第一组：一阶单容上水箱对象特性测试实验

实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验

一．实验目的

（1）建立单容水箱阶跃响应曲线。

（2）根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用作图的方法分别确定它们的参数（时间常数T、放大系数K）。

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：

Q2

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DCS控制系统监控画面——调整画面，（调节器或其他操作器），手动改变（调节阀的开度）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。

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（1#）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。

2)实验步骤

(1)打开控制柜中水泵、电动调节阀、24V电源的电源开关。

(2)打开DCS控制柜的电源，打开电脑，启动DCS上位机监控软件，进入主画面，然后进入实验一画面“实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验”。

注满水箱打开出水阀打开阀门，连通电动调节阀

关闭支路阀打开上水箱打开上水箱打开电源

进水阀出水阀

打开泵的开关打开调节阀开关打开24V电源打开DCS控制柜电源

(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。

（5）、迅速增加阀门开度，增加5%，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。

（6）、直到进入新的平衡状态。再次记录平衡时的下列数据。

（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。

（8）、重复上述实验步骤。

（9）、最后将数据整理好填入表格，根据数据作出对应曲线并求出相关参数。

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。

t（秒）0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 水箱水位

h 1(cm)

10.40 10.50 10.70 10.85 11.00 11.20 11.30 11.50 11.60 11.70 11.90 12.00

上位机读数

(cm)

26.20 26.50 26.80 27.00 27.30 27.60 27.80 28.00 28.20 28.40 28.70 28.90 t（秒）120 130 140 150 160

水箱水位

h 1(cm)

12.25 12.45 12.55 12.61 12.75

上位机读数

(cm)

29.10 29.20 29.30 29.60 29.60

DCS系统手动给定值水箱水位高度h1 上位机显示值

根据图解法得出时

间常数为T=100s，

放大系数为

K=0.034。

阀门开度

0~100 cm

cm 25

17.68

37.80

t （秒） 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

水箱水位h 1(cm) 13.00 13.30 13.60 14.00 14.30 14.59 14.80 15.15 15.40 15.65 15.85 16.10

上位机读数(cm) 30.30 30.80 31.20 31.80 32.20 32.80 33.30 33.60 34.10 34.50 34.80 35.20 t （秒） 120

130

140

150

160

170

180

190

200

水箱水位h 1(cm) 16.30 16.60 16.75 16.95 17.10 17.35 17.50 17.65 17.68

上位机读数(cm)

35.60 35.90 36.20 36.60 36.90 37.10 37.50 37.70 37.80

根据图解法得出时间常数为T=110s ，放大系数为K=0.068。

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？

答：因为T为水箱的时间常数，T=R2*C，K=R2为单容对象的放大倍数， R2为V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。

当改变水箱出水阀的开度大小时，R2会改变，那么G(s)也会改变，那样的话就不会测出G(s)中的参数了，因为每次都不一样。

(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?

答：两点法：从理论上来说两点就可以确定参数，但是在实际测量中，测量点总是在基准线附近不停地波动，这样很可能会造成测量的不准确，但是两点法只需要测两个点的数据，相对切线法来说简单多了。切线法：和两点法相比，切线法随机性小一点，可以近似地测量和计算出对象的特性参数，但是切线法需要侧大量的数据，用来近似地描绘出对象的特性曲线。