最新第一组：一阶单容上水箱对象特性测试实验

第一节 单容自衡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；二、实验设备PCS-E 过程控制综合实验装置，电脑 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，不需要操作人员或仪表等干预，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、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q 1，改变电动调节阀V 1的开度可以改变Q 1的大小，下水箱的流出量为Q 2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q 2。

液位h 的变化反映了Q 1与Q 2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。

若将Q 1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Q 1之间的数学表达式。

根据动态物料平衡关系有Q 1-Q 2=Adtdh (2-1)将式(2-1)表示为增量形式 ΔQ 1-ΔQ 2=Adth d ∆ (2-2)式中：ΔQ 1，ΔQ 2，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，Q 1=Q 2，dtdh ＝0；当Q 1发生变化时，液位h 随之变化，水箱出 图2-1 单容自衡水箱特性测试系统 口处的静压也随之变化，Q 2也发生变化 （a ）结构图 （b ）方框图。

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Q 2与h 成正比关系，而与阀F1-11的阻力R 成反比，即ΔQ 2=Rh ∆ 或 R=2Q ∆∆h (2-3)式中：R ——阀F1-11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Q 2，即可得到单容水箱的数学模型为W 0（s ）＝)()(1s Q s H ＝1RCs R +=1s +T K (2-4)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。

《控制工程实验》实验报告实验题目：一阶单容上水箱对象特性的测试课程名称：《控制工程实验》姓名：学号：专业：年级：院、所：日期： 2019.04.05实验一一阶单容上水箱对象特性的测试一、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1. 实验装置对象及控制柜 1套2. 装有Step7、WinCC等软件的计算机 1台3. CP5621专用网卡及MPI通讯线各1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，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。

图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Q 2，改变出水阀F1-11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。

根据动态物料平衡关系有：Q1−Q2=A dhdt(1)变换为增量形式有：∆Q1−∆Q2=A d∆hdt(2)其中：∆Q1，∆Q2，∆ℎ分别为偏离某一平衡状态的增量；A为水箱截面积图1 单容自衡水箱特性测试结构图（a）及方框图（b）在平衡时，Q1=Q2，dhdt=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，与阀F1-11的阻力R成反比，即∆Q2=∆ℎR 或R=∆ℎ∆Q2(3)式中: R为阀F1-11的阻力，称为液阻。

实验报告课程过程控制及仪表实验日期2020 年6月15日专业班级自动化1702班姓名学号1706010403实验名称实验一单容自恒水箱液位特性测试实验评分批阅教师签字1.实验目的1. 熟悉利用计算法建立系统一阶惯性环节加纯延迟环节的数学模型方法。

2. 学会利用MATLAB/Simulink对系统进行建模的方法。

2.实验内容某单容水箱为被控对象，水箱液位为被控参数，水箱总量程为100mm, 在阶跃扰动20%∆=时，其阶跃响应的实验数据如表1-1所示。

u表1-1 阶跃响应实验数据响应曲线起始速度较慢，其阶跃响应曲线呈S状，可近似认为被控对象是具有纯滞后的一阶惯性环节，利用计算法，确定增益K，时间常数T和纯滞后时间τ。

（1）首先根据输出稳态值和阶跃输入的变化幅值可得增益K=(20/100)/20%=1;（2）根据系统近似为具有纯滞后的一阶惯性环节的计算方法，编写MATLAB程序（gkshiyan1_1）。

（3）建议Simulink系统仿真（gkshiyan1），将阶跃信号的初始作用时间和幅值分别设置为0和20。

（4）将实际系统和近似系统的阶跃响应曲线进行比较，编写MATLAB程序（gkshiyan1_2）。

3.实验方法与步骤（1）首先根据输出稳态值和阶跃输入的变化幅值可得增益K=(20/100)/20%=1;（2）根据系统近似为具有纯滞后的一阶惯性环节的计算方法，编写MATLAB程序（gkshiyan1_1）。

程序如下：% 将系统近似一阶惯性环节加纯延迟的计算程序tr=10; % 输出响应延迟时间，即输出无变化时间t=[10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600 700 800]-tr;h=[0 0.2 0.8 2 3.6 5.4 8.8 11.4 14.4 16.1 18.2 19.2 19.6 19.8 20];h=h/h(length(h)); %把输出转换成无量纲形式h1=0.39;h2=0.63;t1=interp1(h,t,h1)+tr; %利用一维线性插值计算当响应曲线在39%时的时间t1t2=interp1(h,t,h2)+tr; %利用一维线性插值计算当响应曲线在63%时的时间t2T=2*(t2-t1) %被控对象传递函数的惯性时间常数tao=2*t1-t2 %被控对象传递函数的延迟时间运行结果如下：>> gkshiyan1_1T =159.5294tao =48.4706>>（3）建议Simulink系统仿真（gkshiyan1），将阶跃信号的初始作用时间和幅值分别设置为0和20。

实验一、单容水箱对象特性测试实验一、实验目的1、 了解单容对象的动态特性及其数学模型2、 熟悉单容对象动态特性的实验测定法原理3、 掌握单容水箱特性的测定方法 二、实验设备1、 四水箱实验系统DDC 实验软件2、 PC 机（Window XP 操作系统） 三、单容对象特性实验测定法原理许多工业对象内部的工艺过程复杂，通过机理分析等寻求对象的数学模型非常困难，即使能得到对象的数学模型，仍需要通过实验方法来验证。

因此，对于运行中的对象，用实验法测定其动态特性，是了解对象的简易途径。

本次实验主要是求取对象的飞升曲线或方波响应曲线。

飞升曲线是在输入量作阶跃变化时测绘输出量随时间变化曲线得到的；方波响应曲线是在输入量作一个脉冲方波变化时测绘输出量随时间变化曲线得到的。

在获得特性曲线的基础上，进行分析获得相应的对象特性。

飞升曲线实验测定方法的具体步骤如下：A 、选择工作点给定控制量，让单容水箱对象的液位稳定B 、测绘飞升曲线让控制量做阶跃变化，并测绘单容水箱液位随时间变化的曲线C 、获得对象的动特性假定在输入量变化量为u Δ时测绘的飞升曲线如下图所示：因此，可估算单容水箱的模型为()1+=Ts Ks G p其中lenleny u u y K *ΔΔ=于是用实验法测出了单容水箱的动态特性。

四、实验步骤 1、 进入实验运行四水箱DDC 实验系统软件，进入首页界面，单击“实物模型”单选框，选择实验模式为实物模型；单击实验菜单，进入单容水箱特性测试实验界面。

2、 选择执行机构在实验系统中有两个执行机构，分别由控制量“U1”和“U2”控制。

这两个控制量的范围为0～100，可以自行选择一个作为控制量。

这里假定我们选择“U1”作为控制量。

3、 选择单容对象实验系统有四个水箱：水箱1、水箱2、水箱3和水箱4，它们对应的液位分别用H1、H2、H3和H4表示，实验时可以自行选择一个水箱作为被测定对象。

这里我们选择水箱1，对应液位变量为H1。

第一节 单容水箱特性的测试一、实验目的1. 掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，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，用相关的方法确定被测对象的特征参数T 和传递函数。

二、实验设备1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置2. 计算机及相关软件3. 万用电表一只 三、实验原理图2-1单容水箱特性测试结构图由图2-1可知，对象的被控制量为水箱的液位H ，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q 1，手动阀V 1和V 2的开度都为定值，Q 2为水箱中流出的流量。

根据物料平衡关系，在平衡状态时Q 10-Q 20=0 （1）动态时，则有Q 1-Q 2=dtdV（2） 式中V 为水箱的贮水容积，dt dV为水贮存量的变化率，它与H 的关系为Adh dV ，即dtdV = A dt dh（3） A 为水箱的底面积。

把式（3）代入式（2）得Q 1-Q 2=A dtdh（4）基于Q 2=SR h，R S 为阀V2的液阻，则上式可改写为 Q1-S R h = A dtdh 即AR Sdtdh+h=KQ 1 或写作)()(1s Q s H =1+TS K（5） 式中T=AR S ，它与水箱的底积A 和V 2的R S 有关；K=R S 。

式（5）就是单容水箱的传递函数。

若令Q 1（S ）=SR 0，R 0=常数，则式（5）可改为H （S ）=T S TK 1/+×S R 0=K S R 0-TS KR 10+对上式取拉氏反变换得h(t)=KR 0(1-e -t/T ) （6）当t —>∞时，h （∞）=KR 0，因而有 K=h （∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入 当t=T 时，则有h(T)=KR 0(1-e -1)=0.632KR 0=0.632h(∞)式（6）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所示。

当由实验求得图2-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%图2-2 单容水箱的单调上升指数曲线所对应的时间，就是水箱的时间常数T 。

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指导教师：尚群立学生姓名：俞超栋学生学号：09061821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：丹麦泵电动调节阀V1DCS控制系统手动输出hV2Q1Q2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Q 1，出水量为Q 2，水箱的液面高度为h ，出水阀V 2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：h1( t ) h1(∞ ) 0.63h1(∞)0 T式中，T 为水箱的时间常数（注意：阀V 2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R 2*C ，K=R 2为单容对象的放大倍数，R 1、R 2分别为V 1、V 2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。

令输入流量Q 1 的阶跃变化量为R 0，其拉氏变换式为Q 1（S ）=R O /S ，R O 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 0(1-e -1)=0.632KR 0=0.632h(∞) 即 h(t)=KR 0(1-e-t/T)当t —>∞时，h （∞）=KR 0，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。

实验一单容水箱对象特性的测试一、实验室基本概况测控实验室始建于2009年，是我校最新建设的实验室之一，承担着我校理工科本科生“工程光学实验”“过程控制实验”“自动控制原理实验”等教学任务。

目前实验室面积约380平方米，仪器设备总值325余万元。

测控实验室下设6个分室，包括工程光学实验室，传感器检测实验室，过程控制实验室，自动控制/计算机控制实验室，虚拟仿真实验室，测控技术/无损检测实验室。

测控实验室主要设备有：多用途光学平台，计算机控制技术实验平台，微型电子计算机，等传感器综合实验装置，台式电脑，pm2.5检测仪，超声波测厚仪，光电脉搏计，电子计数秤，高级过程控制实验装置，高级过程控制对象系统实验装置，综合自动化控制系统实验平台，过程控制实验装置，打印机，计算机，NI虚拟仪器软件，多功能USB2.0数据采集卡，电脑，仿真软件，测控技术综合实验平台，表面粗糙度测量仪、涡流探伤仪、超声波探伤仪、经度仪。

测控实验室现开设项目包括：典型环节的电路模拟与软件仿真研究；二阶系统动态性能和稳定性分析；MATLAB仿真分析软件在自控原理中的应用；线性定常系统的稳态误差；线性定常系统串联校；A/D与D/A转换；数字滤波器；数字PID控制算法的研究；最少拍控制算法的研究；应变式传感器实验；压力传感器设计与应用；温度传感器实验；气敏、湿敏传感器实验/半导体传感器的应用与设计；光纤位移传感器实验；扩散硅压阻式压力传感器实验/霍尔式传感器实验；MATLAB基础知识；典型环节模拟；— 1 —控制系统时域仿真和频域仿真；Fluent的安装与使用；仿真算例；实验装置的基本操作与仪表调试；单容水箱对象特性的测试；双容水箱对象特性的测试；单容水箱液位PID控制系统；智能仪表控制系统；串级控制系统连线；实验装置的基本操作与仪表调试；单容水箱对象特性的测试；双容水箱对象特性的测试；单容水箱液位PID控制系统；智能仪表控制系统；串级控制系统连线；应变式传感器实验；常用传感器产品的设计（应变式电子秤的设计与应用）；温度传感器实验；扩散硅压阻式压力传感器实验/气敏、湿敏传感器实验；光纤位移传感器实验；霍尔式传感器实验/电容传感器实验；LabVIEW入门、程序的模块化层次化。

CS2000高级过程控制实验装置智能仪表控制实验指导书目录一、概述 (3)二、CS2000型系统介绍 (3)一）、CS2000型系统主要特点 (4)二）、CS2000型实验对象组成结构 (4)三）、CS2000型系统控制软件 (11)四）、CS2000型装置的安全保护体系 (11)三、系统主题实验 (13)实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验 (13)实验二、二阶双容对象特性测试实验 (18)实验三、锅炉内胆温度二位式控制实验 (23)实验四、上水箱液位PID整定实验 (28)实验五、串接双容下水箱液位PID整定实验 (35)实验六、锅炉内胆水温PID整定实验（动态） (39)实验七、锅炉夹套水温PID整定实验（动态） (45)实验八、涡轮流量计流量PID整定实验 (51)实验九、上水箱液位和涡轮流量串级控制实验 (57)实验十、锅炉夹套和锅炉内胆温度串级控制系统 (60)实验十一、电磁和涡轮流量计流量比值控制系统实验 (64)实验十二、上水箱下水箱液位串级控制实验 (68)实验十三、换热器热水出口温度控制实验 (71)一、概述生产与生活的自动化是人类长久以来所梦寐以求的目标，在18世纪自动控制系统在蒸汽机运行中得到成功的应用以后，自动化技术时代开始了。

随着工业技术的更新，特别是半导体技术、微电子技术、计算机技术和网络技术的发展，自动化仪表已经进入了计算机控制装置时代。

在石油、化工、制药、热工、材料和轻工等行业领域中，以温度、流量、物位、压力和成分为主要被控变量的控制系统都称为“过程控制”。

过程控制不仅在传统工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且已成为新建的规模大、结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分。

随着计算机控制装置在控制仪表基础上的发展，自动化控制手段也越来越丰富。

其中有在工业领域有着广泛应用的智能数字仪表控制系统、智能仪表加计算机组态软件控制系统、计算机DDC控制系统、PLC控制系统、DCS分布式集散控制系统、FCS现场总线控制系统等。

实验一：一阶上水箱对象特性测试实验一、实训目标1.测量单容水箱特性曲线2.构成单回路，加入阶跃扰动，调节PID参数得到4:1曲线。

3.在实验中用运用时间常数、放大倍数、滞后时间、对单容水箱进行控制。

4.对时间常数、放大倍数、滞后时间、进行计算得到参数。

5.在实验中调节器的比例度，积分时间，微分时间.参数的变化对实验的影响。

二、知识目标1、了解单容液位控制相关知识。

2、PID参数整定相关知识3、调节器参数整定相关知识。

三、任务相关知识1、调节器参数整定基础知识调节器参数的整定是过程控制系统设计的核心内容之一。

它的任务是：根据被控过程的特性确定PID调节器的比例度δ，积分时间TI及微分时间TD的大小。

在简单的过程控制系统中，调节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要指标，保证系统具有一定的稳定裕量。

调节器的参数整定方法，主要有临界比例度法、衰减曲线法。

（1）临界比例度法这是一种闭环整定方法。

由于该方法直接在闭环系统中进行，不需测试过程的动态特性，因为方法简单，使用方便，获得了广泛的应用。

具体步骤如下：●先将调节器的积分时间TI置于最大（TI=∞）微分时间TD置零（TD=0），比例度δ置为较大的数值，使系统投入闭环运行。

●待系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃扰动，并减小δ，直到系统出现如图1.1所示的等幅振荡，即临界振荡过程。

记录此时的δk（临界比例带）和等幅振荡周期TK。

●根据记录的δk和TK，按表给出的经验公式计算出调整器的δ、TI及TD 的参数。

需要指出的是，采用这种方法整定调节器的参数时会受到一定的限制，如有些过程控制系统不允许进行反复振荡实验，像锅炉给水系统和燃烧控制系统等，就不可能应用此法。

再如某些时间常数较大的单容过程，采用比例调节时根本不可能出现等幅振荡，也就不能应用此法。

这是目前使用较多的一种方法。

它是先通过试验得到临界比例度PB和临界周期Tk，然后根据经验公式求出控制器各参数值。

一阶上水箱对象特性测试与单回路控制实验一、实验目的：测量单容水箱特性曲线构成单回路，加入阶跃扰动，调节PID 参数得到4:1曲线。

二、主要内容：1、生产过程（液位）的建模试验（测试不同流阻下的响应曲线，注意过程的非线性特性）；2、单回路（液位）控制系统的投运，测试不同PID 参数下的系统品质指标的区别，总结PID 控制作用对控制质量的影响。

三、实验数据：1)()(S W +==Ts K S X S H ）（单容过程的传递函数： 特性参数为K 、T 。

K=(h2-h1)/x=21.4/0.1=214;T=R*C=0.819*415.265=340.1s其中R=(h2-h1)/(Q2-Q1)=0.819s/cm*cmQ1=V1/t1=34.34ml/sQ2=V2/t2=60.46ml/s计算得到实验模型传递函数的的参数后，便可以用方程来表示出该模型。

K=214 T=3402将水箱构成单回路闭环控制图1一般言之，用比例（P ）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。

比例积分（PI ）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。

比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。

首先，不加入积分与微分。

适当的调节比例度，曲线没有超调，当减小比例度时，余差随着减小了。

然后加入积分环节来消除余差，将I调节到150余差减小了，继续减小I，结过系统震荡此时第一波峰很大超调亮量明显增加，为消除震荡，将P增加为4，这是震荡减小。

最后再增加微分作用，超调量变得比之前更好，此时可以适当减小比例度P，使系统余差进一步减小，得到了接近4:1的曲线。

四、开环特性曲线与闭环控制曲线开度由20%变为30%时：图2P=1.5时，如图4P=1.5，I=150时的曲线。

成绩：实验名称：实验二一阶单容上水箱对象特性测试实验仿真实验：PID参数整定实验小组：A大组第二小组组员姓名：__ _____ ____组员学号：_________指导老师：_____ ___ __实验日期：__ 2015/5/9 _____ ______ _信息工程学院自动化系一实验名称1、一阶单容上水箱对象特性测试实验2、仿真实验：PID参数整定二实验目的1．认识实验系统，了解本实验系统中的各个对象。

2．测试一个水箱的对象特性。

3．学会PID参数整定的基本原则。

4．使用稳定边界法和衰减曲线法去整定参数。

三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为过程的放大倍数，R2为V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。

令输入流量Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位的高度为：当t=T时，则有：h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR=0.632h(∞)即 h(t)=KR(1-e-t/T)当t—>∞时，h（∞）=KR，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h1( t ) h1(∞ )0.63h1(∞)0 T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 （∞）。

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指导教师：尚群立学生姓名：俞超栋学生学号：09061821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：丹麦泵电动调节阀V1DCS控制系统手动输出hV2Q1Q2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Q 1，出水量为Q 2，水箱的液面高度为h ，出水阀V 2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：h1( t ) h1(∞ ) 0.63h1(∞)0 T式中，T 为水箱的时间常数（注意：阀V 2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R 2*C ，K=R 2为单容对象的放大倍数，R 1、R 2分别为V 1、V 2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。

令输入流量Q 1 的阶跃变化量为R 0，其拉氏变换式为Q 1（S ）=R O /S ，R O 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 0(1-e -1)=0.632KR 0=0.632h(∞) 即 h(t)=KR 0(1-e-t/T)当t —>∞时，h （∞）=KR 0，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。

第一节 单容自衡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1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS 需两台计算机）、万用表一个；2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个；4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根；5．SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线；6．SA-42挂件一个、PC/PPI 通讯电缆一根。

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，不需要操作人员或仪表等干预，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、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q 1，改变电动调节阀V 1的开度可以改变Q 1的大小，下水箱的流出量为Q 2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q 2。

液位h 的变化反映了Q 1与Q 2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。

若将Q 1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Q 1之间的数学表达式。

根据动态物料平衡关系有Q 1-Q 2=A dtdh (2-1) 将式(2-1)表示为增量形式ΔQ 1-ΔQ 2=A dth d ∆ (2-2) 式中：ΔQ 1，ΔQ 2，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，Q 1=Q 2，dtdh ＝0；当Q 1 发生变化时，液位h 随之变化，水箱出 图2-1 单容自衡水箱特性测试系统 口处的静压也随之变化，Q 2也发生变化 （a ）结构图 （b ）方框图。

控制专业实验二—单容上水箱的特性测试及PID参数整定成绩________单位（二级学院）：学生姓名：专业：班级：学号：指导教师：负责项目：时间：2014年5月1日一、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。

3）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。

4）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。

5）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。

二、实验设备AE2000A型过程控制实验装置、MCGS程序运行环境、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。

三、实验原理1）、对象特性测试对象数学模型的建立通常采用两种方法。

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。

由于此方法较简单，因而在过程控制中得到了广泛地应用。

图3-1 单容自衡水箱特性测试系统（a）结构图（b）方框图如图3-1.阀门F1-1、F1-3和F1-6全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-10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。

若设水箱的进水量为Q 1，出水量为Q 2，水箱的液面高度为h ，出水阀V 2固定于某一开度值。

根据平衡时和动态时的进出水量关系，可得：平衡时：12()()0Q t Q t -=动态时：1222()()()()()()dV t dh t Q t Q t A dt dt h t Q t R ⎧-==⋅⎪⎪⎨⎪=⎪⎩由以上两式联立可得，12()()()h t dh t Q t A R dt⇒-=⋅对以上式进行拉氏变换可得，21212()()()()()1R H s H s Q s A S H s R Q s A R S ⇒-=⋅⋅⇒=⋅⋅+ 我们对所得出的进行近似，可得，22()11R KG s A R S T S ⇒==⋅⋅+⋅+ 此时，若1Q 有节约变化量0X ，拉氏变换式01()X Q s S∆=，则000()11X KX KX KH s T S S S S T=⋅=-⋅++ 取拉氏反变换，可得0()(1)tTh t KX e-=-当t →∞时，00()(0)()(0)h h h h KX K X ∞-∞-=⇒=当t T =时，100()(1)0.632h T KX e KX -=-=上式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3-2（a ）所示，该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 。

控制工程实验》实验报告实验题目：一阶单容上水箱对象特性的测试课程名称：《控制工程实验》姓名：学号：专业：年级：院、所：日期：2019.04.05实验一一阶单容上水箱对象特性的测试一、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1. 实验装置对象及控制柜 1 套2. 装有Step7、WinCC等软件的计算机 1 台3. CP5621 专用网卡及MPI通讯线各1 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，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。

图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 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F1-11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。

根据动态物料平衡关系有：(1)变换为增量形式有：(2)其中：，，分别为偏离某一平衡状态的增量；A 为水箱截面积图 1 单容自衡水箱特性测试结构图( a)及方框图( b)在平衡时，Q1=Q2，=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，与阀F1-11 的阻力R 成反比，即或(3)式中: R 为阀F1-11的阻力，称为液阻。

将式(2) 、式(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(4)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。

水箱对象特性测试实验报告水箱对象特性测试实验报告一、引言水箱作为一种常见的容器，广泛应用于各个领域，如建筑、工业、农业等。

为了确保水箱的质量和性能符合要求，我们进行了一系列的特性测试实验。

本报告旨在总结并分析实验结果，以期为相关领域的设计和生产提供参考。

二、实验目的1. 测试水箱的密封性能，以评估其是否能有效防止水的泄漏。

2. 测试水箱的耐压性能，以确定其在承受外部压力时的稳定性。

3. 测试水箱的耐腐蚀性能，以评估其在不同环境条件下的使用寿命。

三、实验方法1. 密封性能测试将水箱充满水，并放置在水平台上。

观察水箱是否存在漏水现象，并记录时间和水量变化。

通过对比实验前后的水量差异，评估水箱的密封性能。

2. 耐压性能测试使用液压机施加外部压力于水箱表面，逐渐增加压力直至水箱发生破裂。

记录破裂时的压力数值，并计算水箱的耐压性能。

3. 耐腐蚀性能测试将水箱分别置于酸性、碱性和盐水溶液中，模拟不同环境条件下的腐蚀情况。

观察水箱表面是否出现腐蚀现象，并记录时间和腐蚀程度。

通过对比实验前后的外观变化，评估水箱的耐腐蚀性能。

四、实验结果与分析1. 密封性能测试结果显示，水箱在实验过程中未出现漏水现象，水量变化极小。

说明水箱具有良好的密封性能，能有效防止水的泄漏。

2. 耐压性能测试结果表明，水箱在承受压力时具有较高的稳定性。

经测试，水箱在压力达到80MPa时发生破裂，表明其耐压性能较强。

3. 耐腐蚀性能测试结果显示，水箱在酸性、碱性和盐水溶液中均未出现明显的腐蚀现象。

经过长时间的浸泡，水箱表面仍然保持光滑，未出现明显的腐蚀痕迹。

这表明水箱具有良好的耐腐蚀性能，能够在不同环境条件下长时间使用。

五、结论通过密封性能、耐压性能和耐腐蚀性能的测试，我们可以得出以下结论：1. 水箱具有良好的密封性能，能有效防止水的泄漏。

2. 水箱具有较高的耐压性能，能够承受较大的外部压力。

3. 水箱具有良好的耐腐蚀性能，能够在不同环境条件下长时间使用。

实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验一．实验目的（1）建立单容水箱阶跃响应曲线。

（2）根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用作图的方法分别确定它们的参数（时间常数T、放大系数K）。

二．实验设备CS2000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DCS控制系统监控画面——调整画面，（调节器或其他操作器），手动改变（调节阀的开度）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。

五．实验内容步骤1)对象的连接和检查：(1)将CS2000 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（1#）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、24V电源的电源开关。

(2)打开DCS控制柜的电源，打开电脑，启动DCS上位机监控软件，进入主画面，然后进入实验一画面“实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验”。

注满水箱打开出水阀打开阀门，连通电动调节阀关闭支路阀打开上水箱打开上水箱打开电源进水阀出水阀打开泵的开关打开调节阀开关打开24V电源打开DCS控制柜电源 (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。

（5）、迅速增加阀门开度，增加5%，记录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变化曲线。

（6）、直到进入新的平衡状态。

实验一：对象特性测试实验对象特性是指对象在输入的作用下，其输出的变量（即被控变量）随时间变化的特性。

对象特性测试实验的目的：通过实验掌握对象特性曲线的测量方法。

测量时应注意的问题：对象模型参数的求取。

液位装置中的液位对象是自衡对象，单个水槽是一阶对象，上水槽与下水槽可以组成二阶对象。

对象参数的求取： 一、传递函数的求取1、一阶对象在0.632倍的稳态值处求取时间常数T0。

2、一阶加纯滞后的对象对于有纯滞后的一阶对象，如图2所示，当阶跃响应曲线在t=0时，斜率为0；随着t 的增加，其斜率逐渐增大；当到达拐点后斜率又慢慢减小，可见该曲线的形状为S 形，可用一阶惯性加时延环节来近似。

确定K0、T0和τ的方法如下：在阶跃响应的拐点（即斜率的最大处）作一切线并与时间坐标轴交与C 点，则OC 段的值即为纯滞后时间τ，而与CB 段的值即为时间常数T0。

3、二阶或高阶对象二阶过程的阶跃响应曲线，其传递函数可表示为式中的K0、T1、T2需从阶跃响应曲线上求出。

先在阶跃响应曲线上取（1） y （t ）稳态值的渐近线y （∞）；（2） y （t1）=0.4y （∞）时曲线上的点y1和相应的时间t1；0/)]0()([0)10/(0)(x y y K s T K s W -∞=+=0/)]0()([0)12)(11(0)(x y y K s T s T K S W -∞=++=/)]0()([0100)(x y y K se s T K S W -∞=-+=τ（3） y （t2）=0.8y （∞）时曲线上的点y2和相应的时间t2；然后，利用如下近似公式计算T1、T2。

（4） （5） 对于二阶过程，0.32<t1/t2<0.46。

当t1/t2=0.32时，为一阶环节（此时，时间常数T0=（t1+t2）2.12）；当t1/t2=0.46时，过程的传递函数W （s ）=K0/（T0s+1）（T0s+1）（此时，T1=T2=T0=（t1+t2）/2×2.18）；当t1/t2>0.46时，应用高于二阶环节来近似。

实验一 单容水箱对象特性测试实验一、实验目的及要求1、了解过程特性测试的原理。

2、掌握过程特性计算机测试方法。

二、预习思考题1、什么是过程特性？为什么要获得过程特性？2、过程特性有哪些类型，其各自的主要特点是什么？3、过程特性测试的方法有哪些？三、实验原理本实验是采用阶跃扰动法获取一阶对象的过程特性。

阶跃扰动法又称为反应曲线法。

当过程处于稳定状态时，在过程的输入端施加一个幅度已知的阶跃扰动，测量和记录过程输出变量的数值，即可画出输出变量随时间变化的反应曲线。

根据响应曲线，再经过处理，就能得到过程特性参数。

图1－1即为根据响应曲线求取过程特性的方法。

采用该方法，求得三个参数，放大倍数K ，时间常数T 和纯滞后τ。

图1-1 阶跃扰动法求过程特性四、虚拟实验原理和步骤1、实验原理 虚拟实验的原理是用数学模型模拟一阶过程.设一阶对象的传递函数模型为：(t F A )(t c A B /B放大系数：时间常数：T 纯滞后：τse TS S G τ-+=1K )(其中K 、T 、τ三个参数就可以表征过程特性。

不同的过程，这三个参数不同。

为了方便计算机数值仿真，这里取微分方程形式：u x T dt dx +-=1 x T K y =其中x 表示状态，y 表示输出，u 表示输入。

（实验一这里可以不考虑）2、实验步骤1．当学生选择开始实验室，系统随机给出三个参数K 、T 、τ（学生是看不到的）。

为了方便数值仿真，建议如下参数设置范围：K 可以取1～20，T 可以取2～40， τ 可以取（0～0.3）×T 。

参数设置好后且学生选择开始实验时，系统自动把u 从0变化到1（可理解为图1－1中的A 为1），则可以按照如下的关系，得到x 随时间t 变化的规律： x(t)= K[1-exp(-Tτ-t )] 2在实验过程中，系统自动绘出x ～t 曲线，其中x 为纵坐标，t 为时间，是横坐标。

横坐标t 的范围是0～M t ，这里M t 随不同的过程特性会不同，要求是到达M t 时，x 的数值几乎不再变化，即系统达到了新的稳态，这时系统可以自动中止实验，当然，实验过程中最好也允许学生中止实验。

第一节 单容自衡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1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS 需两台计算机）、万用表一个；2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个；4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根；5．SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线；6．SA-42挂件一个、PC/PPI 通讯电缆一根。

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，不需要操作人员或仪表等干预，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、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q 1，改变电动调节阀V 1的开度可以改变Q 1的大小，下水箱的流出量为Q 2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q 2。

液位h 的变化反映了Q 1与Q 2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。

若将Q 1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Q 1之间的数学表达式。

根据动态物料平衡关系有Q 1-Q 2=A dtdh (2-1) 将式(2-1)表示为增量形式ΔQ 1-ΔQ 2=A dth d ∆ (2-2) 式中：ΔQ 1，ΔQ 2，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，Q 1=Q 2，dtdh ＝0；当Q 1 发生变化时，液位h 随之变化，水箱出 图2-1 单容自衡水箱特性测试系统 口处的静压也随之变化，Q 2也发生变化 （a ）结构图 （b ）方框图。