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 
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学生学号：  ********       
                   
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：
                                                     
                                                         
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)=KR杭州电子科技大学0(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、 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。
(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。