实验1 二阶双容中水箱对象特性测试实验

实验二：二阶双容对象特性测试实验一、实训目标1、熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

2、根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的特性二、知识目标1、了解简单过程控制系统的构成。

2、掌握简单过程控制的原理、双容液位计算机控制和参数整定的方法。

三、任务相关知识本实验采用计算机控制，将（下水箱）液位控制在设定高度。

通过上水箱根据下水箱信号输出给计算机，计算机根据P、I、D参数进行PID运算，输出信号给电动调节阀，然后由电动调节阀控制水泵出水流量，控制上水箱液位，再控制下水箱液位，从而达到控制设定液位的目的。

当下水箱液位平衡时，上水箱液位也达到平衡。

这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，输出量是下水箱的水位h2。

当输入量有一个阶跃增加Q1时，输出量变化的反应曲线如图2-2? 所示的h2曲线。

它不再是简单的指数曲线，而是就使调节对象的飞升特性在时? 间上更加落后一步。

在图中S形曲线的拐点P上作切线，它在时间轴上截出一段时间OA。

这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此，称容量滞后，通常以τC代表之。

设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度h2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：式中K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分别为阀V2和V3的液阻，C1和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。

式中的K、T1和T2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。

具体的做法是在的阶跃响应曲线上取：1）、h2（t）稳态值的渐近线h2(∞)；2）、h2（t）|t=t1=0.4h2(∞)时曲线上的点A和对应的时间t1；3）、h2（t）|t=t2=0.8h2(∞)时曲线上的、阶跃响应曲线点B和对应的时间t2。

然后，利用下面的近似公式计算式2-1中的参数K、T1和T2。

其中：对于式（2-1）所示的二阶过程，0.32〈t1/t2〈0.46。

青岛科技大学实验报告年月日姓名专业班级同组者课程实验项目双容水箱液位静、动态特性测试一、实验目的1. 熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

2. 根据由实际测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其传递函数。

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、MCGS工控组态软件、RS232/485转换器1只、串口线1根3. 万用表 1只三、实验原理图1 双容水箱对象特性结构图由图1所示，被控对象由两个水箱相串联连接，由于有两个贮水的容积，故称其为双容对象。

被控制量是下水箱的液位，当输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2所示。

由图2可见，上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数（图2(a)），而下水箱液位的响应曲线则呈S形状（图2(b)）。

显然，多了一个水箱，液位响应就更加滞后。

图2 双容液位阶跃响应曲线图3 双容液位特性参数计算在图3所示的阶跃响应曲线上求取，利用下面的近似公式计算式，从而得到双容对象的传递函数为。

四、实验内容与步骤1、打开上位机，按照线路图接线。

2、检查线路，接通总电源和相关仪表的电源。

3、把调节器设置于手动位置，手动改变输出值到阀位65%，观察实时和历史曲线，使上水箱和中水箱的液位处于某一平衡位置。

4、突增/减调节器的手动输出量（建议增加到75%），重新达到平衡，作为一次阶跃输入，测得。

减小手动阀位输出量到65%，使中水箱的液位由原平衡状态开始变化，经过一定的调节时间后，液位h2进入另一个平衡状态，测得。

5、两次参数求平均求得系统参数，并打印历史曲线。

五、实验要求请给出实验的调节过程及调节参数，并附上历史曲线，分析实验结果，给出双容液位广义对象的传递函数表达式。

机械电子工程原理实验报告双容型水箱液位与PID控制综合实验组员:XXXXXX年X月实验一压力传感器特性测试及标定测量实验一、实验目的1、了解本实验装置的结构与组成。

2、掌握压力传感器的实验原理及方法，对压力传感器进行标定。

二、实验设备1、德普施双容水箱一台。

2、PC 机及DRLINK4.5 软件。

三、实验原理图1-1 传感器装置图本实验传感器如图1-1所示，使用二个扩散硅压阻式压力传感器，分别用来测量上水箱水柱压力，下水箱水柱压力。

扩散硅压阻式压力传感器实质是硅杯压阻传感器。

它以N型单晶硅膜片作敏感元件，通过扩散杂质使其形成4个P型电阻，形成电桥。

在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，使电桥有相应输出。

经过后级电路的放大处理之后输出0~5V之间的电信号。

扩散硅压力传感器的输出随输入呈线性关系，输出特性曲线一般是一条直线，一般使用传感器前需要对此传感器进行标定，通常的做法是取两个测量点（x1，y1）和（x2，y2）然后计算特性直线的斜率K和截距B即可。

由于扩散硅压力传感器承受的水压力与水的液位高度成正比，因此扩散硅压力传感器通常也用来测量液位高度。

四、实验内容及结果图1-2 上水槽压力传感器特性测试及标定测量实验图1-3 下水槽压力传感器特性测试及标定测量实验5）压力传感器的标定系数值表。

表1-1 压力传感器标定系数值传感器K值B值液位1传感器0.06440 -7.98567液位2传感器0.065166 -12.63056）依据压力传感器标定系数值绘制的压力传感器特性曲线如图1-3，图1-4所示：图1-3 上水槽压力传感器特性曲线图1-4 下水槽压力传感器特性曲线五、思考题1.在做本实验的时候，为何2次标定的液位高度不能够太接近？答：由于液位高度与电压值为线性关系，故2次标定的液位高度要保持一定距离，这样可以有效降低系统误差。

在控制过程中由于水泵抽水压力冲击传感器等影响会对液位传感器产生一定程度的干扰。

XXXX大学电子信息工程学院专业硕士学位研究生综合实验报告实验名称：双容自衡水箱液位特性的测试专业：控制工程姓名学号：指导教师：完成时间：实验名称：双容水箱特性的测试实验目的：1．掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；2．根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T1、T2及传递函数；3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。

实验仪器设备：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。

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，依靠自身重新恢复平衡的过程。

图1所示为双容自衡水箱特性测试结构图及方框图。

阀门F1-1、F1-2和F1-11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F1-11的开度可以改变Q2。

液位h的变化反映了Q 1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1 双容水箱对象特性测试系统(a)结构图 (b)方框图方案设计及参数计算：双容水箱的数学模型可用一个二阶加时滞环节来描述。

双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。

在图2所示的阶跃响应曲线上求取：(1))(h.thtt∞==224)(1时曲线上的点B和对应的时间t1；(2))(h.thtt∞==2282）（时曲线上的点C和对应的时间t2。

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）=0.4 y （∞）时曲线上的点y1和相应的时间t1；（3） y （t2）=0.8 y （∞）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55.02174.1)21)(21(2116.22121-≈+++≈+t t T T T T T T t t T TT0=（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。

二、实验中应注意的问题1、测试前系统处于平衡状态，反应曲线的出始点应是输入信号的开始作阶跃信号的瞬间，这一段时间必须在记录纸上标出，以便推算纯滞后时间τ。

机械电子工程原理实验报告双容型水箱液位与PID控制综合实验组员:XXXXXX年X月实验一压力传感器特性测试及标定测量实验一、实验目的1、了解本实验装置的结构与组成。

2、掌握压力传感器的实验原理及方法，对压力传感器进行标定。

二、实验设备1、德普施双容水箱一台。

2、PC 机及DRLINK4.5 软件。

三、实验原理图1-1 传感器装置图本实验传感器如图1-1所示，使用二个扩散硅压阻式压力传感器，分别用来测量上水箱水柱压力，下水箱水柱压力。

扩散硅压阻式压力传感器实质是硅杯压阻传感器。

它以N型单晶硅膜片作敏感元件，通过扩散杂质使其形成4个P型电阻，形成电桥。

在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，使电桥有相应输出。

经过后级电路的放大处理之后输出0~5V之间的电信号。

扩散硅压力传感器的输出随输入呈线性关系，输出特性曲线一般是一条直线，一般使用传感器前需要对此传感器进行标定，通常的做法是取两个测量点（x1，y1）和（x2，y2）然后计算特性直线的斜率K和截距B即可。

由于扩散硅压力传感器承受的水压力与水的液位高度成正比，因此扩散硅压力传感器通常也用来测量液位高度。

四、实验内容及结果图1-2 上水槽压力传感器特性测试及标定测量实验图1-3 下水槽压力传感器特性测试及标定测量实验5）压力传感器的标定系数值表。

表1-1 压力传感器标定系数值传感器K值B值液位1传感器0.06440 -7.98567液位2传感器0.065166 -12.63056）依据压力传感器标定系数值绘制的压力传感器特性曲线如图1-3，图1-4所示：图1-3 上水槽压力传感器特性曲线图1-4 下水槽压力传感器特性曲线五、思考题1.在做本实验的时候，为何2次标定的液位高度不能够太接近？答：由于液位高度与电压值为线性关系，故2次标定的液位高度要保持一定距离，这样可以有效降低系统误差。

在控制过程中由于水泵抽水压力冲击传感器等影响会对液位传感器产生一定程度的干扰。

双容水箱特性的测试一、实验目的1．掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；2．根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T1、T2及传递函数；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（同前）三、原理说明图9 双容水箱对象特性测试系统(a)结构图 (b)方框图由图9所示，被测对象由两个不同容积的水箱相串联组成，故称其为双容对象。

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。

根据本章第一节单容水箱特性测试的原理，可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：G(s)=G1(s)G2(s)=)1sT)(1sT(K1sTk1sTk212211++=+⨯+(9)式中K＝k1k2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。

本实验中被测量为下水箱的液位，当中水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图10所示。

由图10可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图10 (a)）；而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图10 (b)），即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1-10和F1-11的开度大小密切相关。

图10 双容水箱液位的阶跃响应曲线（a）中水箱液位（b）下水箱液位双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。

在图11所示的阶跃响应曲线上求取：(1)h2（t）|t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t1；(2) h2（t）|t=t2=0.8 h2(∞)时曲线上的点C和对应的时间t2。

图11 双容水箱液位的阶跃响应曲线然后，利用下面的近似公式计算式阶跃输入量输入稳态值=∞=O h x )(K 2 (10) 2.16t t T T 2121+≈+ (11) )55.074.1()T (T T T 2122121-≈+t t (12) 0.32〈t 1/t 2〈0.46由上述两式中解出T 1和T 2，于是得到如式（9）所示的传递函数。

《过程控制系统设计》课程实验报告2018年4月19日实验一双容水箱对象特性测试实验一、实验目的1、了解双容对象的动态特性及其数学模型；2、熟悉双容对象动态特性的实验测定法原理；3、掌握双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）；3、CS4000型过程控制实验装置。

三、实验原理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，让双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，并测绘双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Δu 时测绘的飞升曲线如下图所示：四、实验内容获得2个上阶跃、2个下阶跃和1个矩形方波共5组的响应曲线，记录过程数据并处理。

现场接线图和设备连接图五、数据记录阀门开度为40%，达到初始平衡状态时的曲线如下。

记录此时的平衡点参数，见表1-1。

程参数，直至进入新的平衡状态，见表1-2和表1-3。

阀门开度从50%跳变到35%后，实时趋势如下。

记录此引起的阶跃响应的过程参数，直至进入新的平衡状态，见表2-1和表2-2。

程参数，直至进入新的平衡状态，见表3-1和表3-2。

阀门开度从28%跳变到42%后，实时趋势如下。

记录此引起的阶跃响应的过程参数，直至进入新的平衡状态，见表4-1和表4-2。

阀门开度从42%跳变到52%，经5分钟后又跳回到42%,实时趋势如下。

记录此引起的阶跃响应的过程参数，直至进入新的平衡状态，见表5-1和表5-2。

六、数据处理注：原始数据记录表格和手工绘制曲线（包括切线法和两点法的作图）见后面的附录部分。

七、思考题1、在做本实验时，为什么不能任意变化中水箱出水阀的开度大小？因为在本次实验中，水箱水位逐步趋于稳定是由于双容水箱的自衡特性，而如果在测量的过程中，若是更改了手动阀的大小就会导致整个系统的初始稳态发生变化，从而导致水箱水位一直不能达到稳定。

实验二 对象（一阶水箱）特性的实验测取一、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、根据由实际测得的一阶水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法求取对象特性参数。

二、实验器材1、CS3200型过程控制实验装置 1套配置：C3000过程控制器、水箱系统、实验接线等。

三、实验原理实验测取对象特性，就是在所要研究的对象上，人为地施加一个输入作用（通常为阶跃输入），然后用仪表记录表征对象特性的物理量（输出）随时间变化的规律，得到一系列实验数据或曲线。

这些数据或曲线就可以用来表示对象特性。

这个过程也叫实验建模。

实验建模的特点，就是不管系统的内部机理，完全从外部特性上来测试和描述它的动态特性。

（把被控对象当做一个黑匣子）这种方法既简单又省力，常用在工程实践中。

本实验采用阶跃响应测试法测取一阶水箱的特性。

实验系统如图1所示。

在系统开环运行稳定后，通过控制器，手动改变对象的输入信号Q 1（阶跃形式），同时记录对象的输出数据h 或阶跃响应曲线h （t ）。

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1 水箱系统示意图如图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，求得对象的模型的结构形式为：1d d KQ h thT=+或：()()T t e Q K t h −−Δ=1其中，T 、K 为对象特性参数，待测。

当由实验求得图2所示的阶跃响应曲线后，通过曲线可以求得特性参数。

图2 一阶对象阶跃响应曲线四、实验内容和步骤CS3200型过程控制实验装置示意图如下：图3 实验装置示意图本实验以下水箱的液位作为对象的输出，以下水箱进水流量作为对象的输入。

1、将储水箱灌满水，打开回流阀V3，下水箱进水阀V8，将其出水阀V9打开至适当开度，关闭V6、V7手阀。

2、接线：将下水箱的液位信号送至C3000过程控制器模拟量输入通道2，将模拟量输出通道1信号送电动控制阀，具体接线如下图4所示。

实验一双容水箱对象特性的测定实验一、实验目的及要求1. 了解双容水箱的自衡特性。

2. 掌握双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

3. 实测双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、实验原理当对象的动态特性可以用二阶微分方程式来描述时，一般称为二阶对象。

本实验的双容水箱即为二阶对象，其表征对象特性的微分方程式的建立和单容水箱类似。

本实验的进行同单容水箱实验，采用阶跃反应曲线测试法。

阶跃反应曲线法是被控对象在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节器手动操作改变对象的输入信号（阶跃信号）。

同时，记录对象的输出数据和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理地处理，确定模型中的相关参数。

该方法比较简单可行，如本实验输入量是流量，只要将阀门的开度作突然的改变，便可认为施加了阶跃干扰。

双容水箱液位控制结构图如图1所示：图1 双容水箱液位控制结构图设上水箱的进水量为Q 1，水箱的液面高度为H 1，下水箱的进水量为Q 2，出水量为Q 4，水箱的液面高度为H 2。

水槽的动态过程如下：流入水槽的流量Q 1为输入量，水槽液位的高度H 1为输出量，输入流量Q 1一定时，在稳定状况下，液位H 1和H 2维持不变。

在t 0时间突然增大进水阀V1开度，并保持不变，加入阶跃干扰，液位H 1和H 2开始上升，经过一定时间后，液位稳定在某一新的高度H 1′和H 2′。

根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：2212()()()(1)(1)s H S KG S e Q S T S T S τ-==+++（1）式中 K=R 4，T 1=R 2C 1，T 2=R 4C 2，R 2、R 4分别为阀V2和V4的液阻，C 1 和C 2分别为上水箱和下水箱的容量系数，式中的K 、T 1和T 2可由实验求得的阶跃响应曲线求出，具体的做法是在图2所示的阶跃响应曲线上取得： （1）h 2(t)稳态值的渐近线h 2(∞)；（2）h 2(t)|t=t 1=0.4 h 2(∞)时曲线上的点A 和对应的时间t 1； （3）h 2(t)|t=t 2=0.8 h 2(∞)时曲线上的点B 和对应的时间t 2。

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。

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 （∞）。

“过程控制系统设计”仿真实验报告实验名称：双容水箱对象特性测试实验姓名：徐辉胜学号： 20101523班级： 2010032组员：实验时间： 2013 年 5 月 7 日一、实验目的1、了解双容对象的动态特性及其数学模型2、熟悉双容对象动态特性的实验测定法原理3、掌握双容水箱特性的测定方法二、实验设计（画出“系统方框图”和“设备连接图”）设备连接图：图1 设备连接图系统方框图：图2 系统方框图三、实验步骤1、运行四水箱DDC 实验系统软件，选择“实物模型”，单击实验菜单进入双容水箱特性测试实验界面。

2、选择执行机构，在此我们选U1。

3、选水箱1和3串联组成的双容水箱，对应待测液位为H1。

4、根据连接图够成控制回路，打开响应水阀，记录1K 与3K 的开度，3K =80%、1K =60%。

5、选择工作点，使被测的水箱的液位稳定在某个点，此时U1=20%。

6、当双容水箱的液位稳定在工作的时，让控制量阶跃变化，观察记录数据。

四、实验记录（H3、H1单位为cm ）表1 控制量从20%跳变到25%的阶跃响应表3 控制量从20%→22%→20%宽度为6min的方波响应表4 控制量从20%跳变到15%的阶跃响应图3 控制量从20%→25%→20%的阶跃响应图4 控制量从20%→22%→20%宽度为6min的方波响应图5 控制量从20%→15%→20%的阶跃响应五、结果分析1、由表1和表2绘制=25%时的飞升曲线和控制量从25%→20%的阶跃响应曲线（图6）图6 控制量从20%→25%→20%的阶跃响应曲线y=y(∞)-y(0)=20.4-11.2=9.2(cm)当控制量从20%变化到25%时，用两种方法计算传递函数：被控过程的静态放大系数K==9.2/5%=1.84(cm/%)。

（1）两点法：将y(t)转换成无量纲形式选y、=0.632y，计算可知t1和t2对应的点为14.8cm和17.3cm，在坐标轴上可以画出对应的时间t1=7.5min，t2=12.5min，现计算T和值。

实验1 二阶双容中水箱对象特性测试实验一、实验目的1、熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线；2、根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的飞升特性。

二、实验设备AE2000B 型过程控制实验装置、实验连接线图1 双容水箱系统结构图三、原理说明如图1所示：这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，被调量是第二水槽的水位h 2。

当输入量有一个阶跃增加∆Q 1时，被调量变化的反应曲线如图2所示的∆h 2曲线。

它不再是简单的指数曲线，而是呈S 形的一条曲线。

由于多了一个容器，就使调节对象的飞升特性在时间上更加落后一步。

在图中S 形曲线的拐点P 上作切线，它在时间轴上截出一段时间OA 。

这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此称容量滞后，通常以τC 代表之。

设流量Q 1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度h 2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：2112()()* ()(*1)(*1)sH S K G S Q S T S T S e τ-==++图2 变化曲线式中K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分别为阀V2和V3的液阻，C1和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。

由式中的K、T1和T2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。

具体的做法是在图3所示的阶跃响应曲线上取：1）h2（t）稳态值的渐近线h2(∞)；2）h2（t）|t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的点A和对应的时间t1；3）h2（t）|t=t2=0.8 h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t2。

然后，利用下面的近似公式计算式2-1中的参数K、T1和T2。

其中：2()KOhR∞==输入稳态值阶跃输入量图3 阶跃响应曲线4）1212t tT T2.16++≈对于式（2-1）所示的二阶过程，0.32〈t1/t2〈0.46。

当t1/t2=0.32时，为一阶环节；当t1/t2=0.46h0.40.82hh1h222时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2（此时T 1=T 2=T=(t 1+t 2)/2* 2.18 ）5）1212122T T (1.740.55) (T T )t t ≈-+四、实验步骤1、设备的连接和检查：1） 打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀；2） 将下水箱的出水阀开至适当开度； 3） 检查电源开关是否关闭。

8.序言工业液体的液位控制系统是工业生产中比较典型的控制应用之一，双容水箱液位的控制作为过程控制的典型代表，是众多过程控制专家研究的热点之一，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用，其中控制装置的可靠性与控制方案的准确性一直是影响整个系统性能的关键。

为了从应用角度理解并提高用理论解决实际问题的能力，我在现有液位系统的基础上对控制器及控制算法的改进进行实验性的开发和研究，由于其自身存在滞后、非线性特性及控制系统比较复杂的特点，系统状态、系统参数和控制算法都直接影响控制精度，在传统的油库发油、炼化等行业中，应用单片机对液位的控制，存在计量不精确、失控和安全性差等问题。

为了克服这些缺点，本设计采用西门子公司S7-300系列PLC和WINCC工业组态软件来实现对双容水箱液位的控制。

S7-300系列是一类可编程控制器，可以满足多种多样的自动化控制需要，在工业控制中得到广泛应用。

随着科学技术的飞速发展,PLC 已进入日常生产的各个方面,PLC 的应用在各行各业已成为必不可少的内容。

PLC 是继电器技术和“3C 技术”(计算机、控制、通信)的综合体,是一种控制机器动作顺序的“程控型”控制装置。

他能适应工厂环境要求,工作可靠体积小,功能强,而且“用途可随时改变”.长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。

目前,在电气控制领域,国内外普遍采用PLC。

特别是最近几年的冶金行业中,PLC以其在工业恶劣环境下仍能高可靠性工作,及抗干扰能力强的特点而获得更为广泛的使用。

PLC将电气、仪表、控制这三电集于一体,可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统,以适应各种工业控制的需要。

随着微电子技术的快速发展,PLC的制造成本不断下降,而其功能却大大增强。

在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备,应用几乎覆盖了所有工业企业,日益跃居现代工业自动化三大支(PLC,ROBOT,CAD/CAM)的主导地位。

实验二、双容水箱对象特性测试实验一、实验目的1、 了解双容对象的动态特性及其数学模型2、 熟悉双容对象动态特性的实验测定法3、 掌握双容水箱特性的测定方法 二、实验设备1、 四水箱实验系统硬件平台2、 四水箱实验系统DDC 实验软件3、 PC 机（Window 2000 Professional 操作系统）4、 其它：连接线等 三、实验原理双容对象的特性的获取方法大体与单容对象相同，但是由于两者的动态特性不同，使得其分析方法与单容对象存在着差异。

1、双容对象的动态特性及其数学模型以双容水槽水位调节对象为例，分析其动特性及数学模型。

典型的双容水槽水位调节对象如下图所示：典型的双容水槽水位调节对象前面我们已经得出典型单容的数学模型，因此对于上图所示的系统有：()()11111+=s T K s s H μ （1）()()1Q 222+=s T K s s H （2）())(Q 1s H s ∝（3）对于（2－3）式，假定在工作点附近有，（4）())(KQ 1Rs H s ＝ 联立上述各式，可得：()()1*1*K 221112++=s T K s T K s s H R μ （5）标准表达式为：()())1)(1(2112++=s T s T K s s H μ（6）式中 K=K R *K 1*K 2上式为典型的双容水箱对象的传递函数，从传递函数中可以看出，其有两个负极点-1/T1，-1/T2，所以它是非振荡的自衡过程。

2、双容对象特性的实验测定法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。

常用的测定对象动态特性的实验方法主要有三种： A 、测定动态特性的时域方法这个方法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。

上海电力学院实验报告过程控制系统实验课程题目双容水箱对象特性测试实验班级姓名学号时间2010年4月28日上海电力学院电力与自动化工程学院一、实验目的1、了解双容对象的动态特性及其数学模型2、熟悉双容对象动态特性的实验测定法原理3、掌握双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、双容对象特性实验测定法原理系统连线图系统连线图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，让双容水箱对象的液位稳定B、测绘阶跃曲线让控制量做阶跃变化，并测绘双容水箱液位随时间变化的曲线图 3 飞升曲线C、获得对象的动特性假定在输入量变化量为uΔ时测绘的飞升曲线如下图3所示：因此，可估算双容水箱的模型为其中于是用实验法测出了双容水箱的动特性。

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，进入双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、选择双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，其中水箱3和水箱1、水箱4和水箱2可以分别串接成两组双容水箱，可以自行选择一组双容水箱作为被测定对象。

这里假定我们选择水箱1和水箱3串接的双容水箱，对应待测液位变量为H1。

4、组成控制回路我们期望构成的控制量为U1，被测量为H1的控制回路，为此根据连接图，我们需打开水箱1和3的进水阀，关闭其它进水阀。

也可选择其它的双容对象构成控制回路。

5、选择工作点控制量“U1”或“U2”控制执行机构，通过构造的控制回路，使被测的单容水箱的液位稳定在某个点。

具体设置方式如下：实物图如图4所示图 4 工作点设置图选择控制量“U1”或“U2”，如上图4所示，单击实验界面中的调节阀图标，进入输出设置窗体，如下图5所示：图 5 输出设置窗口在窗体中，通过键盘输入期望的值。