五下水箱液位前馈-反馈控制系统-化工控制工程中心

过程控制系统与工程

实验指导书

沈阳工业大学工程学院

目 录

实验一 单容自衡水箱液位特性测试实验3

实验二 单容液位定值控制系统实验6

实验三 双容水箱液位定值控制系统实验8

实验四 水箱液位串级控制系统实验10

实验五 下水箱液位前馈-反馈控制系统实验12

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的测试方法，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-2型高级过程控制系统实验装置

2.计算机、MCGS工控组态软件、RS232/485转换器1只、串口线1根

3.万用表一只

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1-1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

Q1-Q2=A (1-1)

将式(1-1)表示为增量形式

ΔQ1-ΔQ2=A (1-2)

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。

在平衡时，Q1=Q2，＝0；当Q1发生变

化时，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随

之变化，Q2也发生变化。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= 或 R= (1-3)

式中：R—阀F1-11的阻力，称为液阻。 图1-1 单容自衡水箱特性测试系统

(a)结构图 (b)方框图

将式(1-2)、式(1-3)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)＝＝= (1-4)

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)=，x0=常数，则式(2-4)可改写为

H(s)=×=K-

对上式取拉氏反变换得

h(t)=Kx0(1-e-t/T) (1-5)

当t—>∞时，h(∞)-h(0)=Kx0，因而有

K=＝ (1-6)

当t=T时，则有

h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h(∞) (1-7)

式(1-5)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1-2(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1-2 单容水箱的阶跃响应曲线

如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图1-2(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：

H(S)= (1-8)

四、实验内容与步骤

1． 按图1-1接好实验线路，并把阀V1和F1-11开至某一开度，且使V1的开度大于F1-11的开度。

2．接通总电源和相关的仪表电源，并启动磁力驱动泵。

3．把调节器设置于手动操作位置，通过调节器增/减的操作改变其输出量的大小，使水箱的液位处于某一平衡位置。

4．手动操作调节器，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)，于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一定的调节时间后，水箱的液位进入新的平衡状态。

5．启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。

五、实验报告要求

1．画出单容水箱液位特性测试实验的结构框图。

2．根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出单容水箱液位对象的参数及传递函数。

六、思考题

1．做本实验时，为什么不能任意改变出水阀F1-11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