C3000实验指导书
第二部分 实验
我们针对CS2000型过程控制实验装置设计特性测试、位式控制、单回路PID控制、串级控制、比值控制五大类10个实验。关于CS2000型过程控制实验装置的具体操作请参考《CS2000型过程控制实验装置使用说明书》
AD:杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL:+86 571 86668735 ─6─
C3000实验指导书
实验一、一阶单容水箱液位特性测试实验
一、实验目的
1、熟悉一阶对象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、实验器材
CS2000型过程控制实验装置
配置：C3000过程控制器、实验连接线。
三、实验原理
单容水箱系统如图1-1所示。
液位控制水箱V1Q1手动设定LThV2Q2 图1-1 单容水箱系统示意图
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2-1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：
R2Cd?hdt??h?R2?Q2
在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：
G?s??H?s?Q2?s??R2R2Cs?1?KTs?1
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=R2C，
AD:杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL:+86 571 86668735 ─7─
C3000实验指导书
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）=R0/s，R0为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为：
H?s??KR0s?Ts?1??KR0s?KR0s?1/T
当t=T时，则有：
h?T??KR01?e??1??0.632KR?t/T0?0.632???
即
ht??KR01?e??
当t→∞时，h（∞）=KR0， 因而有K=h（∞）/R0
h（∞）为输出稳态值，R0为阶跃输入
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：
dht?dtt?0?KR0Te?t/Tt?0?KR0T?h???T
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（∞）。
h1h1???0.63h1???0Tt 图1-2 一阶对象阶跃响应曲线
四、实验内容和步骤
此实验以一号液位控制水箱的液位为检测对象。
1、 打开储水箱进水阀V8，主管路泵阀V1，副管路泵阀V2，主管路阀V4，关闭其他手阀，
AD:杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL:+86 571 86668735 ─8─
C3000实验指导书
将储水箱灌满水。打开一号液位控制水箱进水阀V11，将其出水阀V10打开至适当开度。 2、 将一号液位控制水箱的液位信号送至C3000过程控制器模拟量输入通道1，将模拟量输
出通道1信号送电动调节阀，具体接线如下所述：
1）C3000仪表信号通道1接上水箱液位信号（信号面板通道1），C3000仪表信号通道12接调节阀控制（信号面板通道11）。
2）仪表回路的组态：点击menu——进入组态——控制回路——PID控制
回路PID01的设置，给定方式设为：内给定；测量值PV设为：AI01，其余默认即可，量程0-100。
3、 打开控制台及实验对象电源开关，打开调节仪电源开关，打开主管路泵、电动调节阀、
检测设备电源开关。
4、 进入组态画面，设定输入信号为1-5V电压信号，输出信号为4-20mA电流信号；再进
入调节画面，将调节仪设为手动。首先设定一个初始阀门开度，如10%；切换至监控画面，观察液位变化，当液位趋于平衡时，将阀门开度及液位高度填入下表。
阀门开度（输出值） 液位高度h1（mm） 5、 进入调节画面，改变阀门开度，如30%，记录阶跃响应得过程参数，填入下表，以此数
据绘制变化曲线。 t（s） h1（mm） 6、 切换至监控画面，观察液位变化，当液位趋于平衡时，将阀门开度及液位高度填入下表。
阀门开度（输出值） 液位高度h1（mm） 7、 进入调节画面，将阀门开度改回步骤5前的阀门开度，如10%，记录阶跃响应得过程参
数，填入下表。 t（s） h1（mm） 8、 重复上述实验步骤。
五、实验报告
1、 作出一阶环节的阶跃响应曲线。
AD:杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL:+86 571 86668735 ─9─
C3000实验指导书
2、 根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。
六、注意事项
1、 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%~30%。 3、 在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。
七、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?
AD:杭州市滨江区六和路中控科技园 TEL:+86 571 86668735 ─10─