對象特性測試實驗
所謂對象特性就是指對象在輸入的作用下，其輸出的變量即被控的變量隨時間變化的特性。
對象特性測試實驗的目的就是通過實驗掌握對象特性曲線的測量方法。測量時應注意的問題，對象模型參數(shù)的求取。
液位裝置中的液位對象是自衡對象，單獨的水槽是一階對象，上水槽與下水槽可以組成二階對象。
對象參數(shù)的求取
一、傳遞函數(shù)的求取
1、一階對象
在0.632倍的穩(wěn)態(tài)值處求取時間常數(shù)T。
2、一階加純滯后的對象
對于有純滯后的一階對象，滯后時間可直接由圖中測量出純滯后時間τ。
3、二階或高階對象用一階加純滯后的方法在階躍響應的拐點（即斜率的最大處）作一切線并與時間坐標軸交與C點，則OC段的值即為純滯后時間τ，而與CB段的值即為時間常數(shù)T。
4、放大倍數(shù)K的求取
式中ΔX——調節(jié)器輸出電流的變化量、mA
Xmax——調節(jié)器輸出電流的上限值、mA
Xmin——調節(jié)器輸出電流的下限值、mA
ΔY——液位的變化量、mm
Ymax——液位的上限值、mm
Ymin——液位的下限值、mm
例：實驗中調節(jié)器輸出電流由8mA增加到12mA
ΔX=12-8=4Ma
ΔX/(Xmax-Xmin)=4/(20-4)=0.25
ΔY/(Ymax-Ymin)=0.4
則：K=0.4/0.25=1.6
5、實驗中應注意的問題
(1)測試前系統(tǒng)處于正常的工作狀態(tài)（平衡狀態(tài)），反應曲線的出始點應是輸入信號的開始作階躍信號的瞬間，這一段時間必須在記錄紙上標出，以便推算純滯后時間τ。測試與記錄工作必須持續(xù)到輸出參數(shù)達到新的穩(wěn)態(tài)值。
(3)每次實驗應在相同的條件下進行兩次以上。只有在所測試數(shù)據(jù)相同時方為合格。
(4)為了進行線性校驗，可作正、負兩種干擾進行比較，也可作不同擾動量的實驗。
(5) 調節(jié)器參數(shù)的整定是過程控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容之一。它的任務是：根據(jù)被控過程的特性確定PID調節(jié)器的比例度δ，積分時間TI及微分時間TD的大小。在簡單的過程控制系統(tǒng)中，調節(jié)器參數(shù)整定通常以系統(tǒng)瞬態(tài)響應的衰減率為主要指標，保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量。
調節(jié)器參數(shù)的整定的方法很多，概括起來分為兩大類:一是理論計算整定法。它主要依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，采用控制理論中的根軌跡法頻率特性法等，經(jīng)過理論計算確定調節(jié)器的數(shù)值。這種方法不僅計算繁瑣，而且過分依賴數(shù)學模型，所得到數(shù)據(jù)未必直接可用，還必須通過實際進行調整和修改。因此，理論計算整定法除了有理論指導意義外，工程實際中較少采用。二是工程整定法，它主要依靠工程經(jīng)驗，直接在過程控制的實驗中進行，且方法簡單，易于掌握，相當實用，從而在工程實際中被廣泛采用。
調節(jié)器的工程整定方法，主要有臨界比例度法、衰減曲線法。
二 臨界比例度法
這是一種閉環(huán)整定方法。由于該方法直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進行，不需測試過程的動態(tài)特性，因為方法簡單，使用方便，獲得了廣泛的應用。具體步驟如下：
● 先將調節(jié)器的積分時間TI置于最大（TI=∞）微分時間TD置零（TD=0）,比例度δ置為較大的數(shù)值，使系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。
● 待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，對設定值施加一個階躍擾動，并減小δ，直到系統(tǒng)出現(xiàn)如圖1.1所示的等幅振蕩，即臨界振蕩過程。記錄此時的δk（臨界比例帶）和等幅振蕩周期Tk。
● 根據(jù)記錄的δk和TK，按表給出的經(jīng)驗公式計算出調整器的δ、TI及TD的參數(shù)。
圖2.1 系統(tǒng)的臨界振蕩
表2-1 采用臨界比例度法的整定參數(shù)
 整定參數(shù)
調節(jié)規(guī)律 |
δ（℅） |
TI |
TD |
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P |
2δk |
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PI |
2.2δk |
0.85Tk |
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PID |
1.7δk |
0.5Tk |
0.125Tk |
需要指出的是，采用這種方法整定調節(jié)器的參數(shù)時會受到一定的限制，如有些過程控制系統(tǒng)不允許進行反復振蕩實驗，像鍋爐給水系統(tǒng)和燃燒控制系統(tǒng)等，就不可能應用此法。再如某些時間常數(shù)較大的單容過程，采用比例調節(jié)時根本不可能出現(xiàn)等幅振蕩，也就不能應用此法。
三 衰減曲線法
這種方法臨界比例度法相類似，所不同的是無需出現(xiàn)等幅振蕩過程，具體方法如下：
● 先置調節(jié)器積分時間TI =∞,微分時間TD=0,比例帶δ置于較大的值。將系統(tǒng)投入運行。
● 待系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，對設定值作階躍擾動，然后觀察系統(tǒng)的響應。若響應振蕩衰減太快，就減小比例帶；反之，則增大比例帶。如此反復，直到出現(xiàn)如圖3.13a所示的衰減比為4：1的振蕩過程時，或者如圖3.13b所示的10：1振蕩過程時，記錄此時的δ值（設為δs），以及Ts的值（如圖1.2a中所示），或者Tr的值（如圖1.2b中所示）。
圖2.2 系統(tǒng)衰減振蕩曲線
● 按表中所給的經(jīng)驗公式計算δ、TI及TD的參數(shù)。
表2-2 衰減曲線法整定計算公式
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衰減率 |
整定參數(shù)
調節(jié)規(guī)律 |
δ（℅） |
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 |
0.75 |
P |
δs |
|
|
|
PI |
1.2δs |
0.5Ts |
|
|
PID |
0.8δs |
0.3Ts |
0.1Ts |
0.90 |
P |
δs |
|
|
|
PI |
1.2δs |
2Tr |
|
|
PID |
0.8δs |
1.2Tr |
0.4Tr |
圖2.2中，Ts為衰減振蕩周期，Tr為響應上升時間。
衰減曲線對多數(shù)過程都適用，該方法的缺點是較難確定4：1的衰減程度，從而較難得到準確的δ、Ti及Td的值。
（現(xiàn)場圖片）
二、技術要求
2.1裝置要求
1.儀表實操培訓裝置實現(xiàn)對溫度、壓力、流量、液位等儀表的回路控制、調節(jié)，裝置輸入電壓為220V，不銹鋼框架，尺寸為2400*600*1800mm（長*寬*高）；需配套操作電腦、操作桌椅。
2.所有儀表過程接口為標準過程接口。
3.二次儀表及控制按鈕安裝在不銹鋼網(wǎng)孔板上。
裝置示意圖（具體以實際生產(chǎn)為主）
2.2設備組成
1、動力系統(tǒng)：1套；
2、有機玻璃水箱：3套；
3、儲水箱：1套；
4、液位檢測兩路：磁翻板液位計和電容液位計檢測回路各一路；
5、流量檢測三路：電磁流量計、渦輪流量計檢測及轉子流量計回路各一路；
6、壓力檢測三路：壓力表就地顯示一路、壓力變送器檢測回路兩路；
7、溫度檢測三路：阻電阻、熱電偶和鉑電阻一體式溫度變送器檢測回路各一路。
設備及儀表配置清單
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序號 |
設備名稱 |
規(guī)格型號/參數(shù)說明 |
數(shù)量 |
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一、主要工藝設備 |
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1 |
對象框架 |
主體采用歐標不銹鋼架，結構堅固，外表美觀。
外形尺寸：2400*600*1800mm（長*寬*高），帶水平調節(jié)型支撐腳輪。 |
1套 |
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2 |
儲水箱 |
304不銹鋼材質，容積150L，帶貯水排空底閥和蓋板，管路循環(huán)水與泵吸入口間有隔板設計。 |
1套 |
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3 |
1號水箱 |
優(yōu)質有機玻璃水箱，透明度高，容積18L，結構特殊由三個槽組成設計，保證實驗液位穩(wěn)定； |
1套 |
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4 |
2號水箱 |
優(yōu)質有機玻璃水箱，透明度高，容積18L，結構特殊由三個槽組成設計，保證實驗液位穩(wěn)定； |
1套 |
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5 |
3號水箱 |
優(yōu)質有機玻璃水箱，透明度高，容積18L，結構特殊由三個槽組成設計，保證實驗液位穩(wěn)定； |
1套 |
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6 |
鍋爐 |
包括加熱層（鍋爐內(nèi)膽）和冷卻層（鍋爐夾套），均由304不銹鋼精制而成，內(nèi)膽尺寸Ф159*400mm，夾套Ф219*400mm，鍋爐內(nèi)膽內(nèi)置加熱功率為3KW電加熱器。 |
1臺 |
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7 |
盤管 |
模擬工業(yè)現(xiàn)場的管道輸送和滯后環(huán)節(jié)，在盤管上有溫度檢測點，它們的滯后時間常數(shù)不同，在實驗過程中可根據(jù)不同的實驗需要選擇； |
1臺 |
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8 |
磁力驅動泵 |
型號：：MP-55R-220電壓：220V 揚程9m 功率90W DN25， |
1臺 |
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9 |
磁力驅動泵 |
型號：MP-55R-380，三相交流220v，揚程9m 功率90W，變頻器控制流量， |
1臺 |
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10 |
電磁閥 |
304不銹鋼，AC220V，DN15。 |
1臺 |
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11 |
鍋爐防干燒保護裝置 |
為保證實驗效果好、不降低鍋爐加熱功率的前提下，本套裝置配備了良好的防干燒保護系統(tǒng)，當鍋爐內(nèi)膽液位低于紅色警戒水位線時，保護裝置將切斷調壓模塊輸出電壓，以有效保護電加熱管不被干燒損壞。 |
1臺 |
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12 |
三相可控硅移相調壓裝置 |
由三相SCR同步移相觸發(fā)模塊和三相調壓模塊組成，通過標準4～20mA電流信號，對觸發(fā)模塊進行控制，進而對調壓模塊進行輸出調壓控制，控制輸出與控制信號具有很高的線性度，調壓效果好。 |
1臺 |
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13 |
管道及閥門 |
304不銹鋼管路、閥門系統(tǒng)（數(shù)量滿足工藝流程需要） |
若干 |
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14 |
空壓泵 |
氣動儀表供氣，奧突斯氣泵空壓機小型靜音空氣壓縮機 8L,功率550w。OTS-550， |
1臺 |
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二、主要儀表參數(shù) |
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1 |
檢測變量 |
設備名稱 |
儀表名稱、規(guī)格及型號 |
數(shù)量 |
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2 |
溫度 |
PT100鉑電阻、K型熱電偶、鉑電阻一體式溫度（HART）變送器各1臺 。 |
3臺 |
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3 |
壓力 |
Y100壓力表，智能壓力變送器（HART）各1臺。 |
2臺 |
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4 |
流量 |
電磁流量計（HART）、渦輪流量計（HART）及轉子流量計（HART）各1臺，精度1.0%FS。
電磁流量計FMCLDE-15+HART
渦街流量計FMCLU-15+HART
轉子流量計FMCHJFZ1R1DN15M2Ch |
3 |
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5 |
液位 |
磁翻板液位計（HART）和電容液位計（HART）
型號：FMC3051TG 檢測回路各一臺，帶遠傳，現(xiàn)場顯示，精度1.0%FS。 |
2臺 |
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6 |
調節(jié)器 |
智能（HART）電動調節(jié)閥 |
4-20MA，可將信號反饋到上位機界面。 |
1臺 |
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7 |
變頻器 |
4-20MA，可將信號反饋到上位機界面，
三菱：FR-D720S-0.4Kw-CHR |
1臺 |
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8 |
電磁閥 |
24VDC電磁閥，帶開到位關到位信號反饋 |
1臺 |
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9 |
氣動調節(jié)閥 |
4-20MA（HART），可將4-20MA信號反饋到上位機界面
氣動薄膜調節(jié)閥RVZJHP-16C-DN20*10，閥體材質碳鋼，閥內(nèi)件材質304不銹鋼配智能定位器（輸入輸出4-20mA+HART協(xié)議） |
1臺 |
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10 |
調壓模塊 |
4-20MA，可將信號反饋到上位機界面 |
1臺 |
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11 |
聲光報警系統(tǒng) |
閃光報警器 |
AI-302M ，8路 |
1臺 |
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12 |
二次顯示儀表 |
智能調節(jié)儀：2個
流量積算儀：1個
無紙紀錄儀：1個 |
與一次儀表配套使用 |
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13 |
操作站 |
操作站為國產(chǎn)知名品牌，操作站主機內(nèi)存16G 512固態(tài)硬盤，i7-13700F處理器，RTX3060獨立顯示器，windows10系統(tǒng)，帶VGA、HDMI等接口，顯示器分辨率2560*1440OP，刷新率165Hz以上，IPS面板。 |
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14 |
操作臺 |
材質為鋼材噴塑，操作臺尺寸長*寬*高為1200*600*750。 |
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