自动化生产线实训

图 3 单容水槽
假设在起始稳定平衡工况下，满足静态平衡条件：
H H 0 Qi 0 Qo 0
, 进水阀开度发生阶跃变化
Qi , Qo
;

时，若进水流量和出水流量的变化量分别为
，液位的变化 H ,动态平衡方程：
(Qi Qo )dt dv Fd H [(Qi Qi 0 ) (Qo Qo 0 )]dt Fd H
d H 1 (Qi Qo ) dt F
d H 1 k (k H ) dt F 2 Ho
或
(
2 Ho k
F)
2 Ho d H H (k ) dt k
可得水位变化与阀门开度变化之间的传递函数为：
2 Ho H ( s) K k G(s) ( s) 1 Ts 2 Ho 1 Fs k k
流量
FT2 LT3
压力
P1
压力 JV26 JV21 P2
P2
JV16 JV11 P1 溢出管
JV31
V4
图2
A1000 小型多参数过程控制系统流程图
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该系统提供了两路动力支流，既可以满足两个同学同时进行压力、流量和液 位实验，还可以一路用于提供水流，一路用于提供干扰。JV13 和 JV23 提供泄漏 干扰。 A1000 小型过程控制实验系统结构由以下各部分组成： 1）储水箱主体，提供了整个系统的支撑。 2）三容水箱 左边水箱有一个入水口和四个出水口。右边上出水用于溢流，如果水过多则 从中水箱溢流。 右边中出水口用于和中水箱形成垂直多容系统。右边下出水口用 于和中水箱形成水平两容和水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有 一个开口用于提供液位测量。 中间水箱有五个入水口，两个出入水口，两个出水口。前面的入水口是两个 水路的入水。 左右最上面的入水口用于左右两个水箱溢流。左边中出水用于和左 边水箱形成垂直多容系统。 左边下出水口用于和左水箱形成水平两容，以及水平 三容。右边下出水口用于和右水箱形成水平两容，以及水平三容。底部出水口用 于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。中间有根管道，如果水 过多则从此管道溢流。 右边水箱有一个入水口，四个出水口。左边上出水用于溢流，如果水过多则 从中水箱溢流。左边下出水口用于和中水箱形成水平两容，以及水平三容。底部 出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。 3）测控点 压力测点 2 个，用于测量泵出口的压力（0～100Kpa；4～20mA） 。 流量测点 2 个，用于测量注水流量（0～0.6m3/h） 。 液位测点 3 个，用于测量各实验水柱的水位（0～5 Kpa；4～20mA） 。 4）循环泵 潜水直流离心泵 2 台， 提供水系统的循环动力。通过调速器控制水泵的出口 流量，作为控制系统的执行器。
R
其中
2 Ho k
，
T RF
2 Ho k
F
，
K k R k
2 Ho k
。
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即最常见的一阶惯性系统，它的阶跃响应：
H (t ) K (1 e )
是指数曲线，如图 4 所示。

t T
图 4 阶跃响应
那么有纯迟延的单容水槽的传递函数为：
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把其在平衡点处展开，取其线性部分H H o ) Qo 0 H 2 Ho 2 Ho
k H 2 Ho
Qo Qo -Qo 0 1 H R H Qo
即：R
由上面的式子可得：
G( s)
2.1.2 实验方法建模
H (s) K e 0 s (s) 1 Ts
可以用阶跃响应法，脉冲响应法等。 2.1.3 对象模型的影响因素分析 由机理建模的分析结果可以得到，对象的影响因素与液位的高度，出水阀的 开度，水槽容纳水的能力（水箱的底面积）有关，对于实验法中对于对象模型的 确定的具体方法和所选择的基本模型有关。
图 1 A1000 小型过程控制实验系统
本系统的控制系统和对象是一体的，连通手阀采用金属球阀（长 80mm）
A1000小型过程控制实验系统工艺流程图
JV12 流量
FT1
JV13 溢出管 JV14 JV15
JV23 溢出管 V2 JV24 JV25 液位
LT2
JV22
V1 液位
LT1
V3 液位
P-46
i
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3.4 液位-流量串级控制（选做） ..................................... 41 4 实训总结 .......................................................... 45 4.1 目标，过程，结果等分析 ....................................... 45 4.2 对实训的收获，要求和建议 ...................................... 46
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实验报告
班 姓 学
级： 名： 号：
指导教师： 日 期： 2014 年 5 月 1 日
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目
录
1 系统概述 ........................................................... 1 1.1 实验对象 ..................................................... 1 1.2 上位机软件.................................................... 2 1.3 下位机 ....................................................... 3 1.4 实验任务与目的 ................................................ 3 1.5 分组情况 ..................................................... 3 2 单容水箱建模 ....................................................... 4 2.1 建模方法概述 .................................................. 4 2.1.1 机理建模 ............................................... 4 2.1.2 实验方法建模 ........................................... 6 2.1.3 对象模型的影响因素分析 .................................. 6 2.2 阶跃响应法建模 ................................................ 7 2.2.1 理论基础 ............................................... 7 2.2.2 实验步骤 ............................................... 8 2.2.3 模型建立 ............................................... 8 2.2.4 结果分析 .............................................. 11 2.3 阶跃响应法建模 ............................................... 13 2.3.1 Matlab 作图法系统建模 ................................. 13 2.3.2 Matlab 计算法系统建模 ................................. 14 2.3.3 利用 Matlab 对控制器参数进行整定 ........................ 17 3 单容水箱 PID 控制 .................................................. 24 3.1 液位控制 .................................................... 24 3.1.1 实验原理............................................... 24 3.1.2 实验步骤............................................... 25 3.1.3 结果分析............................................... 25 3.2 流量控制（选做） ............................................. 31 3.3 压力控制（选做） ............................................. 36
d H 1 1 (Qi Qo ) (Qi Qo ) dt F F Qi
与 成正比关系，即:
假设进水阀前后压差不变，
Qi k
对于流出侧的负载阀，其流量与水槽的水位高度有关，即:
Qo k
H
如果水位始终保持在其稳态值附近很小的范围内变化，可以用线性近似处。
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1.2 上位机软件 组态王软件
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1.3 下位机 西门子的 S7-200PLC 1.4 实验任务与目的 单容水箱液位数学模型测定：熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线； 根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法确定其参数。 MATLAB 数学模型的建立：利用“单容水箱液位数学模型的测定”实验数 据。 假定单容水箱液位对象近似为一阶惯性环节加纯延时。利用作图法和计算法 确定单容水箱液位对象的增益K、 时间常数T、 和纯延迟时间τ。 熟悉利用 MATLAB 建立系统数学模型的方法；学会利用 MATLAB/Simulink 对系统建模的方法。 MATLAB 控制器参数整定：根据前期实验测定的系统模型，利用稳定边界 法分别计算系统采用 P、PI、PID 调节规律时的控制器参数，并绘制整定后系统 的单位阶跃响应曲线。利用 Simulink 中的 Signal Constraint 模块（适用于 MATLAB7.5）对系统采用 PID 调节规律时的控制器进行参数自整定，并绘制整 定后系统的单位阶跃响应曲线。熟悉并学会稳定边界法；熟悉并学会 PID 参数 的自整定法。 液位 PID 单回路控制：较为深刻理解液位 PID 单回路控制的原理，并掌握 PID 相关参数的设定方法。 流量 PID 单回路控制：熟悉流量 PID 单回路控制的结构和原理，同时熟悉 PID 参数的设定方法。 压力 PID 单回路控制：熟悉压力 PID 单回路控制的结构和原理，同时熟悉 PID 参数的设定方法。 液位-流量串级控制：对液位-流量串级控制系统的主控制器和副控制器进行 整定，使整个系统达到比较好的效果。