实验报告：单容自横水箱液位特性测试实验报告

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

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实 验 方 案

实验名称：单容自衡水箱液位特性测试实验

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。

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。

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（4~20mA、~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。

根据动态物料平衡关系有

Q1-Q2=A (2-1)

将式(2-1)表示为增量形式

ΔQ1-ΔQ2=A (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，＝0；当Q1

发生变化时，液位h随之变化，水箱出 图2-1 单容自衡水箱特性测试系统

口处的静压也随之变化，Q2也发生变化 图2-1 单容自衡水箱特性测试系统

（a）结构图 （b）方框图

。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F1-11的阻力R成反比，即

ΔQ2= 或 R= (2-3)

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Q2，即可得到单容水箱的数学模型为

W0（s）＝＝= (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）=，x0=常数，则式(2-4)可改写为

H（s）=×=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=＝ (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

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τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：

H(S)= (2-8)

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。

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。

图2-3 单容下水箱液位阶跃响应曲线

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。

图2-4 远程数据采集控制单容水箱特性测试实验接线图

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

当阀的开度大时，出水不变，进水多，测量值大;

当阀的开度小时，出水不变，进水少，测量值小；

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(∞)-h(0)/=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）=K/1+Ts=0.778/1+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。

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