太原科技大學

電子信息工程學院專業碩士學位研究生綜合實驗報告實驗名稱：雙容水箱特性測試專業：控制工程姓名：梁亮學號：S20130349指導教師：邵學卷完成時間：2014年6月9日一、實驗目的掌握雙容水箱特性的階躍響應曲線測試方法；2.根據由實驗測得雙容液位的階躍響應曲線，確定其特征參數K、耳、T2及傳遞函數；3.掌握同一控制系統采用不同控制方案的實現過程。二、實驗設備1?實驗對象及控制屏、SA-11掛件一個、SA-13掛件一個、SA-14掛件一個、計算機

一臺；2.SA-12掛件一個、通訊線一根；3.SA-21掛件一個、SA-22掛件一個、SA-23掛件一個；4.SA-31掛件一個、SA-32掛件一個、SA-33掛件一個、主控單元一個、數據交換器兩個，網線四根；5.SA-41掛件一個、CP5611專用網卡及網線；6.SA-42掛件一個、PC/PPI通訊電纜一根。電動閥上水箱Gi(s)G(s)=Gi(s)G2(s)=干擾下水箱G2(s)PC/PPI通訊電纜一根。電動閥上水箱Gi(s)G(s)=Gi(s)G2(s)=干擾下水箱G2(s)(Tis+1)(T2S+1)(b)I11(液位)雙容水箱對象特性測試系統(a)結構圖(a)結構圖(b)方框圖由上圖所示，被測對象由兩個不同容積的水箱相串聯組成，故稱其為雙容對象。自衡是指對象在擾動作用下，其平衡位置被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預，依靠其自身重新恢復平衡的過程。雙容水箱的數學模型可用一個二階慣性環節來描述:G(s)=G1(s)G2(s)^k7*亠=K(2-9)Ts+1Ts+1(Ts+1)(Ts+1)1212式中K=k]k2，為雙容水箱的放大系數，T「T2分別為兩個水箱的時間常數。本實驗中被測量為下水箱的液位，當中水箱輸入量有一階躍增量變化時，兩水箱的液位變化曲線如下圖所示。由圖可見，上水箱液位的響應曲線為一單調上升的指數函數(圖(a))；而下水箱液位的響應曲線則呈S形曲線(圖(b)),即下水箱的液位響應滯后了，它滯后的時雙容水箱液位的階躍響應曲線(a)中水箱液位(b)下水箱液位雙容對象兩個慣性環節的時間常數可按下述方法來確定。在下圖所示的階躍響應曲線上求取：(1)h2(t)lt=t1=0.4h2(R)時曲線上的點B和對應的時間t1；(2)h2(t)lt=t2=0.8h2(g)時曲線上的點C和對應的時間t2。

h2(t)h2(t)雙容水箱液位的階躍響應曲線然后，利用下面的近似公式計算式K=H2（^）=輸入穩態值（2-10）x°階躍輸入量T+T?土（厶11）字2?（1.74仝_0.55）（2-12）0.32〈也〈0.46122.16（T1+T2）2T2由上述兩式中解出T1和T2,于是得到如式（2-9）所示的傳遞函數。在改變相應的閥門開度后，對象可能出現滯后特性，這時可由S形曲線的拐點P處作一切線，它與時間軸的交點為A，OA對應的時間即為對象響應的滯后時間e。于是得到雙容滯后（二階滯后）對象的傳遞函數為：G（S）=ke-肪（2-13）（TS+1）（TS+1）12四、實驗內容與步驟1.閥門F1-1、F1-2、F1-7全開，中水箱出水閥門F1-10、下水箱出水閥門F1-11開至適sA—44三相—22OV榆入亠〕S7-2OOsA—44三相—22OV榆入亠〕S7-2OOPJCPT編稈控制甜單才目電游輸岀?￥?-+F1II圧為變堆腳>.LT1LT2LT3f三掃*力華(38OV)=to(*>I1―‘—DI3—__2D15—土DI4—'■―D16—S7-200PLC控制雙容水箱特性測試實驗接線圖3?接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V開關電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，給S7-200PLC及電動調節閥上電。4.運行MCGS組態環境，打開“S7-200PLC控制系統”工程，然后進入MCGS運行環境，在主菜單中點擊“雙容自衡水箱對象特性測試”，進入實驗監控界面。5?在上位機監控界面中將智能儀表設置為“手動”控制，并將輸出值設置為52.1，此操作需通過調節儀表實現。6?給磁力驅動泵上電打水，適當增加/減少智能儀表的輸出量，使下水箱的液位處于某一平衡位置，記錄此時的儀表輸出值和液位值。7.待下水箱液位平衡后，突增智能儀表輸出量的大小，使其輸出有一個正階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便離開原平衡狀態，經過一段時間后，水箱液位進入新的平衡狀態，記錄下此時的儀表輸出值和液位值，液位的響應過程曲線將如下圖所示。單容下水箱液位階躍響應曲線單容下水箱液位階躍響應曲線根據前面記錄的液位值和儀表輸出值,按公式K=h(8)-h(0)二輸出穩態值/階躍輸x0入計算K值,入計算K值,五、實驗的注意事項及遇到的問題實驗之前確保所有電源開關均處于“關”的位置。.接線或拆線必須在切斷電源的情況下進行，接線時要注意電源極性。完3.在投運之前，請先檢查管道及閥門是否已按實驗指導書的要求打開，儲水箱中是否充水至三分之二以上，以保證磁力驅動泵中充滿水，磁力驅動泵無水空轉易造成水泵損壞。4.實驗開始時，由于沒有將24V給定電壓開關打開，導致中水箱液位數據沒能在組態軟件中顯示。5.由于F1-10開度與F1-11的開度調節不合理導致中水箱數據持續增加，沒有達到穩定值。6.實驗步驟5中的適當值，是經過兩次反復試驗得出的結果。六、實驗數據分析智能調節器手動輸出F1-7中水箱電動調1.畫出雙容水箱液位特性測試實驗的結構框圖。智能調節器手動輸出F1-7中水箱電動調干擾磁力驅動泵申Fl-11墮_JQ3^_IM磁力驅動泵申Fl-11墮_JQ3^_IMF1-10Q2y下水箱電動閥上水箱

G(s)下水箱G2(S)Ih(液位)G(s)=Gi(s)G2(s)=(Tis+1)(T2S-f1)(a)(b)(a)雙容水箱對象特性測試系統(a)結構圖(b)方框圖根據實驗得到的數據及曲線，分析并計算出雙容水箱液位對象的參數及傳遞函數。七、思考題1.做本實驗時，為什么不能任意改變兩個出水閥門開度的大小?答：出水閥F1-11的開度是改變出水量Q2的，改變水箱泄水的過程。在此實驗中是先將出水閥F1-11開至適當的開度。之后在單容水箱在穩定的過程中，此閥門是不能任意改變的，因為一改變就會對系統帶來干擾，造成系統不穩定，不能正確反映實驗特性。只有當系統穩定時，要研究輸出量對系統的穩定特性影響時才改變出水閥F1-11。用響應曲線法確定對象的數學模型時，其精度與那些因素有關？答：應曲線可能與實驗工作電壓的波動，執行器的不穩定性，和系統的控制參數比例度、積分時間、微分時間及測量值的波動都可能帶來一定的誤差，造成精度下降，同時還跟壓力傳感器的精度，閥門開度，測試軟件都有關系。如果采用上水箱和中水箱做實驗，其響應曲線與用中水箱和下水箱做實驗的曲線有什么異同？并分析差異原因。引起雙容對象滯后的因素主要有哪些？答：因素有K、T及時間常數。八、總結本次實驗是過程控制這門課的第一個實驗，在老師的講解下，我們的實驗上手很快，并很快取得了頭一個穩定狀態，但在數據處理時發現，并不是每一個曲線都是理想的二階系統，自己在思考后，也給出的相應的解釋，還請老師指點。同時，對于實驗的學習，我們更加了解裝置設備，以