仪表实验 - 图文

实验一双容水箱对象特性的测定实验

一、实验目的及要求

1. 了解双容水箱的自衡特性。

2. 掌握双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

3. 实测双容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。 二、实验原理

当对象的动态特性可以用二阶微分方程式来描述时，一般称为二阶对象。本实验的双容水箱即为二阶对象，其表征对象特性的微分方程式的建立和单容水箱类似。本实验的进行同单容水箱实验，采用阶跃反应曲线测试法。

阶跃反应曲线法是被控对象在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节器手动操作改变对象的输入信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理地处理，确定模型中的相关参数。该方法比较简单可行，如本实验输入量是流量，只要将阀门的开度作突然的改变，便可认为施加了阶跃干扰。

双容水箱液位控制结构图如图1所示：

图1 双容水箱液位控制结构图

设上水箱的进水量为Q1，水箱的液面高度为H1，下水箱的进水量为Q2，出水量为Q4，水箱的液面高度为H2。

水槽的动态过程如下：

流入水槽的流量Q1为输入量，水槽液位的高度H1为输出量，输入流量Q1一定时，在稳定状况下，液位H1和H2维持不变。在t0时间突然增大进水阀V1开度，并保持不变，加入阶跃干扰，液位H1和H2开始上升，经过一定时间后，液位稳定在某一新的高度H1′和H2′。

根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：

H2(S)K?G(S)?e??s（1）

Q2(S)(T1S?1)?(T2S?1)式中 K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分别为阀V2和V4的液阻，C1 和C2分别为

上水箱和下水箱的容量系数，式中的K、T1和T2可由实验求得的阶跃响应曲线求出，具体的做法是在图2所示的阶跃响应曲线上取得： （1）h2(t)稳态值的渐近线h2(∞)；

（2）h2(t)|t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的点A和对应的时间t1； （3）h2(t)|t=t2=0.8 h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t2。

图2 双容水箱阶跃曲线

利用下面的近似公式计算上式的参数K、T1和T2。其中：

K?h2(?)输出稳态值?（2） R0阶跃输入t1?t2（3） 2.16（4）T1?T2?对于式（1）所示的二阶过程，0.32

2?2.16此时，过程的传递函数为：G(S)?K（4） 2(TS?1)过曲线的拐点做一条切线，它与横轴交于一点，该点与原点的距离即为滞后时间常数τ。 （5）

TTt112?(1.74?0.55)（5） 2(T1?T2)t2三、实验装置

（一）实验所需仪器、设备

SZJCS-68A型过程控制实验装置： GK-01、GK-02、GK-08挂箱；计算机；水泵；水箱；阀门；管道；接线。 （二）实验装置流程示意图

图3 双容水箱实验装置流程图

四、实验内容及步骤 （一）实验内容

1. 了解本实验装置的结构与组成，认清管路走向。 2. 掌握MCGS组态软件的操作步骤。

3. 按照实验要求对挂箱进行接线，检查设备。

4. 实验测定双容水箱液位的阶跃响应曲线，分别确定它们的对象特性参数。 （二）实验步骤 1. 设备组装与检查

（1）将GK-02、GK-08 挂箱由左至右依次挂于实验屏上。 （2）将挂箱按下述接线方式进行连接：

GK-01 AC220V输出L、N分别接GK-02、GK-08AC220V输入L、N；

GK-01三相变频磁力泵1 U1、V1、W1分别接GK-01 三相380V输出L1、L2、L3； GK-01 LT1红黑端子接GK-02LT1输入红黑端子； GK-01 LT2红黑端子接GK-02LT2输入红黑端子； GK-01 F1红黑端子接GK-02 F1输入红黑端子； GK-02 LT1输出红黑端子接GK-08 AI1黄黑端子； GK-02 LT2输出红黑端子接GK-08 AI3黄黑端子； GK-02 F1输出红黑端子接GK-08 AI4黄黑端子； GK-08通讯端口与计算机连接。

（3）设备组装及接线完成后，待指导老师检查无误后接通电源。

2. 打开电脑，进入MCGS组态软件，MCGS组态软件的操作同实验一《单容水箱对象特性的测定实验》。

3. 双容水箱对象特性的测定

（1）开启磁力泵，给上水箱供水，调节阀门V1的开度，以控制进水口流量F1大小，同时开启阀门V2、V4，给下水箱供水。注意：阀门V1开度不可过大；实验过程中不得任意改变阀门V1、V2、V4的开度；实验过程中阀门V2 的开度必须大于阀V4的开度，以保证实验效果。

（2）观察上水箱和下水箱液位是否稳定，即LT1和LT2的值是否不变，若已稳定，记下此时的上水箱液位LT1、下水箱液位LT2和进水口流量F1。注意：在进行下一步阶跃前，液位必须稳定一定时间。

（3）迅速调节阀门V1开度，使进水口流量F1的输入突然增大10%，等待下水箱液位进入

新的稳定状态。在此过程中等时间间隔记录上水箱液位LT1、下水箱液位LT2、进水口流量F1及时间。注意：阶跃信号不能取得太大，以免影响系统正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。 （4）重复上述实验步骤，进行其他阶跃信号输入的实验。

4. 实验结束，实验数据经指导教师检查合格签字后，关闭磁力泵，切断总电源，整理实验室。

五、实验数据记录与处理 （一）原始数据记录

表1 原始数据记录参考表

双容水箱对象特性的测定实验 实验日期：年月日指导教师： 同组成员： 实验条件：室温℃；相对湿度% 流量计：名称；型号；编号； 液位计：名称；型号；编号； 原始数据记录 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 液位高度LT1 cm 液位高度LT2 cm 流量F1 ml/min 阶跃输入 时间t min

（二）实验数据处理

1. 作出二阶环节的阶跃响应曲线。

2. 根据实验原理中所述的方法，求出被测二阶环节的对象的放大系数K、时间常数T和滞后时间τ。

3. 讨论实验结果。 六、思考与讨论

1. 比较单容水箱阶跃响应曲线和双容水箱阶跃曲线，讨论其各自特点。

2. 结合实验分析为什么放大系数K是对象的静态特性，而时间常数T和滞后时间τ是对象的动态特性？

3. 结合实验结果分析阶跃反应曲线法和矩形脉冲法各有什么特点?

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5gzt.html