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时间:2020-04-10
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1、第一节单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.计算机及相关软件3.万用电表一只三、实验原理图2-1单容水箱特性测试结构图由图2-1可知,对象的被控制量为水箱的液位H,控制量(输入量)是流入水箱中的流量Q1,手动阀V1和V2的开度都为定值,Q2为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系,在平衡状态时Q10-Q20=
2、0(1)动态时,则有Q1-Q2=(2)式中V为水箱的贮水容积,为水贮存量的变化率,它与H的关系为,即=A(3)A为水箱的底面积。把式(3)代入式(2)得Q1-Q2=A(4)基于Q2=,RS为阀V2的液阻,则上式可改写为Q1-=A即ARS+h=KQ1或写作=(5)式中T=ARS,它与水箱的底积A和V2的RS有关;K=RS。式(5)就是单容水箱的传递函数。若令Q1(S)=,R0=常数,则式(5)可改为H(S)=×=K-对上式取拉氏反变换得h(t)=KR0(1-e-t/T)(6)当t—>∞时,h(∞)=
3、KR0,因而有K=h(∞)/R0=输出稳态值/阶跃输入当t=T时,则有h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞)式(6)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所示。当由实验求得图2-2所示的阶跃响应曲线后,该曲线上升到稳态值的63%图2-2单容水箱的单调上升指数曲线所对应的时间,就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线,切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数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。如果对象
4、的阶跃响应曲线为图2-3,则在此曲线的拐点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)=图2-3单容水箱的阶跃响应曲线四、实验内容与步骤1.按图2-1接好实验线路,并把阀V1和V2开至某一开度,且使V1的开度大于V2的开度。2.接通总电源和相关的仪表电源,并启动磁力驱动泵。3.把调节器设置于手动操作位置,通过调节器增/减的操作改变其输出量的大小,使水箱的液位处于某一平衡位置。4.手动操作调节器,使其
5、输出有一个正(或负)阶跃增量的变化(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,经过一定的调节时间后,水箱的液位进入新的平衡状态,如图2-4所示。图2-4单容箱特性响应曲线5.启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。6.把由实验曲线所得的结果填入下表。参数值测量值液位hKTτ正向输入负向输入平均值五、实验报告1.写出常规的实验报告内容。2.分析用上述方法建立对象的数学模型有什么局限性?六、思考题1.做本实验时,为什么不能任意改变出水口阀开度的大小?2.用响应曲线法确
6、定对象的数学模型时,其精度与那些因素有关?第一节双容水箱特性的测试一、实验目的1.熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。2.根据由实际测得双容液位的阶跃响应曲线,确定其传递函数。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、原理说明图2-5双容水箱对象特性结构图由图2-5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
7、水箱的液位变化曲线如图2-6所示。由图2-6可见,上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数(图2-6(a)),而下水箱液位的响应曲线则呈S形状(图2-6(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2-6双容液位阶跃响应曲线图2-7双容液位阶跃响应曲线在图2-7所示的阶跃响应曲线上求取:(1)h2(t)
8、t=t1=0.4h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t
9、1;(2)h2(t)
10、t=t2=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 0.32〈t1/t2〈0.46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G(S)=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,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、
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