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XXXX大学
电子信息工程学院
专业硕士学位研究生综合实验报告
实验名称:双容自衡水箱液位特性的测试
专 业:控制工程
姓 名
学 号:
指导教师:
完成时间:
实验名称:双容水箱特性的测试
实验目的:
1.掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法;
2.根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线,确定其特征参数K、T1、T2及传递函数;
3.掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
实验仪器设备:
1.实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台(DCS需两台计算机)、万用表一个;
2.SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根;
3.SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个;
4.SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个,网线四根;
5.SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线;
6.SA-42挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。
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,依靠自身重新恢复平衡的过程。图1所示为双容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1、F1-2和F1-11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。
图1 双容水箱对象特性测试系统
(a)结构图 (b)方框图
方案设计及参数计算:
双容水箱的数学模型可用一个二阶加时滞环节来描述。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所示的阶跃响应曲线上求取:
(1)时曲线上的点B和对应的时间t1;
(2)时曲线上的点C和对应的时间t2。
图2 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求得
(1)
(2)
(3)
(4)
在改变相应的阀门开度后,对象可能出现滞后特性,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:
(5)
实验内容及操作步骤:
本实验选择中水箱和下水箱串联作为被测对象(也可选择上水箱和中水箱)。实验之前先将储水箱中贮足水量,然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开,将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度(要求F1-10开度稍大于F1-11的开度),其余阀门均关闭。
1.将挂件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,并按照本章第一节的控制屏接线图2-5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“实验二、双容自衡水箱对象特性测试”,进入实验二的监控界面。
4.在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”输出,并将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),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.液位平衡后,突增(或突减)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3所示。
图3 双容水箱液位阶跃响应曲线
7.根据前面记录的液位和仪表输出值,按公式
计算K值,再根据图4中的实验曲线求得T1、T2值,写出对象的传递函数。
图4 双容水箱液位的阶跃响应曲线
实验数据及结果:
当阀门开
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