【文章內容簡介】 箱相串聯(lián)連接，由于有兩個貯水的容積，故稱其為雙容對象。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26所示。由圖26可見，上水箱液位的響應曲線為一單調的指數(shù)函數(shù)（圖26 (a)），而下水箱液位的響應曲線則呈S形狀（圖26 (b)）。顯然，多了一個水箱，液位響應就更加滯后。 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則表示了對象響應的滯后時間。至于雙容對象兩個慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)可按下述方法來確定。圖26 雙容液位階躍響應曲線圖27 雙容液位階躍響應曲線在圖27所示的階躍響應曲線上求?。?1) h2（t）|t=t1= h2(∞)時曲線上的點B和對應的時間t1；(2)h2（t）|t=t2= h2(∞)時曲線上的點C和對應的時間t2。 然后，利用下面的近似公式計算式 　　　〈t1/t2〈由上述兩式中解出T1和T2，于是求得雙容（二階）對象的傳遞函數(shù)為G（S）=四、實驗內容與步驟接通總電源和相關儀表的電源。接好實驗線路，打開手動閥，并使它們的開度滿足下列關系：V1的開度V2的開度V3的開度把調節(jié)器設置于手動位置，按調節(jié)器的增/減，改變其手動輸出值，使下水箱的液位處于某一平衡位置（一般為水箱的中間位置）。按調節(jié)器的增/減按鈕，突增/減調節(jié)器的手動輸出量，使下水箱的液位由原平衡狀態(tài)開始變化，經(jīng)過一定的調節(jié)時間后，液位h2進入另一個平衡狀態(tài)。上述實驗用計算機實時記錄h2的歷史曲線和在階躍擾動后的響應曲線。把由計算機作用的實驗曲線進行分析處理，并把結果填表入下表中： 參數(shù)值測量值液位hKT1T2τ正向輸入負向輸入平均值五、實驗報告完成常規(guī)實驗報告內容。對實驗的數(shù)據(jù)進行分析。六、思考題在本實驗中，為什么對出水閥不能任意改變其開度？引起雙容對象的滯后特性是什么？第三節(jié) 鍋爐內膽特性的測試一、 實驗目的了解鍋爐內膽溫度特性測試系統(tǒng)的組成。掌握鍋爐內膽溫度特性的測試方法。二、實驗設備THJ2型過程控制實驗裝置。計算機、MCGS工控組態(tài)軟件、RS232/485轉換器1只、串口線1根。萬用電表。二、 實驗原理圖28 鍋爐內膽溫度特性實驗結構示意圖（一）鍋爐夾套不加冷卻水加滿鍋爐內膽的水，手動操作調節(jié)器的輸出，使可控整流電源的輸出電壓為100V左右。此電壓加在加熱管兩端，內膽中的水溫因之而逐漸上升。根據(jù)熱平衡的原理，當內膽中的水溫上升到某一值時，水的吸熱和放熱作用完全相等，從而使內膽中的水溫達到一平衡狀態(tài)。由熱力學原理可知，鍋爐內膽水溫的動態(tài)變化過程是用一階常微分方程來描述，即其數(shù)學模型為一階慣性環(huán)節(jié)。（二）鍋爐夾套加冷卻水當鍋爐夾套中注滿冷卻水，這相當于改變了鍋爐內膽環(huán)境的溫度，使其散熱作用增強。顯然，在這種狀況下，如果用夾套無水時一樣大小的可控電壓去加熱，在平衡狀態(tài)時，內膽的水溫必然要低于前者。如果要使內膽的水溫達到夾套無水時相同的值，則需要提高可控硅的整流電壓。四、實驗內容與步驟按圖28所示的結構圖，完成實驗系統(tǒng)的接線。接通總電源和相關儀表的電源。開啟手動閥，使鍋爐內膽注滿水，手動操作調節(jié)器的輸出，使可控整流電源的輸出電壓為80V左右。啟動計算機，實時記錄鍋爐內膽水溫的響應過程。把內膽中已加熱的水通過出水閥放掉，重新注滿冷水；并通過閥F112在夾套中注入冷卻水。手動操作調節(jié)器的輸出，使可控整流電源的輸出電壓與步驟3）的電壓輸出值一樣大小。然后啟動計算機，實時記錄內膽中水溫的變化過程。五、實驗報告按常規(guī)內容寫好實驗報告。對計算機在兩種不同條件下所測得的內膽溫度變化曲線進行分析比較。第四節(jié) 電動調節(jié)閥流量特性的測試一、實驗目的了解電動閥節(jié)閥的結構與工作原理。通過實驗，進一步了解電動調節(jié)閥流量的特性。二、實驗設備THJ2型過程控制實驗裝置計算機及相關的軟件。萬用表 1只三、實驗原理電動調節(jié)閥包括執(zhí)行機構和閥兩個部分，它是過程控制系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)。電動調節(jié)閥接受調節(jié)器輸出4～20mADC的信號，并將其轉換為相應輸出軸的角位移，以改變閥節(jié)流面積S的大小。圖29為電動調節(jié)閥與管道的連接圖。圖29 電動調節(jié)閥與管道的連接圖圖中： u來自調節(jié)器的控制信號（4～20mADC）θ閥的相對開度s 閥的截流面積q液體的流量 由過程控制儀表的原理可知，閥的開度θ與控制信號的靜態(tài)關系是線性的，而開度θ與流量Q的關系是非線性的。圖210為本實驗結構示意圖.圖210 電動調節(jié)閥特性實驗結構示意圖四、實驗報告與步驟1．按圖210 所示的實驗結構示意圖，完成實驗系統(tǒng)的接線。2．接通總電源和相關儀表的電源，并把手動閥置于一定的開度。3．把調節(jié)器置于手動狀態(tài)，并使其輸出相應于電動閥開度的10%、20%、100%，分別記錄不同狀態(tài)時調節(jié)器的輸出電流和相應的流量。4．由電流I作橫作標，流量Q作縱坐標，畫出Q=F（I）的曲線。五、實驗報告1. 完成常規(guī)的實驗報告內容。2. 根據(jù)所畫出的曲線，判別該電動閥的閥體是快開特性，等百分比特性還是慢開特性。第三章 單回路控制系統(tǒng)實驗第一節(jié) 單回路控制系統(tǒng)的實踐一、單回路控制系統(tǒng)的概述圖31為單回路控制系統(tǒng)方框圖的一般形式，它是由被控對象、執(zhí)行器、調節(jié)器和測量變送器所組成。系統(tǒng)的給定量是一定值，要求系統(tǒng)的被控制量等于給定量所要求的值。由于這種系統(tǒng)結構簡單，性能較好，調試方便等優(yōu)點，故在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應用。 圖31 單回路控制系統(tǒng)方框圖在系統(tǒng)設計前，不僅需要對被控對象有深入地認識，而且還應對整個生產(chǎn)的工藝、設備也有深入的了解。只有這樣，才能設計出一個性能優(yōu)良、經(jīng)濟實用的控制系統(tǒng)。二、干擾對系統(tǒng)性能的影響干擾通道的放大系數(shù)、時間常數(shù)及純滯后的影響。干擾通道的放大系數(shù)Kf會影響干擾加在系統(tǒng)中的幅值。若系統(tǒng)是有差系統(tǒng)，則干擾通道的放大系數(shù)愈大，系統(tǒng)的靜差也就愈大。我們希望干擾通道的放大系數(shù)愈小愈好。如果干擾通道是一慣性環(huán)節(jié)，令時間常數(shù)為Tf1，則階躍擾動通過慣性環(huán)節(jié)后，其過渡過程的動態(tài)分量被濾波而幅值變小。即時間常數(shù)Tf1越大，則系統(tǒng)的動態(tài)偏差就愈小。通常干擾通道中還會有純滯后環(huán)節(jié)，使被調參數(shù)的響應時間滯后一個τ值，即Yτ(t)= Y(tτ)上式表明調節(jié)過程沿時間軸平移了一個τ的距離，所以干擾通道出現(xiàn)有純滯后，不會影響系統(tǒng)調節(jié)質量。干擾進入系統(tǒng)中的不同位置。復雜的生產(chǎn)過程往往有多個干擾量，如圖32所示。 圖32 擾動作用于不同位置的控制系統(tǒng)控制理論證明，同一形式大小相同的擾動出現(xiàn)于系統(tǒng)中不同的位置所產(chǎn)生的靜差是不一樣的。對擾動產(chǎn)生影響的僅是擾動作用點前的那些環(huán)節(jié)。三、控制規(guī)律的確定選擇系統(tǒng)調節(jié)規(guī)律的目的，是使調節(jié)器與調節(jié)對象能很好地匹配，使組成的控制系統(tǒng)能滿足工藝上所提出的動、靜態(tài)性能指標的要求。比例(P)調節(jié)純比例調節(jié)器是一種最簡單的調節(jié)器，它對控制作用和擾動作用的響應都很快速。由于比例調節(jié)只有一個參數(shù)，所以整定很方便。這種調節(jié)器的主要缺點是使系統(tǒng)有靜差存在。比例積分(PI)調節(jié)PI調節(jié)器的積分部分能使系統(tǒng)的類型數(shù)提高，有利于消除靜差，但它又使PI調節(jié)器的相位滯后量減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，其傳遞函數(shù)為GC(S)=KP(1+)這種調節(jié)器在過程控制中是應用最多的一種調節(jié)器。比例微分(PD)調節(jié)這種調節(jié)器由于有微分的作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，比例系數(shù)的增大能加快系統(tǒng)的調節(jié)過程，減小動態(tài)和靜態(tài)誤差，但微分不能過大，以利于抗高頻干擾。PD調節(jié)器的傳遞函數(shù)為GC(S)=KP（1+TDS）比例微分積分(PID)調節(jié)器PID是常規(guī)調節(jié)器中性能最好的一種調節(jié)器。由于它具有各類調節(jié)器的優(yōu)點，因而使系統(tǒng)具有更高的控制質量。它的傳遞函數(shù)為GC(S)=KP(1+ +TDS)四、調節(jié)器參數(shù)的整定方法調節(jié)器參數(shù)的整定一般有兩種方法：一種是理論設計法，即根據(jù)廣義對象的數(shù)學模型和性能要求，用根軌跡法或頻率法來確定調節(jié)器的相關參數(shù)，另一種方法是工程實驗法，通過對典型輸入響應曲線所得到的特征量，然后查照經(jīng)驗表，求得調節(jié)器的相關參數(shù)。工程實驗整定法有以下四種：（一）經(jīng)驗法若將控制系統(tǒng)液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對象往往比較接近，所以無論是控制器形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表一為經(jīng)驗法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此基礎上，對調節(jié)器的參數(shù)作進一步修正。若需加微分作用，微分時間常數(shù)按TD=(～)TI計算。表一 經(jīng)驗法整定參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)δ(%)TI(min)TD(min)溫度20～603～10～3流量40～100～1壓力30～70～3液位20～80(二)臨界比例度法這種整定方法是在閉環(huán)情況下進行的。設TI=∞，TD=0，使調節(jié)器工作在純比例情況下，將比例度由大逐漸變小，使系統(tǒng)的輸出響應呈現(xiàn)等幅振蕩，如圖33所示。根據(jù)臨界比例度δS和振蕩周期TS，按表二所列的經(jīng)驗算式，求取調節(jié)器的參考參數(shù)數(shù)值，這種整定方法是以得到4：1衰減為目標。圖3具有周期TS的等幅振蕩 表二 臨界比例度法整定調節(jié)器參數(shù)調節(jié)器參數(shù)調節(jié)器名稱δSTi(S)Td(S)P2δSPITS/PID臨界比例度法的優(yōu)點是應用簡單方便，但此法有一定限制。從工藝上看，允許受控變量能承受等幅振蕩的波動，其次是受控對象應是二階和二階以上或具有純滯后的一階以上環(huán)節(jié)，否則在比例控制下，系統(tǒng)是不會出現(xiàn)等幅振蕩的。在求取等幅振蕩曲線時，應特別注意控制閥出現(xiàn)開、關的極端狀態(tài)。（三）阻尼振蕩法（衰減曲線法）在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調節(jié)器設置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動觀察輸出響應的衰減過程，直至出現(xiàn)圖34所示的4：1衰減過程為止。這時的比例度稱為4：1衰減比例度，用δS表示之。相鄰兩波峰間的距離稱為4：1衰減周期TS。根據(jù)δS和TS，運用表三所示的經(jīng)驗公式，就可計算出調節(jié)器預整定的參數(shù)值。 圖34 4：1衰減曲線法圖形表三、阻尼振蕩法計算公式 調節(jié)器參數(shù)調節(jié)器名稱δ（%）TI(min)TD(min)PδSPIPID TS （四）反應曲線法如果被控對象是一階慣性環(huán)節(jié)，或具有很小滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，若用臨界比例度法或阻尼振蕩法（4：1衰減）就有難度。對于這種情況，可采用下述的反應曲線法來整定調節(jié)器的參數(shù)。圖35為實驗系統(tǒng)的方框圖。令調節(jié)器的輸出X(t)為階躍信號，則圖35 實驗系統(tǒng)方框圖對象經(jīng)測量變送器后的輸出Y（t），如圖36所示。由該圖可確 圖36 階躍響應曲線定τ、T和K，其中K按下式確定K=根據(jù)所求的K、T和τ，利用下表所示的經(jīng)驗公式，就可計算出對應于衰減率為4：1時調節(jié)器的相關參數(shù)。表四 經(jīng)驗計算公式 調節(jié)器參數(shù)調節(jié)器名稱δ（%）TITDP100%PI100%PID100%2τ第二節(jié) 上水箱(中水箱或下水箱)液位定值控制系統(tǒng)一、實驗目的1． 了解單閉環(huán)液位控制系統(tǒng)的結構與組成。2． 掌握單閉環(huán)液位控制系統(tǒng)調節(jié)器參數(shù)的整定。3． 研究調節(jié)器相關參數(shù)的變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。二、實驗設備1．THJ2型高級過程控制系統(tǒng)裝置2．計算機、上位機MCGS組態(tài)軟件、RS232485轉換器1只、串口線1根3．萬用表 1只三、實驗原理本實驗系統(tǒng)的被控對象為上水箱，其液位高度作為系統(tǒng)的被控制量。系統(tǒng)的給定信號為一定值，它要求被控制量上水箱的液位在穩(wěn)態(tài)時等于給定值。由圖37 上水箱液位定值控制結構圖反饋控制的原理可知，應把上水箱的液位經(jīng)傳感器檢測后的信號作為反饋信號。圖37為本實驗系統(tǒng)的結構圖，圖38為控制系統(tǒng)的方框圖。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下無靜差，系統(tǒng)的調節(jié)器應為PI或PID。圖38 上水箱液位定值控制方框圖四、實驗內容與步驟1．按圖37要求，完成系統(tǒng)的接線。2．接通總電源和相關儀表的電源。3．打開閥F1F1F16和F19，且把F19控制在適當?shù)拈_度。4．選用單回路控制系統(tǒng)實驗中所述的某種調節(jié)器參數(shù)的整定方法整定好調節(jié)器的相關參數(shù)。5．設置好系統(tǒng)的給定值后，用手動操作調節(jié)器的輸出，使電動調節(jié)閥給上水箱打水，待其液位達到給定量所要求的值，且基本穩(wěn)定不變時，把調節(jié)器切換為自動，使系統(tǒng)投入自動運行狀態(tài)。6．啟動計算機，運行MCGS組態(tài)軟件軟件，并進行下列實驗：1）當系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，突加階躍擾動（將給定量增加5%～15%），觀察并記錄系統(tǒng)的輸出響應曲線。2）待系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后，適量改變閥F16的開度，以作為系統(tǒng)的擾動，觀察并記錄在階躍擾動作用下液位的變化過程。7．適量改變PI的參數(shù)，用計算機記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的響應曲線。五、實驗報告1．用實驗方法確定調節(jié)器的相關參數(shù)。2．列表記錄，在上述參數(shù)下求得階躍響應的動、靜態(tài)性能指標。3．列表記錄，在上述參數(shù)下求得系統(tǒng)在階躍擾動作用下響應曲線的動、靜態(tài)性能指標。4． 變比例度δ和積分時間TI對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生什么影響？第三節(jié) 雙容水箱液位定值控制系統(tǒng)一、實驗目的1．通過實驗，進一步了解雙容對象的特性。2．掌握調節(jié)器參數(shù)的整定與投運方法。3．研究調節(jié)器相關參數(shù)的改變對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。二、實驗設備1．THJ2型高級過程控制系統(tǒng)裝置。2．計算機、上位機MCGS組態(tài)軟件、RS232