实验一单容自衡水箱液位特性测试实验

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1、实验一单容自衡水箱液位特性测试实验计算机控制技术实验报告实验一单容自衡水箱液位特性测试实验班级：姓名：学号：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.根裾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；3.掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。二、实验原理所谓单容指只冇一个贮蓄容器。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

2、、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀VI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将式(2-1)表示为增量形式AQ1-AQ2=Adh(1-1)dtd?h(1-2)dt式屮：AQl，AQ2,Ah——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

3、1=Q2,dh=O；当Qldt发生变化时，液位h随之变化，水箱出门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△Q2=?h?h或R=(1-3)图1-1单容自衡水箱特性测试结构图及方框图R?Q2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Q2,即可得到单容水箱的数学模型为WO(s)=RKH(s)==(1-4)Ql(s)RC

4、s?lTs?l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)=xO,xO=常数，则式(1-4)可改写为sH(s)=KxOxxK/TXO=KO-llsss?s?TTh(t)=KxO(l-e-t/T对上式取拉氏反变换得)(1_5)当t—时，h(°°)-h(0)=KxO，因而有K=当t=T时，则有h(T)=Kx0(l-e)=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

5、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。-lh(?)?h(0)输出稳态值=(1-6)阶跃输入x0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t，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：Ke??sH(S)=(l-8)l?Ts

6、三、实验内容与步骤本实验选择下水箱作为被测对象(也可选择上水箱或中水箱)。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门Fl-1、Fl-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11开至适当幵度（30%〜80%）,其余阀门均关闭。本试验采用智能调节仪控制方式，具体实验步骤如下：1.将“SA-12智能调节仪控制”挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的

7、位置。接线如图1-3所示。2.接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相I、单相III空气开关，给电动调节阀及智能仪表上电。3.打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入“实验一”的监控界面。4.通过调节仪将输出值设置为一个合适的值（50%-70%）。5.合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输

8、出值和液位值。6.待下水箱液位平衡后，突增（或突减）智能仪表输出量的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，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，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录此时的仪表输出值和液位测量值，液位的响应过程曲线将如图1-4所示。1-3仪表控制“单容水箱特