TkJ-2型高级过程控制实验指导书-(2).doc

TkJ-2型高级过程控制实验指导书 (2)

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2

个人收集整理 勿做商业用途

TkJ—2型高级过程控制
系统实验指导书

杭州天科教仪设备有限公司
前言
本实验指导书是根据杭州天科教仪设备有限公司推出的全新TKJ－2型、TKJ－3型高级过程控制实验装置的相关内容编写的，可以满足各大高等院校所开设的《传感器检测与转换技术》、《过程控制》、《自动化仪表》、《自动控制理论》、《计算机控制》等课程实验的教学要求。
过程控制是生产过程自动控制的简称，这是自动化技术的一个重要组成部分.通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期与程序进行的生产过程自动控制。在现代工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。TKJ－2型、TKJ－3型过程控制系统是以工业现场工艺设备为背景，以现行教材的教学内容为依据研发出的新一代的实验装置。它不仅能满足本、专科工业自动化、自动控制等专业的相关课程实验教学的要求，而且也适用于研究生对课题的研究与开发.例如,在这两套实验装置中增加了如比值控制、解耦控制和Smith预估控制等复杂控制的内容。
本实验指导书共分两大部分。第一部分是实验装置的使用说明,讲述了系统的组成、硬件的特点和技术指标、软件的使用介绍.第二部分是实验项目部分，叙述了实验的原理、步骤及注意事项等。通过对实验装置各个仪表的原理、工作情况及实验原理、软硬件的详细介绍，既使教师和学生对TKJ-2型、TKJ-3型高级过程控制实验装置有一个充分的认识,又有益于他们对工业生产现场控制系统的了解。
由于本实验指导书编写时间较为仓促，书中的缺点和错误在所难免，敬请各大专院校师生和广大读者批评指正。

目录
绪论···············································································4
第一章 TKJ-2型高级过程控制系统的概述···································6
第二章 被控对象特性测试····················································16
第一节 单容水箱特性的测试
第二节 双容水箱特性的测试
第三节 锅炉内胆特性的测试
第四节 电动调节阀流量特性的测试
第三章 单回路控制系统实验·················································29
第一节 单回路控制系统的实践
第二节 上水箱（或中水箱或下水箱)液位定值控制系统
第三节 双容水箱液位定值控制系统
第四节 三容水箱液位定值控制系统
第五节 锅炉内胆静态水温定值控制系统
第六节 锅炉内胆动态水温定值控制系统
第七节 锅炉夹套水温定值控制系统
第八节 电动阀支路流量的定值控制系统
第九节 变频调速磁力泵支路流量的定值控制系统
第四章 温度位式控制系统实验·············································64
第一节 锅炉内胆水温位式控制系统
第五章 串级控制系统的实验·················································67
第一节 串级控制系统连接实践
第二节 水箱液位串级控制系统
第三节 三闭环液位控制系统
第四节 下水箱液位与电动调节阀支路流量的串级控制系统
第五节 下水箱液位与变频调速磁力泵支路流量的串级控制系统
第六节 锅炉夹套水温与锅炉内胆水温的串级控制系统
第七节 锅炉内胆水温与内胆循环水流量的串级控制系统
第八节 盘管出水口水温与热水流量的串级控制系统
第九节 盘管出水口水温与锅炉内胆水温的串级控制系统
第六章 比值控制系统实验····················································96
第一节 单闭环流量比值控制系统
第二节 双闭环流量比值控制系统
第七章 滞后控制系统实验···················································103
第一节 盘管出水口温度纯滞后控制系统
第二章 盘管出水口温度滞后控制系统
第三节 流量纯滞后控制系统
第八章 前馈—反馈控制系统实验···········································112
第一节 锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统
第二节 下水箱液位的前馈-反馈控制系统
第九章 解耦控制系统实验·················································122
第一节 上水箱水温与液位的解耦控制系统
第二节 锅炉内胆水温与锅炉夹套水温解耦控制系统

绪论
过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制,它是自动化技术的重要组成部分。在现代化工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。
“TkJ-2型高级过程控制系统实验装置”是为了配合过程控制工程与自动化仪表、计算机控制等相关课程的教学而设计开发的。
该系统设计本着工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才的培养原则出发。实验对象采用当今工业现场常用的对象，如水箱、锅炉。仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件.对象系统还留有扩展连接口，扩展信号接口便于控制系统二次开发，以便进行DCS控制，亚当模块控制，PLC控制开发。学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能很快地适应环境进入角色。同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开发平台。
在当今高校教学改革的大潮中，各高校的老师明显地意识到学生素质教育的重要性，国内一些重点、名牌大学为了更好地提高学校的知名度，要求建设高档次、开放性的实验室，甚至有些学校为了扩大研究生的招生,要求建设研究生实验基地等。但目前各高校的教学中理论和实践严重脱节，基于这一现象，并响应各大高校的呼吁，征求了广大教师的意见，我公司设计开发了“TKJ—2型高级过程控制系统实验装置”。
学生在本实验装置进行综合实验后可掌握以下内容:
1、传感器特性的认识和零点迁移；
2、自动化仪表的初步使用;
3、变频器的基本原理和初步使用；
4、电动调节阀的调节特性和原理;
5、测定被控对象特性的方法;
6、单回路控制系统的参数整定；
7、串级控制系统的参数整定;
8、复杂控制回路系统的参数整定；
9、控制参数对控制系统的品质指标的要求;
10、控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力培养。
实验过程的基本程序:
1、明确实验任务；
2、提出实验方案；
3、画实验接线图;
4、进行实验操作，做好观测和记录;
5、整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。
在进行本书中的综合实验时，上述程序应尽量让学生独立完成，老师给予必要的指导，以培养学生的实验动手能力,要做好各主题实验，就应做到：实验前有准备;实验中有条理，实验后有分析。

第一章 TkJ-2型高级过程控制系统的概述
一、系统简介
“TkJ—2型高级过程控制系统实验装置”是基于工业过程的物理模拟对象，它集自动化仪表技术,计算机技术，通讯技术,自动控制技术为一体的多功能实验装置，该装置是本企业根据自动化及其它相关专业教学的特点,吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出了一套全新的实验装置，该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制,串级控制，前馈-反馈控制，比值控制，解耦控制等多种控制形式.本装置还可根据用户的需要设计构成DDC，DCS，PLC，FCS 等多种控制系统。该实验装置既可作为本科,专科,高职过程控制课程的实验装置，也可为研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供物理模拟对象和实验手段。
二、系统组成
本实验装置由被控对象和控制仪表两部分组成。系统动力支路分两路:一路由三（380V交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成;另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。
1、 被控对象
由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接有机玻璃圆筒形水箱、4。5千瓦电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成）、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管道组成。
水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。 上、中、下水箱采用优质淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高,便于学生直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为:d=25cm,h=20 cm； 下水箱尺寸为：d=35cm，h=20 cm。水箱结构非常独特，有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽.上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶液位单回路控制实验和双闭环、三闭环液位串级控制等实验。储水箱是采用不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝ 完全能满足上、中、下水箱的实验需要.储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩,防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。
模拟锅炉：本装置采用模拟锅炉进行温度实验，此锅炉采用不锈钢精制而成，设计巧妙，由二层组成：加热层（内胆)和冷却层（夹套）。做温度单回路实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都有温度传感器检测其温度，可完成温度的串级控制,前馈-反馈控制，解耦控制等实验。
盘管：长37米（43圈),可做温度纯滞后实验，在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间常数。盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验.
管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成,所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性.有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀打开将水直接排出。
2、检测装置
压力传感器、变送器：采用工业用的扩散硅压力变送器，含不锈钢隔离膜片,同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测,其精度为0.5级,因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源.
温度传感器:本装置采用六个Pt100传感器,分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。经过调节器的温度变送器,可将温度信号转换成4～ 20mADC电流信号。 Pt100传感器精度高，热补偿性较好。
流量传感器、转换器:流量传感器分别用来对电动调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量.涡轮流量计型号：LWGY—10,流量范围：0～1.2m3/h，精度：1。0%.输出：4～20mA标准信号。本装置用了三套涡轮流量传感器、变送器。
3．执行机构
电动调节阀：采用智能型电动调节阀,用来进行控制回路流量的调节.电动调节阀型号为：QSVP—16K.具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，控制信号为4～20mA DC或1～5V DC，输出4～20mA DC的阀位信号,使用和校正非常方便.
技术指标：
电源220VAC 50HZ
输入控制信号：4～20mA DC或1～5V DC
公称压力:1.6Mpa
公称直径：20mm
重复精度：±1%
介质温度:－4~＋200℃
行程：10mm
功耗:5VA
变频器：本装置采用日本三菱（FR—S520S—0。4K-CH(R））变频器,控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC,～220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。
水泵:本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P,流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W.泵体完全采用不锈钢材料,以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵。一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。
可移相SCR调压装置:采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。
电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用.电磁阀型号为：2W—160—25 ；工作压力：最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2 ；工作温度:－5~80℃.
4．控制器
本实验装置基本配置的控制器有调节仪表、比值器/前馈—反馈补偿器、解耦装置.（还可根据需要扩展远程数据采集和PLC可编程控制系统）
调节仪表
本系统实验装置采用厦门宇光仪表有限公司的AI系列仪表，其主要特点有:
● AI系列仪表操作方便、通俗易学，且不同功能档次相互兼容。
● 具有国际上同类仪表的几乎所有功能，通用性强、技术成熟可靠。
● 全球通用的85~246VAC范围开关电源或者24VDC电源供电，并具备多种外形尺寸.
● 输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精确稳定。
● 采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能.
● 采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能满足各种应用场合的需要。
● 通过ISO9002质量认证，品质可靠.具备符合要求的抗干扰性能.
本装置有4台调节器。其中三台型号是AI—818，另一台型号是AI-708。
（1）技术规格
热电偶：K、S、R、E、J、T、B、N
热电阻：Cu50、Pt100
线性电压：0－5V、1－5V、0－1V、0－100mV、0－20mV等
线性电流（需外接分流电阻）：0－10mA、0－20mA、4－20mA等
（2)测量范围
K（-50＋1300℃)、s（—50－1700℃）、R（—50－＋1650℃)、T(-200－＋550℃)
E(0－800℃）、J（0－1000℃)、B（0－1800℃）、N（0－1300℃）
Cu50(—50－＋150℃）、Pt100(—200－＋600℃）
（3）测量精度
0.2级(热电阻、线性电压、线性电流及热电偶输入且采用铜电阻补偿或冰点补偿冷端时)
0.2%FS±2.0℃（热电偶输入且采用仪表内部元件测温补偿冷端时）
(4）响应时间
≤0。5秒(设置数字滤波参数dL=0时）
注:仪表对B分度号热电偶在0-600℃范围时可以进行测量，但测量精度无法达到0.2级，在600-1800℃范围可保证0.2级测量精度。
位式调节方式(回差可调)
（5）AI人工智能调节，包含模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法。
(6）输出规格（模块化）
继电器触点开关输出（常开+常闭）：250VAC/1A或30VDC/1A
可控硅无触点开关输出(常开或常闭）：100—240VAC/0.2A（持续），2A（20mS瞬时，重复周期大于5S）
SSR电压输出:12VDC/30mA（用于驱动SSR固态继电器）
可控硅触发输出：可触发5—500A的双向可控硅、2个单向可控硅反并联连接或可控硅功率模块
线性电流输出：0—10 mA可4-20 mA可定义(安装X模块时输出电压≥10。5V;X4模块输出电压≥7V)
(7）报警功能
上限、下限、正偏差、负偏差等4种方式,最多可输出3路，有上电免除报警选择功能。
(8)手动功能
自动/手动双向无扰动切换（仅A1—808/808P系列具备此功能）
（9）电源：100—240VAC，—15%，+10％50—60HZ；
电源消耗:≤5W
（10)环境温度：0—50℃
比值器、前馈—反馈装置
此控制器与调节器一起使用既可以实现流量的单闭环比值、双闭环比值控制系统实验，又可以实现液位与流量、温度与流量的前馈—反馈控制系统实验.
解耦控制装置
此控制器与调节器一起使用可以实现锅炉内胆与锅炉夹套的温度、上水箱液位与出口温度的解耦控制系统实验。
三、仪表综合控制台
仪表控制台面板由三部分组成:
1、电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护,带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器.
2、仪表面板：1块变频调速器面板、3块AI/818A智能调节仪面板、1块智能位式调节AI/708A仪、解耦装置面板,比值器/前馈—反馈装置面板,各装置外接线端子通过面板上自锁紧插孔引出.
3、I/O信号接口面板：该面板的作用主要是将各传感器检测及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，再通过航空插头同对象系统连接，便于学生自行连线组成不同的控制系统，进行几十种过程控制系统的实验.
四、系统特点
l 被控参数全面，涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。
l 本装置由控制对象、智能仪表综合控制台、计算机三部分组成，系统结构布局合理，造型美观大方。
l 真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。
l 具有广泛的扩展性和后续开发功能，所有I/O信号全部采用国际标准IEC信号，可通过信号接口电缆与任何后续智能化控制平台连接。
l 执行器中既有电动调节阀仪表类执行机构,又有变频器、可控硅移相调压装置、接触器位式控制装置等。
l 调节系统除了有调节器的设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。
l 一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。
l 系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业实际的性能要求。
l 能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验.
l 各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。
l 实验数据及图表在MCGS软件系统中很容易存储及调用，以实验者进行实验后的比较和分析。
l 采用强弱电插座及相应的导线，提高实验的安全性和可靠性。
五、系统软件
MCGS(Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows95/98/NT/2000等操作系统。
MCGS5。5为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台,能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。
使用MCGS5。5，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定,功能成熟,维护量小且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作.
MCGS5.5具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行,系统稳定可靠。
与国内外同类产品相比，MCGS5.5组态软件具有如下特点：
● 全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面,符合中国人的使用习惯和要求,真正的32位程序，支持多任务、多线程，可运行于Microsoft Windows 95/98/NT/2000等操作系统.
● 庞大的标准图形库、完备的绘图工具集以及丰富的多媒体支持，让您能够快速地开发出集图像、声音、动画等于一体的漂亮、生动的工程画面。
● 全新的ActiveX动画构件，包括存盘数据处理、条件曲线、计划曲线、相对曲线、多行文本、通用棒图等，使您能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。
● 支持目前绝大多数硬件设备，同时可以方便地定制各种设备驱动；此外，独特的组态环境调试功能与灵活的设备操作命令相结合，使硬件设备与软件系统间的配合天衣无缝。
● 简单易学的Basic脚本语言与丰富的MCGS策略构件，使您能够轻而易举地开发出复杂的过程控制系统。
● 强大的数据处理功能，能够对工业现场产生的数据以各种方式进行统计处理，使您能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。
● 方便的报警设置、丰富的报警类型、报警存贮与应答、实时打印报警报表以及灵活的报警处理函数,使您能够方便、及时、准确地捕捉到任何报警信息。
● 完善的安全机制，允许用户自由设定菜单、按钮及退出系统的操作权限。此外，MCGS5。5还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能,以保护组态开发者的成果.
● 强大的网络功能，支持TCP/IP、Moden、485/232,以及各种无线网络和无线电台等多种网络体系结构。
● 良好的可扩充性，可通过OPC、DDE、ODBC、ActiveX等机制，方便地扩展MCGS5。5组态软件的功能，并与其他组态软件、MIS系统或自行开发的软件进行连接。
六、装置的安全保护体系
1、三相四线制总电源输入经带漏电保护器装置的三相四线制断路器进入系统电源后又分为三相电源支路和三个不同相的单相支路，每一支路都带有各自三相、单相断路器。总电源设有三相通电指示灯和380V三相电压指示表，三相带灯熔断器作为断相指示。
2、控制屏电源由接触器通过起、停按钮进行控制。
屏上装有一套电压型漏电保护装置和一套电流型漏电保护装置.控制屏内或强电输出(包括实验中的连线）若有漏电现象，即告警并切断总电源，确保实验进程安全。
3、控制屏设有服务管理器（即定时器兼报警记录仪），为学生实验技能的考核提供一个统一的标准.
4、各种电源及各种仪表均有可靠的保护功能。
5、实验强电接线插头采用封闭式结构，防止触电事故的发生。
6、强弱电连线插头采用不同的结构插头,防止强弱电混接.

实验装置总貌图

第二章 被控对象特性测试
被控对象数学模型的建立通常用下列二种方法.一种是分析法，即根据过程的机理，物料或能量平衡关系求得它的数学模型；另一种是用实验的方法确定。本章主要介绍被控对象对典型输入信号的响应来确定它的数学模型。由于此法较简单，因而在过程控制中得到了广泛地应用.
第一节 单容水箱特性的测试
一、实验目的
1。 掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并记录相应液位的响应曲线.
2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数.
二、实验设备
1。 TkJ—2型高级过程控制系统实验装置
2. 计算机及相关软件
3。 万用电表一只
三、实验原理

图2—1单容水箱特性测试结构图
由图2—1可知，对象的被控制量为水箱的液位H，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1,手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时
Q10-Q20=0 （1）
动态时,则有
Q1—Q2= （2）
式中V为水箱的贮水容积,为水贮存量的变化率，它与H的关系为
,即= A （3）
A为水箱的底面积。把式(3)代入式（2）得
Q1—Q2=A （4）
基于Q2=，RS为阀V2的液阻，则上式可改写为
Q1—= A
即
ARS+h=KQ1
或写作
= （5)
式中T=ARS,它与水箱的底积A和V2的RS有关；K=RS。
式（5）就是单容水箱的传递函数。
若令Q1（S)=，R0=常数，则式（5)可改为
H（S)=×=K—
对上式取拉氏反变换得
h（t)=KR0（1-e—t/T） （6)
当t—〉∞时，h（∞）=KR0，因而有
K=h（∞)/R0=输出稳态值/阶跃输入
当t=T时，则有
h(T）=KR0（1—e-1）=0.632KR0=0。632h(∞）
式（6）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示.

图2-2 单容水箱的单调上升指数曲线
当由实验求得图2-2所示的阶跃响应曲线后,该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线,切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T，由响应曲线求得K

图2—3 单容水箱的阶跃响应曲线
和T后，就能求得单容水箱的传递函数。如果对象的阶跃响应曲线为图2—3，则在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间常数T,所得的传递函数为：
H（S)=
四、实验内容与步骤
1．按图2—1接好实验线路，并把阀V1和V2开至某一开度，且使V1的开度大于V2的开度。
2．接通总电源和相关的仪表电源,并启动磁力驱动泵。
3．把调节器设置于手动操作位置，通过调节器增/减的操作改变其输出量的大小，使水箱的液位处于某一平衡位置。
4．手动操作调节器,使其输出有一个正(或负）阶跃增量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一定的调节时间后，水箱的液位进入新的平衡状态，如图2—4所示。

图2-4单容箱特性响应曲线
5．启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线.
6．把由实验曲线所得的结果填入下表。
参数值
测量值
液位h
K
T
τ
正向输入

负向输入

平均值

五、实验报告
1．写出常规的实验报告内容。
2．分析用上述方法建立对象的数学模型有什么局限性？
六、思考题
1．做本实验时，为什么不能任意改变出水口阀开度的大小？
2．用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？

第二节 双容水箱特性的测试
一、实验目的
1。 熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
2. 根据由实际测得双容液位的阶跃响应曲线,确定其传递函数。
二、实验设备
1. TkJ—2型高级过程控制系统实验装置
2。 计算机、MCGS工控组态软件、RS232/485转换器1只、串口线1根
3。 万用表 1只
三、原理说明

图2-5 双容水箱对象特性结构图
由图2-5所示,被控对象由两个水箱相串联连接，由于有两个贮水的容积，故称其为双容对象。被控制量是下水箱的液位，当输入量有一阶跃增量变化时，
两水箱的液位变化曲线如图2—6所示。由图2—6可见，上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数（图2—6((a)），而下水箱液位的响应曲线则呈S形状（图2—6((b）)。显然，多了一个水箱，液位响应就更加滞后。
由S形曲线的拐点P处作一切线,它与时间轴的交点为A，OA则表示了对象响应的滞后时间。至于双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。

图2—6 双容液位阶跃响应曲线

图2—7 双容液位阶跃响应曲线
在图2—7所示的阶跃响应曲线上求取：
(1) h2（t)|t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的
点B和对应的时间t1；
（2）h2（t）｜t=t2=0.8 h2(∞）时曲线上的点C和
对应的时间t2。
然后，利用下面的近似公式计算式 　　　

0。32〈t1/t2〈0.46

由上述两式中解出T1和T2,于是求得双容（二阶）对象的传递函数为
G（S）=
四、实验内容与步骤
1． 接通总电源和相关仪表的电源。
2． 接好实验线路，打开手动阀，并使它们的开度满足下列关系：
V1的开度〉V2的开度〉V3的开度
3． 把调节器设置于手动位置,按调节器的增/减,改变其手动输出值，使下水箱的液位处于某一平衡位置（一般为水箱的中间位置)。
4． 按调节器的增/减按钮，突增/减调节器的手动输出量，使下水箱的液位由原平衡状态开始变化,经过一定的调节时间后,液位h2进入另一个平衡状态。
5． 上述实验用计算机实时记录h2的历史曲线和在阶跃扰动后的响应曲线。
6.把由计算机作用的实验曲线进行分析处理，并把结果填表入下表中：
参数值
测量值
液位h
K
T1
T2
τ
正向输入

负向输入

平均值

五、实验报告
1． 完成常规实验报告内容。
2． 对实验的数据进行分析.
六、思考题
1、 在本实验中，为什么对出水阀不能任意改变其开度?
2、 引起双容对象的滞后特性是什么？

第三节 锅炉内胆特性的测试
一、 实验目的
（1）了解锅炉内胆温度特性测试系统的组成。
（2）掌握锅炉内胆温度特性的测试方法.
二、实验设备
1．TkJ—2型过程控制实验装置.
2．计算机、MCGS工控组态软件、RS232/485转换器1只、串口线1根.
3．万用电表。
二、 实验原理

图2—8 锅炉内胆温度特性实验结构示意图
（一）锅炉夹套不加冷却水
加满锅炉内胆的水，手动操作调节器的输出,使可控整流电源的输出电压为100V左右。此电压加在加热管两端，内胆中的水温因之而逐渐上升。根据热平衡的原理，当内胆中的水温上升到某一值时，水的吸热和放热作用完全相等，从而使内胆中的水温达到一平衡状态.
由热力学原理可知，锅炉内胆水温的动态变化过程是用一阶常微分方程来描述，即其数学模型为一阶惯性环节。
（二）锅炉夹套加冷却水
当锅炉夹套中注满冷却水，这相当于改变了锅炉内胆环境的温度，使其散热作用增强.显然，在这种状况下,如果用夹套无水时一样大小的可控电压去加热,在平衡状态时，内胆的水温必然要低于前者.如果要使内胆的水温达到夹套无水时相同的值，则需要提高可控硅的整流电压.
四、实验内容与步骤
1．按图2-8所示的结构图，完成实验系统的接线。
2．接通总电源和相关仪表的电源。
3． 开启手动阀，使锅炉内胆注满水,手动操作调节器的输出，使可控整流电源
的输出电压为80V左右。
4． 启动计算机，实时记录锅炉内胆水温的响应过程.
5． 把内胆中已加热的水通过出水阀放掉，重新注满冷水；并通过阀F1—12在夹套中注入冷却水.手动操作调节器的输出，使可控整流电源的输出电压与步骤3)的电压输出值一样大小。然后启动计算机，实时记录内胆中水温的变化过程。
五、实验报告
1） 按常规内容写好实验报告.
2） 对计算机在两种不同条件下所测得的内胆温度变化曲线进行分析比较。

第四节 电动调节阀流量特性的测试
一、 实验目的
1．了解电动阀节阀的结构与工作原理.
2．通过实验，进一步了解电动调节阀流量的特性.
二、实验设备
1．TkJ-2型过程控制实验装置
2．计算机及相关的软件。
3．万用表 1只
三、实验原理
电动调节阀包括执行机构和阀两个部分，它是过程控制系统中的一个重要环节。电动调节阀接受调节器输出4~20mADC的信号，并将其转换为相应输出轴的角位移，以改变阀节流面积S的大小。图2—9为电动调节阀与管道的连接图。

图2-9 电动调节阀与管道的连接图
图中：
u-—-—来自调节器的控制信号（4～20mADC）
θ-—-阀的相对开度
s -——阀的截流面积
q——--液体的流量
由过程控制仪表的原理可知，阀的开度θ与控制信号的静态关系是线性的，而开度θ与流量Q的关系是非线性的。图2-10为本实验结构图。
图2-10 电动调节阀特性实验结构图
四、实验报告与步骤
1．按图2-10 所示的实验结构图，完成实验系统的接线.
2．接通总电源和相关仪表的电源，并把手动阀置于一定的开度。
3．把调节器置于手动状态，并使其输出相应于电动阀开度的10％、20％、······100％，分别记录不同状态时调节器的输出电流和相应的流量。
4．由电流I作横作标,流量Q作纵坐标,画出Q=F（I）的曲线.
五、实验报告
1． 完成常规的实验报告内容。
2． 根据所画出的曲线，判别该电动阀的阀体是快开特性，等百分比特性还是慢开特性.

第三章 单回路控制系统实验
第一节 单回路控制系统的实践
一、单回路控制系统的概述
图3—1为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、
图3-1 单回路控制系统方框图
调节器和测量变送器所组成。系统的给定量是一定值，要求系统的被控制量等于给定量所要求的值.由于这种系统结构简单，性能较好,调试方便等优点，故在工业生产中被广泛应用。
在系统设计前，不仅需要对被控对象有深入地认识，而且还应对整个生产的工艺、设备也有深入的了解.只有这样,才能设计出一个性能优良、经济实用的控制系统.
二、干扰对系统性能的影响
1．干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后的影响。
干扰通道的放大系数Kf会影响干扰加在系统中的幅值。若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大.我们希望干扰通道的放大系数愈小愈好。
如果干扰通道是一惯性环节,令时间常数为Tf1，则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小.即时间常数Tf1越大，则系统的动态偏差就愈小.
通常干扰通道中还会有纯滞后环节，使被调参数的响应时间滞后一个τ值，即
Yτ(t)= Y(t—τ)
上式表明调节过程沿时间轴平移了一个τ的距离，所以干扰通道出现有纯滞后，不会影响系统调节质量。
2．干扰进入系统中的不同位置。
复杂的生产过程往往有多个干扰量，如图3—2所示。

图3—2 扰动作用于不同位置的控制系统
控制理论证明，同一形式大小相同的扰动出现于系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。
三、控制规律的确定
选择系统调节规律的目的，是使调节器与调节对象能很好地匹配，使组成的控制系统能满足工艺上所提出的动、静态性能指标的要求。
1．比例(P）调节
纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快速。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是使系统有静差存在。
2．比例积分