【文章內(nèi)容簡介】 箱相串聯(lián)連接，由于有兩個(gè)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(dāng)輸入量有一階躍增量變化時(shí)，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(yīng)曲線為一單調(diào)的指數(shù)函數(shù)（圖26 (a)），而下水箱液位的響應(yīng)曲線則呈S形狀（圖26 (b)）。顯然，多了一個(gè)水箱，液位響應(yīng)就更加滯后。 由S形曲線的拐點(diǎn)P處作一切線，它與時(shí)間軸的交點(diǎn)為A，OA則表示了對象響應(yīng)的滯后時(shí)間。至于雙容對象兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)可按下述方法來確定。圖26 雙容液位階躍響應(yīng)曲線圖27 雙容液位階躍響應(yīng)曲線在圖27所示的階躍響應(yīng)曲線上求?。?1) h2（t）|t=t1= h2(∞)時(shí)曲線上的點(diǎn)B和對應(yīng)的時(shí)間t1；(2)h2（t）|t=t2= h2(∞)時(shí)曲線上的點(diǎn)C和對應(yīng)的時(shí)間t2。 然后，利用下面的近似公式計(jì)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟接通總電源和相關(guān)儀表的電源。接好實(shí)驗(yàn)線路，打開手動閥，并使它們的開度滿足下列關(guān)系：V1的開度V2的開度V3的開度把調(diào)節(jié)器設(shè)置于手動位置，按調(diào)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(diào)節(jié)器的增/減按鈕，突增/減調(diào)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(diào)節(jié)時(shí)間后，液位h2進(jìn)入另一個(gè)平衡狀態(tài)。上述實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄h2的歷史曲線和在階躍擾動后的響應(yīng)曲線。把由計(jì)算機(jī)作用的實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行分析處理，并把結(jié)果填表入下表中： 參數(shù)值測量值液位hKT1T2τ正向輸入負(fù)向輸入平均值五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成常規(guī)實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容。對實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。六、思考題在本實(shí)驗(yàn)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(nèi)膽特性的測試一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私忮仩t內(nèi)膽溫度特性測試系統(tǒng)的組成。掌握鍋爐內(nèi)膽溫度特性的測試方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備THJ2型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置。計(jì)算機(jī)、MCGS工控組態(tài)軟件、RS232/485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根。萬用電表。二、 實(shí)驗(yàn)原理圖28 鍋爐內(nèi)膽溫度特性實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖（一）鍋爐夾套不加冷卻水加滿鍋爐內(nèi)膽的水，手動操作調(diào)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(nèi)膽中的水溫因之而逐漸上升。根據(jù)熱平衡的原理，當(dāng)內(nèi)膽中的水溫上升到某一值時(shí)，水的吸熱和放熱作用完全相等，從而使內(nèi)膽中的水溫達(dá)到一平衡狀態(tài)。由熱力學(xué)原理可知，鍋爐內(nèi)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(xué)模型為一階慣性環(huán)節(jié)。（二）鍋爐夾套加冷卻水當(dāng)鍋爐夾套中注滿冷卻水，這相當(dāng)于改變了鍋爐內(nèi)膽環(huán)境的溫度，使其散熱作用增強(qiáng)。顯然，在這種狀況下，如果用夾套無水時(shí)一樣大小的可控電壓去加熱，在平衡狀態(tài)時(shí)，內(nèi)膽的水溫必然要低于前者。如果要使內(nèi)膽的水溫達(dá)到夾套無水時(shí)相同的值，則需要提高可控硅的整流電壓。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟按圖28所示的結(jié)構(gòu)圖，完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的接線。接通總電源和相關(guān)儀表的電源。開啟手動閥，使鍋爐內(nèi)膽注滿水，手動操作調(diào)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(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)記錄鍋爐內(nèi)膽水溫的響應(yīng)過程。把內(nèi)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(diào)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(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)記錄內(nèi)膽中水溫的變化過程。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告按常規(guī)內(nèi)容寫好實(shí)驗(yàn)報(bào)告。對計(jì)算機(jī)在兩種不同條件下所測得的內(nèi)膽溫度變化曲線進(jìn)行分析比較。第四節(jié) 電動調(diào)節(jié)閥流量特性的測試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私怆妱娱y節(jié)閥的結(jié)構(gòu)與工作原理。通過實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步了解電動調(diào)節(jié)閥流量的特性。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備THJ2型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置計(jì)算機(jī)及相關(guān)的軟件。萬用表 1只三、實(shí)驗(yàn)原理電動調(diào)節(jié)閥包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥兩個(gè)部分，它是過程控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。電動調(diào)節(jié)閥接受調(diào)節(jié)器輸出4～20mADC的信號，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)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(diào)節(jié)閥與管道的連接圖。圖29 電動調(diào)節(jié)閥與管道的連接圖圖中： u來自調(diào)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(guān)系是線性的，而開度θ與流量Q的關(guān)系是非線性的。圖210為本實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖.圖210 電動調(diào)節(jié)閥特性實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告與步驟1．按圖210 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖，完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的接線。2．接通總電源和相關(guān)儀表的電源，并把手動閥置于一定的開度。3．把調(diào)節(jié)器置于手動狀態(tài)，并使其輸出相應(yīng)于電動閥開度的10%、20%、100%，分別記錄不同狀態(tài)時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出電流和相應(yīng)的流量。4．由電流I作橫作標(biāo)，流量Q作縱坐標(biāo)，畫出Q=F（I）的曲線。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 完成常規(guī)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)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(shí)驗(yàn)第一節(jié) 單回路控制系統(tǒng)的實(shí)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(diào)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(jié)構(gòu)簡單，性能較好，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，故在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。 圖31 單回路控制系統(tǒng)方框圖在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，不僅需要對被控對象有深入地認(rèn)識，而且還應(yīng)對整個(gè)生產(chǎn)的工藝、設(shè)備也有深入的了解。只有這樣，才能設(shè)計(jì)出一個(gè)性能優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(diào)參數(shù)的響應(yīng)時(shí)間滯后一個(gè)τ值，即Yτ(t)= Y(tτ)上式表明調(diào)節(jié)過程沿時(shí)間軸平移了一個(gè)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(diào)節(jié)質(zhì)量。干擾進(jìn)入系統(tǒng)中的不同位置。復(fù)雜的生產(chǎn)過程往往有多個(gè)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(diǎn)前的那些環(huán)節(jié)。三、控制規(guī)律的確定選擇系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律的目的，是使調(diào)節(jié)器與調(diào)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(biāo)的要求。比例(P)調(diào)節(jié)純比例調(diào)節(jié)器是一種最簡單的調(diào)節(jié)器，它對控制作用和擾動作用的響應(yīng)都很快速。由于比例調(diào)節(jié)只有一個(gè)參數(shù)，所以整定很方便。這種調(diào)節(jié)器的主要缺點(diǎn)是使系統(tǒng)有靜差存在。比例積分(PI)調(diào)節(jié)PI調(diào)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(diào)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(diào)節(jié)器在過程控制中是應(yīng)用最多的一種調(diào)節(jié)器。比例微分(PD)調(diào)節(jié)這種調(diào)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(diào)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(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為GC(S)=KP（1+TDS）比例微分積分(PID)調(diào)節(jié)器PID是常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一種調(diào)節(jié)器。由于它具有各類調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)，因而使系統(tǒng)具有更高的控制質(zhì)量。它的傳遞函數(shù)為GC(S)=KP(1+ +TDS)四、調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定一般有兩種方法：一種是理論設(shè)計(jì)法，即根據(jù)廣義對象的數(shù)學(xué)模型和性能要求，用根軌跡法或頻率法來確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，另一種方法是工程實(shí)驗(yàn)法，通過對典型輸入響應(yīng)曲線所得到的特征量，然后查照經(jīng)驗(yàn)表，求得調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。工程實(shí)驗(yàn)整定法有以下四種：（一）經(jīng)驗(yàn)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(yàn)法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進(jìn)一步修正。若需加微分作用，微分時(shí)間常數(shù)按TD=(～)TI計(jì)算。表一 經(jīng)驗(yàn)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(jìn)行的。設(shè)TI=∞，TD=0，使調(diào)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(yīng)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(yàn)算式，求取調(diào)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(biāo)。圖3具有周期TS的等幅振蕩 表二 臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱δSTi(S)Td(S)P2δSPITS/PID臨界比例度法的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)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(yīng)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(shí)，應(yīng)特別注意控制閥出現(xiàn)開、關(guān)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(diào)節(jié)器設(shè)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(yīng)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(shí)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(yùn)用表三所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出調(diào)節(jié)器預(yù)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(jì)算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱δ（%）TI(min)TD(min)PδSPIPID TS （四）反應(yīng)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(yīng)曲線法來整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。圖35為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方框圖。令調(diào)節(jié)器的輸出X(t)為階躍信號，則圖35 實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(yàn)公式，就可計(jì)算出對應(yīng)于衰減率為4：1時(shí)調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。表四 經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)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(shí)驗(yàn)?zāi)康?． 了解單閉環(huán)液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成。2． 掌握單閉環(huán)液位控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。3． 研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1．THJ2型高級過程控制系統(tǒng)裝置2．計(jì)算機(jī)、上位機(jī)MCGS組態(tài)軟件、RS232485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根3．萬用表 1只三、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)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(shí)等于給定值。由圖37 上水箱液位定值控制結(jié)構(gòu)圖反饋控制的原理可知，應(yīng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖38為控制系統(tǒng)的方框圖。為了實(shí)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(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID。圖38 上水箱液位定值控制方框圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(guān)儀表的電源。3．打開閥F1F1F16和F19，且把F19控制在適當(dāng)?shù)拈_度。4．選用單回路控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中所述的某種調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法整定好調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。5．設(shè)置好系統(tǒng)的給定值后，用手動操作調(diào)節(jié)器的輸出，使電動調(diào)節(jié)閥給上水箱打水，待其液位達(dá)到給定量所要求的值，且基本穩(wěn)定不變時(shí)，把調(diào)節(jié)器切換為自動，使系統(tǒng)投入自動運(yùn)行狀態(tài)。6．啟動計(jì)算機(jī)，運(yùn)行MCGS組態(tài)軟件軟件，并進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)：1）當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(yīng)曲線。2）待系統(tǒng)進(jìn)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(jì)算機(jī)記錄不同參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1．用實(shí)驗(yàn)方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。2．列表記錄，在上述參數(shù)下求得階躍響應(yīng)的動、靜態(tài)性能指標(biāo)。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(yīng)曲線的動、靜態(tài)性能指標(biāo)。4． 變比例度δ和積分時(shí)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(shí)驗(yàn)?zāi)康?．通過實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步了解雙容對象的特性。2．掌握調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定與投運(yùn)方法。3．研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的改變對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1．THJ2型高級過程控制系統(tǒng)裝置。2．計(jì)算機(jī)、上位機(jī)MCGS組態(tài)軟件、RS232