試驗一單容自衡水箱液位特性測試試驗

1、計算機控制技術實驗報告實驗一單容自衡水箱液位特性測試實驗班級 姓名 學號dhQ1-Q2=Adt1-1 單容自衡水箱特性測試結構圖及方框圖實驗一 單容自衡水箱液位特性測試實驗、實驗目的1掌握單容水箱的階躍響應測試方法，并記錄相應液位的響應曲線；2根據(jù)實驗得到的液位階躍響應曲線，用相應的方法確定被測對象的特征參數(shù)K、 T和傳遞函數(shù)；3掌握同一控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實現(xiàn)過程。、實驗原理所謂單容指只有一個貯蓄容器。 自衡是指對象在擾動作用下， 其平衡位置被破壞后， 不 需要操作人員或儀表等干預， 依靠其自身重新恢復平衡的過程。 圖 1-1 所示為單容自衡水箱 特性測試結構圖及方框圖。閥門F1-1、

2、 F1-2和 F1-8全開，設下水箱流入量為 Q1，改變電動調(diào)節(jié)閥 V1的開度可以改變 Q1的大小， 下水箱的流出量為 Q2，改變出水閥 F1-11 的開度可以 改變 Q2。液位 h 的變化反映了 Q1與 Q2 不等而引起水箱中蓄水或泄水的過程。若將Q1作為被控過程的輸入變量， h 為其輸出變量，則該被控過程的數(shù)學模型就是h 與 Q1 之間的數(shù)學表達式。根據(jù)動態(tài)物料平衡關系有(1-1) 將式 (2-1)表示為增量形式 dhQ1-Q2=Adt式中： Q1， Q2 ， h分別為偏 離某一平衡狀態(tài)的增量；A水箱截面積。在平衡時， Q1=Q2， dh 0；當 Q1dt 發(fā)生變化時，液位 h 隨之變化，

3、水箱出 口處的靜壓也隨之變化， Q2 也發(fā)生變化。 由流體力學可知，流體在紊流情況下， 液位 h 與流量之間為非線性關系。但為 了簡化起見，經(jīng)線性化處理后，可近似 認為 Q2與 h 成正比關系，而與閥 F1-11 的阻力 R 成反比，即hhQ2=或 R= (1-3)RQ2式中： R閥 F1-11 的阻力，稱為液阻。將式 (1-2)、式(1-3)經(jīng)拉氏變換并消去中間變量 Q2，即可得到單容水箱的數(shù)學模型為(1-4)W0(s) H(s) RQ1(s)RCs 1 Ts 1式中 T 為水箱的時間常數(shù)， TRC； K為放大系數(shù)， KR；C為水箱的容量系數(shù)。x若令 Q1（ s）作階躍擾動，即 Q1（ s）

4、 = 0 ， x0=常數(shù)，則式 （1-4）可改寫為 sH(s)=K/Tsx0x0 Kx 0=K - s1 s T對上式取拉氏反變換得當 t 時， h（）-h0)=Kx0，h(t)=Kx0(1-e-t/T)因而有(1-5)K=h(） h（ 0） 輸出穩(wěn)態(tài)值x0階躍輸入(1-6)當 t=T 時，則有（1-7）1-2（ a）所示，h（T）=Kx0（1-e-1）=（）式（ 1-5）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖 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(shù)T。也可由坐標原點對響應曲線作切線 OA，切線與穩(wěn)態(tài)值交點 A 所對應的時間就是該時間常數(shù)T，由響應曲線求得

5、 K和 T 后，就能求得單容水箱的傳遞函數(shù)。圖 1-2 單容水箱的階躍響應曲線如果對象具有滯后特性時， 切線，它與時間軸交于 B 點， 間， BC為對象的時間常數(shù)其階躍響應曲線則為圖 與響應穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于 T，所得的傳遞函數(shù)為：1-2（ b），在此曲線的拐點 D 處作 A 點。圖中 OB 即為對象的滯后時(1-8)。實驗之前先將儲水箱中F1-11 開至適當開度 （ 30%KeH(S)=1KeTs三、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇下水箱作為被測對象（也可選擇上水箱或中水箱）貯足水量，然后將閥門 F1-1、F1-2、F1-8 全開，將下水箱出水閥門80%），其余閥門均關閉。本試驗采用智能調(diào)節(jié)儀控制方

6、式，具體實驗步驟如下：1將“SA-12 智能調(diào)節(jié)儀控制” 掛件掛到屏上， 并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi) RS485 通訊口上，將控制屏右側 RS485通訊線通過 RS485/232 轉換器連接到計算機串口 1，并按照 下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT3 下水箱液位”鈕子開關撥到“ ON”的位置。接線如圖 1-3 所示。2接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V 開關電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相 、單相 空氣開關，給電動調(diào)節(jié)閥及智能儀表上電。3打開上位機 MCGS 組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進入 MCGS 運 行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗一、單容自衡水

7、箱對象特性測試” ，進入“實驗一”的監(jiān)控 界面。4通過調(diào)節(jié)儀將輸出值設置為一個合適的值（50%-70%）。5合上三相電源空氣開關，磁力驅動泵上電打水，適當增加/ 減少智能儀表的輸出量，使下水箱的液位處于某一平衡位置，記錄此時的儀表輸出值和液位值。6待下水箱液位平衡后，突增（或突減）智能儀表輸出量的大小，使其輸出有一個正 （或負）階躍增量的變化（即階躍干擾，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(jīng)過一段時間后， 水箱液位進入新的平衡狀態(tài)， 記錄此時的儀表 輸出值和液位測量值，液位的響應過程曲線將如圖 1-4 所示。圖 1-3 儀表控制“單容水箱特性測試”實驗接線圖1-2 中的