南昌大学实验报告

学生姓名： 费梦娟 学号： 6100310059 专业班级： 自动化102班 实验类型：□ 验证 □ 综合 □ 设计 □ 创新 实验日期： 实验成绩：

实验一 单容自衡水箱液位特性测试实验

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

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。 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

dhQ1-Q2=A (2-1)

dt将式(2-1)表示为增量形式

d?hΔQ1-ΔQ2=A (2-2)

dt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。

dh在平衡时，Q1=Q2，＝0；当Q1

dt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 （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=

?h?h 或 R= (2-3) R?Q2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）＝

KRH(s)＝= (2-4)

Ts?1RCs?1Q1(s)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）=

x0x0Kx0K/TH（s）=×=K-

11sss?s?TTx0，x0=常数，则式(2-4)可改写为 s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=

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

h（?）?h（0）输出稳态值＝ (2-6)

阶跃输入x0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：

Ke??sH(S)= (2-8)

1?Ts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。

具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。

（一）、智能仪表控制

1．将“SA-12智能调节仪控制” 挂件挂到屏上，并将挂件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。

图2-3 仪表控制单容水箱特性测试实验接线图

2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。

3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”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