南昌大学实验报告
学生姓名： 金兆远 学 号： 6100312301 专业班级： 自动化122 实验类型：□ 验证 □ 综合 □ 设计 □ 创新 实验日期： 实验成绩：
实验一 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；
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．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS 需两台计算机）、万用表一个；
2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；
3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个；
4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根；
5．SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线；
6．SA-42挂件一个、PC/PPI 通讯电缆一根。
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=A dt
dh (2-1) 将式(2-1)表示为增量形式
ΔQ 1-ΔQ 2=A dt
h 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，dt
dh ＝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=R
h ? 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 +=1
s +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。若令Q 1（s ）作阶跃扰动，即Q 1（s ）=
s
x 0，x 0=常数，则式(2-4)可改写为 H （s ）=T T K 1s /+×s x 0=K s x 0-T K 1s x 0+ 对上式取拉氏反变换得
h(t)=K x 0(1-e -t/T ) (2-5)
当t —>∞时，h （∞）-h （0）=K x 0，因而有 K=
x 0h h ）（）（-∞＝阶跃输入输出稳态值 (2-6) 当t=T 时，则有
h(T)=K x 0(1-e -1)=0.632K x 0=0.632h(∞) (2-7)
式（2-5）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
（a ）所示，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 。也可由坐标原点对响应曲线作切线OA ，切线与稳态值交点A 所对应的时间就是该时间常数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。
图2-2 单容水箱的阶跃响应曲线 如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图2-2（b ），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：
H(S)=Ts
Ke s
+-1τ (2-8) 四、实验内容与步骤
本实验选择下水箱作为被测对象（也可选择上水箱或中水箱）。实验之前先
将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度，其余阀门均关闭。
具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购的
硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。
（一）、智能仪表控制
1．将“SA-12智能调节仪控制” 挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插
入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON ”的位置。
图2-3 仪表控制单容水箱特性测试实验接线图
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V 开关电源，给压力变送器上
电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS 组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进
入MCGS 运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入实验一的监控界面。
4．在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”控制，并将输出值设置
为一个合适的值，此操作需通过调节仪表实现。
5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。
6．待下水箱液位平衡后，突增（或突减）智能仪表输出量的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，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，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录下此时的仪表输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如图2-4所示。
图2-4 单容下水箱液位阶跃响应曲线
7．根据前面记录的液位值和仪表输出值，按公式（2-6）计算K值，再根据图2-2中的实验曲线求得T值，写出对象的传递函数。
（二）、远程数据采集控制
1．将“SA-22远程数据采集模拟量输出模块”、“SA-23远程数据采集模拟量输入模块”挂件挂到屏上，并将挂件上的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给智能采集模块及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“远程数据采集系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入实验一的监控界面。
4．以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤4～7。
图2-5 远程数据采集控制单容水箱特性测试实验接线图（三）、S7-300PLC控制
1．将“SA-41 S7-300PLC控制”挂件挂到屏上，并用MPI通讯电缆线将S7-300PLC连接到计算机CP5611专用网卡，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给S7-300PLC及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给电动调节阀上电。
3．打开Step 7软件，打开“S7-300”程序进行下载，然后将S7-300PLC置于运行状态，然后运行WinCC组态软件，打开“S7-300PLC控制系统”工程，然后激活WinCC运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入实验一的监控界面。
4．以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤4～7。
图2-8 S7-300PLC控制单容水箱特性测试实验接线图
五、实验报告要求
1．画出单容水箱液位特性测试实验的结构框图。
（a）是结构图；（b）是方框图
2．根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出单容水箱液位对象的参数及传递函数。
实验过程中的某个时间段的图形：
截取该过程中的一段，表示单容水箱自衡达到稳定液位的过程：
根据上图可知：
入水流量到液位的过程在平衡点处近似为一阶惯性环节：
W 0（s ）＝)
()(1s Q s H ＝1RCs R +=1s +T K 式中T 为水箱时间常数，T ＝RC ；K 为放大系数，K ＝R ；C 为水箱的容量系数
h(t)=Kx 0(1-e -t/T )
当t —>∞时，h （∞）-h （0）=Kx 0，因而有 K=
0x 0h h ）（）（-∞＝阶跃输入输出稳态值 当t=T 时，则有 ： h(T)=Kx 0(1-e -1)=0.632Kx 0=0.632h(∞)
由图可知，原来的稳定值为12cm ，因此该系统的阶跃输入为12.0cm
当达到稳态时h(∞)=100cm ，因此 K=100/12=8.3当液面达到63.2cm 时，由图上可知，所需的时间约为28s ，则T=28
因此，该环节模型为W （s ）=
1
288.3+s
六、思考题
1．做本实验时，为什么不能任意改变出水阀F1-11开度的大小？
答：出水阀F1-11的开度是改变出水量Q2的，改变水箱泄水的过程。在此实验中是先将出水阀F1-11开至适当的开度。之后在单容水箱在稳定的过程中，此阀门是不能任意改变的，因为一改变就会对系统带来干扰，造成系统不稳定，不能正确反映实验特性。只有当系统稳定时，要研究输出量对系统的稳定特性影响时才改变出水阀F1-11。
2．用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？
答：应曲线可能与实验工作电压的波动，执行器的不稳定性，和系统的控制参数比例度、积分时间、微分时间及测量值的波动都可能带来一定的误差，造成精度下降，同时还跟压力传感器的精度，阀门开度，测试软件都有关系。
3．如果采用中水箱做实验，其响应曲线与下水箱的曲线有什么异同？并分析差异原因。
答：若采用中水箱做实验，它的响应曲线要比下水箱变化到的快。
原因：因为中水箱的截面积比下水箱的截面积要小，上升相同的液位高度，下水箱要更长的时间。
七、实验总结
对于实验的学习，我们更加了解装置设备，以及熟悉了MCGS运行环境。体会到了到试验参数的设定的重要性。通过对实验的知道了实验精度与传感器的灵敏度，执行器的不稳定性，系统的控制参数比例度、积分时间、微分时间及测量值的波动都可能有关，因此我们要通过分析综合因素来分析实验曲线的形成过程。同时，通过实验让自己对工业生产过程的实验系统也有了进一步的了解，收获颇多。
南昌大学实验报告
学生姓名：金兆远学号：6100312301 专业班级：自动化122 实验类型：□验证□综合□设计□创新实验日期：实验成绩：
实验二单容液位定值控制系统
一、实验目的
1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。
2．掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。
3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。
4．了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。
5．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（同前）
三、实验原理
图3-6 中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3-6所示。被控量为中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT2检测到的中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电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。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
本实验选择中水箱作为被控对象。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度，其余阀门均关闭。
具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。
（一）、智能仪表控制
1．将“SA-12智能调节仪控制”挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
图3-7 智能仪表控制单容液位定值控制实验接线图
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制系统”，进入实验三的监控界面。
4．在上位机监控界面中点击“启动仪表”。将智能仪表设置为“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。
5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使中水箱的液位平衡于设定值。
6．按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。
7．待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：
（1）突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的
变化；（此法推荐，后面三种仅供参考）
（2）将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；
（3）将下水箱进水阀F1-8开至适当开度；（改变负载）
（4）接上变频器电源，并将变频器输出接至磁力泵，然后打开阀门F2-1、F2-4，用变频器支路以较小频率给中水箱打水。
以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图3-8所示。
图3-8 单容水箱液位的阶跃响应曲线
8．分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。
9．分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤4～8，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。
（二）、远程数据采集控制
1．将“SA-22远程数据采集模拟量输出模块”、“SA-23远程数据采集模拟量输入模块”挂件挂到屏上，并将挂件上的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
图3-9 远程数据采集控制单容液位定值控制实验接线图
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给智能采集模块及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“远程数据采集系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制”，进入实验三的监控界面。
4．以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤4～9。
（三）、S7-300PLC控制
1．将挂件SA-41 S7-300PLC控制挂件挂到屏上，并用MPI通讯电缆线将S7-300PLC连接到计算机CP5611专用网卡，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
图3-12 S7-300PLC控制单容液位定值控制实验接线图
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给S7-300PLC及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给电动调节阀上电。
3．打开Step 7软件，打开“S7-300”程序进行下载，然后将S7-300PLC置于运行状态，然后运行WinCC组态软件，打开“S7-300PLC控制系统”工程，然后激活WinCC运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制”，进入实验三的监控界面。
4．以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤4～9。
五、实验报告要求
1．画出单容水箱液位定值控制实验的结构框图。
2．用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。
实验过程的曲线：
最初的PID参数为：
环节Kp Ti Td
数值300 40 0.0
由图分析：经过了大概40s后系统趋于设定值100而且达到稳定，此时稳定时自动阀门开度在95%左右。在135至160区间，改变阀门1-8的开度，此时将系统PID参数设定为：
环节Kp Ti Td
数值150 40 0.0
由图可以看到，由于改变了阀门的开度，实际的液位下降到大概90mm时，呈现上升的趋势，在时间到达180左右，系统又一次趋于稳定，此时自动阀门的开度约为71%。在时间260左右再一次改变阀门1-8的开度，并再一次设定PID
参数：
环节Kp Ti Td
数值150 200 0.0
由图分析：增大了积分时间，由响应曲线可以看出，系统在时间280左右趋于稳定。在时间段330时，再设定PID参数：
环节Kp Ti Td
数值150 200 1.0
由图分析：增加了微分以后，从响应曲线可知，系统变得不稳定，调节时间延长，但趋于稳定以后。动态误差减小了。使得系统更加趋于设定值。
3．根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。
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。4．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加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零，但由于积分项的存在会使系统的调节时间增大。因此，PI控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
Kp：起放大误差的幅值，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节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”项往往是不够的，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”，它能预测误差变化的趋势。这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。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节过程中的动态特性。
5．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。
PI：PI调节中P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但是I调节会降低系统的稳定性。
PD：由于微分的超前作用，能增加系统的稳定度，振荡周期变短，减小了误差，但是微分抗干扰能力差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。
PID：常规调节器中性能最好的一种调节器，具有各类调节器的优点，具有更高的控制质量。
六、思考题
1．如果采用下水箱做实验，其响应曲线与中水箱的曲线有什么异同？并分析差异原因。
答：采用下水箱实验，其滞后时间会更短
原因：因为水的回路变得更短，其响应曲线会上升的更快
2．改变比例度δ和积分时间T I对系统的性能产生什么影响？
答：①改变比例度使让调节器的的参数改变，这可能让系统稳定性受一定程度的影响，增大比例度会使得其超调量增大，使得系统变得不稳定。
②改变积分时间会使得系统的精度提高，但是可能造成积分饱和。七、实验总结
PID控制是我们在自动控制理论中学到的知识，是为了调整系统使其稳定性达到人们的控制要求。通过这个实验，我们可以更加直观清晰的感受到系统微妙的变化。实验的实际操作展示在此时此刻表现的淋漓尽致。在这个实验中，我们算是第一次尝试真正去控制一个系统，并且把他调到最优状态。
南昌大学实验报告
学生姓名：金兆远学号：6100312301 专业班级：自动化122 实验类型：□验证□综合□设计□创新实验日期：实验成绩：
实验三水箱液位串级控制系统
一、实验目的
1．通过实验了解水箱液位串级控制系统组成原理。
2．掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3．了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。
4．掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验设备（同前）
三、实验原理
本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主控制量。副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，中水箱的液位为系统的副控制量。主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。副调节器的的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制下水箱液位的目的。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，系统的主调节器应为PI或PID控制。由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P调节器。本实验系统结构图和方框图如图5-2所示。
图5-2 水箱液位串级控制系统
(a)结构图(b)方框图
四、实验内容与步骤
本实验选择中水箱和下水箱串联作为被控对象（也可选择上水箱和中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。
具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。
（一）、智能仪表控制
1．将两个SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通
讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“OFF”的位置，将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
图5-3 智能仪表控制水箱液位串级控制实验接线图
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表1及电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验十、水箱液位串级控制系统”，进入实验十的监控界面。
4．在上位机监控界面中点击“启动仪表1”、“启动仪表2”。将主控仪表设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。
5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少主调节器的输出量，使下水箱的液位平衡于设定值，且中水箱液位也稳定于某一值（此值一般为3～5cm，以免超调过大，水箱断流或溢流）。
6．按本章第一节中任一种整定方法整定调节器参数，并按整定得到的参数进行调节器设定。
7．待液位稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：
（1）突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；
（2）打开阀门F2-1、F2-4（或F2-5），用变频器支路以较小频率给中水箱(或下水箱)打水。（干扰作用在主对象或副对象）
（3）将阀F1-5、F1-13开至适当开度（改变负载）；
（4）将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；
以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段
调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，下水箱液位的响应过程曲线将如图5-4所示。
图5-4 下水箱液位阶跃响应曲线
8．适量改变主、副控调节仪的PID参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。
（二）、远程数据采集控制
1．将挂件SA-22远程数据采集模拟量输出模块、SA-23远程数据采集模拟量输入模块挂到屏上，并将挂件上的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”、“LT3下水箱液位”钮子开关均拨到“ON”的位置。
图5-5 远程数据采集控制水箱液位串级控制实验接线图
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给智能采集模块及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“远程数据采集系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验十、水箱液位串级控制”，进入实验十的监控界面。
4．以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤4～8。
（三）、S7-300PLC控制
1．将挂件SA-41 S7-300PLC控制挂件挂到屏上，并用MPI通讯电缆线将S7-300PLC连接到计算机CP5611专用网卡，并按照下面的控制屏接线图连接实
验系统。将“LT2中水箱液位”、“LT3下水箱液位”钮子开关均拨到“ON”的位置。
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给S7-300PLC及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给电动调节阀上电。
3．打开Step 7软件，打开“S7-300”程序进行下载，然后运行WinCC组态软件，打开“S7-300PLC控制系统”工程，然后激活WinCC运行环境，在主菜单中点击“实验十、水箱液位串级控制”，进入实验十的监控界面。
4．以下步骤请参考前面“（一）智能仪表控制”的步骤4～8。
图5-8 S7-300PLC控制水箱液位串级控制实验接线图
五、实验报告要求
1．画出水箱液位串级控制系统的结构框图。
2．用实验方法确定调节器的相关参数，并写出整定过程。
过程控制实验 实验报告 班级:自动化1202 姓名:杨益伟 学号:120900３21 2015年１0月 信息科学与技术学院 实验一过程控制系统建模 作业题目一: 常见得工业过程动态特性得类型有哪几种?通常得模型都有哪些？在Ｓimｕlｉnｋ中建立相应模型,并求单位阶跃响应曲线、 答:常见得工业过程动态特性得类型有:无自平衡能力得单容对象特性、有自平衡能力得单容对象特性、有相互影响得多容对象得动态特性、无相互影响得多容对象得动态特性等。通常得模型有一阶惯性模型,二阶模型等、 单容过程模型 1、无自衡单容过程得阶跃响应实例 已知两个无自衡单容过程得模型分别为与,试在Siｍulinｋ中建立模型,并求单位阶跃响应曲线。 Simuｌinｋ中建立模型如图所示: 得到得单位阶跃响应曲线如图所示:
2、自衡单容过程得阶跃响应实例 已知两个自衡单容过程得模型分别为与,试在Sｉmulinｋ中建立模型,并求单位阶跃响应曲线。 Ｓimulink中建立模型如图所示: 得到得单位阶跃响应曲线如图所示:
多容过程模型 3、有相互影响得多容过程得阶跃响应实例 已知有相互影响得多容过程得模型为,当参数, 时,试在Ｓiｍｕlink中建立模型,并求单位阶跃响应曲线在Ｓimｕlink中建立模型如图所示:得到得单位阶跃响应曲线如图所示:
4、无相互影响得多容过程得阶跃响应实例 已知两个无相互影响得多容过程得模型为(多容有自衡能力得对象)与(多容无自衡能力得对象),试在Simuｌink中建立模型,并求单位阶跃响应曲线。 在Simuｌink中建立模型如图所示: 得到得单位阶跃响应曲线如图所示:
自动控制理论实验报告 实验一 典型环节的时域响应 院系： 班级： 学号： 姓名：
实验一 典型环节的时域响应 一、 实验目的 1．掌握典型环节模拟电路的构成方法，传递函数及输出时域函数的表达式。 2．熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。 3．了解各项参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、 实验设备 PC 机一台，TD-ACC+教学实验系统一套。 三、 实验步骤 1、按图1-2比例环节的模拟电路图将线接好。检查无误后开启设备电源。 注：图中运算放大器的正相输入端已经对地接了100k 电阻。不需再接。 2、将信号源单元的“ST ”端插针与“S ”端插针用“短路块”接好。将信号形式开关设为“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT ”端输出的方波幅值为1V ，周期为10s 左右。 3、将方波信号加至比例环节的输入端R(t)， 用示波器的“CH1”和“CH2”表笔分别监测模拟电路的输入R(t)端和输出C(t)端。记录实验波形及结果。 4、用同样的方法分别得出积分环节、比例积分环节、惯性环节对阶跃信号的实际响应曲线。 5、再将各环节实验数据改为如下： 比例环节：；，k R k R 20020010== 积分环节：；，u C k R 22000== 比例环节：；，，u C k R k R 220010010=== 惯性环节：。，u C k R R 220010=== 用同样的步骤方法重复一遍。 四、 实验原理、内容、记录曲线及分析 下面列出了各典型环节的结构框图、传递函数、阶跃响应、模拟电路、记录曲线及理论分析。 1．比例环节 (1) 结构框图： 图1－1 比例环节的结构框图 (2) 传递函数： K S R S C =) () ( K R(S) C(S)
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。
实验1模拟控制系统在阶跃响应下的特性实验 一、实验目的 根据等效仿真原理，利用线性集成运算放大器及分立元件构成电子模拟器, 以干电池作为输入信号，研究控制系统的阶跃时间响应。 二、实验内容 研究一阶与二阶系统结构参数的改变，对系统阶跃时间响应的影响。 三、实验结果及理论分析 1.一阶系统阶跃响应 a. 电容值1uF，阶跃响应波形： b. 电容值2.2uF，阶跃响应波形:
c. 电容值4.4uF，阶跃响应波形: 2?—阶系统阶跃响应数据表 U r= -2.87V R°=505k? R i=500k? R2=496k 其中
T = R2C U c C：)=「(R/R2)U r 误差原因分析： ①电阻值及电容值测量有误差； ②干电池电压测量有误差； ③在示波器上读数时产生误差； ④元器件引脚或者面包板老化，导致电阻变大； ⑤电池内阻的影响输入电阻大小。 ⑥在C=4.4uF的实验中，受硬件限制，读数误差较大3?二阶系统阶跃响应 a.阻尼比为0.1，阶跃响应波形: b.阻尼比为0.5，阶跃响应波形:
4.二阶系统阶跃响应数据表 E R w ( ?) 峰值时间 U o (t p ) 调整时间 稳态终值 超调（%） 震荡次数 C. d. 阻尼比为0.7，阶跃响应波形: 阻尼比为1.0，阶跃响应波形: CHI 反相 带宽限制 伏/格
四、回答问题 1.为什么要在二阶模拟系统中 设置开关K1和K2 ,而且必须 同时动作？ 答：K1的作用是用来产生阶跃信号，撤除输入信后，K2则是构成了C2的 放电回路。当K1 一旦闭合（有阶跃信号输入），为使C2不被短路所以K2必须断开，否则系统传递函数不是理论计算的二阶系统。而K1断开后，此时要让 C2尽快放电防止烧坏电路，所以K2要立即闭合。 2.为什么要在二阶模拟系统中设置 F3运算放大器？ 答：反相电压跟随器。保证在不影响输入和输出阻抗的情况下将输出电压传递到输入端，作为负反馈。 实验2模拟控制系统的校正实验 一、实验目的 了解校正在控制系统中的作用
计算机过程控制实验报告
实验1 单容水箱液位数学模型的测定实验 1、试验方案： 水流入量Qi 由调节阀u 控制，流出量Qo 则由用户通过负载阀R 来改变。被调量为水位H 。分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。 直接在调节阀上加定值电流，从而使得调节阀具有固定的开度。（可以通过智能调节仪手动给定，或者AO 模块直接输出电流。） 调整水箱出口到一定的开度。 突然加大调节阀上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型。 通过物料平衡推导出的公式： μμk Q H k Q i O ==, 那么 )(1 H k k F dt dH -=μμ， 其中，F 是水槽横截面积。在一定液位下，考虑稳态起算点，公式可以转换成 μμR k H dt dH RC =+。 公式等价于一个RC 电路的响应函数，C=F 就是水容，k H R 0 2= 就是水阻。 如果通过对纯延迟惯性系统进行分析，则单容水箱液位数学模型可以使用以下S 函数表示： ) 1()(0 += TS S KR S G 。 相关理论计算可以参考清华大学出版社1993年出版的《过程控制》，金以慧编著。 2、实验步骤： 1) 在现场系统A3000-FS 上，将手动调节阀JV201、JV206完全打开，使下水箱闸板具有 一定开度，其余阀门关闭。 2) 在控制系统A3000-CS 上，将下水箱液位（LT103）连到内给定调节仪输入端，调节仪 输出端连到电动调节阀（FV101）控制信号端。 3) 打开A3000-CS 电源，调节阀通电。打开A3000-FS 电源。 4) 在A3000-FS 上，启动右边水泵（即P102），给下水箱（V104）注水。 给定值 图1 单容水箱液位数学模型的测定实验
实验一：系统认识及对象特性测试 一 实验目的 1了解实验装置结构和组成及组态软件的组成使用。 2 熟悉智能仪表的使用及实验装置和软件的操作。 3熟悉单容液位过程的数学模型及阶跃响应曲线的实验方法。 4学会有实际测的得单容液位过程的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数，辨识过程的数学模型。 二 实验内容 1 熟悉用MCGS 组态的智能仪表过程控制系统。 2 用阶跃响应曲线测定单容液位过程的数学模型。 三 实验设备 1 AE2000B 型过程控制实验装置。 2 计算机，万用表各一台。 3 RS232-485转换器1只，串口线1根，实验连接线若干。 四 实验原理 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V2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V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R2*C ，K=R2为单容对象的放大倍数，R1、R2分别为V1、V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。 阶跃响应曲线法是指通过调节过程的调节阀，使过程的控制输入产生一个阶跃变化，将被控量随时间变化的阶跃响应曲线记录下来，再根据测试记录的响应曲线求取输入输出之间的数学模型。本实验中输入为电动调节阀的开度给定值OP ，通过改变电动调节阀的开度给定单容过程以阶跃变化的信号，输出为上水箱的液位高度h 。电动调节阀的开度op 通过组态软件界面有计算机传给智能仪表，有智能仪表输出范围为：0~100%。水箱液位高度有由传感变送器检测转换为4~20mA 的标准信号，在经过智能仪表将该信号上传到计算机的组态中，由组态直接换算成高度值，在计算机窗口中显示。因此，单容液位被控对象的传递函数，是包含了由执行结构到检测装置的所有液位单回路物理关系模型 有上述机理建模可知，单容液位过程是带有时滞性的一阶惯性环节，电动调节阀的开度op ，近似看成与流量Q1成正比，当电动调节阀的开度op 为一常量作为阶跃信号时，该单容液位过程的阶跃响应为 需要说明的是表达式（2-3）是初始量为零的情况，如果是在一个稳定的过程下进行的阶跃响应，即输入量是在原来的基础上叠加上op 的变化，则输出表达式是对应原来输出值得基础上的增量表达的是，用输出测量值数据做阶跃响应曲线，应减去原来的正常输出值。 五、实验步骤 A 、熟悉用MCGS 组态的智能仪表过程控制系统 1、设备的连接和检查
实验内容 （一）直流电机双环调速系统实验，此时必须松开连轴节！不带动工作台！ 1． 测试电流环特性 ，由于外接霍尔传感器只有一套，有五套PWM 放大器有电流输出（接成跟随器方式，其电流采样输出为25芯D 型插座的17（模拟地），19脚，但模拟地是电流环的模拟地，不是实验箱运算放大器OP07的地！所以，只能用万用表量测。多数同学可用手堵转，给定微小的输入电压（小于±50mV ）加入到电流环输入端,再加大就必须松开手，观察电机转速能否控制？为什么？如果要测试电流环静态特性，必须用台钳夹住电机轴，保证电机堵转。所以此项实验由教师按图22进行，这里只给出以下数据： 图 22 电流环静态特性实验接线图 （1）霍尔传感器的校准 利用直流稳压电源和电流表校准霍尔传感器，该 传感器为LEM-25,当原边为1匝时，量程为25A ，而原边采用5匝时， 量程为5A ；现在按后者的接法实验，M R 约500Ω。 （2）然后利用它来测试PWM 功率放大器的静态传递系数。电流环的静态特性如表2所示。注意电机是堵转的！
1V;得到通频带400Hz. 2.根据给定参数，利用MATLAB设计速度环的校正装置参数,画出校正前后的Bode图调，到实验室自己接线，教师检查无误后，可以通电调试；首先，正确接线保证系统处于负反馈，如果正反馈会产生什么现象？如何通过开环特性判断测速反馈是负反馈？对此有正确定答案后方能够开始实验。 （1）在1 β和β=0.4～0.5时分别调试校正装置的参数，使其单位阶跃输入的 = 响应曲线超调量最小，峰值时间最短，并记录阶跃响应曲线的特征值； 能够用A/D卡把数据采集到计算机中更好！ （2）断开电源，记录最佳的校正装置参数； （3）测试速度环静态特性，为加快测试速度，可直接测试输入电压和测速机电压的关系；在转速低的情况下用手动阻止电机的转动，是否会影响转速？ 为什么？分析速度环的机械特性（转速与负载力矩的关系曲线称为机械特 性），从而说明系统的刚度。 （4）有条件的小组可测试速度环频率特性（只测量幅频特性）。 （二）电压－位置伺服系统实验 开始，也必须脱开电机与工作台的连轴节！直到位置环调试好后，再把连轴节连接好！ 1．断开使能，手动电机转动，检查电子电位计工作的正确性！ 2．让位置环开环，利用调速系统，观察电子电位计在大范围工作的正确性，可利用示波器或万用表测试电位计的输出。 3．位置环要使用实验箱的头2个运算放大器，所以必须注意注意位置反馈的极性；为保证位置反馈是负反馈，必须通过位置系统开环来判断，这时位置调节器只利用比例放大器，如果发现目前的接线是正反馈后，怎么接线？ 4．将位置环的位置反馈正确接到反馈输入端，利用给定指令电位计，移动它，使电机位置按要求转动。正确后，即可把连轴节连接好，连接连轴节时用专用内六角扳手。这时应该断电！ 5．按设计的校正装置连接好，再上电。测试具有比例放大器和近似比例积分调节器时的阶跃响应曲线，并记录之； 6．测试输入电压－位置的传递特性曲线； 7．用手轮加小力矩估计系统的（电弹簧）刚度。 三、实验报告要求 （一）速度环实验 1．对速度环建模，画出速度环方块图，传递函数图 2．画出校正前后的Bode图，设计校正装置及其参数； 3．写出实验原始数据，整理出静态曲线和动态数据； 4．从理论和实际的结合上，分析速度环的特点，并写出实验的收获和改进意见； （二）位置环实验 1．对位置环建模，画出位置环方块图，传递函数图；
东南大学自动化学院 实验报告 课程名称：过程控制实验 实验名称：水箱液位控制系统 院（系）：自动化专业：自动化姓名：学号： 实验室：实验组别： 同组人员： 实验时间： 评定成绩：审阅教师：
目录 一、系统概论 (3) 二、对象的认识 (4) 三、执行机构 (14) 四、单回路调节系统 (15) 五、串级调节系统Ⅰ (18) 六、串级调节系统Ⅱ (19) 七、前馈控制 (21) 八、软件平台的开发 (21)
一、系统概论 1.1实验设备 图1.1 实验设备正面图图1.2 实验设备背面图 本实验设备包含水箱、加热器、变频器、泵、电动阀、电磁阀、进水阀、出水阀、增压器、流量计、压力传感器、温度传感器、操作面板等。 1.1.2 铭牌 ·加热控制器： 功率1500w，电源220V（单相输入） ·泵： Q40-150L/min，H2.5-7m，Hmax2.5m，380V，VL450V， IP44，50Hz，2550rpm，1.1kw，HP1.5，In2.8A，ICL B ·全自动微型家用增压器： 型号15WZ-10，单相电容运转马达 最高扬程10m，最大流量20L/min，级数2，转速2800rmp，电压220V， 电流0.36A，频率50Hz，电容3.5μF，功率80w，绝缘等级 E ·LWY-C型涡轮流量计： 口径4-200mm，介质温度-20—+100℃，环境温度-20—+45℃，供电电源+24V， 标准信号输出4-20mA，负载0-750Ω，精确度±0.5%Fs ±1.0%Fs，外壳防护等级 IP65 ·压力传感器 YMC303P-1-A-3 RANGE 0-6kPa，OUT 4-20mADC，SUPPLY 24VDC，IP67，RED SUP+，BLUE OUT+/V- ·SBWZ温度传感器 PT100 量程0-100℃，精度0.5%Fs，输出4-20mADC，电源24VDC
PLC原理及应用实验报告 课程题目 学院名称 专业名称 学生姓名 学生学号 指导老师 设计（论文）成绩 教务处制 2016年月日
第一章 可编程控制器的概述 可编程序控制器，英文称Programmable Logical Controller ，简称PLC 。 它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应 用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控 制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接 口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 是微机技术与传统的继电接触控制技 术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的复杂接线、可靠性 低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到 现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC 的程序编制，不需要专门的计 算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使 用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需 的PLC 后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作， 就可灵活方便地将PLC 应用于生产实践。 一、可编程控制器的基本结构 可编程控制器主要由CPU 模块、输入模块、输出模块和编程器组成（如下图 所示）。 二、可编程控制器的工作原理 可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN ）状态与停止（STOP ）状态。 在运行状态，可编程序控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为 了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执 行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP 工作状态。 除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成内部处理、 通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段（如图所示） 在内部处理阶段，可编程序控制器检查CPU ，模块内部 的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内 部工作。 在通信服务阶段，可编程序控制器与带微处理器的智能 装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。 在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的 接通/断开（ON/OFF ）状态读入输入映像寄存器。 在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态输入模块CPU 模块输出模块可编程序控制器编程装置接触器电磁阀指示灯电源 电源 限位开关选择开关按钮
《控制工程基础》实验报告 姓名欧宇涵 914000720206 周竹青 914000720215 学院教育实验学院 指导老师蔡晨晓 南京理工大学自动化学院 2017年1月
实验1：典型环节的模拟研究 一、实验目的与要求： 1、学习构建典型环节的模拟电路； 2、研究阻、容参数对典型环节阶跃响应的影响； 3、学习典型环节阶跃响应的测量方法，并计算其典型环节的传递函数。 二、实验内容： 完成比例环节、积分环节、比例积分环节、惯性环节的电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃响应特性的影响。 三、实验步骤与方法 （1）比例环节 图1-1 比例环节模拟电路图 比例环节的传递函数为：K s U s U i O =)()(，其中1 2R R K =，参数取R 2=200K ，R 1=100K 。 步骤： 1、连接好实验台，按上图接好线。 2、调节阶跃信号幅值(用万用表测)，此处以1V 为例。调节完成后恢复初始。 3、Ui 接阶跃信号、Uo 接IN 采集信号。 4、打开上端软件，设置采集速率为“1800uS”，取消“自动采集”选项。 5、点击上端软件“开始”按键，随后向上拨动阶跃信号开关，采集数据如下图。 图1-2 比例环节阶跃响应
（2）积分环节 图1-3 积分环节模拟电路图 积分环节的传递函数为： S T V V I I O 1 -=，其中T I =RC ，参数取R=100K ，C=0.1μf 。 步骤：同比例环节，采集数据如下图。 图1-4 积分环节阶跃响应 （3）微分环节 图1-5 微分环节模拟电路图 200K R V I Vo C 2C R 1 V I Vo 200K
成绩________ 过程控制工程 实验报告 班级：自动化10-2 姓名: 曾鑫 学号：10034080239 指导老师：康珏
实验一液位对象特性测试(计算机控制)实验 一、实验目的 通过实验掌握对象特性的曲线的测量的方法，测量时应注意的问题，对象模型参数的求取方法。 二、实验项目 1.认识实验系统，了解本实验系统中的各个对象。 2.测试上水箱的对象特性。 三、实验设备与仪器 1.水泵Ⅰ 2.变频器 3.压力变送器 4.主回路调节阀
m in y ?——被测量的变化量 m ax y ——被测量的上限值 m in y ——被测量的下限值 2) 一阶对象传递函数 s e s T K G τ-+= 1 00 K ——广义对象放大倍数（用前面公式求得） 0T ——广义对象时间常数(为阶跃响应变化到新稳态值的63.2%所需要的时间) τ——广义对象时滞时间(即响应的纯滞后，直接从图测量出) 五、注意事项 1． 测量前要使系统处于平衡状态下，反应曲线的初始点应是输入信号的开始作阶跃信号的 瞬间，这一段时间必须在记录纸上标出，以便推算出纯滞后时间τ。测量与记录工作必须 2． 所加扰动应是额定值的10%左右。 六、实验说明及操作步骤
1.了解本实验系统中各仪表的名称、基本原理以及功能，掌握其正确的接线与使用方法，以便于在实验中正确、熟练地操作仪表读取数据。熟悉实验装置面板图，做到根据面板上仪表的图形、文字符号找到该仪表。熟悉系统构成和管道的结构，认清电磁阀和手动阀的位置及其作用。 2.将上水箱特性测试（计算机控制）所用实验设备，参照流程图和系统框图接好实验线路。 3.确认接线无误后，接通电源。 4.运行组态王，在工程管理器中启动“上水箱液位测试实验” 阶液位对象。 按钮观察输出曲线。 6.在 会影响系统稳定所需的时间）。 7.改变u（k）输出，给系统输入幅值适宜的正向阶跃信号(阶跃信号在5%-15%之间)，使系统的输出信号产生变化，上水箱液位将上升到较高的位置逐渐进入稳态。 8.观察计算机中上水箱液位的正向阶跃响应曲线，直至达到新的平衡为止。 9.改变u（k）输出，给系统输入幅值与正向阶跃相等的一个反向阶跃信号，使系统的输出信号产生变化,上水箱液将下降至较低的位置逐渐进入稳态。 10. 为止。 11.曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表格2-1。 七、实验报告
南京晓庄学院电子工程学院 实验报告 课程名称：单片机系统设计与应用 姓名：森 专业：电子信息科学与技术 年级：14级 学号：05 2016年12 月1 日
实验项目列表 序号实验项目名称成绩指导教师 1 单片机仿真软件的使用 2 单片机I/O接口应用实验——流水灯 3 外部中断实验——工业顺序控制模拟 4 定时/计数器实验——矩形波 5 定时/计数器实验——计数器 6 综合实验 7 8 9 10 注: 1、实验箱端口为com6。 2、芯片选择切换到51 3、停止运行使用实验箱上的复位按钮
实验室号：___ 实验时间：成绩： 实验一仿真软件的使用 1．实验目的和要求 1）熟悉Keil C51软件界面，以及编辑、编译、运行程序的步骤； 2）掌握单片机仿真软件使用和调试的方法。 2．实验原理 Keil C51软件使用 在Keil C51集成开发环境下，建立一个工程并编辑源程序，熟悉Keil C51集成开发环境下各种菜单、命令的使用。 3．主要仪器设备（实验用的软硬件环境） 安装有Keil C51软件的PC机1台 4．操作方法与实验步骤 Keil C51软件使用 （1）建立用户文件夹 （2）建立工程 （3）建立文件并编码。输入以下源程序，并保存在项目所在的目录中 （4）把文件加入工程中 （5）编译工程。编译时观察在界面下方的“Build”页中的到编译错误信息和使用的系统资源情况等。 （6）调试。利用常用调试命令，如复位、运行、暂停、单步、单步跳过、执行完当前子程序、运行到当前行、下一状态、打开跟踪、观察跟踪、反汇编窗口、观察窗口、代码作用范围分析、1#串行窗口、内存窗口、性能分析、工具按钮等命令进行调试，观察并分析调试结果。 （7）目标代码文件的生成。运行生成相应的.HEX文件。 5．实验内容及程序 1）从DATA区地址起始地址为40H的连续10个内存单元的内容传送到XDATA区起始地址为2000H的10个内存单元中。 注意：DATA区地址起始地址为40H的连续10个内存单元必须先赋初值。 P83-5源程序 #include
页眉 实验1 模拟控制系统在阶跃响应下的特性实验一、实验目的 根据等效仿真原理，利用线性集成运算放大器及分立元件构成电子模拟器，以干电池作为输入信号，研究控制系统的阶跃时间响应。 二、实验内容 研究一阶与二阶系统结构参数的改变，对系统阶跃时间响应的影响。 三、实验结果及理论分析 1.一阶系统阶跃响应 a.电容值1uF，阶跃响应波形： b.电容值2.2uF，阶跃响应波形： 页脚 页眉
，阶跃响应波形：电容值c.4.4uF 阶系统阶跃响应数据表2.一稳态终值U（∞）（V）时间常数T(s) 电容值c（uF）理论值实际值实际值理论值0.50 2.87 1.0 0.51 2.90 1.07 2.90 2.2 2.87 1.02 2.06 2.90 2.87 4.4 2.24 元器件实测参数=505kU= -2.87V R? R=496k? =500kR?2o1r其中 T?RC2U(?)??(R/R)U rc21页脚 页眉 误差原因分析： ①电阻值及电容值测量有误差；
②干电池电压测量有误差； ③在示波器上读数时产生误差； ④元器件引脚或者面包板老化，导致电阻变大； ⑤电池内阻的影响输入电阻大小。 ⑥在C=4.4uF的实验中，受硬件限制，读数误差较大。 3.二阶系统阶跃响应 a.阻尼比为0.1，阶跃响应波形： b.阻尼比为0.5，阶跃响应波形： 页脚 页眉 ，阶跃响应波形：0.7c.阻尼比为
，阶跃响应波形：阻尼比为1.0d. 阶系统阶跃响应数据表4.二ξR（?）峰值时间U(t) 调整时间稳态终值超调（%）震荡次数pow M（）t）t（s V（）（s UV）N psps6 62.7 2.8 0.3 0.1 2.95 454k 4.8 1 0.5 0.5 3.3 52.9k 2.95 11.9 0.4 1 0.7 0.3 0.4 24.6k 3.0 2.7 2.92 1.0 1.0 2.98 1.0 2.97k 2.98 页脚 页眉 四、回答问题
《过程控制系统实验报告》 院－系： 专业： 年级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 2015 年6 月
过程控制系统实验报告 部门：工学院电气工程实验教学中心实验日期：年月日 姓名学号班级成绩 实验名称实验一单容水箱液位定值控制实验学时 课程名称过程控制系统实验及课程设计教材过程控制系统 一、实验仪器与设备 A3000现场系统，任何一个控制系统，万用表 二、实验要求 1、使用比例控制进行单溶液位进行控制，要求能够得到稳定曲线，以及震荡曲线。 2、使用比例积分控制进行流量控制，能够得到稳定曲线。设定不同的积分参数，进行 比较。 3、使用比例积分微分控制进行流量控制，要求能够得到稳定曲线。设定不同的积分参数，进行比较。 三、实验原理 (1)控制系统结构 单容水箱液位定值(随动)控制实验，定性分析P, PI，PD控制器特性。 水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变。被调量为水位H。使用P,PI , PID控制，看控制效果，进行比较。 控制策略使用PI、PD、PID调节。 (2)控制系统接线表 使用ADAM端口测量或控制量测量或控制量标号使用PLC端 口 锅炉液位LT101 AI0 AI0 调节阀FV101 AO0 AO0 四、实验内容与步骤 1、编写控制器算法程序，下装调试；编写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。这些步骤不详细介绍。
2、在现场系统上，打开手阀QV-115、QV-106，电磁阀XV101（直接加24V到DOCOM，GND到XV102控制端），调节QV-116闸板开度(可以稍微大一些)，其余阀门关闭。 3、在控制系统上，将液位变送器LT-103输出连接到AI0，AO0输出连到变频器U-101控制端上。 注意：具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。对于全连好线的系统，例如DCS，则必须安装已经接线的通道来编程。 4、打开设备电源。包括变频器电源，设置变频器4-20mA的工作模式，变频器直接驱动水泵P101。 5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。 6、启动计算机，启动组态软件，进入测试项目界面。启动调节器，设置各项参数，将调节器的手动控制切换到自动控制。 7、设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。这里不限制使用的方法。 五、实验结果记录及处理 六、实验心得体会： 比例控制特性：能较快克服扰动的影响，使系统稳定下来，但有余差。 比例积分特性：能消除余差，它能适用于控制通道时滞较小、负荷变化不大、被控量不允许由余差的场合。 比例微分特性：对于改善系统的动态性能指标，有显著的效果。
南昌大学实验报告 实验类型：□ 验证 □ 综合 □ 设计 □ 创新 实验日期： 实验成绩： 实验一 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； 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．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS 需两台计算机）、万用表一个； 2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根； 3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个； 4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根； 5．SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线； 6．SA-42挂件一个、PC/PPI 通讯电缆一根。 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=A dt dh (2-1) 将式(2-1)表示为增量形式 ΔQ 1-ΔQ 2=A dt h 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，dt dh ＝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
南理工控制工程基础实验报告 成绩：《控制工程基础》课程实验报告班级：学号：姓名：南京理工大学2015年12月《控制工程基础》课程仿真实验一、已知某单位负反馈系统的开环传递函数如下G(s)?10 s2?5s?25借助MATLAB和Simulink完成以下要求：(1) 把G(s)转换成零极点形式的传递函数，判断开环系统稳定性。>> num1=[10]; >> den1=[1 5 25]; >> sys1=tf(num1,den1) 零极点形式的传递函数：于极点都在左半平面，所以开环系统稳定。(2) 计算闭环特征根并判别系统的稳定性，并求出闭环系统在0～10秒内的脉冲响应和单位阶跃响应，分别绘出响应曲线。>> num=[10];den=[1,5,35]; >>
sys=tf(num,den); >> t=[0::10]; >> [y,t]=step(sys,t); >> plot(t,y),grid >> xlabel(‘time(s)’) >> ylabel(‘output’) >> hold on; >> [y1,x1,t]=impulse(num,den,t); >> plot(t,y1,’:’),grid (3) 当系统输入r(t)?sin5t时，运用Simulink搭建系统并仿真，用示波器观察系统的输出，绘出响应曲线。曲线：二、某单位负反馈系统的开环传递函数为：6s3?26s2?6s?20G(s)?4频率范围??[,100] s?3s3?4s2?2s?2 绘制频率响应曲线，包括Bode图和幅相曲线。>> num=[6 26 6 20]; >> den=[1 3 4 2 2]; >> sys=tf(num,den); >> bode(sys,{,100}) >> grid on >> clear; >> num=[6 26 6 20]; >> den=[1 3 4 2 2]; >> sys=tf(num,den); >> [z , p , k] = tf2zp(num, den); >> nyquist(sys) 根据Nyquist判据判定系统的稳定性。
《过程控制系统》实验报告 学院：电气学院 专业：自动化 班级：1505 姓名及学号：任杰311508070822 日期：2018.6.3
实验一、单容水箱特性测试 一、 实验目的 1. 掌握单容水箱阶跃响应测试方法，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-FCS 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02010=-Q Q （式2-1），动态时，则有dt dV Q Q = -21，（式2-2）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dt dh A dt dV =（式2-3），A 为水箱的底面积。把式（2-3）代入式（2-2）得dt dh A Q Q =-21（式2-4）基于S R h Q =2,S R 为阀2V 的液阻，（式2-4）可改写为dt dh A R h Q S =-1，1KQ h dt dh AR S =+或()()1s 1+=Ts K s Q H （式2-5）式中s AR T =它与水箱的底面积A 和2V 的S R 有关，（式2-5）为单容水箱的传递函数。若令()S R S Q 01=,常数=0R ，则式2-5可表示为()T S KR S R K S R T S T K S H 11/000+-=?+= 对上式取拉氏反变换得()()T t e KR t h /01--=（式2-6）,当∞→t 时()0KR h =∞,因而有()0/R h K ∞==输出稳态值/阶跃输入，当T t =时，()() ()∞==-=-h KR e KR T h 632.0632.01010，式2-6表示一阶惯性响应曲线是一单调上升的指数函数如下图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 数如式（2-5）所示。 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
中北大学机械与动力工程学院 实验报告 专业名称__________________________________ 实验课程名称______________________________ 实验项目数_______________总学时___________ 班级______________________________________ 学号______________________________________ 姓名______________________________________ 指导教师__________________________________ 协助教师__________________________________ 日期______________年________月______日____
实验二二阶系统阶跃响应 一、实验目的 1．研究二阶系统的特征参数如阻尼比ζ和无阻尼自然频率ω n 对系统动态性能 的影响；定量分析ζ和ω n 与最大超调量Mp、调节时间t S 之间的关系。 2．进一步学习实验系统的使用方法。 3．学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。 二、实验仪器 1．EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2．PC计算机一台 三、实验原理 1．模拟实验的基本原理： 控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。 2.时域性能指标的测量方法：超调量% σ： 1)启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 2)测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查 找原因使通信正常后才可以继续进行实验。 3)连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1 输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。 4)在实验课题下拉菜单中选择实验二[二阶系统阶跃响应] 。 5)鼠标双击实验课题弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口中设置相应 的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。 6)利用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，带入下式算出超 调量： Y MAX - Y ∞ % σ=——————×100% Y ∞ t P 与t s :利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达95%稳 态值所需的时间值，便可得到t P 与t s 。 四、实验内容 典型二阶系统的闭环传递函数为 ω2 n ?（S）= （1） s2＋2ζω n s＋ω2 n
浙工大过程控制实验报告 202103120423徐天宇过程控制系统实验报告 实验一：系统认识及对象特性测试 一实验目的 1了解实验装置结构和组成及组态软件的组成使用。 2 熟悉智能仪表的使用及实验装置和软件的操作。 3熟悉单容液位过程的数学模型及阶跃响应曲线的实验方法。 4学会有实际测的得单容液位过程的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数，辨识过程的数学模型。二实验内容 1 熟悉用MCGS组态的智能仪表过程控制系统。 2 用阶跃响应曲线测定单容液位过程的数学模型。三实验设备 1 AE2000B型过程控制实验装置。 2 计算机，万用表各一台。 3 RS232-485转换器1只，串口线1根，实验连接线若干。四实验原理 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V2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V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R2*C，K=R2为单容对象的放大倍数， R1、R2分别为V1、V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。 阶跃响应曲线法是指通过调节过程的调节阀，使过程的控制输入产生一个阶跃变化，将被控量随时间变化的阶跃响应曲线记录下来，再根据测试记录的响应曲线求取输入输出之间的数学模型。本实验中输入为电动调节阀的开度给定值OP，通过改变电动调节阀的开度给定单容过程以阶跃变化的信号，输出为上水箱的液位高度h。电动调节阀的开度op通过组态软件界面有计算机传给智能仪表，有智能仪表输出范围为：0~100%。水箱液位高度有由传感变送器检测转换为4~20mA的标准信号，在经过智能仪表将该信号上传到计算机的组态中，由组态直接换算成高度值，在计算机窗口中显示。因此，单容液位被控对象的传递函数，是包含了由执行结构到检测装置的所有液位单回路物理关系模型有上述机理建模可知，单容液位过程是带有时滞性的一阶惯性环节，电动调节阀的开度op，近似看成与流量Q1成正比，当电动调节阀的开度op为一常量作为阶跃信号时，该单容液位过程的阶跃响应为 需要说明的是表达式（2-3）是初始量为零的情况，如果是在一个稳定的过程下进行的阶跃响应，即输入量是在原来的基础上叠加上op的变化，则输出表达式是对应原来输出值得基础上的增