双容型水箱实验报告

机械电子工程原理实验报告双容型水箱液位与PID控制综合实验组员:XXXXXX年X月实验一压力传感器特性测试及标定测量实验一、实验目的1、了解本实验装置的结构与组成。

2、掌握压力传感器的实验原理及方法，对压力传感器进行标定。

二、实验设备1、德普施双容水箱一台。

2、PC 机及DRLINK4.5 软件。

三、实验原理图1-1 传感器装置图本实验传感器如图1-1所示，使用二个扩散硅压阻式压力传感器，分别用来测量上水箱水柱压力，下水箱水柱压力。

扩散硅压阻式压力传感器实质是硅杯压阻传感器。

它以N型单晶硅膜片作敏感元件，通过扩散杂质使其形成4个P型电阻，形成电桥。

在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，使电桥有相应输出。

经过后级电路的放大处理之后输出0~5V之间的电信号。

扩散硅压力传感器的输出随输入呈线性关系，输出特性曲线一般是一条直线，一般使用传感器前需要对此传感器进行标定，通常的做法是取两个测量点（x1，y1）和（x2，y2）然后计算特性直线的斜率K和截距B即可。

由于扩散硅压力传感器承受的水压力与水的液位高度成正比，因此扩散硅压力传感器通常也用来测量液位高度。

四、实验内容及结果图1-2 上水槽压力传感器特性测试及标定测量实验图1-3 下水槽压力传感器特性测试及标定测量实验5）压力传感器的标定系数值表。

表1-1 压力传感器标定系数值传感器K值B值液位1传感器0.06440 -7.98567液位2传感器0.065166 -12.63056）依据压力传感器标定系数值绘制的压力传感器特性曲线如图1-3，图1-4所示：图1-3 上水槽压力传感器特性曲线图1-4 下水槽压力传感器特性曲线五、思考题1.在做本实验的时候，为何2次标定的液位高度不能够太接近？答：由于液位高度与电压值为线性关系，故2次标定的液位高度要保持一定距离，这样可以有效降低系统误差。

在控制过程中由于水泵抽水压力冲击传感器等影响会对液位传感器产生一定程度的干扰。

为了更好的体现一阶液位的特性和准确的获得测量值。

在标定之后使用曲线拟合的方法去准确的描述绘制曲线。

实验二一阶液位系统特性测试实验一、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、根据由实际测得的单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、实验设备1、德普施双容型水箱一台。

2、PC机及DRLINK4.5软件。

三、系统结构框图水泵上水箱进水阀手动控制调节阀上水箱出水阀图2-1 一阶液位系统结构图四、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，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。

然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，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图2-2 一阶系统模型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2-2 水流入量Q i 由调节发开度u加以控制，流出量Q0则由用户根据需要通过负载阀来改变。

被调量为水位h，它反应水的流入与流出之间的平衡关系。

令Q i 表示输入水流量的稳态值，ΔQ i 表示输入水流量的增加，Q0表示输出水流量的稳态值ΔQ0表示输出水流量的增量，h表示液位高度，h0表示液位的稳态值，Δ h表示液位的增量，u表示调节阀的开度。

设A为液槽横截面积，R为流出端负载阀门的阻力即液阻。

根据物料平衡关系，在正常工作状态下，初始时刻处于平衡状态：Q0=Q i ，h = h0，当调节阀开度发生变化Δu时，液位随之发生变化。

在流出端负载阀开度不变的情况下，液位的变化将使流出量改变。

流入量与流出量之差为：(1)式中，V 为液槽液体贮存量；Δ Q i 由调节阀开度变化Δu引起，当阀前后压差不变时，有（2）ΔQ i = K uΔu其中K u 为阀门流量系数。

流出量与液位高度的关系为Q0 =A 0 ，这是一个非线性关系式，可在平衡点(h0,Q0) 附近进行线性化，得液阻表达式(3)将式（2）和（3）代入式（1），可得(4)式中，T = RA, K = K u R 。

在零初始条件下，对式（4）两端进行拉氏变换，得到单容水槽的传递函数为一阶系统的单位阶跃响应为非周期响应，具备一个重要的特点。

可以用时间常数T 去度量系统输出量的数值。

例如，当t=T 时，h(T)=0.632;而当t 分别等于2T，3T 和4T 时h(t) 的数值分别等于终值的86.5%，95%和98.2%。

根据这一实验方法测定一阶系统的时间常数。

由于时间常数T 反映系统的惯性，所以一阶系统的惯性越小，其响应过程越快；反之越大响应越慢。

当由实验求得图1-2所示阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63.2%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。

h1( t ) h1(∞ )0.63h1(∞)0 T图1-2 阶跃响应曲线五、实验结果1）平衡时，记录系统输出值，以及水箱水位的高度h1和上位机的测量显示值如下表。

系统输出值（0～1000）水箱水位高度h1（cm）上位机显示值（cm）500 14.3 14.33658530 17.0 17.035782）迅速增加系统输出值，增加一定的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，以所获得的数据绘制变化曲线。

根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。

得，T=586ms K=13）将系统输出值调回到之前的位置，观察DRLINK显示的曲线，记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。

六、实验思考题1、在做本实验时，为什么不能任意变化上水箱出水阀的开度大小？答：本实验中，系统通过调节水泵抽水来实现对液位高度的控制，控制出水阀开度不变有利于系统快速实现控制，任意变化上水箱出水阀的开度大小不利于实验的进行。

2、用两点法和用切线法对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点?答：相对而言，两点法通过在响应曲线上实际取两个点连立求解，更为准确，图解法在寻找拐点的时候会存在一定的误差，但计算相对简单，也较为方便，在实际应用中，我们要在权衡极端结果的快速性和准确性之后做出更合适的决定。

实验三二阶液位系统特性测试实验一、实验目的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、实验设备1、德普施双容水箱一台。

2、PC 机及DRLINK4.5 软件。

三、实验原理图3-1 二阶液位系统结构图阶跃响应测试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。

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。

如图所示两个串联单容水槽构成的双容水槽。

其输入量为调节阀 1 产生的阀门开度变化Δu，而输出量为第二个水槽的液位增量Δh2。

图3-2 二阶系统模型在水流量增量、水槽液位增量及液阻之间，经平衡点线性化后，可以导出如下关系式：(7)(8)(9)(10)式中，和为两液槽的液阻。

将式（8）代入式（7），得故有(11)(12)将式（10）及式（8）带入式（9）中，得分别将式（11）和（12）带入上式中，整理后可得双容水槽的微分方程(13)式中，T1 =R1C1为第一个水槽的时间常数；T2 =R2C2为第二个水槽的时间常数；K 为双容水槽的传递系数。

在零初始条件下，对式（13）进行拉氏变换，得到双容水槽的传递函数这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，输出量是下水箱的水位h2。

当输入量当输入量有一个阶跃增加时Q2，输出变化的反应曲线如图3-3所示。

图3-3 阶跃响应曲线传递函数中的K 、T1和T2须从由实验求得的阶跃响应曲线求出。

具体的做法是在图3-3 所示的阶跃曲线上取：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3-1中的参数K、T1、T2。

其中：；4）;对于图3-3所示的二阶过程，0.32<t1t2 <0.46。

当t1t2 =0.32时，可近似为一阶环节；当t1t2 = 0.46 时，过程传递函数G(s) = K(TS +1)2 ( 此时T1 = T2 = T = (t1 +t2 ) / 2* 2.18 );5);四、实验内容及结论系统的被调量——水箱的水位平衡后，记录系统输出值，以及水箱水位高度h2和上位机的测量显示值如下表。

系统输出值（0~100）水箱水位高度h2（cm）上位机显示值（cm）450 9.3 9.2588552）迅速增加系统手动输出值，增加10%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，绘制过程变化曲线。

3）直到进入新的平衡状态。

再次记录测量数据如下表：系统输出值（0~100）水箱水位高度h2（cm）上位机显示值（cm）500 13.8 13.824574）将系统输出值调回步骤4）前的位置，观察DRLINK显示的曲线，记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。

填入下表：据实验原理中所述的方法，求出二阶环节的相关参数。

T=924.32msK=1五、思考题1、在做本实验时，为什么不能任意变化下水箱出水阀的开度大小？答：本实验中，系统通过调节水泵抽水来实现对液位高度的控制，控制出水阀开度不变有利于系统快速实现控制，任意变化下水箱出水阀的开度大小不利于实验的进行。

2、用两点法和用切线法对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点?答：相对而言，两点法通过在响应曲线上实际取两个点连立求解，更为准确，图解法在寻找拐点的时候会存在一定的误差，但计算相对简单，也较为方便，在实际应用中，我们要在权衡极端结果的快速性和准确性之后做出更合适的决定。

实验四 一阶液位系统的PID 控制器设计与控制实验一、实验目的1、 学习掌握一阶系统的负反馈系统的组成。

2、 学习掌握PID 控制器的调整方法。

3、 单容水箱的PID 控制及调整。

二、实验设备1、 德普施双容水箱一台。

2、 PC 机及 DRLINK4.5 软件。

三、实验原理给定值液位检测图4-1 一阶液位系统PID 调节结构图上图为单容水箱液位控制系统结构图。

这是一个单回路反馈控 制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度； 并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。