实验一、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Q1，手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。
根据物料平衡关系，在平衡状态时Q1-Q2=0 (1)动态时，则有Q1-Q2=dv/dt (2)式中 V 为水箱的贮水容积，dV/dt为水贮存量的变化率，它与 H 的关系为dV=Adh ,即dV/dt=Adh/dt (3)A 为水箱的底面积。
把式(3)代入式(2)得Q1-Q2=Adh/dt (4)基于Q2=h/RS，RS为阀V2的液阻,则上式可改写为Q1-h/RS=Adh/dt即ARsdh/dt+h=KQ1或写作H(s)K/Q1(s)=K/(TS+1) (5)式中T=ARs,它与水箱的底积A和V2的Rs有关:K=Rs。
式(5)就是单容水箱的传递函数。
对上式取拉氏反变换得(6)当t—>∞时,h(∞)=KR0 ,因而有K=h(∞)/R0=输出稳态值/阶跃输入当 t=T 时，则有h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=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%所对应的时间,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,由响应曲线求得K和T后,就能求得单容水箱的传递函数。
如果对象的阶跃响应曲线为图2-3,则在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点,与响应稳态值的渐近线交于A点。
图中OB即为对象的滞后时间τ,BC为对象的时间常数T,所得的传递函数为：四、实验内容与步骤1．按图2-1接好实验线路,并把阀V1和V2开至某一开度,且使V1的开度大于V2的开度。
2．接通总电源和相关的仪表电源,并启动磁力驱动泵。
3．把调节器设置于手动操作位置，通过调节器增/减的操作改变其输出量的大小，使水箱的液位处于某一平衡位置。
4．手动操作调节器，使其输出有一个正(或负)阶跃增量的变化(此增量不宜过大,以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一定的调节时间后，水箱的液位进入新的平衡状态，如图2-4 所示。
5．启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。
正向输入曲线负向输入曲线6．实验数据计算（1）、正向输入:T=t12-t1= 1：53：55 - 1:52:18=1:37=97(s)h(∞)= h2(∞)- h1(∞)= 74.71mm-26.81mm=49.7mmR0=Q2-Q1=459.8L/h-397.9L/h=61.9L/hK=h(∞)/R0=49.7/61.9=0.8029H （S ）=T S T K 1/+×S R 0=K S R 0-TS KR 10+==S 7.49-0103.07.49+S（2）、负向输入:T=t23-t2= 1:57:24 - 1:56:06=1:18=78(s)h(∞)= h2(∞)- h3(∞)= 74.71mm-37.44mm =37.27mmR0=Q2-Q1=459.8L/h-388.0L/h=71.8L/hK=h(∞)/R0=37.27/71.8=0.5191H （S ）=T S T K 1/+×S R 0=K S R 0-TS KR 10+==S 27.37-0128.027.37+S 7．实验曲线所得的结果填入下表。
参数值测量值放大系数K周期T正阶跃输入0.8029 97(s) 负阶跃输入0.5191 78(s) 平均值0.6610 87.5 五、思考题1.在实验进行过程中，为什么不能任意改变出水口阀开度的大小？答：因为在实验过程中，任意改变出水口阀开度会影响出水流量的大小。
在入水量不变的情况下，这样会使实验记录的数据和图形与实际相差较远。
2.用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与哪些因素有关？答：因为系统用到了仪表，因此与仪表的精度有关，同时与出水阀开度的大小有关。
并和放大系数K、时间常数T以及纯滞后时间有关。
另外，也会受实验室电压的波动与测试软件的影响。
3.如果采用中水箱做实验，其响应曲线与上水箱的曲线有什么异同？试分析差异原因。
答：若采用中水箱做实验，它的响应曲线要比上水箱变化的慢。
原因：因为中水箱的回路比上水箱的回路要长，上升相同的液位高度，中水箱要更长的时间。
实验三、上水箱液位PID整定实验一、实验目的1. 根据实验数据和曲线,分析系统在阶跃扰动作用下的动、静态性能。
2. 比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。
3. 分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。
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3-2-1 上水箱单容液位定值控制系统(a)结构图 (b)方框图本实验系统结构图和方框图如图3-2-1所示。
被控量为上水箱（也可采用中水箱或下水箱）的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。
将压力传感器LT1检测到的上水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。
为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。
四、实验内容与步骤1.先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F1-10、F1-11全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度（50%左右），其余阀门均关闭。
2.接通控制柜总电源，打开漏电保护器及各空气开关，接通空压机电源，并将三相磁力泵、三相电加热管、控制站的各旋钮开关打到开的位置。
控制柜无需接线。
3.在上位机监控界面中点击“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过设定值或输出值旁边相应的滚动条或输出输入框来实现。
4.启动磁力驱动泵，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少输出量，使上水箱的液位平衡于设定值。
5.按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定PI调节器的参数，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。
6.分别适量改变调节器的P参数，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。
7.分别用PI、PD、PID三种控制规律重复步骤3～6，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。
8.水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。
（1）、P调节：K=5K=7（2）、PIK=7 I=20000（3）、PD K=5 D=10000（4）、PIDK=5 I=20000 D=50009.计算（1）、P调节K=5时:上升时间为：tr=t2-t1=2:50:22-2:50:04=18(s)稳态误差=60mm- h(∞)=60mm-53.35mm=6.65mmK=7时:上升时间为：tr=t2-t1=2:50:41-2:50:21=20(s)稳态误差=60mm- h(∞)=60mm-55.41mm=4.59mm （2）、PI调节K=7，I=20000 时:上升时间：tr=t1-t0=3:08:04-3：07：35=29(s)峰值时间：tp=t2-t0=3:08:09-3：07：35= 34(s)调节时间：ts=t3-t0=3:08:36-3：07：35=61(s)超调量=[hmax- h(∞)]/ [h(∞)-h(0)]*100%=6.8% 稳态误差= h(∞)-60mm=0.69mm（可以忽略不计）K=5 ，I=20000时 :上升时间：tr =3:22:58-3：22：31=27(s)峰值时间：tp= 3:23:06-3：22：31= 35(s)调节时间：ts= 3:23:30-3：22：31=59(s)超调量=[hmax- h(∞)]/ [h(∞)-h(0)]*100%=10.9% 稳态误差= h(∞)-60mm=0.11mm（可以忽略不计）（3）、PD调节K=5,D=10000时:上升时间为t=t2-t1=4:25:57-4:25:36=21(s)稳态误差=60mm- h(∞)=60mm-52.98mm=7.02mmK=5,D=5000时:上升时间为t=t2-t1=4:30:51-4:30:31=20(s)稳态误差=60mm- h(∞)=60mm-52.81mm=7.19mm（4）、PIDK=5 ,I=20000 ,D=5000时：上升时间：tr =4：35：50-4：35：19=31(s)峰值时间：tp= 4：35：57-4：35：19= 38(s)调节时间：ts= 4：36：02-4：35：19=43(s)超调量=[hmax- h(∞)]/ [h(∞)-h(0)]*100%=11.1%稳态误差= 60mm- h(∞)=0.23mm（可以忽略不计）10.分析（1）、根据实验数据和曲线,分析系统在阶跃扰动作用下的动、静态性能。
分析：系统在阶跃扰动作用下，当比例系数较大时，系统的静态误差也较大，这是因为比例系数会加大幅值；在加入微分环节以后，系统的动态误差明显减小，但调节时间却延长，这是因为微分具有超前的作用，可以增加系统的稳定度。
（2）、比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。
Ti：为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而增大，他推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，知道为零，由于积分项的存在会使调节时间增大。
因此，PI控制器可使系统在进入稳太后无稳态误差。
Kp:放大误差的幅值，快速抵消干扰的影响，使系统上升时间降低，如果仅有比例环节，系统会存在稳态误差。
Td：自动控制系统在克服误差的调解过程中可能会出现振荡甚至失稳，在控制器中仅引入“比例P”往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，他能预测误差的变化趋势。
这样具有比例加微分的控制器，就能够提前十抑制误差的的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重失调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，PD控制器能改善系统在调解过程的动态特性。
（3）、分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。
P:是基本的控制作用，比例调节对控制作用和扰动作用的响应都很快但会带来余差。