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1、过程控制综合实验报告实验名称：单容自衡水箱液位特性测试实验专业: 班级:一 姓名:一 学号:实验方案一、实验名称：单容自衡水箱液位特性测试实验二、实验目的1. 掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线；2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征 参数K、T和传递函数；3. 掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。三、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，依靠其自身重新恢复平衡的过程。四、实验准备在所给实验设备准备好时，由实验指导书连线，检查线路之后上电，打开启 动按钮，对实验
2、对象进行液位特性测试。通过该实验，我们最后要得到的理想结 论是，通过手动控制阀门的开度来对水箱进行液位的特性测试，测试结果应该是， 在给实验对象加扰动的情况下，贮蓄容器可以依靠自身重新恢复平衡的过程。在实验之前，将储水箱中贮足水量，实验过程中选择下水箱作为被测对象， 将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度，其余 阀门均关闭，进行观察实验。智能调节器手动输出干扰调节器 手动输出F水箱G (s)电动调节阀KF1-2磁力驱动泵F1 -图2-1单容自衡水箱特性测试系统(a)结构图(b)方框图一、实验目的1. 掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲
3、线；2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征 参数K、T和传递函数；3. 掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。二、实验设备三相电源（380V/10A）远程数据采集模拟量输出模块SA-22、SA-23 （24V输入）三相磁力泵（380V）压力变送器电动调节阀（420mA、220V）三、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，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图 2-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1、F1-2和F1-8全 开，设下水箱流入量为Q，改变电动调节阀V的开度可以
4、改变Q的大小，下水111箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-11的开度可以改变。2。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q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Q之间的数学表达式。1X =K0 -0-1 ss1s +s +TTKxH (s)=根据动态物料平衡关系有Q-Q=A 竺1 2 dt将式(2-1)表示为增量形式 Q-A Q=A 竺 (2-2)12 dt式中： Q1， Q2, h分别为偏离某一平衡状态的增量；A水箱截面积。(2-1)dh -在平衡时，Q1=Q2，d =0；当Q1 发生变化时，液位h随之变化，水箱出 统口处的
5、静压也随之变化，q2也发生变化调手动输出智能调节器手动输出(b)图2-1单容自衡水箱特性测试系统(a)结构图(b)方框图液位h与流量之间为非线性关系。但为电动调节阀V】F1-2。由流体力学可知，流体在紊流情况下了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q与h成正比关系，而与阀F1-11的阻力R成反比，即2 Q=竺或R=2 R 气式中：R阀F1-11的阻力，称为液阻。将式(2-2)、式(2-3)经拉氏变换并消去中间变量Q，即可得到单容水箱的数 学模型为2(2-3)H (s) _ R _ KW0(s)=亦=RCs +1 = Ts +1式中T为水箱的时间常数，T = RC； K为放大系数，K=R； C为
6、水箱的容量系数。(2-4)若令Q1 (s)作阶跃扰动，即Q1/ 、 x(s) = 0sx0=常数，则式(2-4 )可改写为对上式取拉氏反变换得当 t8时，h(8)-hh(t)=Kx (1-e-t/T)(0)=曜，因而有h (s)-h (0)输出稳态值K=(2-5)阶跃输入(2-6)当t=T时，则有h(T)二Kxo(1-e-i)=0.632Kxo=0.632h(8)(2-7)式(2-5)表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2 (a)所示，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。 也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是 该
7、时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。图2-2单容水箱的阶跃相应曲线如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图2-2(b)，在此曲线的拐 点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。图中 OB即为对象的滞后时间t，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：H(S) = (2-8)1 + Ts四、实验内容与步骤本实验选择下水箱作为被测对象(也可选择上水箱或中水箱)。实验之前先 将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门 F1-11开至适当开度，其余阀门均关闭。远程数据采集控制1. 将“SA-22远程数据采集模
8、拟量输出模块”、“SA-23远程数据采集模拟量 输入模块”挂件挂到屏上，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 下面的控制屏接线图连接实验系统。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“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入 实验一的监控界面。
9、4. 在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”控制，并将输出值设置 为一个合适的值，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，记录此时的仪表输出值和液位值。6. 待下水箱液位平衡后，突增（或突减）智能仪表输出量的大小，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2-3所示。h图2-3单容下水箱液位阶跃响应曲线h兰眄跃
10、负阶跃7. 根据前面记录的液位值和仪表输出值，按公式（2-6）计算K值，再根据 图2-2中的实验曲线求得T值，写出对象的传递函数。SA-23电源开关SA-22g三相磁力泵（380V）-远程数据采集模拟量输出模块远程数据采集模拟量输入模块L N-220V输入、.-.L V V V三相*源输出 k V W N，苴映判节阀4 2 Om.AitI/压力变送器一I LT1 LT2 LT3 |I上水是 中水籍下水箪；j液位成位讯位19。甘单相电源输出单相I 单相II 单相HI+ + + +（0 p |0A/I4 A/I5 A/I6 A/I7L I I Lq+ D。-模拟量（#2 0：）输入通道+ + +p
11、 0 sA/IO A/Il A/I2 A/I3一模拟量（土甫）输出通道 + + + +A/04A/05A/06A/079 9 9 9|+一模双% （上2志）输出通葺 沼e泼、，.A/00A/01A/02 A/O3 Lq I I *-0 * _ _ .图2-4远程数据采集控制单容水箱特性测试实验接线图五、实验结果分析通过手动控制F1-11阀的开度，由实验结果可以看到（1）当阀的开度大时，出水不变，进水多，测量值大；（2）当阀的开度小时，出水不变，进水少，测量值小；（3）当阀的开度在27.9左右时，测量值基本稳定在23.6图2-5单容水箱液位数学模型的测试系数调节图2-6单容水箱液位数学模型的测试实时曲线由实验曲线结果我们可以看到，当在27.9左右加扰动时，曲线下降然后再 达到平衡。由公式2-6计算放大系数K为K=h(8)-h(0)/ x =22/27.9=0.788由实验曲线得时间常数T=1.5s传递函数为 H (S) =Ke-&/1+Ts=0.778e-。初/1+1.5s六、实验总结学习了单容自衡水箱液位特性测试方法，学习了用实验的方法确定被控对象 数学模型。在做实验前可以通过分析法对实验结果进行理论分析，找到近似值， 在实验时可以直接在理论值附近进行验证，提高实验效率。
