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一、實驗目的
1.熟悉單容水箱的數(shù)學模型，掌握單容水箱特性的階躍響應曲線測試方法；
2..根據(jù)實驗測得的液位階躍響應曲線，確定其特征參數(shù)K、

、

及傳遞函數(shù)。
二、實驗設備
1．IPA 1 COMPACT STATION—DDC控制模塊
2．計算機及MCGS組態(tài)軟件—DDC控制實驗_ModBusRTU.MCG
3．實驗專用線若干及RS485轉232通訊線一根。
三、實驗原理
階躍響應測試法是被控對象在開環(huán)運行狀態(tài)下，待工況穩(wěn)定后，通過控制器手動操作改變對象的輸入信號（階躍信號），同時記錄對象的輸出數(shù)據(jù)和階躍響應曲線。然后根據(jù)跟定對象模型的形式，對實驗數(shù)據(jù)進行合理的處理，確定模型中的相關參數(shù)。
具有自衡能力的單容水箱示意圖如圖2.1所示。

圖2.1.1 具有自衡能力的單容水箱示意圖

根據(jù)物料平衡方程，可得出單容液位過程的傳遞函數(shù)為

（2.1）
考慮到對象的滯后時間，則單容液位過程的傳遞函數(shù)可用式（2.2）表示

（2.2）
通過實驗的方法，可以測得一階系統(tǒng)的階躍響應模型。
實驗方法如下：

圖2.1.2 具有純滯后的一階慣性對象的S型階躍響應曲線
1．手動改變控制器的輸出信號

，觀察被控變量

的變化過程。
2．由階躍響應曲線計算被測對象的特征參數(shù)
對象的近似模型：

（2.3）
由圖2.2可得，穩(wěn)態(tài)增益

為：

（2.4）
純滯后時間

與時間常數(shù)

分別為：

（2.5）

（2.6）
四、實驗內容與步驟（以差壓變送器液位信號舉例）
1．了解實驗裝置中的對象，流程圖如圖2.1.3所示。

圖2.1.3 上水箱單容特性測試實驗流程圖
2．接好實驗導線。
在傳感器信號輸出區(qū)域，將上水箱液位信號LT1用實驗線連接到DDC控制模塊的AI0信號輸入端，正負一一對應。
將DDC控制模塊輸出信號AO0連接到執(zhí)行器控制信號輸入?yún)^(qū)的電動調節(jié)閥控制信號端口，正負一一對應。
3．使用485轉232通訊線將控制臺側邊DDC通訊口 “COM1” 與上位機連接。
4．將手動閥門1V1、V3、V4打開，將手動閥門1V2關閉。
5．先打開控制臺左側的總電源開關，按“Start”按鈕啟動設備，再打開DDC電源開關。
6．運行計算機上的 DDC控制實驗_ModBusRTU.MCG工程，選擇“系統(tǒng)管理”下拉菜單中的“用戶登錄”。如圖2.1.4所示。

圖2.1.4 MCGS登錄界面
7．出現(xiàn)窗口如圖2.5所示。

圖2.1.5 用戶登錄界面
8．點擊“確認”，用戶登錄完畢。選擇“特性實驗”下拉菜單中的“上水箱單容特性實驗”。如圖2.1.6所示。

圖2.1.6“特性實驗”下拉菜單
9．出現(xiàn)如圖2.1.7所示的“單容特性實驗”界面。

圖2.1.7 “單容特性實驗”界面
10．點擊“參數(shù)設置”，出現(xiàn)的界面如圖2.8所示。

圖2.1.8 “參數(shù)設置”界面
11．將AI0設置為0 – 30。點擊退出，參數(shù)設置完畢。
12．設置閥門開度值（如：25%），在控制臺上打開水泵、電動調節(jié)閥電源。
13．增大閥門開度值，使系統(tǒng)輸入幅值適宜的階躍信號（階躍信號不要太大，估計上水箱水不要溢出），這時系統(tǒng)輸出也有一個變化的信號，使系統(tǒng)在較高液位也能達到平衡狀態(tài)。記下此時的電流值。
14．觀察計算機上的實時曲線和歷史曲線，直至達到新的平衡為止。
15．將閥門開度設置回原來的值，記錄一條液位下降的曲線。
16．曲線的分析處理，對實驗的記錄曲線分別進行分析和處理，處理結果記錄于表中。
17．實驗結束后，關閉水泵1、電動調節(jié)閥電源，拆除實驗線。

階躍響應曲線數(shù)據(jù)處理記錄表

測量值況參數(shù)值	低液位
測量值況參數(shù)值	K1	T1	τ1
1
2
平均值

按常規(guī)內容編寫實驗報告，并根據(jù)K、T、τ平均值寫出廣義的傳遞函數(shù)。
五、實驗報告要求
1. 畫出單容水箱液位特性測試實驗的結構框圖。
2. 根據(jù)實驗得到的數(shù)據(jù)及曲線，分析并計算出單容水箱液位對象的參數(shù)及傳遞函數(shù)。
六、思考題
1. 做本實驗時，為什么不能任意改變出水閥V3開度的大�。�
2. 用響應曲線法確定對象的數(shù)學模型時，其精度與那些因素有關？

教學設備

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過程控制技術單容水箱特性測試實驗