实验1 二阶双容中水箱对象特性测试实验

实验1 二阶双容中水箱对象特性测试实验

一、实验目的

1、熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线；

2、根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的飞升特性。 二、实验设备

AE2000B 型过程控制实验装置、实验连接线

图1 双容水箱系统结构图

三、原理说明

如图1所示：这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，被调量是第二水槽的水位h 2。当输入量有一个阶跃增加∆Q 1时，被调量变化的反应曲线如图2所示的∆h 2曲线。它不再是简单的指数曲线，而是呈S 形的一条曲线。由于多了一个容器，就使调节对象的飞升特性在时间上更加落后一步。在图中S 形曲线的拐点P 上作切线，它在时间轴上截出一段时间OA 。

这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此称容量滞后，通常以τ

C 代表之。

设流量Q 1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度h 2为输出量，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：

2112()()* ()(*1)(*1)

s

H S K G S Q S T S T S e τ-==++

图2 变化曲线

式中K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分别为阀V2和V3的液阻，C1和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。由式中的K、T1和T2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。具体的做法是在图3所示的阶跃响应曲线上取：

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。

然后，利用下面的近似公式计算式2-1中的参数

K、T1和T2。其中：2

()

K

O

h

R

∞

==

输入稳态值

阶跃输入量

图3 阶跃响应曲线

4）12

12

t t

T T

2.16

+

+≈

对于式（2-1）所示的二阶过程，0.32〈t1/t2〈0.46。当t1/t2=0.32时，为一阶环节；当t1/t2=0.46

h

0.4

0.8

2

h

h

1

h

2

2

2

时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2（此时T 1=T 2=T=(t 1+t 2)/2* 2.18 ）

5）

121

2122

T T (1.740.55) (T T )t t ≈-+

四、实验步骤

1、设备的连接和检查：

1） 打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀；

2） 将下水箱的出水阀开至适当开度； 3） 检查电源开关是否关闭。 2、启动实验装置

1） 将实验装置电源插头接到单相220V 的单相电源上；

2） 打开总电源漏电保护空气开关，电压表指示220V ，电源指示灯亮； 3） 打开电源总钥匙开关，即可开启电源。 3、实验步骤

1） 开启电动调节阀电源、24V 电源、智能调节仪电源；

2）开启单相泵电源开关，启动动力支路，手动将仪表的输出值迅速上升到小于等于10，将被控参数液位高度控制在30%处（一般为5cm ）；

3）观察系统的被调量—水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录调节仪输出值，以及水箱水位的高度h 2；

4）迅速增加仪表手动输出值，增加10%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，并绘制过程变化曲线；

5） 直到进入新的平衡状态。再次记录测量数据； 6） 重复上述实验步骤。 五、注意事项

1、做本实验过程中，出水阀不能随意改变开度大小；

2、阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；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%；

3、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。

六、实验报告要求

1、作出二阶环节的阶跃响应曲线；

2、试比较二阶环节和一阶环节的不同之处。