一阶单容上水箱对象特性测试.docx
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一阶单容上水箱对象特性测试
实验项目名称
一阶单容上水箱对象特性测试
实验地点
综合实验楼C601/602
实验时间
第15周日5-8节
实验指导教师
郭鹏
成绩
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、实验原理（或设计方案）
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。
单容水箱如图1所示：
图1单容水箱系统结构图
如图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）=KR0（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
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所示。
图2阶跃响应曲线
当由实验求得图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：
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（∞）。
三、实验仪器设备、材料
1.AE2000A型过程控制实验装置。
2.PC机。
四、实验步骤（或设计过程）
1.设备的连接和检查：
（1）关闭阀23，将AE2000A实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。
（2）打开以丹麦泵、电动调节阀、电磁流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门和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。
（4）检查电源开关是否关闭
2.系统连线图：
3实验接线图
（1）电源控制柜里的三相电源空气开关、单相Ⅰ空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。
（2）智能调节仪的~220V电源开关打在关的位置。
（3）如图3所示：
将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到OFF位置。
（4）将上水箱液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV的+极），上水箱液位-（负极）接到智能调节仪的2端（即RSV的负极）。
（5）将智能调节仪的4~20mA输出端的7端（即+极）接至电动调节阀的4~20mA输入端的+端（即正极），将智能调节仪的4~20mA输出端的5端（即-极）接至电动调节阀的4~20mA输入端的-端（即负极）。
3.启动实验装置
（1）将实验装置电源插头接到380V的三相交流电源。
（2）打开电源三相带漏电保护空气开关,电压表指示380V。
（3）打开总电源钥匙开关，按下电源控制柜上的启动按钮，即可开启电源。
4.实验步骤
（1）开启单相Ⅰ空气开关，根据仪表使用说明书和液位传感器使用说明调整好仪表各项参数和液位传感器的零位，仪表输出方式设为手动输出，初始值为0。
（2）启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验如图4所示：
图4实验软件界面
（3）双击设定输出按钮，设定输出值的大小，这个值根据阀门开度的大小来给定，一般初次设定值<25。
开启单相泵电源开关，启动动力支路。
将被控参数液位高度控制在30%处左右。
（4）观察系统的被调量：
上水箱水位是否趋于平衡状态。
若已平衡，应记录输出值op，以及水箱水位的高度h1并填入下表。
输出值op（0~100）
水箱水位高度h1（cm）
（5）迅速增加输出值op的大小，增加5%的输出量，记录由此引起的阶跃响应的过程参数，它们均可在上位软件上获得。
以所获得的数据绘制阶跃响应曲线。
t（秒）
水箱水位h2t（cm）
（6）直到进入新的平衡状态。
再次记录平衡时的下列数据，并填入下表：
输出值op（0~100）
水箱水位高度h2（cm）
（7）将输出值调回到步骤（5）前的位置，记录由此引起的阶跃响应的过程参数。
以所获得的数据绘制阶跃响应曲线。
t（秒）
水箱水位h3t（cm）
（8）直到进入新的平衡状态。
再次记录平衡时的下列数据，并填入下表：
输出值op（0~100）
水箱水位高度h3（cm）
五、实验过程原始记录（数据、图表、计算等）（或设计计算、图纸等）
K=（26.9-6.4）/（25-20）=4.1cm/%
六、实验结果及分析（或设计总结）
这次试验的注意事项有不能任意改变阀门开度的大小；阶跃信号不能取得太大，否则会影响正常运行，也不能太小，以防止对象特性的不真实性；在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。
通过这次试验，我们理解到了团队协作的重要性，在实验中，我们更要相互讨论、思考，共同解决问题.
实验项目名称
方波发生器实验
实验地点
综合实验楼B604/B605
实验时间
第14周周日5-8节
实验指导教师
郭鹏
成绩
一、实验目的
1.通过本实验，学习CMOS门电路的特殊应用——方波发生器。
2.了解方波发生器的工作原理以及电路参数对频率的影响。
二、实验原理（或设计方案）
1.设计一个两相反相式阻容振荡器，记录10组电阻R1和电容C以及对应的输出频率，并拟合曲线。
2.设计一个占空比可调的矩形波发生器，记录10组电阻R1和R2以及对应的输出频率展空比，得出占空比的对应公式。
3.以上的实验均使用NIELVIS平台设计。
4.本实验使用IC为74HC14反相器，引脚分布图如下：
三、实验仪器设备、材料
1.NIELVIS教学仪器实验平台。
2.安装LabVIEW的PC机。
四、实验步骤（或设计过程）
1.设计一个两相反相式阻容振荡器
（1）按照图1在ELVIS平台上搭建电路；
图1
R2取100KΩ，R1取10KΩ的可调电阻，C取0.1μF。
注意：
74HC14第7脚接地，第14脚接+5V。
（2）调节R1的阻值，并使用万用表测量R1的阻值，使用示波器观测当前的输出波形，测量频率并记录在下表中：
组数
R1阻值（Ω）
C容值（F）
输出频率f（Hz）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
（3）根据实验测的数据，拟合出R1和输出频率f的曲线图。
2.设计一个占空比可调的矩形波发生器
（1）按照图2在ELVIS平台上搭建电路；
图2
R3取100KΩ，R1取10KΩ的可调电阻，C取0.1μF，二极管型号为IN4148
注意：
74HC14第7脚接地，第14脚接+5V。
（2）调节可调电阻的阻值，并使用万用表测量R1和R2阻值，使用示波器观测当前的输出波形，测量占空比并记录在下表中：
组数
R1阻值（Ω）
R2阻值（Ω）
占空比（％）
1
2
3
4
5
6
（3）根据实验测的数据，推导R1、R2与占空比之间的关系。
五、实验过程原始记录（数据、图表、计算等）（或设计计算、图纸等）
六、实验结果及分析（或设计总结）
1、成果:
可以输出接近400Hz到900振荡频率,占空比在10%~90%内可调的方波。
2、不足:
调节方波需要示波器确认;
调节频率和占空比时比较不方便;
方波的幅度可调性较小;
方波的上升沿到高电平之间存在较明显的竞争冒险现象。
3、收获:
在这次设计实验中,通过小组协作进行电路连接与仿真收获了许多:
了解了方波发生器基本工作原理;能够完成简单的电路测试。
实验项目名称
基于NIELVIS的直流电机调速
实验地点
综合实验楼B604/B605
实验时间
第13周周日5-8节
实验指导教师
成绩
一、实验目的
1.学习用LabView进行编程学习，使用ELVIS平台来驱动小型直流电机并实现转速测量。
2.了解光电开关工作原理和使用方法。
二、实验原理（或设计方案）
实验原理图：
三、实验仪器设备、材料
1.NIELVIS教学仪器实验平台。
2.安装LabVIEW的PC机。
四、实验步骤（或设计过程）
1.搭建好硬件系统，使用NIELVIS中的虚拟示波器观察模拟信号输入通道的波形。
2.使用LabView进行编程，实现电机转速测量。
要求用户界面显示：
VPS电压值、转速显示和波形显示。
五、实验过程原始记录（数据、图表、计算等）（或设计计算、图纸等）
六、实验结果及分析（或设计总结）
这次试验使我更加熟练使用LabVIEW软件的基本编程环境，熟悉了LabVIEW中DAQ助手的一些简单的使用以及图形与数据显示。
这次实验使我学会了简单的DAQ助手的基本使用方法。
以及使用过程中的一些要求和数据类型的转化，同时还了解了DAQ助手的一些弊端，即一旦使用DAQ助手执行的操作时，一定要有相应的驱动，否则程序就会一个个控件变成“？
”。
导致程序无法运行的麻烦。
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