題目2 雙容水箱特性測試

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1、題目2雙容水箱特性測試一、課程設(shè)計(jì)主要任務(wù)及要求1.熟悉雙容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線。2.根據(jù)由實(shí)測雙容液位的階躍響應(yīng)曲線，分別用作圖法和兩點(diǎn)法確定其傳遞函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1.THJ-FCS型高級(jí)過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。2.計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件。3.萬用電表一只。三、原理說明雙容水箱對(duì)象特性測試系統(tǒng)原理圖如圖2-8所示。圖2-8雙容水箱對(duì)象特性測試系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖由圖2-8可知，被測對(duì)象由兩個(gè)水箱相串聯(lián)組成，故稱其為雙容對(duì)象。自衡是指對(duì)象在擾動(dòng)作用下，其平衡位置被破壞后，不需要操作人員干預(yù)，依靠其自身重新恢復(fù)平衡的過程。根據(jù)本章第一節(jié)單容水箱特性測試的原理，可知雙容

2、水箱的數(shù)學(xué)模型是兩個(gè)單容水箱數(shù)學(xué)模型的乘積，即雙容水箱的數(shù)學(xué)模型可用一個(gè)二階慣性環(huán)節(jié)來描述：G(s)=G1(s)G2(s)=(2-7)式中K＝k1k2，為雙容水箱的放大系數(shù)，T1、T2分別為兩個(gè)水箱的時(shí)間常數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中被測量為中水箱的液位，當(dāng)中水箱的輸入量有一階躍增量變化時(shí)，兩個(gè)水箱的液位變化曲線如圖2-9所示。由圖2-9可見，上水箱液位的響應(yīng)曲線為一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)（圖2-9(a)）；而中水箱液位的響應(yīng)曲線則呈S形曲線（圖2-9(b)），即中水箱液位的響應(yīng)有滯后，其滯后的時(shí)間與閥F1-10和F1-11的開度大小密切相關(guān)。圖2-9雙容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線（a）上水箱液位（b

3、）中水箱液位雙容對(duì)象兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)可按下述方法來確定。在圖2-10所示的階躍響應(yīng)曲線上求取：(1)h2（t）

4、t=t1=0.4h2(∞)時(shí)曲線上的點(diǎn)B和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1；(2)h2（t）

5、t=t2=0.8h2(∞)時(shí)曲線上的點(diǎn)C和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t2。圖2-10雙容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線然后，利用下面的近似公式計(jì)算式(2-8)（2-9)(2-10)0.32〈t1/t2〈0.46由上述兩式中解出T1和T2，于是得到如式（2-7）所示的傳遞函數(shù)。在改變相應(yīng)的閥門開度后，對(duì)象可能會(huì)出現(xiàn)滯后特性，這時(shí)可由S形曲線的拐點(diǎn)P處作一切線，它與時(shí)間軸的交點(diǎn)為A，OA對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為對(duì)象響應(yīng)的滯后

6、時(shí)間。于是得到雙容滯后（二階滯后）對(duì)象的傳遞函數(shù)為：G（S）=(2-11)四、實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)流程圖本實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)的流程圖如圖2-11所示。圖2-11實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)的流程圖中水箱液位檢測信號(hào)LT2為標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)，直接傳送到SIEMENS的模擬量輸入模塊SM331，SM331和分布式I/O模塊ET200M直接相連，ET200M掛接到PROFIBUS-DP總線上，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2DP（CPU315-2DP為PROFIBUS-DP總線上的DP主站），這樣就完成了現(xiàn)場測量信號(hào)到CPU的傳送。本實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為帶PROFIBUS-PA通訊接口的閥門定位

7、器，掛接在PROFIBUS-PA總線上，PROFIBUS-PA總線通過LINK和COUPLER組成的DP鏈路與PROFIBUS-DP總線交換數(shù)據(jù)，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2DP，這樣控制器CPU315-2DP發(fā)出的控制信號(hào)就經(jīng)由PROFIBUS-DP總線到達(dá)PROFIBUS-PA總線來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門定位器。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇中水箱作為被測對(duì)象（也可選擇下水箱）。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-6全開，將上水箱出水閥門F1-9和中水箱出水閥F1-10開至適當(dāng)開度，其余閥門均關(guān)閉。1、接通控制柜和控制臺(tái)的相

8、關(guān)電源，并啟動(dòng)磁力驅(qū)動(dòng)泵和空壓機(jī)。2、打開作上位控制的PC機(jī)，點(diǎn)擊“開始”菜單，選擇彈出菜單中的“SIMATIC”選項(xiàng)，再點(diǎn)擊彈出菜單中的“WINCC”，再選擇彈出菜單中的“WINCCCONTROLCENTER5.0”,進(jìn)入WINCC資源管理器，打開組態(tài)好的上位監(jiān)控程序，點(diǎn)擊管理器工具欄上的“激活（運(yùn)行）”按鈕，進(jìn)入的實(shí)驗(yàn)主界面如本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書第二章第一節(jié)中的圖2-5所示。3、鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“二階雙容水箱對(duì)象特性測試實(shí)驗(yàn)”，系統(tǒng)進(jìn)入正常的測試狀態(tài)，呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)界面如圖2-12所示。圖2-12實(shí)驗(yàn)界面在實(shí)驗(yàn)界面的左邊是實(shí)驗(yàn)流程圖，右邊是參數(shù)整定，下面一排六個(gè)切換鍵的功能同實(shí)驗(yàn)指

9、導(dǎo)第二章第一節(jié)所描述的功能相同。4．在上位機(jī)實(shí)驗(yàn)界面窗口給定閥門開度值（既可拉動(dòng)輸出值旁邊的滾動(dòng)條，也可直接在輸出值顯示框中輸入閥門開度值），使輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值（一般為最大值的40～70%，不宜過大，以免水箱中水溢出），經(jīng)過一段時(shí)間后，水箱的液位處于某一平衡位置。5、液位平衡后，突增（或突減）輸出值的大小，使其輸出有一個(gè)正（或負(fù)）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(tài)，經(jīng)過一段時(shí)間后，水箱液位進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，記錄下此時(shí)的輸出值