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1、实验五单容水箱计算机控制特性测试一、实验目的1. 掌握单容水箱阶跃响应测试方法，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，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传 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、实验原理图图5-1单容水箱特性测试结构图由图5-1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Q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（5-1）动态时，则有dVQ1-Q2=式中V为水箱的贮水容积，dtdV
2、刀为水贮存量的变化率，dt（5-2）它与h的关系为dV dhdV Adh，即=Adt dtA为水箱的底面积。把式（5-3）代入式（5-2）得dhQ1-Q2=A 不（5-3）（5-4）h基于Q2=5-，RS为阀V2的液阻，则上式可改写为RSQ1-= ARsdhdt即或写作dhARs 不 +h=KQiH (s)K亦=TS +1(5-5)式中T=ARs，它与水箱的底面积A和V2的Rs有关；K=Rs。式(5-5)就是单容水箱的传递函数。若令Q1 (S)=牛，R0=常数，则式(5-5)可改为SK / T R RH (S)=-X0 =K-S + - STKR0S + - T对上式取拉氏反变换得h(t)=K
3、R0(1-eM)当t一8时，h(8)=KR0，因而有K=h(8)/R0=输出稳态值/阶跃输入(5-6)当t=T时，则有h(T)=KR0(1-e-i)=0.632KR0=0.632h(8)式(5-6)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5-2所示。图5-2单容水箱的单调上升指数曲线当由实验求得图5-2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(5-5)所示。如果对象的阶跃响应曲线为图5-3
4、,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t，BC为对象的时 间常数T，所得的传递函数为：H(S)=Ke -&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5-4所示。控制系统流程图ETA1A0SMSMM331LTPRDFIBLS-DPPRnFIBUS-PA图5-4实验控制系统流程图LCOUPLERK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ET2001侗直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线 上，PROFIBUS-
5、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
6、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。3、鼠标左键点击实验项目“
7、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5-6所示。实验孑瑟敷整定II4庖g壕制g ccp）际!t邛.益素粮击:i ?J i-. M示实验流程留出址,实辕四、一阶单容上水箱对象特性剧试实驶点击“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。
8、“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，即可在实验界面右下方显示实时曲线。“历史曲线”键：系统进入正常测试状态时，历史曲线是不显示的，如果需要观察历 史曲线，点击“历史曲线”键，即可在实验界面左边显示历史曲线。“数据报表”键：系统进入正常测试状态时，数据报表是不显示的，如果需要数据报 表，点击“数据报表”键，即可在实验界面右下方显示历史曲线。“返回主菜单”键：实验结束，需退出实验时，点击“返回主菜单”键，即关闭当前 实验界面返回实验主界面。4. 在上位机实验界面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
9、框中输入阀门开度值），使水箱的液位处于某一平衡位置。5、点击实验界面下边的“实时曲线”键，在界面的右下方将显示液位的变化曲线。6. 在上位机实验界面窗口改变给定的阀门开度值，使其输出有一个正（或负）阶跃增 量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），使水箱液位上升或下降，经过一定时间 的调节后，水箱的液位进入新的平衡状态，其响应曲线如图5-7所示。7.观察上位机监控界面上水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。8.实验曲线所得的结果填入下表。参数值 测量值、放大系数K周期T时间常数T液位h正阶跃输入负阶跃输入平均值六、实验报告1. 画出单容水箱特性测试实验的结构框图。2. 根据实验测得的数据和曲线，分析并计算出单容水箱液位对象时的参数及传递函数。3. 实验心得体会。七、思考题1. 在实验进行过程中，为什么不能任意改变出水口阀开度的大小？2. 用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？3. 如果采用中水箱做实验，其响应曲线与上水箱的曲线有什么异同？并分析差异原因。
