【正文】 實(shí)驗(yàn)二、二階雙容下水箱對象特性測試實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?)、熟悉雙容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線。當(dāng)輸入量有一個(gè)階躍增加Q1時(shí)，被調(diào)量變化的反應(yīng)曲線如圖22所示的h2曲線。這段時(shí)間可以近似地衡量由于多了一個(gè)容量而使飛升過程向后推遲的程度，因此 圖2變化曲線稱容量滯后，通常以τC代表之。 然后，利用下面的近似公式計(jì)算式 21中的參數(shù)K、T1和T2。關(guān)閉動(dòng)力支路上通往其他對象的切換閥門。2）、手動(dòng)操作面板鈕子開關(guān)狀態(tài)：名稱主閥門電磁閥上水箱閥門電磁閥電動(dòng)調(diào)節(jié)閥增壓泵手動(dòng)操作面板開開開開其它電磁閥均處于關(guān)閉狀態(tài)。4）、電源控制板上的三相電源、單相Ⅰ、Ⅱ的空氣開關(guān)打在關(guān)的位置。 啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置1）、將實(shí)驗(yàn)裝置電源插頭接到380V的三相交流電源上。2）、啟動(dòng)計(jì)算機(jī)MCGS組態(tài)軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn),界面如圖25所示：圖2實(shí)驗(yàn)軟件界面3）、開啟增壓泵電源開關(guān)，啟動(dòng)動(dòng)力支路，手動(dòng)將儀表的輸出值迅速上升到小于等于30，將被控參數(shù)液位高度控制在50%處（一般為15cm）。T（秒）水箱水位h2(cm)儀表讀數(shù)(cm)6）、直到進(jìn)入新的平衡狀態(tài)。2）階躍信號不能取得太大，以免影響正常運(yùn)行；但也不能過小，以防止對象特性的不真實(shí)性。2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中所述的方法，求出二階環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備1）、AE2000A型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置配置：上位機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)、RS232485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根、實(shí)驗(yàn)連接線?？梢姡捎跍囟鹊淖兓?，導(dǎo)致了金屬導(dǎo)體電阻的變化。 但是，要完全符合上述要求的熱電阻材料實(shí)際上是有困難的。 在0~650℃的溫度范圍內(nèi)，鉑電阻與溫度的關(guān)系為： Rt＝Rt0(1+At+Bt2+Ct3) 式中Rt——溫度為t(如室溫20℃)時(shí)的電阻值； Rt0——溫度為t0(通常為0℃)時(shí)的電阻值； A、B、C是常數(shù)，一般A=*10－31/℃，B=*10－71/℃，C=*10－121/℃。圖3位式調(diào)節(jié)器的特性圖 由圖31可見，在一定的范圍內(nèi)不僅有死區(qū)存在，而且還有回環(huán)。隨著水溫T的升高，Vp也不斷增大，e相應(yīng)變小。被控對象為鍋爐內(nèi)膽中的三相電熱管，被控制量為內(nèi)膽水溫。因此不能用連續(xù)控制作用下的衰減振蕩過程的溫度品質(zhì)指標(biāo)來衡量，而用振幅和周期作為品質(zhì)指標(biāo)。（2）、首先打開手動(dòng)閥閥閥閥閥1閥17，然后將自動(dòng)/手動(dòng)切換開關(guān)打到手動(dòng)方式上，在手動(dòng)操作面板上打開主閥門電磁閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、鍋爐內(nèi)膽閥門電磁閥，一切準(zhǔn)備好后再打開增壓泵的電源開關(guān)。（5）、檢查電源開關(guān)是否關(guān)閉。2）、將鍋爐內(nèi)膽水溫+（正極）接到帶有繼電器的智能調(diào)節(jié)儀的1端（即RSV的正極），將鍋爐內(nèi)膽水溫（負(fù)極）接到帶有繼電器的智能調(diào)節(jié)儀的2端（即RSV的負(fù)極）。4）、電源控制板上的三相電源、單相Ⅰ、Ⅱ的空氣開關(guān)打在關(guān)的位置。啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置1）、將實(shí)驗(yàn)裝置電源插頭接到380V的三相交流電源上。5）、開啟相關(guān)儀器和計(jì)算機(jī)軟件，進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，如圖35所示：圖3實(shí)驗(yàn)軟件界面4）、系統(tǒng)運(yùn)行后， 組態(tài)軟件自動(dòng)記錄控制過程曲線。五、注意事項(xiàng)1）、實(shí)驗(yàn)前，鍋爐內(nèi)膽的水位必須高于熱電阻的測溫點(diǎn)。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1）、畫出不同dF時(shí)的系統(tǒng)被控制量的過渡過程曲線，記錄相應(yīng)的振蕩周期和振蕩幅度大小。2）、分析分別用P、PI和PID調(diào)節(jié)時(shí)的過程圖形曲線。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制上水箱液位等于給定值所要求的高度。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會(huì)使控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期效果。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)δ，Ti調(diào)節(jié)合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。（2）、首先打開手動(dòng)閥閥閥閥閥15，然后將自動(dòng)/手動(dòng)切換開關(guān)打到手動(dòng)方式上，在手動(dòng)操作面板上打開主閥門電磁閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、上水箱閥門電磁閥，一切準(zhǔn)備好后再打開增壓泵的電源開關(guān)。對象管路圖：增壓泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和各個(gè)手動(dòng)閥、電磁閥所處狀態(tài)：1）、手動(dòng)閥：閥閥閥閥15均應(yīng)處于打開狀態(tài)，其它手動(dòng)閥均關(guān)閉。3）、將智能調(diào)節(jié)儀的4~20mA輸出端的7端（即正極）接至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的4~20mA輸入端的+端（即正極），將智能調(diào)節(jié)儀的4~20mA輸出端的5端（即負(fù)極）接至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的4~20mA輸入端的（即負(fù)極）。7）、增壓泵電源開關(guān)打在關(guān)的位置。5）、啟動(dòng)智能儀表，設(shè)置好儀表參數(shù)。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動(dòng)穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。改變設(shè)定值（如設(shè)定值由50％變?yōu)?0％），同樣可以得到一條過渡過程曲線。 表二、不同Ti時(shí)的超調(diào)量σp積分時(shí)間常數(shù)Ti大中小圖超調(diào)量σp3）、固定I于某一中間值，然后改變P的大小，觀察加擾動(dòng)后被調(diào)量輸出的動(dòng)態(tài)波形，據(jù)此列表記錄不同值Ti下的超調(diào)量σp。2）、選擇合適的P、Ti和Td，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線（階躍輸入可由給定值從50%突變至60%來實(shí)現(xiàn)）。它的具體做法是：1）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步減小調(diào)節(jié)器的比例度δ（即1/P），并且每當(dāng)減小一次比例度δ，待被調(diào)量回復(fù)到平衡狀態(tài)后，再手動(dòng)給系統(tǒng)施加一個(gè)5%~15%的階躍擾動(dòng)，觀察被調(diào)量變化的動(dòng)態(tài)過程。圖4具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)2）、在圖45系統(tǒng)中，當(dāng)被調(diào)量作等幅蕩時(shí)，此時(shí)的比例度δ就是臨界比例度，用δk表示之，相應(yīng)的振蕩周期就是臨界周期Tk。五、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1）、畫出單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖。5）、作出PI調(diào)節(jié)器控制時(shí)，不同δ和Ti值時(shí)的階躍響應(yīng)曲線。七、 思考題1）、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在運(yùn)行前應(yīng)做好哪能些準(zhǔn)備工作？2）、為什么要強(qiáng)調(diào)無擾動(dòng)切換？3）、試定性地分析三種調(diào)節(jié)器的參數(shù)δ、（δ、Ti）和（δ、Ti和Td）。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1）、AE2000A型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置、上位機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)、RS232485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根。由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型是二階的，故它的穩(wěn)定性不如單容液位控制系統(tǒng)。（2）、首先打開手動(dòng)閥閥閥閥閥閥15，然后將自動(dòng)/手動(dòng)切換開關(guān)打到手動(dòng)方式上，在手動(dòng)操作面板上打開主閥門電磁閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、上水箱閥門電磁閥，一切準(zhǔn)備好后再打開增壓泵的電源開關(guān)。2. 對象管路圖：增壓泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和各個(gè)手動(dòng)閥、電磁閥所處狀態(tài)：1）、手動(dòng)閥：閥閥閥閥閥15均應(yīng)處于打開狀態(tài)，其它手動(dòng)閥均關(guān)閉。3）、將智能調(diào)節(jié)儀的4~20mA輸出端的7端（即正極）接至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的4~20mA輸入端的+端（即正極），將智能調(diào)節(jié)儀的4~20mA輸出端的5端（即負(fù)極）接至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的4~20mA輸入端的（即負(fù)極）。7）、增壓泵電源開關(guān)打在關(guān)的位置。（一）、調(diào)節(jié)器控制1）、按圖54所示的結(jié)構(gòu)接成單回路的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。5）、觀察計(jì)算機(jī)顯示屏的曲線，待被調(diào)量基本穩(wěn)定于給定值后，即可將調(diào)節(jié)器由“手動(dòng)”位置切換到到“自動(dòng)”狀態(tài)，使系統(tǒng)變?yōu)殚]環(huán)控制運(yùn)行。六、注意事項(xiàng)1）、實(shí)驗(yàn)線路接好后，必須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查認(rèn)可后方可接通電源。2）、研究P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對溫度系統(tǒng)的控制作用。根據(jù)控制框圖，采用工業(yè)智能PID調(diào)節(jié)。（3）、將鍋爐內(nèi)膽的溢流口出水閥全開。2）、手動(dòng)操作面板鈕子開關(guān)狀態(tài)：名稱主閥門電磁閥鍋爐內(nèi)膽閥門電磁閥電動(dòng)調(diào)節(jié)閥增壓泵手動(dòng)操作面板開開開開其它電磁閥均處于關(guān)閉狀態(tài)。4）、電源控制板上的三相電源、單相Ⅰ、Ⅱ的空氣開關(guān)打在關(guān)的位置。啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置1）、將實(shí)驗(yàn)裝置電源插頭接到380V的三相交流電源。5）、開啟相關(guān)儀器和計(jì)算機(jī)軟件，進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，如圖63所示：圖6實(shí)驗(yàn)軟件界面6)、通過智能調(diào)節(jié)器把溫度設(shè)定于某給定值（如：將水溫控制在40。每當(dāng)改變值P后，再加同樣大小的階躍信號，比較不同P時(shí)的ess和σp，并把數(shù)據(jù)填入表一中。7）、運(yùn)行MCGS組態(tài)軟件，進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)時(shí)或歷史曲線，待水溫（由智能調(diào)節(jié)器的溫度顯示器指示）基本穩(wěn)定于給定值后，加入階躍擾動(dòng)（可通過改變智能調(diào)節(jié)器的設(shè)定值來實(shí)現(xiàn)或者打開電磁閥）。3）、打開總電源鑰匙開關(guān)，按下電源控制屏上的啟動(dòng)按鈕，即可開啟電源。6）、智能調(diào)節(jié)儀的~220V電源開關(guān)打在關(guān)的位置 。2）、將鍋爐內(nèi)膽水溫+（正極）接到任意一個(gè)智能調(diào)節(jié)儀的1端（即RSV的正極），將鍋爐內(nèi)膽水溫（負(fù)極）接到智能調(diào)節(jié)儀的2端（即RSV的負(fù)極）。（5）、檢查電源開關(guān)是否關(guān)閉。（2）、首先打開手動(dòng)閥閥閥閥閥1閥17，然后將自動(dòng)/手動(dòng)切換開關(guān)打到手動(dòng)方式上，在手動(dòng)操作面板上打開主閥門電磁閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、鍋爐內(nèi)膽閥門電磁閥，一切準(zhǔn)備好后再打開增壓泵的電源開關(guān)。4）、了解PID參數(shù)自整定的方法及參數(shù)整定在整個(gè)系統(tǒng)中的重要性。3）、在老師的指導(dǎo)下，開啟計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2）、按圖62 要求接好實(shí)驗(yàn)線路，經(jīng)老師檢查無誤后投入運(yùn)行。2）、把調(diào)節(jié)器置于“手動(dòng)”狀態(tài)，其智能儀表的積分時(shí)間常數(shù)置于0，微分時(shí)間常數(shù)置于0，比例設(shè)置于最大值處，即此時(shí)的調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)（P）。2）、打開電源三相帶漏電保護(hù)空氣開關(guān)，電壓表指示380V。5）、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的~220V電源開關(guān)打在關(guān)的位置 。系統(tǒng)連線如圖52所示： 圖5實(shí)驗(yàn)接線圖1）、將I/O信號接口板上的下水箱液位的鈕子開關(guān)打到OFF位置。（3）、將上下水箱的出水閥：閥閥8開至適當(dāng)開度。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的控制作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又使其動(dòng)態(tài)性能得到進(jìn)一步改善。這也是一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，它與實(shí)驗(yàn)四不同的是有兩個(gè)水箱相串聯(lián)，控制的目的是使下水箱的液位高度等于給定值所期望的高度；具有減少或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動(dòng)的影響。2）、研究系統(tǒng)分別用P、PI和PID調(diào)節(jié)器時(shí)的控制性能。7）、比較P、PI和PID三種調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)無差度和動(dòng)態(tài)性能的影響。3）、用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，寫出三種調(diào)節(jié)器的余差和超調(diào)量。 圖4具有周期TK的等幅振蕩 表四 、用臨界比例度δk整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱δkTi(S)Td(S)P2δkPITk/PID3）、必須指出，表格中給出的參數(shù)值是對調(diào)節(jié)器參數(shù)的一個(gè)初略設(shè)計(jì)，因?yàn)樗歉鶕?jù)大量實(shí)驗(yàn)而得出的結(jié)論。如果響應(yīng)曲線出現(xiàn)發(fā)散振蕩，則表示比例度調(diào)節(jié)得過小，應(yīng)適當(dāng)增大，使之出現(xiàn)等幅振蕩。（四）、用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù) 在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)常用下述實(shí)驗(yàn)的方法來確定。此曲線可通過改變設(shè)定值（如設(shè)定值由50%變?yōu)?0%）來獲得。（二）、比例積分調(diào)節(jié)器（PI）控制1）、在比例調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加入積分作用，即在界面上設(shè)置I參數(shù)不為0，觀察被控制量是否能回到設(shè)定值，以驗(yàn)證PI控制下，系統(tǒng)對階躍擾動(dòng)無余差存在。6）、增大P重復(fù)步驟4，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。3）、設(shè)定給定值，調(diào)整P參數(shù)。2）、打開電源三相帶漏電保護(hù)空氣開關(guān)，電壓表指示380V。5）、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的~220V電源開關(guān)打在關(guān)的位置 。系統(tǒng)連線如圖43所示：圖4上水箱液位PID參數(shù)整定控制接線圖1）、將I/O信號接口板上的上水箱液位的鈕子開關(guān)打到OFF位置。（3）、打開上水箱的出水閥：閥7至適當(dāng)開度。在單位階躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖42中的曲線①、②、③所示。一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好以后，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定是十分重要的工作。當(dāng)調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，一個(gè)單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著很大的關(guān)系。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備1）、AE2000A型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置、上位機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)、RS232485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根。3）、綜合分析位式控制特點(diǎn)。3）、實(shí)驗(yàn)線路全部接好后，必須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查認(rèn)可后，方可接通電源開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下：S（秒）T（℃）5）、適量改變給定值的大小，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟4）。3）、打開總電源鑰匙開關(guān)，按下電源控制屏上的啟動(dòng)按鈕，即可開啟電源。6）、智能調(diào)節(jié)儀的~220V電源開關(guān)打在關(guān)的位置 。4~20mA信號負(fù)端接三相電加熱管控制信號輸入負(fù)（）。2）、手動(dòng)操作面板鈕子開關(guān)狀態(tài)：名稱主閥門電磁閥鍋爐內(nèi)膽閥門電磁閥電動(dòng)調(diào)節(jié)閥增壓泵手動(dòng)操作面板開開開開其它電磁閥均處于關(guān)閉狀態(tài)。（3）、將鍋爐內(nèi)膽的溢流口出水閥全開。因此通過合理選擇中間區(qū)以使振幅在限定范圍內(nèi)，而又盡可能獲得較長的周期。根據(jù)給定值加上dF與測量的溫度相比較向繼電器線圈發(fā)出控制信號，從而達(dá)到控制水箱溫度的目的。由于這種控制方式具有沖擊性，易損壞元器件，只是在對控制質(zhì)量要求不高的系統(tǒng)才使用。執(zhí)行器只有“開”或“關(guān)”兩種極限工作狀態(tài)，故稱這種控制器為兩位調(diào)節(jié)器。二位式溫度控制系統(tǒng)二位控制是位式控制規(guī)律中最簡單的一種。本裝置使用的是鉑電阻元件PT100，并通過溫度變送器（測量電橋或分壓采樣電路或者AI人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)