2013-2014(Ⅱ)自动化专业研究生
《控制工程实训》指导书
(过程控制部分)
一、《控制工程实训》的目的
自动化专业研究生《控制工程实训》(过程控制部分)是在学生学完《过程控制工程》、《测控仪表及装置》、《DCS及现场总线》以及《计算机控制技术》等相关课程的教学后而设置的一门独立的实践教学环节。
通过实训，使学生掌握控制系统的组成以及系统的连接方法，了解有关仪表、计算机在控制系统中作用原理及调试方法，掌握控制系统的综合分析方法和调试方法，能独立进行系统连接、查线和排除一般故障的能力，能正确观察实验现象，进行实验数据处理及系统分析，培养学生的实际动手能力，进一步提高学生的独立分析问题和解决问题的能力，使学生通过此环节的教学提高实际技能和科研能力。
二、《控制工程实训》的内容及要求
实验一（一）、一阶单容水箱对象特性测试实验（实物）
一、实验目的
1.熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
2.根据实际测得单容水箱液位阶跃响应曲线，确定其参数。
二、实验设备
AE2000A型过程控制系统实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。
三、系统结构框图
单容水箱的系统结构框图如图1-1所示。
图1-1 单容水箱系统结构图
四、实验原理
阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器，手动改变对象输入信号（阶跃信号），同时记录对象输出数据或阶跃响应曲线。根据已给定对象模型结构形式，对数据进行处理，确定模型中各参数。
图解法是确定模型参数的一种实用方法。不同的模型结构，有不同的图解方法。单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。
如图2-1所示，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，泄水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：
在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：
式中，T为水箱的时间常数，T=R2*C，K=R2为单容对象的放大倍数，R1、R2分别为V1、V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。令输入流量Q1 的阶跃变化量为R0，其拉氏变换式为Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为：
当t=T时，则有：
h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞)
即h(t)=KR0(1-e-t/T)
当t →∞时，h（∞）=KR0，因而有
K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入
一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1-2所示。当由实验求得图1-2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，其理论依据是：
上式表示h（t）若以在原点时的速度h（∞）/T 恒速变化，即只要花T秒时间就可达
到稳态值h（∞）。
图1-2 阶跃响应曲线
五、实验内容和步骤
1、设备的连接和检查
1).关闭出水阀，往AE2000型过程控制对象的储水箱灌水50％左右。
2).打开以循环泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的
切换阀门。
3).打开上水箱泄水阀，开至适当的开度。
4).检查电源开关是否关闭。
2、系统连线
1).如图1-3所示，将I/O信号板上上水箱液位钮子开关拨到1～5V位置。
2).将上水箱液位+接一号智能调节仪1端，上水箱液位－接调节仪2端。
3).将智能调节仪的4~20mA输出端7端接调节阀的4~20mA输入端的+端），将智能
调节仪5端接调节阀4~20mA输入端的－端。
4).电源控制板上的电源空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。
5).调节阀的电源开关打在关的位置。
6).智能调节仪的220V电源开关打在关的位置。
I/O信号接线端子
图1-3 实验连线图
3、启动实验装置
1).将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。
2).打开电源带漏电保护空气开关。
3).打开电源总开关。
4、实验步骤
1).开启24VDC电源开关和仪表电源开关，根据仪表使用说明书和液位传感器使用说明
调整好仪表各项参数和液位传感器的零位、增益，仪表输出方式设为手动输出，初始值为0。
2).启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验如图2-4所示：
图1-4、实验软件界面
3).建议不用“设置输出”按钮（因为它只能设定输出值的下限，而非大小）。在仪表手
动状态下，按住仪表的STOP键将仪表的输出值上升到所想设定的值，这个值根据阀门开度的大小来给定，一般初次设定值<20cm。开启单相泵电源开关，启动动力支路。将被控参数液位高度控制在30%处（一般为10cm）。
4).观察系统的被调量：上水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录调节仪输
出值，以及水箱水位的高度h1和智能仪表的测量显示值并填入表1-1。
表1-1
5).迅速增加仪表手动输出值，增加5%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，
它们均可在上位软件上获得。以所获得的数据绘制变化曲线。
6).直到进入新的平衡状态。再次记录平衡时的下列数据，并填入表1-3。
7).
线。填入表1-4。
表1-4
8).重复上述实验步骤。
注：图1-4实验结果是在阀门开度60％，泄水阀全开的情况下得到的。
六、实验报告要求
1、作出一阶环节的阶跃响应曲线。
2、根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。
3、数学模型的误差校正：校正公式参数，使模型曲线与实测曲线相拟合，得到均方差
理想的模型修正公式；在同一坐标系中画出实测曲线、理论曲线和拟合曲线。
七、注意事项
1、本实验过程中，出水阀不得任意改变开度大小。
2、阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止因读数误差和
其他随机干扰影响对象特性参数的精确度。一般阶跃信号取正常输入信号的
5%~15%。
3、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。
八、思考题
1、在做本实验时，为什么不能任意上水箱泄水阀变化阀的开度大小？
2、用两点法和用切线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点?
实验一（二）、二阶双容水箱对象特性测试实验（实物）
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) 根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的飞升特性。
二、实验设备
(1)、AE2000A型过程控制系统实验装置
(2) 计算机、实时监控软件、网线1根、万用表。
三、原理说明
