实验一、一阶单容上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

CS2000型过程控制实验装置，PC机，DCS控制系统与监控软件。 三、系统结构框图

单容水箱如图1-1所示：

丹麦泵电动调节阀V1Q1DCS控制系统手动输出 hV2Q2

图1-1 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1-1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，出水阀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（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），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)=0.632KR0=0.632h(∞) 即 h(t)=KR0(1-e

-t/T

-1

)

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

式（1-2）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1-2所示。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%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（∞）。 五、实验内容步骤 1) 对象的连接和检查：

(1) 将CS2000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。

(2) 打开以水泵、电动调节阀、孔板流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门.关闭动

力支路上通往其他对象的切换阀门。 (3) 打开上水箱的出水阀至适当开度。

h1( t ) h1(∞ ) 0.63h1(∞) 0 T 图1-2 阶跃响应曲线

2） 实验步骤：

(1) 打开控制柜中水泵、电动调节阀的电源开关。

(2) 启动DCS上位机组态软件，进入主画面，然后进入实验一画面。

(3) 用鼠标点击调出PID窗体框，然后在“MV”栏中设定电动调节阀一个适当开度。 （此实验必须在手动状态下进行。）

（4）观察系统的被调量：上水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录系统输出值，

以及水箱水位的高度h1和上位机的测量显示值并填入下表。

系统输出值 0～100 水箱水位高度h1 cm 上位机显示值 cm （5）迅速增加系统输出值，增加5%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，它们

均可在上位软件上获得。以所获得的数据绘制变化曲线。 T（秒） 水箱水位h1(cm) 上位机读数(cm) （6）直到进入新的平衡状态。再次记录平衡时的下列数据，并填入下表：

系统输出值 0～100 水箱水位高度h1 cm 上位机显示值 cm （7）将系统输出值调回到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响

应过程参数与曲线。填入下表：

t（秒） 水箱水位h1(cm) 上位机读数(cm) （8）重复上述实验步骤。 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、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？ （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?