单容水箱特性测试

过程控制

题目一 单容水箱特性测试

一、课设的主要任务和要求

进行单容水箱特性测试，主要任务：

1. 进行单容水箱阶跃响应测试，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，分别用作图法和两点法确定被测对象的特征参数，得到传递函数。 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、实验原理图

2-1单容水箱特性测试结构图

由图2-1可知，对象的被控制量为水箱的液位h，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1，手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时

Q10-Q20=0 （2-1）

动态时，则有

Q1-Q2=

dV

（2-2） dt

式中V为水箱的贮水容积，

dV

为水贮存量的变化率，它与h的关系为 dt

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dV Adh， dVdh即= A （2-3）

dtdt

A为水箱的底面积。把式（2-3）代入式（2-2）得

Q1-Q2=A

基于Q2=

dh

（2-4） dt

h

，RS为阀V2的液阻，则上式可改写为 RS

hdhQ1-= A RSdt

ARS

即

dh

+h=KQ1 dt

或写作

KH(s)= （2-5） Q1(s)TS 1

式中T=ARS，它与水箱的底面积A和V2的RS有关；K=RS。 式（2-5）就是单容水箱的传递函数。 若令Q1（S）=

R0

，R0=常数，则式（2-5）可改为 S

R0R0KR0K/T

H（S）=×=K-

11SSS S

TT

h(t)=KR0(1-e-t/T) （2-6）

对上式取拉氏反变换得

当t—>∞时，h（∞）=KR0，因而有 K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入 当t=T时，则有

h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞)

式（2-6）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所示。

图2-2 单容水箱的单调上升指数曲线

当由实验求得图2-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%

所对应的时

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间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数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如式（2-5）所示。

图2-3 单容水箱的阶跃响应曲线

如果对象的阶跃响应曲线为图2-3，则在此曲线的拐点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：

Ke s

H(S)= （2-7）

1 Ts

四、实验控制系统流程图

本实验控制系统的流程图如图2-4所示。

图2-4 实验控制系统流程图

上水箱液位检测信号LT1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/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP

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总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP（CPU315-2 DP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CPU315-2 DP，这样控制器CPU315-2 DP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

本实验选择上水箱作为被测对象（也可选择中水箱或下水箱）。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，接通空压机电源。控制柜无需接线。

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，再点击弹出菜单中的“WINCC” ，再选择弹出菜单中的“WINCC CONTROL CENTER 5.0”,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，进入实验主界面如图2-5所示。

图2-5 实验主界面

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3、鼠标左键点击实验项目“一阶单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2-6所示。

图2-6 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如下： “实验流程”键：系统进入正常测试状态时，实验界面左边就会显示实验流程图，当点击“历史曲线”键时，实验流程图将会被历史曲线所覆盖，如需转到实验流程图，应点击“实验流程”键就可在实验界面左边再现实验流程图。

“参数整定”键：系统进入正常测试状态时，实验界面右边就会显示参数整定画面，当你点击“实时曲线”或“数据报表”键时，参数整定画面的下半部分将会被实时曲线或数据报表所覆盖，如需转到参数整定，点击“参数整定”键即可在实验界面右边再现参数整定画面。

“实时曲线”键：系统进入正常测试状态时，实时曲线是不显示的，如果需要观察实时曲线，点击“实时曲线”键，即可在实验界面右 …… 此处隐藏：792字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……