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1、 DCS系统实验指导书实验时间： 5月25号 序号： 杭 州 电 子 科 技 大 学自动化学院实验报告课程名称： 自动化仪表与过程控制 实验名称： 一阶单容上水箱对象特性测试实验 实验名称： 上水箱液位PID整定实验 实验名称： 上水箱下水箱液位串级控制实验 指导教师： 尚群立 学生姓名： 俞超栋 学生学号：09061821 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AE2000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
2、容水箱如图1-1所示：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
3、： 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-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所示的 图1-2、
4、 阶跃响应曲线阶跃响应曲线后，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AE2000 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。2） 实验步骤(1)打开控制柜中水泵、电动调节阀的电源开关。(
5、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。原始平衡状态：系统输出值水箱水位高度h1上位机显示值0100cmcm40%4.54.0从40%到50%阶跃数据：T（秒）102030405060水箱水位h1(cm)4.54.955.25.55.7上位机读数(cm)4.85.15.45.45.86.1T（秒）708090100110120水
6、箱水位h1(cm)5.75.555.15.76上位机读数(cm)6.56.36.35.85.76.2T（秒）130140150160170180水箱水位h1(cm)5.95.55.55.85.85.7上位机读数(cm)6.76.76.36.26.46.4T（秒）190200210220230240水箱水位h1(cm)5.45.75.35.665.9上位机读数(cm)6.36.26.36.16.36.8T（秒）250260270280290300水箱水位h1(cm)5.95.965.95.75.7上位机读数(cm)6.86.76.76.76.36.7平衡状态1：系统输出值水箱水位高度h1上位机显
7、示值0100cmcm45%5.76.7从45%到50%阶跃数据：T（秒）102030405060水箱水位h1(cm)6.15.85.96.25.86.3上位机读数(cm)6.56.96.56.66.86.6T（秒）708090100110120水箱水位h1(cm)6.46.46.56.56.46上位机读数(cm)77.27.16.97.26.9T（秒）130140150160170180水箱水位h1(cm)6.16.46.56.56.46上位机读数(cm)6.76.56.97.27.26.8T（秒）190200210220230240水箱水位h1(cm)5.96.56.676.86.4上位机读
8、数(cm)6.46.777.37.87.6T（秒）250260270280290300水箱水位h1(cm)6.776.96.46.66.5上位机读数(cm)77.27.77.67.17.3平衡状态2：系统输出值水箱水位高度h1上位机显示值0100cmcm50%6.57.3从50%到55%阶跃数据：T（秒）102030405060水箱水位h1(cm)77.47.87.67.77.4上位机读数(cm)6.87.48.68.48.28.4T（秒）708090100110120水箱水位h1(cm)7.47.37.67.987.8上位机读数(cm)8.287.888.78.8T（秒）1301401501
9、60170180水箱水位h1(cm)7.97.87.97.87.98.3上位机读数(cm)8.98.78.88.48.58.3T（秒）190200210220230240水箱水位h1(cm)87.87.77.97.77.5上位机读数(cm)9.48.88.48.48.48.3T（秒）250260270280290300水箱水位h1(cm)7.988.17.97.57.9上位机读数(cm)8.38.78.98.88.78.6平衡状态3：系统输出值水箱水位高度h1上位机显示值0100cmcm55%7.98.6从55%到60%阶跃数据：T（秒）102030405060水箱水位h1(cm)8.38.4
10、8.28.48.68.6上位机读数(cm)8.698.98.99.19.8T（秒）708090100110120水箱水位h1(cm)8.78.78.998.98.7上位机读数(cm)9.59.89.510.1109.7T（秒）130140150160170180水箱水位h1(cm)998.88.88.98.7上位机读数(cm)9.69.7109.79.79.9T（秒）190200210220230240水箱水位h1(cm)8.68.998.898.9上位机读数(cm)9.69.59.49.69.29.7T（秒）250260270280290300水箱水位h1(cm)8.68.68.78.79.
11、19.2上位机读数(cm)9.89.49.19.19.310平衡状态4：系统输出值水箱水位高度h1上位机显示值0100cmcm60%9.210六、 实验报告要求（1）作出一阶环节的阶跃响应曲线。从40%到45%的阶跃响应曲线：从45%到50%的阶跃响应曲线：从50%到55%的阶跃响应曲线：从55%到60%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。 答：从40%到45%从45%到50%从50%到55%从55%到60%平均值K*R01.71920.96431.1361.0581.097T31.8042100.676229.303434.690433.2473根据测量的数据可求得时间常数T=33.2473，K*R0=1.097。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
