四水箱仿真系统DDC实验指导书

四水箱仿真系统DDC软件实验指导书2004-10-9实验一、一阶单容水箱对象特性测试实验 (2)实验二、二阶双容水箱对象特性测试实验 (12)实验三、单回路液位PID控制实验 (20)实验四、双容水箱液位串级PID控制实验 (31)实验五、流量比值控制实验 (38)实验六、前馈反馈控制实验 (46)实验七、双容水箱液位Smith控制实验 (53)实验八、四容水箱液位解耦控制实验 (58)实验一、一阶单容水箱对象特性测试实验一、实验目的1、 了解单容对象的动特性及其数学模型2、 熟悉单容对象动特性的实验测定法3、 掌握单容水箱特性的测定方法 二、实验设备1、 四水箱仿真系统DDC 软件2、 PC 机（Window 2000 Professional 操作系统） 三、实验原理全面地分析和测定调节对象的特性，是设计一个自动控制系统的首要前提。

一般研究调节对象特性的方法有两种：分析法和实验测定法。

分析法通过分析过程的机理、物料或能量平衡关系求得数学模型，即对象动态特性的数学描述；实验测定法通过实验测定，对取得的数据进行加工整理而求得对象的数学模型。

下面分别应用这两种方法对单容对象的动特性进行分析，并给出单容水箱对象特性的一种实验测定法。

1、单容对象的动特性及其数学模型以单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单容水槽水位调节对象如下图所示P-4P-5图 1－1 典型的单容水槽水位调节对象各个变量定义如下： 1Q 输入水流量（米3/秒）10Q输入稳态水流量（米3/秒）1Q 输入流量对它的稳态值的微小增量（米3/秒） 2Q输出水流量（米3/秒）20Q输入稳态水流量（米3/秒）2Q ∆输出流量对它的稳态值的微小增量（米3/秒） h 稳态水位（米）h ∆ 水位对它的稳态值的微小增量（米）V水槽中储存水的容积（米3） F水槽的横断面积（米2）根据物料平衡关系，在正常工作状态下的稳态方程式为：0Q 2010＝-Q（1－1）动态方程式是：dtdVQ 21＝-Q （1－2）上式中，dtdV是流体储存量的变化率。

它与被调水位h 间的关系是：Fdh dV ＝ ，dtdhF ＝dt dV （1－3）将式（1－3）代入式（1－2），得dtdh FQ 21＝-Q （1－4）或FQ Q dt dV 21－＝上式中，1Q 只决定于调节阀1的开度。

假定1Q 的变化量1Q ∆与调节阀1的开度的变化量1μ∆的关系为：11μμ∆=∆K Q（1－5）其中μK 是比例系数（米2/秒） 输出水流量2Q 随水位而变化，假定二者的变化量之间的关系为：s R h Q ∆=∆2 ；或 2Q hR s ∆∆= （1－6）其中，s R 为液阻，即流出管路上的阀门2的阻力。

在水位变化范围不大时，近似认为s R 为常数，实际上，s R 不是一个常数，它与水位、流量的关系是非线性的。

因此，常用切线法，对其进行线性化处理，即在静特性上的工作点附近以切线代替原来的曲线，然后用式（1－6）表示流量的变化与液位变化的关系。

对于（1－4）式，变量用额定值和增量的形式表示，即1101Q Q Q ∆+= 2202Q Q Q ∆+= h h h ∆+=0并考虑到（1－1）式，（1－4）式就化成以增量表示的微分方程式dthd FQ Q ∆=∆-∆21 （1－7）将（1－5）和（1－6）式带入上式得：1μμ∆=∆+∆s sR K h dthd FR （1－8）其标准表达式为：1μ∆=∆+∆K h dthd T（1－9）式中s FR T =； s R K K μ=其拉氏表达式为()()11+=Ts Ks s H μ 现在我们已经成功地应用机理分析法，得到了单容水槽水位调节对象的数学模型。

上式中，当∞→t 时，()1μ∆=∞∆K h ，这就是输入量1μ∆经过水槽这个环节放大了K 倍，因此称K 为对象放大系数；而式中T 表示了水位h ∆在0=t 以最大速度一直变化到稳态值所需要的时间，因此称T 为对象的时间常数，2、单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。

在获得特性曲线的基础上，进行分析获得相应的对象特性。

这种测定方法简单、测试工作量较小，应用广泛，但是测量精度不高。

B、测定动态特性的频域方法这个方法主要是获得对象的频率特性，其通过在对象输入一种正弦波或近似正弦波，测出输入量和输出量的幅度比和相位差，来获得频率特性。

这种方法在原理上和数据处理上都是比较简单的，但是此方法需要专门的超低频测试设备，测试工作量较大。

C、测定动态特性的统计研究方法这个方法通过在对象输入端加上某种随机信号或直接利用对象输入端本身存在的随机噪声，观察和记录由于这些信号或噪声引起的对象各个参数的变化，从而研究对象的动特性。

这种方法对生产的影响很小，实验结果不受干扰影响，精度高，但统计法要求累积大量数据，并用相关仪和计算机对这些数据进行计算和处理。

3、单容水箱特性的测定方法这里采用飞升曲线的实验测定方法，即在输入量作阶跃变化时测绘输出量随时间变化曲线，并通过对曲线的分析获得单容水箱对象的动特性。

具体步骤如下：A、选择工作点输入量保持不变，让单容水箱对象的液位稳定B、测绘飞升曲线在单容水箱对象的液位稳定后，让输入量作阶跃变化，并测绘输出量随时间变化的曲线C、获得对象的动特性时测绘的飞升曲线如下图所示：假定在输入量变化量为u因此，可估算单容水箱的模型为()1+=Ts Ks G p（1－10）其中lenleny u u y K *∆∆=（1－11）至此，我们成功地用实验法测出了单容水箱的动特性。

四、实验步骤1、启动四水箱仿真系统DDC软件运行四水箱仿真软件，进入软件的主界面，如下图所示：单击实验菜单，进入相应的实验，如下图所示对象测定实验界面，如下图所示：2、选择输入回路如上图所示，此仿真系统有两个输入回路，分别由阀门“U1”和“U2”控制，这两个输入量的范围为0～100，读者可以自行选择一个回路作为输入。

这里假定我们选择“U1”。

3、选择单容对象如上图所示，此仿真系统有四个水箱：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，读者可以自行选择一个水箱作为被测定对象。

这里假定我们选择水箱1，对应液位变量为H1，4、组成对象系统这样我们期望构成对象系统的输入量为U1，输出量为H1，为此根据动画连接图，我们需打开调节阀“K11”，关闭其它调节阀。

设置方式：单击实验界面菜单中的“仿真模型”选项，弹出模型参数设置窗体将K11阀门开度设为1，其它阀门开度设为0。

至此，已组成以水箱1为对象的单容调节系统5、选择工作点即设置U1或U2的值，设置U2时，单击实验界面的“设置U2”，设置U1时，单击U1对于管路的阀门，如下图所示：然后，进入变量设置窗体，如下图所示：在窗体中，用键盘输入你想设置的值。

参考设置U1＝406、输入量作阶跃变化当单容水箱的液位稳定时，让U1作阶跃变化，即在工作点附近，加大或减小U1 如，可以设置U1＝507、测绘曲线记录水箱液位的变化曲线。

本软件提供了“实时趋势”和“历史趋势”两个功能窗体来记录实验数据（“实时趋势”只能查看一个小时之内的数据，超过一个小时就要借助“历史趋势”）。

单击实验界面菜单中的“实时趋势”，弹出“实时趋势”窗体，如下图所示单击窗体右边的位号选择菜单，选择想查看的位号变量，如下图所示：8、结果分析分析记录的飞升曲线，获得单容水箱的对象特性五、注意事项四水箱仿真系统DDC软件使用时，确保文件“四容水箱系统数据库”不在使用六、实验报告1、测绘单容水箱的飞升曲线。

2、根据测绘的曲线，描述单容水箱的动特性。

七、思考题1、如何分析被控对象的特性？主要有那些方法？2、机理分析法的原理及优缺点？3、何为实验测定法，主要有哪几种？4、简述实验法测定单容水箱的过程。

实验二、二阶双容水箱对象特性测试实验一、实验目的1、 了解双容对象的动特性及其数学模型2、 熟悉双容对象动特性的实验测定法3、 掌握双容水箱特性的测定方法 二、实验设备1、 四水箱仿真系统DDC 软件2、 PC 机（Window 2000 Professional 操作系统） 三、实验原理双容对象的特性的获取方法大体已单容对象相同，但是由于两者的动特性不同，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：P-8P-9图 2－1 典型的双容水槽水位调节对象前面我们已经得出典型的单容的数学模型，因此对于上图所示的系统有：()()11111+=s T K s s H μ （2－1）()()1Q 222+=s T K s s H （2－2）())(Q 1s H s ∝（2－3）对于（2－3）式，假定在工作点附近有，())(KQ 1Rs H s ＝（2－4）联立上述各式，可得：()()1*1*K 221112++=s T K s T K s s H R μ （2－5）其标准表达式为：()())1)(1(2112++=s T s T K s s H μ （2－6）式中21R K *K *K K =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，其有两个极点11T －，21T －，都是负的实数极点，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。

在获得特性曲线的基础上，进行分析获得相应的对象特性。

这种测定方法简单、测试工作量较小，应用广泛，但是测量精度不高。

B 、测定动态特性的频域方法这个方法主要是获得对象的频率特性，其通过在对象输入一种正弦波或近似正弦波，测出输入量和输出量的幅度比和相位差，来获得频率特性。