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1、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AE2000A型过程控制实验装置。配置：万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。三系统结构框图单容水箱如图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
2、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为过程的放大倍数，R2为V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。令输入流量Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位的高度为：当t=T时，则有：h(T)=KR0(1-e-1)=0.6
3、32KR0=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/阶跃输入图1-2、 阶跃响应曲线式（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、实验内容和步骤1、 设备的连接和检查：（1）、关闭阀22
4、，将AE2000A 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。（2）、打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门：阀1、阀4、阀6，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门:阀2、阀10、阀17、阀20。（3）、打开上水箱的出水阀：阀8至适当开度。（4）、检查电源开关是否关闭2、 系统连线图：图1-3、 实验接线图1）、如图1-3所示：将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到OFF位置。2）、将上水箱液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV的+极），上水箱液位-（负极 ）接到智能调节仪的2端（即RSV的负极）。3）、将智能调节仪的420mA输出端的7端（即+
5、极）接至电动调节阀的420mA输入端的+端（即正极），将智能调节仪的420mA输出端的5端（即-极）接至电动调节阀的420mA输入端的-（即负极）。4）、电源控制板上的三相电源、单相的空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。5）、电动调节阀的220V电源开关打在关的位置 。6）、智能调节仪的220V电源开关打在关的位置 。3、启动实验装置1）、将实验装置电源插头2接到380V的三相交流电源。2）、打开电源三相带漏电保护空气开关,电压表指示380V。3）、打开总电源钥匙开关，按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源。4、实验步骤1）、开启单相空气开关，根据仪表使用说明书和液位传感器使用说明调整好仪
6、表各项参数和液位传感器的零位、增益，仪表输出方式设为手动输出，初始值为0。2）、启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验如图2-4所示：2-4、实验软件界面3）、双击设定输出按钮，进行设定输出值的大小，或者在仪表手动状态下，按住仪表的STOP键将仪表的输出值上升到所想设定的值，这个值根据阀门开度的大小来给定，一般初次设定值25。开启单相泵电源开关，启动动力支路。将被控参数液位高度控制在20%处（一般为7cm）。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，应记录调节仪输出值，以及水箱水位的高度h1和智能仪表的测量显示值并填入下表。仪表输出值水箱水位高度h1仪表显示值
7、0100cmcm5）、迅速增加仪表手动输出值，增加5%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，均可在上位软件上获得，以此数据绘制变化曲线。T（秒）水箱水位h1(cm)仪表读数(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：仪表输出值水箱水位高度h1仪表显示值0100cmcm7）、将仪表输出值调回到步骤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)仪表读数(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.做本实验过程中，阀8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，以防止对象特性的不真实性。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阀8的开度大小？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?
