对象特性测试实验对象特性是指对象在输入的作用下，其输出的变量（即被控变量）随时间变化的特性。

对象特性测试实验的目的：通过实验掌握单、双容对象特性曲线的测量方法，根据曲线和先验知识确定对象模型结构和模型参数。

测量时应注意的问题：液位对象是自衡对象，单个水槽是一阶对象，上水槽与下水槽可以组成二阶对象，下水箱形状为长方体，其横截面积为：。

对象参数的求取：一、传递函数的求取1、一阶对象在0.632倍的稳态值处求取时间常数T0。

2、一阶加纯滞后的对象对于有纯滞后的一阶对象，如图2所示，当阶跃响应曲线在t=0时，斜率为0；随着t 的增加，其斜率逐渐增大；当到达拐点后斜率又慢慢减小，可见该曲线的形状为S 形，可用一阶惯性加时延环节来近似。

确定K 0、T 0和τ的方法如下：00/)]0()([1)(x y y K s T K s W o -∞=+=/)]0()([01)(0x y y K e s T K S W so -∞=+=-τ在阶跃响应的拐点（即斜率的最大处）作一切线并与时间坐标轴交与C 点，则OC 段的值即为纯滞后时间τ，而与CB 段的值即为时间常数T0。

3、二阶或高阶对象二阶过程的阶跃响应曲线，其传递函数可表示为式中的K 0、T 1、T 2需从阶跃响应曲线上求出。

先在阶跃响应曲线上取（1） y （t ）稳态值的渐近线y （∞）；（2） y （t1）=0.4 y （∞）时曲线上的点y1和相应的时间t1； （3） y （t2）=0.8 y （∞）时曲线上的点y2和相应的时间t2； 然后，利用如下近似公式计算T 1、T 2。

（4）（5） 对于二阶过程，0.32<t1/t2<0.46。

当t1/t2=0.32时，为一阶环节（此时，时间常数T0=（t1+t2）2.12）；当t1/t2=0.46时，过程的传递函数W （s ）=K 0/（T 0S+1）（T 0S+1）（此时，T1=T2=T0=（t1+t2）/2×2.18）；当t1/t2>0.46时，应用高于二阶环节来近似。

二、实验中应注意的问题1、测试前系统处于平衡状态，并记录此时的液位值。

2、测试与记录工作必须持续到输出达到新的稳态值。

0/)]0()([0)1)(1()(210x y y K s T s T K S W -∞=++=55.02174.1)21)(21(2116.22121-≈+++≈+t t T T T T T T t t T T实验一：单容液位对象数学模型实验测取一、实验目的：通过实验测定单容特性阶跃响应曲线，通过数据处理求取一阶环节的传递函数。

二、实验设备：实验室端采用PCS—E型过程控制实验装置（使用其中：电动调节阀、DDC控制单元、下水箱及液位变送器、水泵等），实验室端设备操作步骤如下：1、了解实验装置中的对象，流程图。

如下图所示。

下水箱单容特性测试实验流程图2、按附图下水箱单容特性测试实验接线图接好实验导线和通讯线。

3、将控制台上RS232通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。

4、将手动阀门1V1、1V10、V5打开，其余阀门全部关闭。

5、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开直流电压和DDC控制单元电源。

6、在信号板上打开电动调节阀输入信号、下水箱输出信号，并将旁路阀开到适当开度。

三、远程端实验步骤：1、打开计算机上的“远程过程控制实验”，选择实验一下水箱单容特性测试实验，给“阀门开度op”设置一个初始值（20-40）使初始液位10---20cm。

2、等待下水箱液位达到某一平衡位置，记下此时的阀门开度值和液位值。

3、增大阀门开度值，即使系统输入一个幅值适宜的阶跃信号（阶跃信号不要太大，估计下水箱水不要溢出），一般5--10即可，同时记录液位输出变化数据到表一中（开始数据记录可密集一些如10s一个点，后面可30s一个点），一直记录到系统在较高液位达到新的平衡状态为止。

11、对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表中。

表一阶跃响应曲线数据记录表按常规内容编写实验报告，求取K0、T0、τ值写出广义的传递函数。

实验二：双容液位对象数学模型实验测取一、实验目的通过实验测定双容液位对象数学模型，通过数据处理写出二阶环节的传递函数。

二、实验设备及参考资料实验室端采用PCS—E型过程控制实验装置（使用其中：电动调节阀、DDC控制单元、下水箱及液位变送器、水泵等），实验室端设备操作步骤如下：1、了解实验装置中的对象，流程图如下图所示。

下水箱双容特性测试实验流程图2、按附图下水箱双容特性测试实验接线图接好实验导线和通讯线。

3、将控制台上RS232通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。

4、将手动阀门1V 1、1V 10、V 4、V 5打开，其余阀门全部关闭。

5、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开+24V 直流电压和DDC 控制单元电源。

6、在信号板上打开电动调节阀输入信号、下水箱输出信号，并将旁路阀开到适当开度。

三、远程端实验步骤：１、打开计算机上的 “远程过程控制实验”工程，选择实验二中的下水箱双容特性测试实验，给“阀门开度op”设置一个初始值。

2、设置阀门开度值为实验一的初始开度，等待下水箱液位达到某一平衡位置。

3、增大阀门开度值，输入一幅值适宜的阶跃信号（阶跃信号不要太，估计下水箱水不要溢出），一般变化5%即可，测试并记录对象输出变化值，直至系统在较高液位达到新的平衡状态。

4、观察计算机上的实时曲线和历史曲线，直至达到新的平衡为止。

按常规内容编写实验报告，并根据K0、T1、T2、τ值写出对象的传递函数。

控制系统参数整定实验概述调节器参数整定是过程控制系统设计的核心内容之一。

它的任务是：根据被控过程的广义数学模型确定PID调节器的比例度δ，积分时间T I及微分时间T D的大小。

在简单的过程控制系统中，调节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要指标，保证系统具有一定的稳定裕量。

调节器参数的整定的方法很多，概括起来分为两大类：一是理论计算整定法。

它主要依据广义对象的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法、频率特性法等，经过理论计算确定调节器的数值。

这种方法不仅计算繁琐，而且过分依赖被控对象数学模型，所得到数据未必直接可用，还必须通过实际运行进行调整和修改。

因此，理论计算整定法除了有理论指导意义外，工程实际中较少采用。

二是工程整定法，它主要依靠工程经验，直接在过程控制的实际运行系统中进行，方法简单实用，易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

调节器的工程整定方法，主要有特性曲线法、临界比例度法、衰减曲线法和经验法。

其中特性曲线法类似实验一、二，这里不赘述。

（1）临界比例度法这是一种闭环整定方法。

由于该方法直接在闭环系统中进行，不需测试过程的动态特性，因为方法简单，使用方便，获得了广泛的应用。

具体步骤如下：● 先切除调节器的积分和微分作用，即置积分时间T I =∞、微分时间T D =0，比例度δ置为较大的数值，使系统投入闭环运行。

● 待系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃输入，逐步减小δ，直到系统出现如图1.1所示的等幅振荡，即临界振荡过程。

记录此时的δk （临界比例带）和等幅振荡周期T （记为T k ）。

● 根据δk 和T K ，按表1-1给出的经验公式计算出调节器的δ、T I 及T D 参数。

需要指出的是，采用这种方法整定调节器的参数时会受到一定的限制，如有些过程控制系统不允许进行反复振荡实验，像锅炉给水系统和燃烧控制系统等，就不能应用此法。

再如某些时间常数较大的单容过程，属于本质稳定系统，采用比例调节时不可能出现等幅振荡，也不能应用此法。

图1.1 系统的临界振荡 表1-1 采用临界比例度法的整定参数（2）衰减曲线法这种方法与临界比例度法相类似，所不同的是无需出现等幅振荡过程，具体方法如下：●先置调节器积分时间T I =∞,微分时间T D=0,比例带δ置于较大的值。

将系统投入运行。

●待系统工作稳定后，对设定值作阶跃输入，然后观察系统的响应。

若响应振荡衰减太快，就减小比例带；反之，则增大比例带。

如此反复，直到出现如图1.2（a）所示的衰减比为4：1的振荡过程时，或者如图1.2(b)所示的10：1振荡过程时，记录此时的δ值（设为δs），以及T s的值（如图1.2(a)中所示），或者Tr的值（如图1.2(b)中所示）。

图1.2中，Ts为衰减振荡周期，Tr为响应上升时间。

图1.2系统衰减振荡曲线●按表1-2中所给的经验公式计算δ、TI及TD的参数。

表1-2 衰减曲线法整定计算公式衰减曲线对多数过程都适用，该方法的缺点是较难确定4：1的衰减程度，从而较难得到准确的δ、T i及T d的值。

说明：由于参数整定实验用时较长，以下2个实验采用经验法整定参数，其目的是让大家掌握PID参数的改变如何影响控制系统性能，给定参考数据，注意比较单、双容相同参数的不同影响。

实验三：单容液位控制系统参数整定实验一、实验目的：1、了解简单过程控制系统的组成。

2、掌握简单过程控制的控制过程和参数整定方法。

3、验证δ、T i、T d参数的变化对控制系统的影响情况。

二、实验设备及参考资料：1、PCS—E过程控制实验装置（注意系统流程包括：电动调节阀、DDC控制单元、下水箱及液位变送器、水泵1系统等）2、实验讲义。

三、实验系统流程图：四、实验原理：本实验是闭环自动控制实验，采用计算机作控制器，将液位控制在设定高度。

下水箱液位信号送给计算机，计算机根据P、I、D参数进行PID运算，输出4-20mA电流信号控制电动调节阀，然后由电动调节阀控制水泵供水系统的进水流量，从而达到五、实验室端设置步骤：1、按附图单容液位控制实验接线图接好实验导线和通讯线。

2、将控制台的232通讯口与上位机连接。

3、将手动阀门1V1、1V10、V5打开，其余阀门全部关闭。

4、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开DDC控制单元电源。

5、在信号板上打开电动调节阀输入信号、下水箱输出信号，并将旁路阀开到适当开度。

六、远程端实验步骤：1、打开计算机上的“远程过程控制实验”工程，选择“单容液位控制系统参数整定实验”，在“手动”状态下将“阀门开度op”设置一个初始值。

2、在手动状态下将调节阀开度设置在实验一平衡时的开度，待平衡后设置好第一组实验参数，再将液位给定值sv设置为平衡时的液位测量值，最后切换到自动控制状态。

注意稳定后再设置参数，反复改变设定值，测试过渡过程曲线。

设定2-3组控制参数，测试过渡过程曲线，注意观察参数变化对曲线如何影响。

●比例调节：设Ts=1 Ti=∞ Td=0分别设Kc=7，20，60 （参考值）测试数据●比例积分调节：设Ts=1 Td=0固定比例系数Kc=7 （参考值，不同对象Kc可以不同）改变Ti 分别设Ti=200 ,100，50 （参考值）测试数据10、观察并记录计算机上的实时曲线和历史曲线。