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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=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（∞）=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 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．记录结果，计算参数、得出传递函数模型 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．用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？ 上水箱(中水箱或下水箱)液位定值控制系统 一、实验目的 了解单闭环液位控制系统的结构与组成。 掌握单闭环液位控制系统调节器参数的整定。 研究调节器相关参数的变化对系统动态性能的影响。 二、实验设备 1．THJ-2型高级过程控制系统装置 2．计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根 3．万用表 1只 三、实验原理 本实验系统的被控对象为上水箱，其液位高度作为系统的被控制量。系统的给定信号为一定值，它要求被控制量上水箱的液位在稳态时等于给定值。由 图3-7 上水箱液位定值控制结构图 反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。图3-7为本实验系统的结构图，图3-8为控制系统的方框图。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下无静差，系统的调节器应为PI或PID。 图3-8 上水箱液位定值控制方框图 四、实验内容与步骤 1．按图3-7要求，完成系统的接线。 2．接通总电源和相关仪表的电源。 3．打开阀F1-1、F1-2、F1-6和F1-9，且把F1-9控制在适当的开度。 4．选用单回路控制系统实验中所述的某种调节器参数的整定方法整定好调节器的相关