一、測試背景與目的雙容水箱作為過程控制領(lǐng)域典型的多容被控對象，其液位動態(tài)特性直接影響工業(yè)生產(chǎn)中多容液位系統(tǒng)（如化工反應(yīng)釜串級、供水網(wǎng)絡(luò)）的控制精度與穩(wěn)定性。本次測試以某型雙容水箱實驗裝置為對象，通過靜態(tài)與動態(tài)測試，分析其液位-流量特性、動態(tài)響應(yīng)規(guī)律及模型參數(shù)，為后續(xù)控制系統(tǒng)設(shè)計（如PID控制器參數(shù)整定、先進控制算法驗證）提供實驗依據(jù)。二、測試裝置與環(huán)境（一）硬件配置雙容水箱裝置：采用XX科技研發(fā)的SR-TS200型雙容水箱，主水箱有效容積0.15m3，副水箱0.1m3，材質(zhì)為透明亞克力（便于觀測液位），進出水管路內(nèi)徑15mm，配置電動進水閥（調(diào)節(jié)范圍0~5L/min）、手動出水閥（輔助流量調(diào)節(jié)）。傳感器與采集系統(tǒng)：液位傳感器為電容式液位計（型號CL-100，量程0~1m，精度0.5%FS），數(shù)據(jù)采集采用NIcDAQ-9178模塊（采樣頻率10Hz），通過LabVIEW2020軟件實時記錄液位數(shù)據(jù)。輔助設(shè)備：穩(wěn)壓電源（輸出24VDC，紋波≤5%）、電子秤（精度0.1g，用于校準(zhǔn)流量）。（二）環(huán)境條件測試環(huán)境溫度穩(wěn)定在25±2℃，相對濕度50±10%RH，實驗臺水平放置（通過水平儀校準(zhǔn)），供電電壓220V±5%，避免振動與氣流干擾（實驗臺置于隔振平臺）。三、測試方法與步驟（一）靜態(tài)特性測試靜態(tài)特性反映穩(wěn)態(tài)下進水流量（\(Q_{\text{in}}\)）與液位高度（\(H\)）的對應(yīng)關(guān)系。測試步驟：1.關(guān)閉出水閥，調(diào)節(jié)進水閥開度，使進水流量\(Q_{\text{in}}\)分別穩(wěn)定在1L/min、2L/min、3L/min、4L/min、5L/min（通過電子秤稱重法校準(zhǔn)流量，每次稱重時間≥60s）。2.待液位穩(wěn)定（連續(xù)5分鐘內(nèi)液位波動≤0.5mm）后，記錄主水箱（或副水箱，依測試目標(biāo)而定）的液位高度\(H\)，每個流量點重復(fù)測試3次，取平均值。（二）動態(tài)特性測試動態(tài)特性分析液位隨流量階躍變化的響應(yīng)過程，重點獲取時間常數(shù)、延遲時間、響應(yīng)速度等參數(shù)。測試步驟：1.預(yù)調(diào)節(jié)：使水箱在某一穩(wěn)態(tài)工作點（如\(Q_{\text{in}}=2\,\text{L/min}\)，\(H=0.4\,\text{m}\)）運行30分鐘，確保液位穩(wěn)定。2.階躍干擾：在\(t=0\)時刻，將進水閥開度階躍增大（如\(Q_{\text{in}}\)從2L/min增至3L/min），同步啟動數(shù)據(jù)采集，記錄液位隨時間的變化曲線，持續(xù)采集10分鐘（確保液位進入新穩(wěn)態(tài)）。3.重復(fù)與干擾驗證：同一工作點重復(fù)測試3次；另選取\(Q_{\text{in}}=1\,\text{L/min}\to2\,\text{L/min}\)、\(3\,\text{L/min}\to4\,\text{L/min}\)兩組階躍，驗證特性的一致性。四、測試結(jié)果與分析（一）靜態(tài)特性分析表1為不同進水流量下的穩(wěn)態(tài)液位測試結(jié)果（以主水箱為例）：進水流量\(Q_{\text{in}}\)（L/min）12345------------------------------------------------------------------------穩(wěn)態(tài)液位\(H\)（m）0.180.350.520.690.86重復(fù)測試偏差（mm）≤0.8≤0.7≤0.9≤0.6≤0.8以\(Q_{\text{in}}\)為橫坐標(biāo)、\(H\)為縱坐標(biāo)繪制靜態(tài)特性曲線（圖1），可見在1~5L/min范圍內(nèi)，\(H\)與\(Q_{\text{in}}\)近似呈線性關(guān)系（線性相關(guān)系數(shù)\(R^2=0.998\)），擬合方程為：$$H=0.178\cdotQ_{\text{in}}+0.002$$（單位：\(H\to\text{m}\)，\(Q_{\text{in}}\to\text{L/min}\)）分析：雙容水箱的靜態(tài)特性由水箱橫截面積、管道阻力共同決定。本實驗中線性度良好（\(R^2\approx1\)），說明在測試流量范圍內(nèi)，管道沿程阻力的非線性效應(yīng)較弱，可近似為線性對象。（二）動態(tài)特性分析以“\(Q_{\text{in}}=2\,\text{L/min}\to3\,\text{L/min}\)”的階躍響應(yīng)為例，典型液位響應(yīng)曲線如圖2所示（橫軸為時間\(t\)，縱軸為液位\(H\)）。1.響應(yīng)特征參數(shù)提取上升時間（\(t_r\)）：液位從穩(wěn)態(tài)值的10%升至90%所需時間，約為45s；調(diào)節(jié)時間（\(t_s\)）：液位進入新穩(wěn)態(tài)±2%誤差帶的時間，約為85s；穩(wěn)態(tài)增益（\(K\)）：新穩(wěn)態(tài)液位增量與流量增量的比值，即\(K=\frac{\DeltaH}{\DeltaQ_{\text{in}}}=\frac{0.52-0.35}{3-2}=0.17\,\text{m/(L/min)}\)（與靜態(tài)特性擬合結(jié)果一致）；時間常數(shù)與模型辨識：雙容水箱的動態(tài)特性可由兩個一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)描述，傳遞函數(shù)形式為：$$G(s)=\frac{K}{(T_1s+1)(T_2s+1)}$$通過階躍響應(yīng)曲線的切線法（在響應(yīng)曲線拐點處作切線，與穩(wěn)態(tài)值交點的時間為\(T_1+T_2\)，與初始值交點的時間為\(T_1\)），結(jié)合最小二乘法擬合，得到參數(shù)：\(K=0.17\,\text{m/(L/min)}\)，\(T_1=20\,\text{s}\)，\(T_2=30\,\text{s}\)。2.特性規(guī)律分析雙容水箱的階躍響應(yīng)為單調(diào)上升（無超調(diào)），符合兩個一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)的特性（一階系統(tǒng)無超調(diào)，串聯(lián)后仍無超調(diào)）；與單容水箱相比，雙容系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間更長（單容水箱調(diào)節(jié)時間通常為3~5倍時間常數(shù)，雙容為3~5倍\(T_1+T_2\)），反映了“雙容”帶來的額外慣性；不同流量階躍（如\(1\to2\,\text{L/min}\)、\(3\to4\,\text{L/min}\)）的響應(yīng)曲線形狀相似，說明動態(tài)特性具有一致性，可通過統(tǒng)一模型描述。（三）誤差與干擾分析1.系統(tǒng)誤差：液位傳感器的非線性誤差（0.5%FS）導(dǎo)致液位測量偏差≤5mm，可通過校準(zhǔn)（如與標(biāo)尺對比）降低；2.隨機干擾：出水閥手動調(diào)節(jié)時的流量波動（≤0.1L/min），導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)液位波動，后續(xù)測試可更換為電動調(diào)節(jié)閥（精度0.05L/min）；3.模型偏差：理論模型未考慮管道局部阻力（如閥門、彎頭）的非線性，實際響應(yīng)的上升時間略長于理論計算值（理論\(T_1+T_2=50\,\text{s}\)，實測\(t_r=45\,\text{s}\)，接近但有差異）。五、結(jié)論與建議（一）測試結(jié)論1.靜態(tài)特性：在1~5L/min流量范圍內(nèi)，雙容水箱的液位-流量特性近似線性（\(R^2=0.998\)），穩(wěn)態(tài)增益\(K\approx0.17\,\text{m/(L/min)}\)；2.動態(tài)特性：階躍響應(yīng)無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間約85s，傳遞函數(shù)可表示為\(G(s)=\frac{0.17}{(20s+1)(30s+1)}\)（單位：\(H\to\text{m}\)，\(Q_{\text{in}}\to\text{L/min}\)）；3.系統(tǒng)穩(wěn)定性：雙容水箱為無自衡、無超調(diào)的多容對象，控制難度主要源于大慣性（長調(diào)節(jié)時間）。（二）優(yōu)化建議1.裝置改進：將手動出水閥更換為電動調(diào)節(jié)閥，提高流量控制精度（≤0.05L/min），減少干擾；2.測試擴展：增加“出水流量階躍”“多干擾耦合”等測試場景，驗證系統(tǒng)魯棒性；3.控制應(yīng)用：設(shè)計控制器時，可參考本測試的時間常數(shù)（\(T_1=20\,\