实验三 双容水箱液位定值控制

实验原理：

本实验以中水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT3检测到的下水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。

实验系统控制方框图如下所示：

图3－1 双容液位定值控制系统方框图

实验内容一：观察系统在PI控制参数下的动态响应曲线

1、按要求设定参数，液位给定值SV＝80mm，PI参数为P＝20，I＝60。

2、设置好系统的给定值后，用手动操作AI智能调节仪的输出，通过电动调节阀给上水箱打水，待其液位达到给定量所要求的值，且基本稳定不变时，把输出切换为自动，使系统投入自动运行状态。

其总貌图如下图所示：

图3－2 双容液位定值控制系统总貌图

上图曲线中所示，恒定不变的曲线线为下水箱液位的设定值，上面一条曲线为下水箱液位的的测量值，下面一条曲线为中水箱液位的测量值。

3、观察系统在设定的控制参数下的动态响应曲线，如下图所示：

图3－3 双容液位定值控制系统动态响应曲线

由上图可知，其最大测量值为PVmax=119.35mm，由此可得出其最大超调量δ＝(119.35－80)/80*100％，δ=50％ 。

又由实时数据知：t1＝09:59:15，t2＝10:04:43

则其上升时间t＝t2－t1=328s 。

由以上可知，该双容控制系统的动态响应不如单容液位定值控制系统的动态响应，并且，在双容定值控制系统中，系统的响应还有一定的滞后，其滞后时间为T=94s 。

分析以上现象可得出以下的结论：

本实验中被测对象由两个不同容积的水箱相串联组成，故称其为双容对象。根据前一实验单容水箱液位定值控制的原理，可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：

 G(s)=G1(s)G2(s)= －1)  

式中K＝k1k2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。

本实验中被测量为下水箱的液位，当中水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图3－4所示。由图3－4可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图3－4 (a)）；而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图3－4 (b)），即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1－10和F1－11的开度大小密切相关。一般情况下，要求阀F1－10的开度要大于阀F1－11的开度，这样才能保证在系统稳态时有流量平衡关系：Q1=Q2。

图3－4 双容水箱液位的阶跃响应曲线

（a）中水箱液位  （b）下水箱液位

实验内容二：研究系统在扰动作用下的动态响应过程

1、当系统稳定在给定值后，给系统加一阶跃干扰，使SV＝90mm，观察其动态响应过程。响应曲线如下图所示：

图3－5 阶跃扰动下系统的响应曲线

由上图可看出，与单容系统一样该控制系统具有良好的抗干扰的能力。当干扰出现后，系统能在调节阀的工作下很快的进行调整，并在短时间内达到新的稳定状态。

2、当系统再次稳定后，开启变频器—磁力泵，打开阀F2－5，利用这一支路打水进入下水箱形成干扰。变频器的频率固定在18.7Hz。

其曲线如下图所示：

图3－6 变频扰动作用在下水箱时的曲线

3、关闭阀F2－5，打开阀F2－4，使扰动作用在中水箱。变频器的频率仍固定在18.7Hz。

 其曲线如下图所示：

图3图3－7变频扰动作用在中水箱时的曲线

 由以上两个曲线可以看到，当利用变频器－磁力泵支路打水形成干扰时，将水打入中水箱时比打入下水箱时对系统的影响要小，也就是说，系统克服进入中水箱的干扰的能力要比克服进入下水箱的干扰的能力要强。这是因为，扰动进入系统的位置越远离被控参数，对系统的动态控制质量越有利。可以在图3－1和下图中看到，进入中水箱的干扰f2显然要比进入下水箱的干扰f1要更远离被控参数。

图3－8  扰动作用于不同位置的控制系统