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第六节 实验要求及安全操作规程
一、实验前的准备
实验前应复习教科书有关章节，认真研读实验指导书，了解实验目的、项目、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题，并按实验项目准备记录等。
实验前应了解实验装置中的对象、水泵、变频器和所用控制组件的名称、作用及其所在位置，以便于在实验中对它们进行操作和观察，熟悉实验装置面板图，要求做到：由面板上的图形、文字符号能准确找到该设备的实际位置。熟悉工艺管道结构、每个手动阀门的位置及其作用。
认真作好实验前的准备工作，对于培养学生独立工作能力，提高实验质量和保护实验设备都是很重要的。
二、实验过程的基本程序
1．明确实验任务； 2．提出实验方案；
3．进行实验操作，做好观测和记录； 4．整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。
在进行本书中的综合实验时，上述程序应尽量让学生独立完成，老师给予必要的指导，以培养学生的实际动手能力，要做好各主题实验，就应做到：实验前有准备；实验中有条理，实验后有分析。 三、实验安全操作规程
1．实验之前确保所有电源开关均处于“关”的位置。
2．接线或拆线必须在切断电源的情况下进行，接线时要注意电源极性。完成接线后，正式投入运行之前，应严格检查安装、接线是否正确，并请指导老师确认无误后，方能通电。
3．在投运之前，请先检查管道及阀门是否已按实验指导书的要求打开，储水箱中是否充水至三分之二以上，以保证磁力驱动泵中充满水，磁力驱动泵无水空转易造成水泵损坏。
4．在进行温度试验前，请先检查锅炉内胆内水位，至少保证水位超过液位指示玻璃管上面的红线位置，无水空烧易造成电加热管烧坏。
5．实验之前应进行变送器零位和量程的调整，调整时应注意电位器的调节方向，并分清调零电位器和满量程电位器。
6．小心操作，切勿乱扳硬拧，严防损坏设备。
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第二章 对象特性测试实验
被控对象数学模型的建立通常采用下列二种方法。一种是分析法，即根据过程的机理，物料或能量平衡关系求得它的数学模型；另一种是用实验的方法确定。本装置采用实验方法通过被控对象对阶跃信号的响应来确定它的参数及数学模型。由于此法较简单，因而在过程控制中得到了广泛地应用。
第一节 单容水箱液位特性测试实验
一、实验目的
1．掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线；
2．根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K、T和传递函数；
3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验设备
DDD-Z05-I实验对象及DCS网络控制柜、DDD-Z05-III 电源控制柜一台、计算机一台、万用表一个。 三、实验原理
所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或设备等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图2-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1、F2-14和F1-6全开，设上水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，上水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-9的开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。
图2-1 单容自衡水箱特性测试系统
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（a）结构图 （b）方框图
根据动态物料平衡关系有 Q1-Q2=A
dh (2-1) dt将式(2-1)表示为增量形式 ΔQ1-ΔQ2=A
d?h (2-2) dt式中：ΔQ1，ΔQ2，Δh——分别为偏离某一平衡状态的增量； A——水箱截面积。 在平衡时，Q1=Q2，
dh＝0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随dt之变化，Q2也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q2与h成正比关系，而与阀F1-9的阻力R成反比，即
ΔQ2=
?h?h 或 R= (2-3)
?Q2R式中：R——阀F1-9的阻力，称为液阻。
将式(2-2)、式(2-3)经拉氏变换并消去中间变量Q2，即可得到单容水箱的数学模型为 W0（s）＝
H(s)RK＝= (2-4) Q1(s)RCs?1Ts?1式中T为水箱的时间常数，T＝RC；K为放大系数，K＝R；C为水箱的容量系数。若令Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=
x0，x0=常数，则式(2-4)可改写为 sKx0xxK/T×0=K0-
11sss?s?TTH（s）=
对上式取拉氏反变换得h(t)=Kx0(1-e-t/T) (2-5) 当t—>∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有
K=
h（?）?h（0）输出稳态值＝ (2-6)
x0阶跃输入当t=T时，则有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h(∞) (2-7)
式（2-5）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2-2（a）所示，该
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曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。
图2-2 单容水箱的阶跃响应曲线
如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图2-2（b），在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：
Ke??sH(S)= (2-8)
1?Ts四、实验内容与步骤
1．本实验选择上水箱作为被控对象。实验之前先将储水箱中贮足水量，并确保电源控制柜与对象正确连接（两根航空电缆线），DCS网络控制柜主控单元正常运行，然后将阀门F1-1、F1-6、F2-14、全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度（50%-80%），其余阀门均关闭。
2．打开电源控制柜的空气开关，然后打开钥匙开关，并按下启动按钮。
3．运行操作员站在线软件，用工程师站分配的用户名和密码登陆（按第一章第五节网络实验步骤进行登陆），在对象选择窗口中选择控制对象，进入相应的对象主菜单中点击“实验一、单容水箱液位特性测试”实验。
4．在实验一的监控界面中点击“开始实验”按钮。并将电动调节阀开度设置为一个合适的值（大约60%）。
5．打开三相磁力泵开关，磁力泵上电打水，然后观察实验曲线变化趋势。
6．待上水箱液位平衡后，突增（或突减）输出量的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录下此时的输出值和液位值，液位的响应过程曲线（如图2-3所示）。
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