控制系统中作用原理及调试方法，掌握控制系统的综合分析方法和调试方法，能独立进行系统连接、查线和排除一般故障的能力，能正确观察实验现象，进行实验数据处理及系统

2、分析，培养学生的实际动手能力，进一步提高学生的独立分析问题和解决问题的能力，使学生通过此环节的教学提高实际技能和科研能力。二、《控制工程实训》的内容及要求实验一（一）、一阶单容水箱对象特性测试实验（实物）一、实验目的1.熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。2.根据实际测得单容水箱液位阶跃响应曲线，确定其参数。二、实验设备AE2000A型过程控制系统实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。三、系统结构框图单容水箱的系统结构框图如图1-1所示。图1-1单容水箱系统结构图

3、四、实验原理阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器，手动改变对象输入信号（阶跃信号），同时记录对象输出数据或阶跃响应曲线。根据已给定对象模型结构形式，对数据进行处理，确定模型中各参数。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。单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。如图2-1所示，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，泄水阀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

4、，T为水箱的时间常数，T=R2*C，K=R2为单容对象的放大倍数，R1、R2分别为V1、V2阀的液阻，C为水箱的容量系数。令输入流量Q1的阶跃变化量为R0，其拉氏变换式为Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为：当t=T时，则有：h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞)即h(t)=KR0(1-e-t/T)当t→∞时，h（∞）=KR0，因而有K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1-2所示。当由实验求得图1-2所示的阶跃响

5、应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应时间，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，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（∞）。图1-2阶跃响应曲线五、实验内容和步骤1、设备的连接和检查1).关闭出水阀，往AE2000型过程控制对象的储水箱灌水50％左右。2).打开以循环泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。3).打开上水箱泄水阀，开至适当的开度

6、。4).检查电源开关是否关闭。2、系统连线1).如图1-3所示，将I/O信号板上上水箱液位钮子开关拨到1～5V位置。2).将上水箱液位+接一号智能调节仪1端，上水箱液位－接调节仪2端。3).将智能调节仪的4~20mA输出端7端接调节阀的4~20mA输入端的+端），将智能调节仪5端接调节阀4~20mA输入端的－端。4).电源控制板上的电源空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。5).调节阀的电源开关打在关的位置。6).智能调节仪的220V电源开关打在关的位置。图1-3实验连线图3、启动实验装置1).将实验装置电源插头接到22

7、0V的单相交流电源。2).打开电源带漏电保护空气开关。3).打开电源总开关。1、实验步骤1).开启24VDC电源开关和仪表电源开关，根据仪表使用说明书和液位传感器使用说明调整好仪表各项参数和液位传感器的零位、增益，仪表输出方式设为手动输出，初始值为0。2).启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验如图2-4所示：图1-4、实验软件界面3).建议不用“设置输出”按钮（因为它只能设定输出值的下限，而非大小）。在仪表手动状态下，按住仪表的STOP键将仪表的输出值上升到所想设定的值，这个值根据阀门开度的大小来给定，一般

8、初次设定值<20cm。开启单相泵电源开关，启动动力支路。将被控参数液位高度控制在30%处（一般为10cm）。4).观察系统的被调量：上水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录调节仪输出值，以及水箱水位的高度h1和智能仪表的测量显示值并填入表1-1。表1-1仪表输出值（0~100）水箱水位高度h1（cm以仪表显示值