過程控制系統實驗
學院機電工程學院
班級學號
姓名老師韓保君
第一節一階單容水箱特性的測試
一、實驗目的
1. 掌握單容水箱的階躍響應的測試方法，並記錄相應液位的響應曲線。
2. 根據實驗得到的液位階躍響應曲線，用相關的方法確定被測物件的特徵引數t和傳遞函式。
二、實驗裝置
1. thj-2型高階過程控制系統實驗裝置
2. 計算機及相關軟體
3. 萬用電表乙隻
三、實驗原理
由圖2-1可知，物件的被控制量為水箱的液位h，控制量（輸入量）是流入水箱中的流量q1，手動閥v1和v2的開度都為定值，q2為水箱中流出的流量。根據物料平衡關係，在平衡狀態時
動態時，則有
式中v為水箱的貯水容積，dtdv為水貯存量的變化率，它與h的關係為
a為水箱的底面積。把式（3）代入式（2）得
基於rs為閥v2的液阻，則上式可改寫為
式中t=ars，它與水箱的底積a和v2的rs有關；k=rs。
式（5）就是單容水箱的傳遞函式。
若令q1（s）=r0/s,r0=常數，則式（5）可改為
對上式取拉氏反變換得
當t—>∞時，h（∞）=kr0，因而有
k=h（∞）/r0=輸出穩態值/階躍輸入
當t=t時，則有
h(t)=kr0(1-e-1)=0.632kr0=0.632h(∞)
式（6）表示一階慣性環節的響應曲線是一單調上公升的指數函式，如圖2-2所示。當由實驗求得圖2-2所示的階躍響應曲線後，該曲線上公升到穩態值的63%
所對應的時間，就是水箱的時間常數t。該時間常數t也可以通過座標原點對響應曲線作切線，切線與穩態值交點所對應的時間就是時間常數t，由響應曲線求得k和t後，就能求得單容水箱的傳遞函式。如果物件的階躍響應曲線為圖2-3，則在此曲線的拐點d處作一切線，它與時間軸交於b點，與響應穩態值的漸近線交於a點。
圖中ob即為物件的滯後時間τ，bc為物件的時間
常數t，所得的傳遞函式為
四、實驗內容與步驟
1．按圖2-1接好實驗線路，並把閥v1和v2開至某一開度，且使v1的開度大於v2的開度。
2．接通總電源和相關的儀表電源，並啟動磁力驅動幫浦。
3．把調節器設定於手動操作位置，通過調節器增/減的操作改變其輸出量的大小，使水箱的液位處於某一平衡位置。
4．手動操作調節器，使其輸出有乙個正（或負）階躍增量的變化（此增量不宜過大，以免水箱中水溢位），於是水箱的液位便離開原平衡狀態，經過一定的調節時間後，水箱的液位進入新的平衡狀態，如圖2-4所示。
5．啟動計算機記下水箱液位的歷史曲線和階躍響應曲線。
wentai
五、資料處理
(1) 正向增量：首先設定輸出值為50%，使水箱系統達到乙個穩定的狀態，然後再測量初始穩態時對應的引數，得到初始輸出值：7.
7929e001，時間 77』92。再調節手動操作器，給乙個正向的變化，待其平衡穩定，測量時間為正無窮對應的引數，穩態輸出：1.
096e002，時間109』6
所以，在t時間內，液位變化量為兩個穩態輸出的差值，經計算結果為57*0.632 = 36.024，對應0.632h。
將結果繪製成下表：
得到傳遞函式為：
h(s)=k/(s+ts)=0.1721/(1+84.5s)
這次試驗的注意事項有不能任意改變閥門開度的大小；階躍訊號不能取得太大，否則會影響正常執行，也不能太小，以防止物件特性的不真實性；在輸入階躍訊號前，過程必須處於平衡狀態。 通過這次試驗，我們明白了過程控制的相關思想也明白了思考和實踐相結合的重要性，也更加注重團隊合作能力。
六、思考題
1．做本實驗時，為什麼不能任意改變出水口閥開度的大小？
答：因為如果一開始進水閥的開度《出水閥的開度，那麼系統永遠無法達到平衡。同時出水閥也決定了液位達到設定值所需時間的長短，所以記錄資料前，應先調好出水閥開度的大小，才能快速達到平衡。
任意改變出水閥開度大小會對響應曲線造成干擾，從而使實驗結果的誤差變大。
2．用響應曲線法確定物件的數學模型時，其精度與那些因素有關？
答：因為系統用到了儀表，因此與儀表的精度有關，同時與出水閥開度的大小有關。並和放大係數k、時間常數t以及純滯後時間有關。
第二節雙容水箱特性的測試
一、實驗目的
1. 熟悉雙容水箱的數學模型及其階躍響應曲線。
2. 根據由實際測得雙容液位的階躍響應曲線，確定其傳遞函式。
二、實驗裝置
1. thj-2 型高階過程控制系統實驗裝置
2. 計算機、mcgs 工控組態軟體、rs232/485 轉換器 1 只、串列埠線 1 根
3. 萬用表 1 只
三、原理說明
由圖 2-5 所示，被控物件由兩個水箱相串聯連線，由於有兩個貯水的容積， 故稱其為雙容物件。被控制量是下水箱的液位，當輸入量有一階躍增量變化時， 兩水箱的液位變化曲線如圖 2-6 所示。由圖 2-6 可見，上水箱液位的響應曲線為一單調的指數函式（圖 2-6 (a)），而下水箱液位的響應曲線則呈 s 形狀（圖 2-6 (b)）。
顯然，多了乙個水箱，液位響應就更加滯後。由 s 形曲線的拐點 p 處作一切線，它與時間軸的交點為 a，oa 則表示了物件響應的滯後時間。至於雙容物件兩個慣性環節的時間常數可按下述方法來確定。
在圖 2-7 所示的階躍響應曲線上求取：
(1) h2（t）|t=t1=0.4 h2(∞)時曲線上的點b和對應的時間t1；
(2) h（t）|t=t2=0.8 h2(∞)時曲線上的點c和對應的時間t2。
然後，利用下面的近似公式計算式
由上述兩式中解出t1和t2，於是求得雙容（二階）物件的傳遞函式為
四、實驗內容與步驟
1、接通總電源和相關儀表的電源。
2、接好實驗線路，開啟手動閥，並使它們的開度滿足下列關係：
v1的開度》v2的開度》v3的開度
3、把調節器設定於手動位置，按調節器的增/減，改變其手動輸出值，使下水箱的液位處於某一平衡位置（一般為水箱的中間位置）。
4、按調節器的增/減按鈕，突增/減調節器的手動輸出量，使下水箱的液位由原平衡狀態開始變化，經過一定的調節時間後，液位h2進入另乙個平衡狀態。
5、上述實驗用計算機實時記錄h2的歷史曲線和在階躍擾動後的響應曲線。
6、把由計算機作用的實驗曲線進行分析處理，並把結果填表入下表中：
wentai
五、資料處理
g(s)=0.1151/(78.8s+1)(92s+1)
引數經過仔細的調整，最後達到了預期的效果。
六、思考題
1、在本實驗中，為什麼對出水閥不能任意改變其開度？
如果實驗條件中沒有水量大小，及水量是恆定的，肯定不能改變水流大小，不然在其他外因發生變化時產生的測試結果就不能完全歸結於該外因變化的結果，可能還存在水流大小變化的影響。
2、引起雙容物件的滯後特性是什麼？
答：由於多了乙個容積，水位差h2表現出來的響應特性就不同於單容水箱，響應過程在時間上落後了一步，存在管道上的滯後，干擾引起的感測器反饋訊號上的滯後。這段滯後時間主要是物件容量增加和容積之間存在阻力所造成的。
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