实验一、一阶单容水箱对象特性测试实验

实验一、一阶单容水箱对象特性测试实验

一、实验目的

1. 熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

2. 根据实际测得单容水箱液位阶跃响应曲线，确定其参数。 二、实验设备

1. THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验台平台

2. THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)

3. PC机1台(含软件“THBDC-1”) 4. THBDY-1单容水箱液位控制系统 三、系统结构框图

单容水箱的系统结构框图如图2-1所示。

图2-1 单容水箱系统结构图

四、实验原理

阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器，手动改变对象输入信号（阶跃信号），同时记录对象输出数据或阶跃响应曲线。根据已给定对象模型结构形式，对数据进行处理，确定模型中各参数。

图解法是确定模型参数的一种实用方法。不同的模型结构，有不同的图解方法。单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。

如图2-1所示，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，泄水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：

在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

式中，T为水箱的时间常数，T=R2*C，K=R2为单容对象的放大倍数，R1、R2分别为V1、V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。令输入流量Q1 的阶跃变化量为R0，其拉氏变换式为Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为：

当t=T时，则有：

h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞) 即 h(t)=KR0(1-e-t/T)

当t →∞时，h（∞）=KR0，因而有 K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入

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%所对应时间，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，其理论依据是：

上式表示h（t）若以在原点时的速度h（∞）/T 恒速变化，即只要花T秒时间就可达到稳态值h（∞）。

图2-2 阶跃响应曲线

五、实验步骤

1、实验接线

1.1 将水箱面板上的“LT –”与实验台的“GND”相连接；水箱面板上的“LT +”与实验台的“AD1”相连接。

1.2将水箱面板上的“输入 –”与实验台的“GND”相连接；水箱面板上的“输入 +”与实验台的“DA1”相连接。

1.3将水箱面板上的“输出 –”与“水泵电源–”连接；水箱面板上的“输出 +”与“水泵电源+”连接。

1.3打开实验平台的电源总开关。 2、压力变送器调零

本实验在开始实验前必须对压力变送器调零操作。具体方法为： 2.1 将水箱中打满水，然后再全部放到储水箱中；

2.2 旋开压力变送器的后盖，用小一字螺丝刀调节压力变送器中电路板上有“Z”标识的调零电位器，让压力变送器的输出电压为1V；

2.3 再次向水箱中打水，并观察水箱液位与压力变送器输出电压的对应情况，其对应关系为：H液位=（V反馈-1）×12.5（当液位为10cm时，输出电压应为1.8V左右），如不对应，再重复步骤2.1、2.2直到对应为至；

2.4 如果步骤1）、2）、3）还不能调好水箱液位与压力变送器输出电

压的对应情况，那么可适度调节压力变送器中电路板上有“S”标识的增益电位器，再重复步骤2.1、2.2、2.3直到对应为至。但在实际应用中，增益电位器的调节要慎用，一般不调节。

3、脚本程序的参数整定及运行

3.1启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”，运行实验软件。 3.2 顺序点击虚拟示波器界面上的“”按钮和工具栏上的 “” 按钮(脚本编程器)；

3.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制技术应用算法”文件夹下选中“水箱控制”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；

3.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；观察水箱内液位的变化。 3.5 当水箱液位稳定在设定值后，再点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，重新配置P、I、D的参数或改变算法的运行步长，再次启动程序，并观察运行结果。

3.6 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。

注意：① 为了更好地观测液位曲线，本实验中可将“分频系数”设置到最大。

② 直流水泵电源的正反接，可以控制水泵正反转，最好保证水泵处于正转状态；

③ 实验时出水阀的开度一般调节至整个阀开度的70%左右； ④ 由于本实验是基础应用型实验，其液位的控制精度在10%内即可。

T（秒） 水箱水位 h1(cm)

六、 实验报告要求

1、作出一阶环节的阶跃响应曲线。

2、根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。 七、注意事项

1、本实验过程中，出水阀不得任意改变开度大小。

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，以防止因读数误差和其他随机干扰影响对象特性参数的精确度。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。

八、参考程序

dim pv,sv,ei,ex,ey,K,Ti,Td,q0,q1,q2,op,h ‘变量定义 sub Initialize(arg) '初始化函数 WriteData 0 ,1 end sub

sub TakeOneStep (arg) '算法运行函数 pv = ReadData(1) '当前测量值 h=(pv-1)*12.5

TTTRACE \ TTRACE\液位h=%f\

sv=10 ‘水箱液位的控制高度，单位cm

K=0.8 ‘P参数 Ti=5 ‘I参数 Td=0 ‘D参数

Ts=0.2 '采集周期200ms ei=(sv/12.5+1)-pv '当前偏差 q0=k*(ei-ex) '比例项 if Ti=0 then q1=0 else

q1=K*Ts*ei/Ti '积分项 end if

q2=k*td*(ei-2*ex+ey) /Ts '微分项 ey=ex ex=ei

op=op+q0+q1+q2

if op<=1.8 then '输出值限幅 op=1.8 end if

if op>=3.5 then op=3.5 end if

TTRACE\op=3

WriteData op ,1 end sub

sub Finalize (arg) '退出函数 WriteData 0 ,1 end sub

九、思考题

1、在做本实验时，为什么不能任意上水箱泄水阀变化阀的开度大小？ 2、用两点法和用切线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点?

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