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习题一 恒温水箱控制系统模拟及实验 恒温水箱控制系统实验 1、实验装置：水箱（被控对象）、电加热器（执行器）、控制电路（控制器）、热敏电阻（传感器）。以上四部分组成了一个简单的控制系统。如图1-1所示。 图1-1 在控制器中可以输入水箱控制温度以及通断控制回差。控制器会根据设定参数控制电加热器的通断：当热敏电阻温度高于设定温度范围上限时，加热器停止工作；热敏电阻温度小于设定范围下限时，加热器加热。 为了更清楚的观察和记录控制过程中水温的变化曲线，实验中，另采用一套热电偶来测量水温，并将热电偶连接在Datalog数据记录仪上，对实验过程中水温的变化进行逐时记录。 注意：实验中，热敏电阻是控制系统中的传感器，而热电偶是用来测量水温、分析控制系统工作状况的，不属于控制系统。 2、实验目的：通过改变控制器的设定参数，控制水箱中的水温在某个设定温度范围内。改变水箱中的充水量、传感器位置以及不同的设定温度区域，用热电偶测量观察水箱内水温分层情况以及温度变化规律。了解控制系统的组成以及过渡过程时间、周期、静差、通断比等概念，了解通断控制的方法。 3、实验内容： 控制水温60oC，设定回差为2 oC。在相同水初温的条件下改变水箱内的充水量，用热电偶测量温度变化，并接在Datalog数据记录装置上，记录水温变化曲线及过渡过程时间，观察水箱实际控制温度范围。 控制水温60oC，精度分别为(5 oC、(2 oC、(1 oC。设定回差，使水温达到控制要求。记录不同设定回差时温度的变化。 取设定温度为60oC，回差为2 oC。。当系统稳定时，用热电偶测量水箱内垂 直方向上水温变化（记录上中下三层水温变化曲线）。 分别设定温度为40oC、60oC、80oC，回差2 oC。调节参数达到控制要求。系统稳定后，记录不同设定温度下水温的波动情况。 把传感器放在不同的位置，观察控制过程的差别。思考为维持最上层温度不变，传感器应放在何处？ 相关概念： 图1-3 恒温水箱控制系统模拟分析 1、题目要求 在用on-off的调节方式进行恒温供水箱控制时，由于水箱中水的温度有垂直分层现象，当加热器和传感器处于不同位置时，可能出现不同的控制效果。用数学模拟的方法，使用数学工具simulink，分析温度分层现象对控制结果的影响。 2、被控系统和控制要求 在上述实验的基础上，假设水箱中的水是流动的。水从水箱最下层进入，从最上层流出。进口水温20℃，要求控制出口水温60℃，控制精度1℃。用通断控制实现出口水温的控制。模拟加热器和传感器分别放置在水箱不同位置时的控制结果，并分析得出保证出口水温稳定的最佳方案。 3、模拟分析对象及简化假设 水箱和水：六面体铝制水箱，底边正方形，边长25cm，高50cm。水箱装满水，水流下进上出，流量0.01kg/s，水箱放置在金属架子内固定。水箱内，由于铝的热惯性很小，可以近似认为桶壁温与水温相等；水箱外，室温的空气与外壁面自然对流换热。水箱设定温度为60℃，设空气温度和水箱进水温度均为20℃。根据传热学原理可以计算出水箱外表面与空气的对流换热系数。 加热器：可将加热器简化为长20cm，直径2cm的四根并排铁棍，置于某被加热水层的中间。设加热器功率为Q=3000W。根据传热学原理可以计算加热器与水的换热系数。 传感器：传感器质量为ms=0.1g，比热cs=1kJ/kg℃，表面积As=25mm2，传感器与水的表面换热系数为hs=2000J/m2s℃。 控制电加热器的继电器在吸合时有一定的时间延迟，在模拟中，迟滞时间取0.1s。 水层间传热：在相互传热的两个水层之间，当上层水温高于下层水温时，水层间换热可近似的认为是纯导热换热；当上层水温低于下层水温时，水层间换热近似认为是对流换热，对流换热系数可由下述公式计算得出： 。 其中，为水层间温差。 4、常用的拉氏变换 习题二 恒温恒湿空调系统控制仿真模拟 直接蒸发式制冷机中包含蒸发器、加热器、加湿器等设备，常用于实现房间恒温恒湿控制。本题目的目的是利用仿真手段研究直接蒸发式制冷机组的控制策略。在以建立好的蒸发器、加湿器、加热器等系统模型的基础上，设计控制程序，并模拟控制程序在直接蒸发式制冷机组上的运行情况。如图2-1所示。 图2-1 控制对象简化及模型 1、房间模型 为了更突出所研究的问题，将房间简化为一个二阶惯性环节。假设房间内部为温度均匀的空间，不考虑由送风温差而导致的局部温度不同；房间围护结构有一定的热惯性，假设围护结构温度均匀。 房间内空气的热微分方程为： (2.1) 墙壁微分方程为： (2.2) 其中，tw为房间墙壁内表面温度。K为房间内空气与墙面换热系数，F为换热面积。Q为房间产热量，产热量在5