單容水箱特性的測試.docx

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1、第一節(jié)單容水箱特性的測試一、實驗目的1.掌握單容水箱的階躍響應的測試方法，并記錄相應液位的響應曲線。2.根據實驗得到的液位階躍響應曲線，用相關的方法確定被測對象的特征參數T和傳遞函數。二、實驗設備1.THJ-2型高級過程控制系統實驗裝置2.計算機及相關軟件3.萬用電表一只三、實驗原理圖1-1單容水箱特性測試結構圖由圖1-1可知，對象的被控制量為水箱的液位H，控制量（輸入量）是流入水箱中的流量Q1，手動閥V1和V2的開度都為定值，Q2為水箱中流出的流量。根據物料平衡關系，在平衡狀態(tài)時Q1-Q2=0(1)動態(tài)時，則有Q1-Q2=dv/

2、dt(2)式中V為水箱的貯水容積，dV/dt為水貯存量的變化率，它與H的關系為dV=Adh,即dV/dt=Adh/dt(3)A為水箱的底面積。把式(3)代入式(2)得Q1-Q2=Adh/dt(4)基于Q2=h/RS，RS為閥V2的液阻,則上式可改寫為Q1-h/RS=Adh/dt即ARsdh/dt+h=KQ1或寫作H(s)K/Q1(s)=K/(TS+1)(5)式中T=ARs,它與水箱的底積A和V2的Rs有關:K=Rs。式(5)就是單容水箱的傳遞函數。對上式取拉氏反變換得(6)當t—>∞時,h(∞)=KR0,因而有K=h(∞)/R0=

3、輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入當t=T時，則有h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞)式(6)表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應曲線是一單調上升的指數函數，如圖1-2所示。圖1-2單容水箱的單調上升指數曲線當由實驗求得圖1-2所示的階躍響應曲線后,該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對應的時間,就是水箱的時間常數T。該時間常數T也可以通過坐標原點對響應曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點所對應的時間就是時間常數T,由響應曲線求得K和T后,就能求得單容水箱的傳遞函數。如果對象的階躍響應曲線為圖1-3,則在此曲線的拐點D處作一切線，它與時間軸交

4、于B點,與響應穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于A點。圖中OB即為對象的滯后時間τ,BC為對象的時間常數T,所得的傳遞函數為：圖1-3單容水箱的階躍響應曲線四、實驗內容與步驟1．按圖1-1接好實驗線路,并把閥V1和V2開至某一開度,且使V1的開度大于V2的開度。2．接通總電源和相關的儀表電源,并啟動磁力驅動泵。3．把調節(jié)器設置于手動操作位置，通過調節(jié)器增/減的操作改變其輸出量的大小，使水箱的液位處于某一平衡位置。4．手動操作調節(jié)器，使其輸出有一個正(或負)階躍增量的變化(此增量不宜過大,以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經過一定

5、的調節(jié)時間后，水箱的液位進入新的平衡狀態(tài)，如圖1-4所示。圖1-4單容箱特性響應曲線5．啟動計算機記下水箱液位的歷史曲線和階躍響應曲線。（1）正向輸入曲線（2）負向輸入曲線6．實驗數據計算（1）正向輸入T=t12-t1=1：53：55-1:52:18=1:37=97(s)h(∞)=h2(∞)-h1(∞)=74.71mm-26.81mm=49.7mmR0=Q2-Q1=459.8L/h-397.9L/h=61.9L/hK=h(∞)/R0=49.7/61.9=0.8029H（S）=×=K-==-（2）負向輸入:T=t23-t2=1:57

6、:24-1:56:06=1:18=78(s)h(∞)=h2(∞)-h3(∞)=74.71mm-37.44mm=37.27mmR0=Q2-Q1=459.8L/h-388.0L/h=71.8L/hK=h(∞)/R0=37.27/71.8=0.5191H（S）=×=K-==-7．實驗曲線所得的結果填入下表。測量值參數值放大系數K周期T時間常數τ液位h正階躍輸入0.802997(s)049.7mm負階躍輸入0.519178(s)037.27mm平均值0.661087.5043.49mm五、思考題1．用響應曲線法確定對象的數學模型時，其精度

7、與哪些因素有關？答：因為系統用到了儀表，因此與儀表的精度有關，同時與出水閥開度的大小有關。并和放大系數K、時間常數T以及純滯后時間有關。另外，也會受實驗室電壓的波動與測試軟件的影響。2．如果采用中水箱做實驗，其響應曲線與上水箱的曲線有什么異同？試分析差異原因。答：若采用中水箱做實驗，它的響應曲線要比上水箱變化的慢。原因：因為中水箱的回路比上水箱的回路要長，上升相同的液位高度，中水箱要更長的時間。3．在本實驗中階躍信號是否可以任意選取，為什么？答：不可以。比如階躍信號的幅值過大，則相當于K值過大，這樣會產生超調節(jié)量，調節(jié)時間就會過長

8、，因此階躍信號不可以隨意選取。