题目2 双容水箱特性测试

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1、题目2双容水箱特性测试一、课程设计主要任务及要求1.熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。2.根据由实测双容液位的阶跃响应曲线，分别用作图法和两点法确定其传递函数。二、实验设备1.THJ-FCS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、原理说明双容水箱对象特性测试系统原理图如图2-8所示。图2-8双容水箱对象特性测试系统(a)结构图(b)方框图由图2-8可知，被测对象由两个水箱相串联组成，故称其为双容对象。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。根据本章第一节单容水箱特性测试的原理，可知双容

2、水箱的数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：G(s)=G1(s)G2(s)=(2-7)式中K＝k1k2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。本实验中被测量为中水箱的液位，当中水箱的输入量有一阶跃增量变化时，两个水箱的液位变化曲线如图2-9所示。由图2-9可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图2-9(a)）；而中水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图2-9(b)），即中水箱液位的响应有滞后，其滞后的时间与阀F1-10和F1-11的开度大小密切相关。图2-9双容水箱液位的阶跃响应曲线（a）上水箱液位（b

3、）中水箱液位双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。在图2-10所示的阶跃响应曲线上求取：(1)h2（t）

4、t=t1=0.4h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t1；(2)h2（t）

5、t=t2=0.8h2(∞)时曲线上的点C和对应的时间t2。图2-10双容水箱液位的阶跃响应曲线然后，利用下面的近似公式计算式(2-8)（2-9)(2-10)0.32〈t1/t2〈0.46由上述两式中解出T1和T2，于是得到如式（2-7）所示的传递函数。在改变相应的阀门开度后，对象可能会出现滞后特性，这时可由S形曲线的拐点P处作一切线，它与时间轴的交点为A，OA对应的时间即为对象响应的滞后

6、时间。于是得到双容滞后（二阶滞后）对象的传递函数为：G（S）=(2-11)四、实验控制系统流程图本实验控制系统的流程图如图2-11所示。图2-11实验控制系统的流程图中水箱液位检测信号LT2为标准的模拟信号，直接传送到SIEMENS的模拟量输入模块SM331，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP（CPU315-2DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。本实验的执行机构为带PROFIBUS-PA通讯接口的阀门定位

7、器，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP，这样控制器CPU315-2DP发出的控制信号就经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构阀门定位器。五、实验内容与步骤本实验选择中水箱作为被测对象（也可选择下水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9和中水箱出水阀F1-10开至适当开度，其余阀门均关闭。1、接通控制柜和控制台的相

8、关电源，并启动磁力驱动泵和空压机。2、打开作上位控制的PC机，点击“开始”菜单，选择弹出菜单中的“SIMATIC”选项，再点击弹出菜单中的“WINCC”，再选择弹出菜单中的“WINCCCONTROLCENTER5.0”,进入WINCC资源管理器，打开组态好的上位监控程序，点击管理器工具栏上的“激活（运行）”按钮，进入的实验主界面如本实验指导书第二章第一节中的图2-5所示。3、鼠标左键点击实验项目“二阶双容水箱对象特性测试实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图2-12所示。图2-12实验界面在实验界面的左边是实验流程图，右边是参数整定，下面一排六个切换键的功能同实验指

9、导第二章第一节所描述的功能相同。4．在上位机实验界面窗口给定阀门开度值（既可拉动输出值旁边的滚动条，也可直接在输出值显示框中输入阀门开度值），使输出值设置为一个合适的值（一般为最大值的40～70%，不宜过大，以免水箱中水溢出），经过一段时间后，水箱的液位处于某一平衡位置。5、液位平衡后，突增（或突减）输出值的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，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，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录下此时的输出值