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第一个 单容自衡水箱液位特性测试实验
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。
一阶单容上水箱对象特性的测试实验报告
《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。
实验一 单容自恒水箱液位特性测试实验
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
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。
单容水箱特性的测试
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 。
杭电《过程控制系统》实验报告分析解析
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
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仪表实验指导书
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。
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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：
丹麦泵
电动调节阀
V1
DCS控制系统手动输出
h
V2
Q1
Q2
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。
再次记录平衡时的下列数据。
（7）、将系统输出值调回到步骤(5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。
（8）、重复上述实验步骤。
（9）、最后将数据整理好填入表格，根据数据作出对应曲线并求出相关参数。
六、实验报告要求
（1）作出一阶环节的阶跃响应曲线。
（2）根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。
DCS系统手动
给定值
水箱水位高度h1 上位机显示值
阀门开度
0~100 cm cm
20 12.75 29.60
t （秒）
10
20 30
40
50
60
70
80
90
100
110
水箱水位h 1(cm)
10.40 10.50
10.70 10.85
11.00 11.20 11.30 11.50 11.60 11.70 11.90 12.00
上位机读数(cm) 26.20 26.50 26.80 27.00 27.30 27.60 27.80 28.00 28.20 28.40 28.70 28.90
t （秒） 120
130
140
150
160
水箱水位h 1(cm) 12.25 12.45 12.55 12.61 12.75
上位机读数(cm)
29.10 29.20 29.30 29.60 29.60
DCS 系统手动
水箱水位高度h1 上位机显示值
根据图解法得出时间常数为T=100s ，放大系数为K=0.034。
给定值 阀门开度
0~100 cm cm 25
17.68
37.80
t （秒）
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
水箱水位h 1(cm) 13.00 13.30 13.60 14.00 14.30 14.59 14.80 15.15 15.40 15.65 15.85 16.10
上位机读数(cm) 30.30 30.80 31.20 31.80 32.20 32.80 33.30 33.60 34.10 34.50 34.80 35.20 t （秒） 120
130
140
150
160
170
180
190
200
水箱水位h 1(cm) 16.30 16.60 16.75 16.95 17.10 17.35 17.50 17.65 17.68
上位机读数(cm)
35.60 35.90 36.20 36.60 36.90 37.10 37.50 37.70 37.80
根据图解法得出时间常数为T=110s ，放大系数为K=0.068。
七、注意事项
（1）本实验过程中，出水阀不得任意改变开度大小。
（2）阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止因读数误差和其他随机干扰影响对象特性参数的精确度。
一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。
(3)在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。
八、思考题
（1）在做本实验时，为什么不能任意变化上水箱出水阀的开度大小？
答：因为T为水箱的时间常数，T=R2*C，K=R2为单容对象的放大倍数， R2
为V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。
当改变水箱出水阀的开度大小时，R2会改变，那么G(s)也会改变，那样的话就不会测出G(s)中的参数了，因为每次都不一样。
(2)用两点法和用切线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点?
答：两点法：从理论上来说两点就可以确定参数，但是在实际测量中，测量点总是在基准线附近不停地波动，这样很可能会造成测量的不准确，但是两点法只需要测两个点的数据，相对切线法来说简单多了。
切线法：和两点法相比，切线法随机性小一点，可以近似地测量和计算出对象的特性参数，但是切线法需要侧大量的数据，用来近似地描绘出对象的特性曲线。