双容水箱特性的测试
[汇总]THPFSY-2型双容水箱液位对象系统实验指导书（西门子）
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THPFSY-1型双容水箱液位对象系统为了保证实验的正确性和精确性，在实验前要对实物模型的液位与输出电流的线性关系进行调节，以便得到更为精确的实验结果。
把液压传感器后盖打开，用一字螺丝刀分别调节Z、S电位器（Z：调零；S：增益），使左右水箱各自液位与相对应的LT1、LT2输出电流的线性关系均如下图所示：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；二、实验设备1．THPFSY-2型双容水箱液位对象系统一台2．装有STEP7-Micro/WIN 32编程软件的电脑一台3．西门子S7-200系列PLC一台（附带EM235模块）4．PC/PPI下载电缆一根5．实验导线若干三、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。
下图所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。
设被控水箱流入量为Q 1，改变电动调节阀V 1的开度F1-1可以改变Q 1的大小，被控水箱的流出量为Q 4，改变出水阀F1-3的开度可以改变Q 4。
液位h 的变化反映了Q 1与Q 4不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。
若将Q 1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Q 1之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系有Q 1-Q 4=A dtdh(1-1)将式(2-1)表示为增量形式ΔQ 1-ΔQ 4=A dthd ∆ (1-2)式中：ΔQ 1，ΔQ 4，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，Q 1=Q 4，dtdh＝0；当Q 1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，Q 4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。
过程装备控制技术及应用实验
实验内容一：单容自衡水箱液位特性测试实验实验学时：2学时实验类型：（验证、综合、设计）实验要求：（必修、选修） 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；二、实验设备1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置2. 计算机及相关软件3. 万用电表一只三、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Q 1，改变电动调节阀V 1的开度可以改变Q 1的大小，下水箱的流出量为Q 2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q 2。
液位h 的变化反映了Q 1与Q 2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。
若将Q 1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Q 1之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系有Q 1-Q 2=Adtdh(1-1) 将式(2-1)表示为增量形式 ΔQ 1-ΔQ 2=Adthd (1-2) 式中：ΔQ 1，ΔQ 2，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，Q 1=Q 2，dtdh＝0；当Q 1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，Q 2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Q 2与h 成正比关系，而与阀F1-11的阻力R 成反比，即1-1 单容自衡水箱特性测试系统 （a ）结构图 （b ）方框图ΔQ 2=R h∆ 或 R=2Q ∆∆h (1-3)式中：R ——阀F1-11的阻力，称为液阻。
将式(1-2)、式(1-3)经拉氏变换并消去中间变量Q 2，即可得到单容水箱的数学模型为 W 0（s ）＝)()(1s Q s H ＝1RCs R +=1s +T K (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。
二阶双容水箱液位特性曲线测试
8.序言工业液体的液位控制系统是工业生产中比较典型的控制应用之一，双容水箱液位的控制作为过程控制的典型代表，是众多过程控制专家研究的热点之一，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用，其中控制装置的可靠性与控制方案的准确性一直是影响整个系统性能的关键。
为了从应用角度理解并提高用理论解决实际问题的能力，我在现有液位系统的基础上对控制器及控制算法的改进进行实验性的开发和研究，由于其自身存在滞后、非线性特性及控制系统比较复杂的特点，系统状态、系统参数和控制算法都直接影响控制精度，在传统的油库发油、炼化等行业中，应用单片机对液位的控制，存在计量不精确、失控和安全性差等问题。
为了克服这些缺点，本设计采用西门子公司S7-300系列PLC和WINCC工业组态软件来实现对双容水箱液位的控制。
S7-300系列是一类可编程控制器，可以满足多种多样的自动化控制需要，在工业控制中得到广泛应用。
随着科学技术的飞速发展,PLC 已进入日常生产的各个方面,PLC 的应用在各行各业已成为必不可少的内容。
PLC 是继电器技术和“3C 技术”(计算机、控制、通信)的综合体,是一种控制机器动作顺序的“程控型”控制装置。
他能适应工厂环境要求,工作可靠体积小,功能强,而且“用途可随时改变”.长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。
目前,在电气控制领域,国内外普遍采用PLC。
特别是最近几年的冶金行业中,PLC以其在工业恶劣环境下仍能高可靠性工作,及抗干扰能力强的特点而获得更为广泛的使用。
PLC将电气、仪表、控制这三电集于一体,可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统,以适应各种工业控制的需要。
随着微电子技术的快速发展,PLC的制造成本不断下降,而其功能却大大增强。
在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备,应用几乎覆盖了所有工业企业,日益跃居现代工业自动化三大支(PLC,ROBOT,CAD/CAM)的主导地位。
双容水箱实验报告
一、实验目的1. 了解双容水箱液位控制系统的基本原理和组成。
2. 掌握双容水箱液位控制系统的建模、仿真和实验方法。
3. 学习PID控制算法在双容水箱液位控制系统中的应用。
4. 分析不同控制策略对系统性能的影响，优化控制参数。
二、实验设备1. 双容水箱系统：包括两个水箱、阀门、传感器、执行器等。
2. 控制器：采用PID控制器进行液位控制。
3. 电脑：用于数据采集、仿真和参数调整。
4. MATLAB软件：用于系统建模、仿真和数据分析。
三、实验原理双容水箱液位控制系统主要由水箱、传感器、执行器和控制器组成。
系统的工作原理如下：1. 传感器检测水箱液位，并将液位信号传输给控制器。
2. 控制器根据预设的液位设定值和当前液位值，计算出控制信号。
3. 执行器根据控制信号调整阀门开度，控制进水流量和出水流量。
4. 通过调节进水流量和出水流量，使水箱液位保持在设定值附近。
四、实验步骤1. 系统建模：根据实验设备，建立双容水箱液位控制系统的数学模型。
模型包括水箱的液位方程、进水流量方程和出水流量方程。
2. 系统仿真：在MATLAB中，根据建立的数学模型进行系统仿真。
仿真过程中，调整PID控制器的参数，观察不同参数对系统性能的影响。
3. 实验验证：将PID控制器连接到实际双容水箱系统，进行实验验证。
通过改变液位设定值，观察系统响应和稳定性。
4. 参数优化：根据实验结果，调整PID控制器的参数，使系统性能达到最优。
五、实验结果与分析1. 系统仿真结果：在MATLAB中，通过仿真实验，观察到不同PID控制器参数对系统性能的影响。
结果表明，参数的合理选择对系统性能有显著影响。
2. 实验验证结果：将PID控制器连接到实际双容水箱系统，进行实验验证。
实验结果显示，系统响应速度快，稳定性好，能够有效控制水箱液位。
3. 参数优化结果：根据实验结果，对PID控制器的参数进行优化。
优化后的参数能够使系统在较短时间内达到稳定状态，并保持较高的响应速度。
双容型水箱实验报告
双容型⽔箱实验报告机械电⼦⼯程原理实验报告双容型⽔箱液位与PID控制综合实验组员:XXXXXX年X⽉实验⼀压⼒传感器特性测试及标定测量实验⼀、实验⽬的1、了解本实验装置的结构与组成。
2、掌握压⼒传感器的实验原理及⽅法，对压⼒传感器进⾏标定。
⼆、实验设备1、德普施双容⽔箱⼀台。
2、PC 机及DRLINK4.5 软件。
三、实验原理图1-1 传感器装置图本实验传感器如图1-1所⽰，使⽤⼆个扩散硅压阻式压⼒传感器，分别⽤来测量上⽔箱⽔柱压⼒，下⽔箱⽔柱压⼒。
扩散硅压阻式压⼒传感器实质是硅杯压阻传感器。
它以N型单晶硅膜⽚作敏感元件，通过扩散杂质使其形成4个P型电阻，形成电桥。
在压⼒作⽤下根据半导体的压阻效应，基⽚产⽣应⼒，电阻条的电阻率产⽣很⼤变化，引起电阻的变化，使电桥有相应输出。
经过后级电路的放⼤处理之后输出0~5V之间的电信号。
扩散硅压⼒传感器的输出随输⼊呈线性关系，输出特性曲线⼀般是⼀条直线，⼀般使⽤传感器前需要对此传感器进⾏标定，通常的做法是取两个测量点（x1，y1）和（x2，y2）然后计算特性直线的斜率K和截距B即可。
由于扩散硅压⼒传感器承受的⽔压⼒与⽔的液位⾼度成正⽐，因此扩散硅压⼒传感器通常也⽤来测量液位⾼度。
四、实验内容及结果图1-2 上⽔槽压⼒传感器特性测试及标定测量实验图1-3 下⽔槽压⼒传感器特性测试及标定测量实验5）压⼒传感器的标定系数值表。
表1-1 压⼒传感器标定系数值6）依据压⼒传感器标定系数值绘制的压⼒传感器特性曲线如图1-3，图1-4所⽰：图1-3 上⽔槽压⼒传感器特性曲线图1-4 下⽔槽压⼒传感器特性曲线五、思考题1.在做本实验的时候，为何2次标定的液位⾼度不能够太接近？答：由于液位⾼度与电压值为线性关系，故2次标定的液位⾼度要保持⼀定距离，这样可以有效降低系统误差。
在控制过程中由于⽔泵抽⽔压⼒冲击传感器等影响会对液位传感器产⽣⼀定程度的⼲扰。
为了更好的体现⼀阶液位的特性和准确的获得测量值。
CS4000 型实验装置
CS4000型实验装置双容水箱对象特性测试实验指导书一、实验目的1、了解双容对象的动态特性及其数学模型2、熟悉双容对象动态特性的实验测定法原理3、掌握双容水箱特性的测定方法二、实验设备1、四水箱实验系统DDC实验软件2、PC机（Window XP操作系统）三、双容对象特性实验测定法原理本次实验主要是求取对象的飞升曲线或方波响应曲线。
飞升曲线是在输入量作阶跃变化时测绘输出量随时间变化曲线得到的；方波响应曲线是在输入量作一个脉冲方波变化时测绘输出量随时间变化曲线得到的。
在获得特性曲线的基础上，进行分析获得相应的对象特性。
飞升曲线实验测定方法的具体步骤如下：A、选择工作点给定控制量，让双容水箱对象的液位稳定B、测绘飞升曲线让控制量做阶跃变化，并测绘双容水箱液位随时间变化的曲线C、获得对象的动特性双容水箱的系统结构框图如图2-1所示。
Q2图2-1 双容水箱系统结构图图2-2变化曲线如图2-2所示，这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，输出量是下水箱的水位h2。
当输入量有一个阶跃增加ΔQ1时，输出量变化的反应曲线如图2-38所示的Δh2曲线。
它不再是简单的指数曲线，而是就使调节对象的飞升特性在时间上更加落后一步。
在图中S形曲线的拐点P上作切线，它在时间轴上截出一段时间OA。
这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此，称容量滞后，通常以τC代表之。
设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度h2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：式中 K=R2，T1=R1C1，T2=R2C2，R1、R2分别为阀V1和V2的液阻，C1和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。
式中的K、T1和T2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。
具体的做法是在图2-7所示的阶跃响应曲线上取：1）、h2（t）稳态值的渐近线h2(∞)；2）、h2（t）|t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的点A和对应的时间t1；3）、h2（t）|t=t2=0.8 h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t2。
双容自衡水箱液位特性的测试实验报告
XXXX大学电子信息工程学院专业硕士学位研究生综合实验报告实验名称：双容自衡水箱液位特性的测试专业：控制工程姓名学号：指导教师：完成时间：实验名称：双容水箱特性的测试实验目的：1．掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；2．根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T1、T2及传递函数；3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
实验仪器设备：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。
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，依靠自身重新恢复平衡的过程。
图1所示为双容自衡水箱特性测试结构图及方框图。
阀门F1-1、F1-2和F1-11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Q 1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。
图1 双容水箱对象特性测试系统(a)结构图 (b)方框图方案设计及参数计算：双容水箱的数学模型可用一个二阶加时滞环节来描述。
双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。
在图2所示的阶跃响应曲线上求取：(1))(h.thtt∞==224)(1时曲线上的点B和对应的时间t1；(2))(h.thtt∞==2282）（时曲线上的点C和对应的时间t2。
双容水箱动态特性测试
“过程控制系统设计”实物实验报告实验名称：双容水箱对象特性测试及PID 控制实验姓名：学号：班级：指导老师：同组人：实验时间：2013 年5 月30 日一、实验目的1、了解双容对象的动态特性及其数学模型2、熟悉双容对象动态特性的实验测定法原理3、掌握双容水箱特性的测定方法4、学习双容水箱液位 PID 控制系统的组成和原理5、熟悉 PID 的调节规律6、掌握 PID 控制器参数的整定方法二、实验设计（画出“系统方框图”和“设备连接图”） 控制系统1、双容对象特性实验测定法原理本次实验需要求取对象的飞升曲线（即阶跃响应曲线）或方波响应曲线。
飞升曲线是在 输入量作阶跃变化时测绘输出量随时间变化曲线得到的；方波响应曲线是在输入量作一个脉 冲方波变化时测绘输出量随时间变化曲线得到的。
在获得特性曲线的基础上，进行分析获得 相应的对象特性。
双容对象飞升曲线实验测定方法的具体步骤如下： （1） 选择工作点给定控制量，让双容水箱对象的液位稳定 （2） 测绘飞升曲线让控制量做阶跃变化，并测绘双容水箱液位随时间变化的曲线 （3） 获得对象的动特性假定在输入量变化量为Δu 时测绘的飞升曲线如图１所示：图 １ 双容水箱液位 PID 控制系统的方框图因此，可估算双容水箱的模型为其中lenlen y u u y k *△△=，αοT =τ 于是用实验法测出了双容水箱的动特性。
2、控制系统的组成及原理单回路调节系统，一般是指用一个控制器来控制一个被控对象，其中控制器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
双容水箱液位PID 控制系统也是一种单回路调节系统，典型的双容水箱液位控制系统如图２所示：图２双容水箱液位PID 控制系统的方框图在双容水箱液位PID 控制系统中，以液位为被控量。
其中，测量电路主要功能是测量对象的液位并对其进行归一化等处理；PID 控制器是整个控制系统的核心，它根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节，从而控制双容水箱的液位达到期望的设定值。
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第二节双容水箱特性的测试
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1只
三、实验原理
图2-1 双容水箱对象特性结构图
由图2-1所示，被控对象由两个水箱相串联连接,由于有两个贮水的容积，故称其为双容对象。
被控制量是下水箱的液位，当输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2-62所示。
由图2-2可见，上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数(图2-2(a))，而下水箱液位的响应曲线则呈S形状（2-2(b)）。
显然,多了一个水箱，液位响应就更加滞后。
由S形曲线的拐点P处作一切线，它与时间轴的交点为A,OA则表示了对象响应的滞后时间。
至于双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。
图2-2 双容液位阶跃响应曲线图2-3 双容液位阶跃响应曲线在图2-3所示的阶跃响应曲线上求取：
(1)h2（t)|t=t1=0.4h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t1；
(2)h2（t)|t=t1=0.8h2(∞)时曲线上的点C和对应的时间t2；然后，利用下面的近似公式计算式
由上述两式中解出T1和T2,于是求得双容(二阶)对象的传递函数
为
四、实验内容与步骤
1.接通总电源和相关仪表的电源。
2.接好实验线路，打开手动阀，并使它们的开度满足下列关系：
V1的开度>V2的开度>V3的开度
3.把调节器设置于手动位置，按调节器的增/减，改变其手动输出值（一般为最大值的40～70%，不宜过大，以免水箱中水溢出），使下水箱的液位处于某一平衡位置（一般为水箱的中间位置）。
4.按调节器的增/减按钮，突增/减调节器的手动输出量，使下水箱的液位由原平衡状态开始变化，经过一定的调节时间后，液位h2进入另一个平衡状态。
5.点击实验界面下边的按钮，可切换到实时曲线、历史曲线和数据报表
6.根据实验所得的曲线报表和记录的数据，按上述公式计算K值，再根据图中的实验曲线求得T1、T2值。
60%上升峰值
突变为50%
7.把由计算机作用的实验曲线进行分析处理，并把结果填表入下表中：
液位h
五、思考题
1.做本实验时，为什么不能任意改变两个出水阀门开度的大小？
答：出水阀的开度是改变出水量Q2的，改变水箱泄水的过程。
在此实验中是先将出水阀开至适当的开度。
之后在单容水箱在稳定的过程中，此阀门是不能任意改变的，因为一改变就会对系统带来干扰，造成系统不稳定，不能正确反映实验特性。
只有当系统稳定时，要研究输出量对系统的稳定特性影响时才改变出水阀。
2.用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与哪些因素有关？
答：应曲线可能与实验工作电压的波动，执行器的不稳定性，和系统的控制参数比例度、积分时间、微分时间及测量值的波动都可能带来一定的误差，造成精度下降，同时还跟压力传感器的精度，阀门开度，测试软件都有关系。
3.如果采用上水箱和中水箱做实验，其响应曲线与用中水箱和下水箱做实验的曲线有什么异同？试分析差异原因。
答：若采用中水箱和上水箱做实验，它的响应曲线要比中水箱和下水箱变化的快。
原因：因为中水箱和上水箱的回路较中水箱和下水箱短，上升相同的液位高度，中水箱和下水箱要更长的时间。
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