过程控制技术单容水箱特性测试实验

一、实验目的
1.熟悉单容水箱的数学模型，掌握单容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；
2..根据实验测得的液位阶跃响应曲线，确定其特征参数K、

、

及传递函数。
二、实验设备
1．IPA 1 COMPACT STATION—DDC控制模块
2．计算机及MCGS组态软件—DDC控制实验_ModBusRTU.MCG
3．实验专用线若干及RS485转232通讯线一根。
三、实验原理
阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状态下，待工况稳定后，通过控制器手动操作改变对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数据和阶跃响应曲线。然后根据跟定对象模型的形式，对实验数据进行合理的处理，确定模型中的相关参数。
具有自衡能力的单容水箱示意图如图2.1所示。

图2.1.1 具有自衡能力的单容水箱示意图

根据物料平衡方程，可得出单容液位过程的传递函数为

（2.1）
考虑到对象的滞后时间，则单容液位过程的传递函数可用式（2.2）表示

（2.2）
通过实验的方法，可以测得一阶系统的阶跃响应模型。
实验方法如下：

图2.1.2 具有纯滞后的一阶惯性对象的S型阶跃响应曲线
1．手动改变控制器的输出信号

，观察被控变量

的变化过程。
2．由阶跃响应曲线计算被测对象的特征参数
对象的近似模型：

（2.3）
由图2.2可得，稳态增益

为：

（2.4）
纯滞后时间

与时间常数

分别为：

（2.5）

（2.6）
四、实验内容与步骤（以差压变送器液位信号举例）
1．了解实验装置中的对象，流程图如图2.1.3所示。

图2.1.3 上水箱单容特性测试实验流程图
2．接好实验导线。
在传感器信号输出区域，将上水箱液位信号LT1用实验线连接到DDC控制模块的AI0信号输入端，正负一一对应。
将DDC控制模块输出信号AO0连接到执行器控制信号输入区的电动调节阀控制信号端口，正负一一对应。
3．使用485转232通讯线将控制台侧边DDC通讯口 “COM1” 与上位机连接。
4．将手动阀门1V1、V3、V4打开，将手动阀门1V2关闭。
5．先打开控制台左侧的总电源开关，按“Start”按钮启动设备，再打开DDC电源开关。
6．运行计算机上的 DDC控制实验_ModBusRTU.MCG工程，选择“系统管理”下拉菜单中的“用户登录”。如图2.1.4所示。

图2.1.4 MCGS登录界面
7．出现窗口如图2.5所示。

图2.1.5 用户登录界面
8．点击“确认”，用户登录完毕。选择“特性实验”下拉菜单中的“上水箱单容特性实验”。如图2.1.6所示。

图2.1.6“特性实验”下拉菜单
9．出现如图2.1.7所示的“单容特性实验”界面。

图2.1.7 “单容特性实验”界面
10．点击“参数设置”，出现的界面如图2.8所示。

图2.1.8 “参数设置”界面
11．将AI0设置为0 – 30。点击退出，参数设置完毕。
12．设置阀门开度值（如：25%），在控制台上打开水泵、电动调节阀电源。
13．增大阀门开度值，使系统输入幅值适宜的阶跃信号（阶跃信号不要太大，估计上水箱水不要溢出），这时系统输出也有一个变化的信号，使系统在较高液位也能达到平衡状态。记下此时的电流值。
14．观察计算机上的实时曲线和历史曲线，直至达到新的平衡为止。
15．将阀门开度设置回原来的值，记录一条液位下降的曲线。
16．曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表中。
17．实验结束后，关闭水泵1、电动调节阀电源，拆除实验线。

阶跃响应曲线数据处理记录表

测量值况参数值	低液位
测量值况参数值	K1	T1	τ1
1
2
平均值

按常规内容编写实验报告，并根据K、T、τ平均值写出广义的传递函数。
五、实验报告要求
1. 画出单容水箱液位特性测试实验的结构框图。
2. 根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出单容水箱液位对象的参数及传递函数。
六、思考题
1. 做本实验时，为什么不能任意改变出水阀V3开度的大小？
2. 用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？

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