第一節(jié)單容自衡水箱液位特性測試實驗一、實驗目的1．掌握單容水箱的階躍響應測試方法，并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，用相應的方法確定被測對象的特征參數K、T和傳遞函數；3．掌握同一控制系統采用不同控制方案的實現過程。二、實驗設備1．實驗對象及控制屏、SA-11掛件一個、SA-13掛件一個、SA-14掛件一個、計算機一臺（DCS需兩臺計算機）、萬用表一個；2．SA-12掛件一個、RS485/232轉換器一個、通訊線一根；3．SA-21掛件一個、SA-22掛件一個、SA-23掛件一個；4．SA-31掛件一個、SA-32掛件一個、SA-33掛件一個、主控單元一個、數據交換器兩個，網線四根；5．SA-41掛件一個、CP5611專用網卡及網線；6．SA-42掛件一個、PC/PPI通訊電纜一根。三、實驗原理所謂單容指只有一個貯蓄容器。自衡是指對象在擾動作用下，其平衡位置被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預，依靠其自身重新恢復平衡的過程。圖2-1所示為單容自衡水箱特性測試結構圖及方框圖。閥門F1-1、F1-2和F1-8全開，設下水箱流入量為Q1，改變電動調節(jié)閥V1的開度可以改變Q1的大小，下水箱的流出量為Q2，改變出水閥F1-11的開度可以改變Q2。液位h的變化反映了Q1與Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的過程。若將Q1作為被控過程的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控過程的數學模型就是h與Q1之間的數學表達式。根據動態(tài)物料平衡關系有Q1-Q2=A(2-1)將式(2-1)表示為增量形式ΔQ1-ΔQ2=A(2-2)式中：ΔQ1，ΔQ2，Δh——分別為偏離某一平衡狀態(tài)的增量；A——水箱截面積。在平衡時，Q1=Q2，＝0；當Q1發(fā)生變化時，液位h隨之變化，水箱出圖2-1單容自衡水箱特性測試系統口處的靜壓也隨之變化，Q2也發(fā)生變化（a）結構圖（b）方框圖。由流體力學可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線性關系。但為了簡化起見，經線性化處理后，可近似認為Q2與h成正比關系，而與閥F1-11的阻力R成反比，即ΔQ2=或R=(2-3)式中：R——閥F1-11的阻力，稱為液阻。將式(2-2)、式(2-3)經拉氏變換并消去中間變量Q2，即可得到單容水箱的數學模型為W0（s）＝＝=(2-4)式中T為水箱的時間常數，T＝RC；K為放大系數，K＝R；C為水箱的容量系數。若令Q1（s）作階躍擾動，即Q1（s）=，x0=常數，則式(2-4)可改寫為H（s）=×=K-對上式取拉氏反變換得h(t)=Kx0(1-e-t/T)(2-5)當t—>∞時，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有K=＝(2-6)當t=T時，則有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h(∞)(2-7)式（2-5）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應曲線是一單調上升的指數函數，如圖2-2（a）所示，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對應的時間，就是水箱的時間常數T。也可由坐標原點對響應曲線作切線OA，切線與穩(wěn)態(tài)值交點A所對應的時間就是該時間常數T，由響應曲線求得K和T后，就能求得單容水箱的傳遞函數。圖2-2單容水箱的階躍響應曲線如果對象具有滯后特性時，其階躍響應曲線則為圖2-2（b），在此曲線的拐點D處作一切線，它與時間軸交于B點，與響應穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于A點。圖中OB即為對象的滯后時間τ，BC為對象的時間常數T，所得的傳遞函數為：H(S)=(2-8)四、實驗內容與步驟本實驗選擇下水箱作為被測對象（也可選擇上水箱或中水箱）。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-8全開，將下水箱出水閥門F1-11開至適當開度，其余閥門均關閉。具體實驗內容與步驟按五種方案分別敘述，這五種方案的實驗與用戶所購的硬件設備有關，可根據實驗需要選做或全做。（一）、智能儀表控制1．將“SA-12智能調節(jié)儀控制”掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內RS485通訊口上，將控制屏右側RS485通訊線通過RS485/232轉換器連接到計算機串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統。將“LT3下水箱液位”鈕子開關撥到“ON”的位置。圖2-3儀表控制單容水箱特性測試實驗接線圖2．接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V開關電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ、單相Ⅲ空氣開關，給智能儀表及電動調節(jié)閥上電。3．打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統”工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗一、單容自衡水箱對象特性測試”，進入實驗一的監(jiān)控界面。4．在上位機監(jiān)控界面中將智能儀表設置為“手動”控制，并將輸出值設置為一個合適的值，此操作需通過調節(jié)儀表實現。5．合上三相電源空氣開關，磁力驅動泵上電打水，適當增加/減少智能儀表的輸出量，使下水箱的液位處于某一平衡位置，記錄此時的儀表輸出值和液位值。6．待下水箱液位平衡后，突增（或突減）智能儀表輸出量的大小，使其輸出有一個正（或負）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經過一段時間后，水箱液位進入新的平衡狀態(tài)，記錄下此時的儀表輸出值和液位值，液位的響應過程曲線將如圖2-4所示。圖2-4單容下水箱液位階躍響應曲線7．根據前面記錄的液位值和儀表輸出值，按公式（2-6）計算K值，再根據圖2-2中的實驗曲線求得T值，寫出對象的傳遞函數。（二）、遠程數據采集控制1．將“SA-22遠程數據采集模擬量輸出模塊”、“SA-23遠程數據采集模擬量輸入模塊”掛件掛到屏上，并將掛件上的通訊線插頭插入屏內RS485通訊口上，將控制屏右側RS485通訊線通過RS485/232轉換器連接到計算機串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統。將“LT3下水箱液位”鈕子開關撥到“ON”的位置。2．接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V開關電源，給智能采集模塊及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ空氣開關，給電動調節(jié)閥上電。3．打開上位機MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“遠程數據采集系統”工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗一、單容自衡水箱對象特性測試”，進入實驗一的監(jiān)控界面。4．以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～7。圖2-5遠程數據采集控制單容水箱特性測試實驗接線圖（三）、DCS分布式控制1．按照第一章圖1-6用網線和交換機連接操作員站（網卡IP設為128.0.0.2）和服務器（A網卡IP設為128.0.0.1），以及服務器（B網卡設為168.0.0.1）和主控單元，將“SA-31FM148現場總線遠程I/O模塊”、“SA-33FM151現場總線遠程I/O模塊”掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線接頭插入屏內Profibus-DP總線接口上，將控制屏左側Profibus-DP總線連接到主控單元DP口，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統。將“LT3下水箱液位”鈕子開關撥到“ON”的位置。2．接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V開關電源，給現場總線I/O模塊及壓力變送器上電，打開主控單元電源。啟動服務器，在工程師站的組態(tài)中選擇“單回路控制系統”工程進行編譯下裝，然后重啟服務器。3．啟動操作員站，打開主菜單，點擊“實驗一、單容自衡水箱對象特性測試”，進入實驗一的監(jiān)控界面。在流程圖的液位測量值上點擊鼠標左鍵，彈出PID窗口，將PID設為手動控制，并調節(jié)其輸出為一適當的值。4．按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ空氣開關，給電動調節(jié)閥上電。5．以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟5～7。圖2-6DCS分布式控制單容水箱特性測試實驗接線圖（四）、S7-200PLC控制1．將“SA-42S7-200PLC控制”掛件掛到屏上，并用PC/PPI通訊電纜線將S7-200PLC連接到計算機串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統。將“LT3下水箱液位”鈕子開關撥到“ON”的位置。2．接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V開關電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ、Ⅲ空氣開關，給S7-200PLC及電動調節(jié)閥上電。3．打開Step7-Micro/WIN32軟件，并打開“S7-200PLC”程序進行下載，然后將S7-200PLC置于運行狀態(tài)，然后運行MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“S7-200PLC控制系統”工程，然后進入MCGS運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗一、單容自衡水箱對象特性測試”，進入實驗一的監(jiān)控界面。4．以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～7。圖2-7S7-200PLC控制單容水箱特性測試實驗接線圖（五）、S7-300PLC控制1．將“SA-41S7-300PLC控制”掛件掛到屏上，并用MPI通訊電纜線將S7-300PLC連接到計算機CP5611專用網卡，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統。將“LT3下水箱液位”鈕子開關撥到“ON”的位置。2．接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V開關電源，給S7-300PLC及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ空氣開關，給電動調節(jié)閥上電。3．打開Step7軟件，打開“S7-300”程序進行下載，然后將S7-300PLC置于運行狀態(tài)，然后運行WinCC組態(tài)軟件，打開“S7-300PLC控制系統”工程，然后激活WinCC運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗一、單容自衡水箱對象特性測試”，進入實驗一的監(jiān)控界面。4．以下步驟請參考前面“（一）智能儀表控制”的步驟4～7。圖2-8S7-300PLC控制單容水箱特性測試實驗接線圖五、實驗報告要求1．畫出單容水箱液位特性測試實驗的結構框圖。2．根據實驗得到的數據及曲線，分析并計算出單容水箱液位對象的參數及傳遞函數。六、思考題1．做本實驗時，為什么不能任意改變出水閥F1-11開度的大??？2．用響應曲線法確定對象的數學模型時，其精度與那些因素有關？3．如果采用中水箱做實驗，其響應曲線與下水箱的曲線有什么異同？并分析差異原因。第一節(jié)系統概述一、概述“THSA-1型過控綜合自動化控制系統實驗平臺”是由實驗控制對象、實驗控制臺及上位監(jiān)控PC機三部分組成。它是本企業(yè)根據工業(yè)自動化及其他相關專業(yè)的教學特點，并吸收了國內外同類實驗裝置的特點和長處，經過精心設計，多次實驗和反復論證而推出的一套全新的綜合性實驗裝置。本裝置結合了當今工業(yè)現場過程控制的實際，是一套集自動化儀表技術、計算機技術、通訊技術、自動控制技術及現場總線技術為一體的多功能實驗設備。該系統包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數，可實現系統參數辨識，單回路控制，串級控制，前饋-反饋控制，滯后控制、比值控制，解耦控制等多種控制形式。本裝置還可根據用戶的需要設計構成AI智能儀表，DDC遠程數據采集，DCS分布式控制，PLC可編程控制，FCS現場總線控制等多種控制系統，它既可作為本科，專科，高職過程控制課程的實驗裝置，也可為教師、研究生及科研人員對復雜控制系統、先進控制系統的研究提供一個物理模擬對象和實驗平臺。學生通過本實驗裝置進行綜合實驗后可掌握以下內容：1．傳感器特性的認識和零點遷移；2．自動化儀表的初步使用；3．變頻器的基本原理和初步使用；4．電動調節(jié)閥的調節(jié)特性和原理；5．測定被控對象特性的方法；6．單回路控制系統的參數整定；7．串級控制系統的參數整定；8．復雜控制回路系統的參數整定；9．控制參數對控制系統的品質指標的要求；10．控制系統的設計、計算、分析、接線、投運等綜合能力培養(yǎng)；11．各種控制方案的生成過程及控制算法程序的編制方法。二、系統特點真實性、直觀性、綜合性強，控制對象組件全部來源于工業(yè)現場。被控參數全面，涵蓋了連續(xù)性工業(yè)生產過程中的液位、壓力、流量及溫度等典型參數。具有廣泛的擴展性和后續(xù)開發(fā)功能，所有I/O信號全部采用國際標準IEC信號。具有控制參數和控制方案的多樣化。通過不同被控參數、動力源、控制器、執(zhí)行器及工藝管路的組合可構成幾十種過程控制系統實驗項目。各種控制算法和調節(jié)規(guī)律在開放的實驗軟件平臺上都可以實現。實驗數據及圖表在上位機軟件系統中很容易存儲及調用，以便實驗者進行實驗后的比較和分析。多種控制方式：可采用AI智能儀表控制、DCS分布式控制、S7-200或S7-300PLC可編程控制、DDC遠程數據采集控制等多種控制方式。充分考慮了各大高校自動化專業(yè)的大綱要求，完全能滿足教學實驗、課程設計、畢業(yè)設計的需要，同時學生可自行設計實驗方案，進行綜合性、創(chuàng)造性過程控制系統實驗的設計、調試、分析，培養(yǎng)學生的獨立操作、獨立分析問題和解決問題的能力。三、實驗裝置的安全保護體系1．三相四線制總電源輸入經帶漏電保護裝置的三相四線制斷路器進入系統電源之后又分為一個三相電源支路和三個不同相的單相支路，每一支路都帶有各自三相、單相斷路器?？傠娫丛O有三相通電指示燈和380V三相電壓指示表，三相帶燈熔斷器作為斷相指示。2．控制屏上裝有一套電壓型漏電保護和一套電流型漏電保護裝置。3．控制屏設有服務管理器（即定時器兼報警記錄儀），為學生實驗技能的考核提供一個統一的標準。4．各種電源及各種儀表均有可靠的自保護功能。5．強電接線插頭采用封閉式結構，以防止觸電事故的發(fā)生。6．強弱電連接線采用不同結構的插頭、插座，防止強弱電混接。第二節(jié)THSA-1型過控綜合自動化控制系統對象實驗對象總貌圖如圖1-1所示：圖1-1實驗對象總貌圖本實驗裝置對象主要由水箱、鍋爐和盤管三大部分組成。供水系統有兩路：一路由三相（380V恒壓供水）磁力驅動泵、電動調節(jié)閥、直流電磁閥、渦輪流量計及手動調節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅動泵（220V變頻調速）、渦輪流量計及手動調節(jié)閥組成。一、被控對象由不銹鋼儲水箱、（上、中、下）三個串接有機玻璃水箱、4.5KW三相電加熱模擬鍋爐(由不銹鋼鍋爐內膽加溫筒和封閉式鍋爐夾套構成)、盤管和敷塑不銹鋼管道等組成。1．水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。上、中、下水箱采用淡藍色優(yōu)質有機玻璃，不但堅實耐用，而且透明度高，便于學生直接觀察液位的變化和記錄結果。上、中水箱尺寸均為：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸為：D=35cm，H=20cm。水箱結構獨特，由三個槽組成，分別為緩沖槽、工作槽和出水槽，進水時水管的水先流入緩沖槽，出水時工作槽的水經過帶燕尾槽的隔板流入出水槽，這樣經過緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩(wěn)定，便于觀察。水箱底部均接有擴散硅壓力傳感器與變送器，可對水箱的壓力和液位進行檢測和變送。上、中、下水箱可以組合成一階、二階、三階單回路液位控制系統和雙閉環(huán)、三閉環(huán)液位串級控制系統。儲水箱由不銹鋼板制成，尺寸為：長×寬×高=68cm×52㎝×43㎝，完全能滿足上、中、下水箱的實驗供水需要。儲水箱內部有兩個橢圓形塑料過濾網罩，以防雜物進入水泵和管道。2．模擬鍋爐：是利用電加熱管加熱的常壓鍋爐，包括加熱層（鍋爐內膽）和冷卻層（鍋爐夾套），均由不銹鋼精制而成，可利用它進行溫度實驗。做溫度實驗時，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測其溫度，可完成溫度的定值控制、串級控制，前饋-反饋控制，解耦控制等實驗。3．盤管：模擬工業(yè)現場的管道輸送和滯后環(huán)節(jié)，長37米（43圈），在盤管上有三個不同的溫度檢測點，它們的滯后時間常數不同，在實驗過程中可根據不同的實驗需要選擇不同的溫度檢測點。盤管的出水通過手動閥門的切換既可以流入鍋爐內膽，也可以經過渦輪流量計流回儲水箱。它可用來完成溫度的滯后和流量純滯后控制實驗。4．管道及閥門：整個系統管道由敷塑不銹鋼管連接而成，所有的手動閥門均采用優(yōu)質球閥，徹底避免了管道系統生銹的可能性。有效提高了實驗裝置的使用年限。其中儲水箱底部有一個出水閥，當水箱需要更換水時，把球閥打開將水直接排出。二、檢測裝置1．壓力傳感器、變送器：三個壓力傳感器分別用來對上、中、下三個水箱的液位進行檢測，其量程為0～5KP，精度為0.5級。采用工業(yè)用的擴散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供2