双容自衡水箱液位特性的测试实验报告

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1、XXXX大学电子信息工程学院专业硕士学位研究生综合实验报告实验名称：双容自衡水箱液位特性的测试专业：控制工程姓名学号：指导教师：完成时间：实验名称：双容水箱特性的测试实验目的：1．掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；2．根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T1、T2及传递函数；3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。实验仪器设备：1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS需两台计算机）、万用表一个；2．SA-12挂件一个、

2、RS485/232转换器一个、通讯线一根；3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个；4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根；5．SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线；6．SA-42挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。实验原理：所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠自身重新恢复平衡的过程。图1所示为双容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1、F1

3、-2和F1-11全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。图1双容水箱对象特性测试系统(a)结构图(b)方框图方案设计及参数计算：双容水箱的数学模型可用一个二阶加时滞环节来描述。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所示的阶跃响应曲线上求取：(

4、1)时曲线上的点B和对应的时间t1；(2)时曲线上的点C和对应的时间t2。图2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求得（1）（2）（3）（4）在改变相应的阀门开度后，对象可能出现滞后特性，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时间。于是得到双容滞后（二阶滞后）对象的传递函数为：（5）实验内容及操作步骤：本实验选择中水箱和下水箱串联作为被测对象（也可选择上水箱和中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开

5、，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求F1-10开度稍大于F1-11的开度），其余阀门均关闭。1．将挂件SA-22远程数据采集模拟量输出模块、SA-23远程数据采集模拟量输入模块挂到屏上，并将挂件上的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照本章第一节的控制屏接线图2-5连接实验系统。将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给智能采集模块

6、及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给电动调节阀上电。3．打开上位机MCGS组态环境，打开“远程数据采集系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验二、双容自衡水箱对象特性测试”，进入实验二的监控界面。4．在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”输出，并将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），此操作需通过调节仪表实现。5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时

7、的仪表输出值和液位值。6．液位平衡后，突增（或突减）仪表输出量的大小，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，记录下此时的仪表输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如图3所示。图3双容水箱液位阶跃响应曲线7．根据前面记录的液位和仪表输出值，按公式计算K值，再根据图4中的实验曲线求得T1、T2值，写出对象的传递函数。图4双容水箱液位的阶跃响应曲线实验数据及结果：当阀门开度为40％时的双容水箱特性

8、曲线如下图所示结果分析：由测得特性曲线得：；，由图可得；，由图可得；。40％阀门开度对应给定电流信号解得：所以双容自衡水箱的近似数学模型为：实验心得：通过此次试验，我掌握了双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法，学会了根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T1、T2及传递函数。同时，我对该过程自动化综合实验平台有了更加全面的了解，锻炼了我的动手操作能力，我从实验中深切的体