实验二 单容自衡水箱液位特性测试实验

实验二 单容自衡水箱液位特性测试实验

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；

二、实验设备

DDD-Z05-I实验对象及DDD-Z05-IK控制屏、DDD-Z05-III 电源控制柜一台、SA-12挂件一个、SA-13A挂件一个、计算机一台、万用表一个、实验连接线若干。

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，不需要操作人员或设备等干预，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、F2-14和F1-6全开，设上水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，上水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-9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2-1 单容自衡水箱特性测试系统

（a）结构图 （b）方框图

根据动态物料平衡关系有 Q1-Q2=A

dhdt (2-1)

将式(2-1)表示为增量形式 ΔQ1-ΔQ2=A

d?hdt (2-2)

式中：ΔQ1，ΔQ2，Δh——分别为偏离某一平衡状态的增量； A——水箱截面积。

在平衡时，Q1=Q2，

dhdt＝0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出口

处的静压也随之变化，Q2也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，

液位h与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q2与h成正比关系，而与阀F1-9的阻力R成反比，即

ΔQ2=?h 或 R=

R?h?Q2 (2-3)

式中：R——阀F1-9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Q2，即可得到单容水箱的数学模型为

W0（s）＝

H(s)Q1(s)＝

RRCs?1=

KTs?1 (2-4)

式中T为水箱的时间常数，T＝RC；K为放大系数，K＝R；C为水箱的容量系数。若令Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=

H（s）=

K/Ts?1Tx0sx0s，x0=常数，则式(2-4)可改写为 -Kx0s?1T×

x0s=K

对上式取拉氏反变换得h(t)=Kx0(1-e-t/T) (2-5) 当t—>∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有

K=

h（?）?h（0）x0＝

输出稳态值阶跃输入 (2-6)

当t=T时，则有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h(∞) (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 单容水箱的阶跃响应曲线

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τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：

H(S)=

Ke??s1?Ts (2-8)

四、实验内容与步骤

本实验选择作上水箱为被测对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F2-14全开，将出水阀门F1-9开至适当开度（40%-70%），其余阀门均关闭。

1．将“SA-12智能调节仪控制” 挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头

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1，并按照下面的控制屏接线说明连接实验系统。 接通电源控制柜电源总开关，打开钥匙开关， 强电 控制屏上单相Ⅰ的L、N端接到智能调节仪电源的L、N端 文字部分 弱电 上水箱液位LT1信号250欧姆（1-5V）的+、-端对应接到智能调节仪1、2端 调节仪输出7、5端对应接到SA-13A电动调节阀控制信号输入+、-端 表2-1 仪表控制单容水箱特性测试实验接线说明

●本实验为开环控制，不需要设置PID参数，其他参数为：Sn=33；CF=0；ADDR=1；

diH=50;dil=0;上水箱出水阀开度40%-70%

2．接通总电源空气开关和钥匙开关， 直流电压指示24V，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给智能仪表上电。

3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”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。

4．将智能仪表输出值设置为一个合适的值（40%-70%），此操作需通过调节仪表实现。

5．按下电源控制柜启动按钮，打开磁力泵电源旋钮开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使上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。

图2-3 单容液位阶跃响应曲线

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。

五、实验报告要求

1．画出单容水箱液位特性测试实验的结构框图。

2．根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出单容水箱液位对象的参数及传递函数。

六、思考题

1．做本实验时，为什么不能任意改变出水阀F1-9开度的大小？

2．用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？

3．如果采用锅炉汽包做实验，其响应曲线与的曲线有什么异同？并分析差异原因。