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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=（V-1）×12.5（当液位为10cm时，输出电压应

液位反馈

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