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，

2、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

3、-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）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)0.3

6、2〈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

7、/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CPU315-2D

8、P，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

9、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导第二章第一节所描述的功能相同。4．在上位机实验界面

10、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