郭少杰20113324双容水箱特性测试实验

一、实验目的1. 了解双容水箱液位控制系统的基本原理和组成。

2. 掌握双容水箱液位控制系统的建模、仿真和实验方法。

3. 学习PID控制算法在双容水箱液位控制系统中的应用。

4. 分析不同控制策略对系统性能的影响，优化控制参数。

二、实验设备1. 双容水箱系统：包括两个水箱、阀门、传感器、执行器等。

2. 控制器：采用PID控制器进行液位控制。

3. 电脑：用于数据采集、仿真和参数调整。

4. MATLAB软件：用于系统建模、仿真和数据分析。

三、实验原理双容水箱液位控制系统主要由水箱、传感器、执行器和控制器组成。

系统的工作原理如下：1. 传感器检测水箱液位，并将液位信号传输给控制器。

2. 控制器根据预设的液位设定值和当前液位值，计算出控制信号。

3. 执行器根据控制信号调整阀门开度，控制进水流量和出水流量。

4. 通过调节进水流量和出水流量，使水箱液位保持在设定值附近。

四、实验步骤1. 系统建模：根据实验设备，建立双容水箱液位控制系统的数学模型。

模型包括水箱的液位方程、进水流量方程和出水流量方程。

2. 系统仿真：在MATLAB中，根据建立的数学模型进行系统仿真。

仿真过程中，调整PID控制器的参数，观察不同参数对系统性能的影响。

3. 实验验证：将PID控制器连接到实际双容水箱系统，进行实验验证。

通过改变液位设定值，观察系统响应和稳定性。

4. 参数优化：根据实验结果，调整PID控制器的参数，使系统性能达到最优。

五、实验结果与分析1. 系统仿真结果：在MATLAB中，通过仿真实验，观察到不同PID控制器参数对系统性能的影响。

结果表明，参数的合理选择对系统性能有显著影响。

2. 实验验证结果：将PID控制器连接到实际双容水箱系统，进行实验验证。

实验结果显示，系统响应速度快，稳定性好，能够有效控制水箱液位。

3. 参数优化结果：根据实验结果，对PID控制器的参数进行优化。

优化后的参数能够使系统在较短时间内达到稳定状态，并保持较高的响应速度。

实验二、二阶双容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、实验设备过程控制实验装置、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。

三、原理说明图2-1、双容水箱系统结构图如图2-1所示：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h。

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

它不再是简单的指数曲线，而是就2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τ代表之。

C设流量Q为双容水箱的输入量，下水箱的液位高1度h为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液2体传输过程中的时延，其传递函数为： 图2-2、变化曲线式中 K=R 3，T 1=R 2C 1，T 2=R 3C 2，R 2、R 3分别为阀V 2和V 3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2-3所示的阶跃响应曲线上取：1）、h 2（t ）稳态值的渐近线h 2(∞)； 2）、h 2（t ）|t=t1=0.4 h 2(∞)时曲线上的 点A 和对应的时间t 1；3）、h 2（t ）|t=t2=0.8 h 2(∞)时曲线上的 点B 和对应的时间t 2。

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〈t 1/t 2〈0.46。

当t 1/t 2=0.32时 ，可近似为一阶环节；当t 1/t 2=0.46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 ）四、实验步骤1、设备的连接和检查1）、开通以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计以及上水箱出水阀1、阀4、阀9、阀21、阀23组成的水路系统;关闭通往其他对象的切换阀2、阀5、阀7、阀11、阀13、阀15。

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。

“过程控制系统设计”实物实验报告实验名称：双容水箱对象特性测试及PID 控制实验姓名：学号：班级：指导老师：同组人：实验时间：2013 年5 月30 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4、学习双容水箱液位 PID 控制系统的组成和原理5、熟悉 PID 的调节规律6、掌握 PID 控制器参数的整定方法二、实验设计（画出“系统方框图”和“设备连接图”） 控制系统1、双容对象特性实验测定法原理本次实验需要求取对象的飞升曲线（即阶跃响应曲线）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。

双容对象飞升曲线实验测定方法的具体步骤如下： （1） 选择工作点给定控制量，让双容水箱对象的液位稳定 （2） 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 （3） 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图１所示：图 １ 双容水箱液位 PID 控制系统的方框图因此，可估算双容水箱的模型为其中lenlen y u u y k *△△=，αοT =τ 于是用实验法测出了双容水箱的动特性。

2、控制系统的组成及原理单回路调节系统，一般是指用一个控制器来控制一个被控对象，其中控制器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。

双容水箱液位PID 控制系统也是一种单回路调节系统，典型的双容水箱液位控制系统如图２所示：图２双容水箱液位PID 控制系统的方框图在双容水箱液位PID 控制系统中，以液位为被控量。

其中，测量电路主要功能是测量对象的液位并对其进行归一化等处理；PID 控制器是整个控制系统的核心，它根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节，从而控制双容水箱的液位达到期望的设定值。

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。

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。

双容⽔箱特性的测试第⼆节双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、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2-1 双容⽔箱对象特性结构图由图2-1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2-62所⽰。

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

显然,多了⼀个⽔箱，液位响应就更加滞后。

由S形曲线的拐点P处作⼀切线，它与时间轴的交点为A,OA则表⽰了对象响应的滞后时间。

⾄于双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述⽅法来确定。

图2-2 双容液位阶跃响应曲线图2-3 双容液位阶跃响应曲线在图2-3所⽰的阶跃响应曲线上求取：(1)h2（t)|t=t1=0.4h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t1；(2)h2（t)|t=t1=0.8h2(∞)时曲线上的点C和对应的时间t2；然后，利⽤下⾯的近似公式计算式由上述两式中解出T1和T2,于是求得双容(⼆阶)对象的传递函数为四、实验内容与步骤1.接通总电源和相关仪表的电源。

2.接好实验线路，打开⼿动阀，并使它们的开度满⾜下列关系：V1的开度>V2的开度>V3的开度3.把调节器设置于⼿动位置，按调节器的增/减，改变其⼿动输出值（⼀般为最⼤值的40～70%，不宜过⼤，以免⽔箱中⽔溢出），使下⽔箱的液位处于某⼀平衡位置（⼀般为⽔箱的中间位置）。

4.按调节器的增/减按钮，突增/减调节器的⼿动输出量，使下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。

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。