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：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h1( t ) h1(∞ ) 0.63h1(∞)0 TV 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：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。
当由实验求得图1-2所示的 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图1-2、阶跃响应曲线作切线，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（∞）。
五．实验内容步骤1)对象的连接和检查：(1)将AE2000 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、电动调节阀的电源开关。
(2)启动DCS上位机组态软件，进入主画面，然后进入实验一画面。
(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并填入下表。
原始平衡状态：从40%到50%阶跃数据：T（秒）102030405060水箱水位4.5 4.955.2 5.5 5.7 h1(cm)上位机读数4.85.1 5.4 5.4 5.86.1 (cm)T（秒）708090100110120水箱水位5.7 5.55 5.1 5.76 h1(cm)上位机读数6.5 6.3 6.3 5.8 5.7 6.2 (cm)T（秒）130140150160170180水箱水位5.9 5.5 5.5 5.8 5.8 5.7 h1(cm)上位机读数6.7 6.7 6.3 6.2 6.4 6.4 (cm)T（秒）190200210220230240水箱水位5.4 5.7 5.3 5.66 5.9 h1(cm)上位机读数6.3 6.2 6.3 6.1 6.3 6.8 (cm)T（秒）250260270280290300水箱水位5.9 5.96 5.9 5.7 5.7 h1(cm)上位机读数6.8 6.7 6.7 6.7 6.3 6.7 (cm)平衡状态1：从45%到50%阶跃数据：T（秒）102030405060水箱水位6.1 5.8 5.9 6.2 5.8 6.3 h1(cm)上位机读数6.5 6.9 6.5 6.6 6.8 6.6 (cm)T（秒）708090100110120水箱水位6.4 6.4 6.5 6.5 6.46 h1(cm)上位机读数77.27.1 6.97.2 6.9 (cm)T（秒）130140150160170180水箱水位6.1 6.4 6.5 6.5 6.46 h1(cm)上位机读数6.7 6.5 6.97.27.2 6.8 (cm)T（秒）190200210220230240水箱水位5.96.5 6.67 6.8 6.4 h1(cm)上位机读数6.4 6.777.37.87.6 (cm)T（秒）250260270280290300水箱水位6.77 6.9 6.4 6.6 6.5 h1(cm)上位机读数77.27.77.67.17.3(cm)平衡状态2：从50%到55%阶跃数据：T（秒）102030405060水箱水位77.47.87.67.77.4 h1(cm)上位机读数6.87.48.68.48.28.4 (cm)T（秒）708090100110120水箱水位7.47.37.67.987.8 h1(cm)上位机读数8.287.888.78.8 (cm)T（秒）130140150160170180水箱水位7.97.87.97.87.98.3 h1(cm)上位机读数8.98.78.88.48.58.3(cm)T（秒）190200210220230240水箱水位87.87.77.97.77.5 h1(cm)上位机读数9.48.88.48.48.48.3 (cm)T（秒）250260270280290300水箱水位7.988.17.97.57.9 h1(cm)上位机读数8.38.78.98.88.78.6 (cm)平衡状态3：从55%到60%阶跃数据：T（秒）102030405060水箱水位8.38.48.28.48.68.6 h1(cm)上位机读数8.698.98.99.19.8(cm)T（秒）708090100110120水箱水位8.78.78.998.98.7 h1(cm)上位机读数9.59.89.510.1109.7 (cm)T（秒）130140150160170180水箱水位998.88.88.98.7 h1(cm)上位机读数9.69.7109.79.79.9 (cm)T（秒）190200210220230240水箱水位8.68.998.898.9 h1(cm)上位机读数9.69.59.49.69.29.7 (cm)T（秒）250260270280290300水箱水位8.68.68.78.79.19.2h1(cm)上位机读数9.89.49.19.19.310 (cm)平衡状态4：六、实验报告要求（1）作出一阶环节的阶跃响应曲线。
从40%到45%的阶跃响应曲线：从45%到50%的阶跃响应曲线：从50%到55%的阶跃响应曲线：从55%到60%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。
答：从40%到45%从45%到50%从50%到55%从55%到60%平均值K*R0 1.71920.9643 1.136 1.058 1.097T31.8042100.676229.303434.690433.2473根据测量的数据可求得时间常数T=33.2473，K*R0=1.097。
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。
实验四、上水箱液位PID整定实验一、实验目的1）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。
3）、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AE2000型过程控制实验装置，PC机, DCS控制系统，DCS监控软件。
三、实验原理图4-1、实验原理图图4-1为单回路上水箱液位控制系统。
单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。
根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用DCS系统控制。
当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
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）。