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双容水箱液位特性测试实验

时间：2024-08-23 09:39:29

一、实验目的
1．熟悉双容水箱的数学模型，掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；
2．根据由实验测得的双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、

、

及传递函数；
二、实验设备
1．IPA 1 COMPACT STATION—DDC控制模块
2．计算机及MCGS组态软件—DDC控制实验_ModBusRTU.MCG
3．实验专用线若干及RS485转232通讯线一根。
三、实验原理
双容水箱示意图如图2.1.9所示。

图2.1.9 具有自衡能力的单容水箱示意图

根据物料平衡方程，可得出双容液位过程的传递函数为

（2.7）
考虑到对象的滞后时间，则单容液位过程的传递函数可用式（2.8）表示

（2.8）
增益K的计算方法与一阶系统的求法相同，即：

（2.9）
再根据阶跃响应曲线脱离起始的毫无反应的阶段，开始出现变化的时候，就可以确定参数

。
剩下的问题就是用式（2.10）来拟合已去掉纯延迟部分并已化为无量纲形式的阶跃响应

：

（2.10）
式（2.10）对应的阶跃响应为：

（2.11）
根据上式，就可以利用阶跃响应上两个点的数据

和

确定参数

和

。例如，可以取

分别等于0.4和0.8，从曲线上定出

和

。如图2.1.10所示。

图2.1.10根据阶跃响应曲线上两个点确定和

联立方程如下式所示：

（2.12）
上式的近似解为：

（2.13）

（2.14）
对于用式（2.8）表示的二阶对象，应有：

（2.15）
四、实验内容与步骤
1．了解实验装置中的对象，流程图如图2.1.11所示。

图 2.1.11上下水箱双容特性测试实验流程图
2．接好实验导线。
在传感器信号输出区域，将下水箱液位信号LT2用实验线连接到DDC控制模块的AI0信号输入端，正负一一对应。
将DDC控制模块输出信号AO0连接到执行器控制信号输入区的电动调节阀控制信号端口，正负一一对应。
3．使用485转232通讯线将控制台侧边DDC通讯口 “COM1” 与上位机连接。
4．将手动阀门1V1、V3、V4打开，将1V2关闭。
5．先打开控制台左侧的总电源开关，按“Start”按钮启动设备，再打开DDC电源开关。
6．在控制板上打开水泵、电动电动调节阀电源开关。
7．打开计算机上的 MCGS运行环境，选择“系统管理”下拉菜单中的“用户登录”。如图2.1.12所示。

图2.1.12MCGS工作界面
8．出现的窗口如图2.1.13所示。

图2.1.13用户登录”界面
9．点击“确认”，用户登录完毕。选择“特性实验”下拉菜单中的“上下水箱双容特性实验”。如图2.1.14所示。

图2.1.14“特性实验”下拉菜单
10．出现如图2.1.15所示的“上下水箱双容特性实验”界面。

图2.1.15 “上下水箱双容特性实验”界面
11．点击“参数设置”，出现的界面如图2.1.16所示。

图2.1.16 “参数设置”界面
12．将AI0设置为0 – 30。点击退出，参数设置完毕。
13．设置阀门开度值，使下水箱液位处于某一平衡位置，记下此时的阀门开度值和电流值。
14．增大阀门开度值，使系统输入幅值适宜的阶跃信号（阶跃信号不要太大，估计上水箱水不要溢出），这时系统输出也有一个变化的信号，使系统在较高液位也能达到平衡状态。记下此时的电流值。
15．对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录表中
阶跃响应曲线数据处理记录表

测量情况参数值
测量情况参数值	K1	T1	τ1
1
2
平均值

按常规内容编写实验报告，并根据K、T、τ平均值写出广义的传递函数。
五、实验报告要求
1．画出双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，分析并计算出双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两个出水阀开度的大小？
2．为什么正向输入和反向输入的K、T，t有所不同？
3．引起双容对象滞后的因素主要有哪些？

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