第一个 单容自衡水箱液位特性测试实验

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1、第一节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PCS-E过程控制综合实验装置，电脑三、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2-1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Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变

2、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(2-1)将式(2-1)表示为增量形式ΔQ1-ΔQ2=A(2-2)式中：ΔQ1，ΔQ2，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，Q1=Q2，＝0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出图2-1单容自衡水箱特性测试系统口处的静压也随

3、之变化，Q2也发生变化（a）结构图（b）方框图。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ΔQ2=或R=(2-3)式中：R——阀F1-11的阻力，称为液阻。将式(2-2)、式(2-3)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W0（s）＝＝=(2-4)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。若令Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=，x0=常数，则式(2-4)

4、可改写为H（s）=×=K-对上式取拉氏反变换得h(t)=Kx0(1-e-t/T)(2-5)当t—>∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有K=＝(2-6)当t=T时，则有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h(∞)(2-7)式（2-5）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2-2（a）所示，该曲线上升到稳态值的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。

5、图2-2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2-2（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τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：H(S)=(2-8)四、实验内容与步骤1、了解实验装置中的对象，流程图如下图所示。磁力泵计算机HT上水箱1下水箱变频器2V1V4V62V10储水箱上水箱单容特性测试实验流程图2、按附图上水箱单容特性测试实验接线图接好实验导线和通讯线。3、将手动阀门2V1、2V10、V5、V6打开，其余阀门全

6、部关闭。4、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开DDC控制单元电源。5、在控制板上打开水泵2。6、在信号板上打开变频器输入信号、上水箱1输出信号。7、打开计算机上PCS-E-DDC的MCGS运行环境，选择系统管理菜单中的用户登录，登录用户。8、选择特性实验的上水箱单容特性实验。9、选择手动控制方式。10、在变频器单元上按下键，启动变频器。11、设置阀门开度值，使上水箱液位处于某一平衡位置，记下此时的阀门开度值。12、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），

7、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。13、观察计算机上的实时曲线和历史曲线，直至达到新的平衡为止。14、将阀门开度设置回原来的值，记录一条液位下降的曲线。15、曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表中。阶跃响应曲线数据处理记录表参数值测量情况低液位高液位K1T1τ1K2T2τ2正向输入反向输入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．画出单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，分析并计算出单

8、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出水V4开度的大小？2．用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？