习题一恒温水箱控制系统模拟及实验

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1、1、实验装置：水箱（被控对象）、电加热器（执行器）、控制电路（控制器）、热敏电阻（传感器）。以上四部分组成了一个简单的控制系统。如图1-1所示。...&习题一恒温水箱控制系统模拟及实验一、恒温水箱控制系统实验1、实验装置：水箱（被控对象）、电加热器（执行器）、控制电路（控制器）、热敏电阻（传感器）。以上四部分组成了一个简单的控制系统。如图1-1所示。图1-1在控制器中可以输入水箱控制温度以及通断控制回差。控制器会根据设定参数控制电加热器的通断：当热敏电阻温度高于设定温度范围上限时，加热器停止工作；热敏电阻温度小于设定范围下限时，加热器加热。为了更清楚的观察和记录控制过程中水温的变化曲

2、线，实验中，另采用一套热电偶来测量水温，并将热电偶连接在Datalog数据记录仪上，对实验过程中水温的变化进行逐时记录。注意：实验中，热敏电阻是控制系统中的传感器，而热电偶是用来测量水温、分析控制系统工作状况的，不属于控制系统。2、实验目的：通过改变控制器的设定参数，控制水箱中的水温在某个设定温度范围内。改变水箱中的充水量、传感器位置以及不同的设定温度区域，用热电偶测量观察水箱内水温分层情况以及温度变化规律。了解控制系统的组成以及过渡过程时间、周期、静差、通断比等概念，了解通断控制的方法。3、实验内容：1)控制水温60oC，设定回差为2oC。在相同水初温的条件下改变水箱内的充水量，用

3、热电偶测量温度变化，并接在Datalog数据记录装置上，记录水温变化曲线及过渡过程时间，观察水箱实际控制温度范围。2)控制水温60oC，精度分别为±5oC、±2oC、±1oC。设定回差，使水温达到控制要求。记录不同设定回差时温度的变化。3)取设定温度为60oC，回差为2oC。。当系统稳定时，用热电偶测量水箱内垂直方向上水温变化（记录上中下三层水温变化曲线）。4)分别设定温度为40oC、60oC、80oC，回差2oC。调节参数达到控制要求。系统稳定后，记录不同设定温度下水温的波动情况。5)把传感器放在不同的位置，观察控制过程的差别。思考为维持最上层温度不变，传感器应放在何处？相关概念：

4、图1-3一、恒温水箱控制系统模拟分析1、题目要求在用on-off的调节方式进行恒温供水箱控制时，由于水箱中水的温度有垂直分层现象，当加热器和传感器处于不同位置时，可能出现不同的控制效果。用数学模拟的方法，使用数学工具simulink，分析温度分层现象对控制结果的影响。2、被控系统和控制要求在上述实验的基础上，假设水箱中的水是流动的。水从水箱最下层进入，从最上层流出。进口水温20℃，要求控制出口水温60℃，控制精度1℃。用通断控制实现出口水温的控制。模拟加热器和传感器分别放置在水箱不同位置时的控制结果，并分析得出保证出口水温稳定的最佳方案。3、模拟分析对象及简化假设1)水箱和水：六面体

5、铝制水箱，底边正方形，边长25cm，高50cm。水箱装满水，水流下进上出，流量0.01kg/s，水箱放置在金属架子内固定。水箱内，由于铝的热惯性很小，可以近似认为桶壁温与水温相等；水箱外，室温的空气与外壁面自然对流换热。水箱设定温度为60℃，设空气温度和水箱进水温度均为20℃。根据传热学原理可以计算出水箱外表面与空气的对流换热系数。2)加热器：可将加热器简化为长20cm，直径2cm的四根并排铁棍，置于某被加热水层的中间。设加热器功率为Q=3000W。根据传热学原理可以计算加热器与水的换热系数。3)传感器：传感器质量为ms=0.1g，比热cs=1kJ/kg℃，表面积As=25mm2，传

6、感器与水的表面换热系数为hs=2000J/m2s℃。4)控制电加热器的继电器在吸合时有一定的时间延迟，在模拟中，迟滞时间取0.1s。5)水层间传热：在相互传热的两个水层之间，当上层水温高于下层水温时，水层间换热可近似的认为是纯导热换热；当上层水温低于下层水温时，水层间换热近似认为是对流换热，对流换热系数可由下述公式计算得出：。其中，为水层间温差。4、常用的拉氏变换习题二恒温恒湿空调系统控制仿真模拟直接蒸发式制冷机中包含蒸发器、加热器、加湿器等设备，常用于实现房间恒温恒湿控制。本题目的目的是利用仿真手段研究直接蒸发式制冷机组的控制策略。在以建立好的蒸发器、加湿器、加热器等系统模型的基础

7、上，设计控制程序，并模拟控制程序在直接蒸发式制冷机组上的运行情况。如图2-1所示。图2-1一、控制对象简化及模型1、房间模型1)为了更突出所研究的问题，将房间简化为一个二阶惯性环节。假设房间内部为温度均匀的空间，不考虑由送风温差而导致的局部温度不同；房间围护结构有一定的热惯性，假设围护结构温度均匀。房间内空气的热微分方程为：(2.1)墙壁微分方程为：(2.2)其中，tw为房间墙壁内表面温度。K为房间内空气与墙面换热系数，F为换热面积。Q为房间产热量，产热量