实验一 过程广义对象的测试和传递函数的确定
自动控制原理实验一
KTδ(t)+K
实测：μo(t)=
+
e-t/R3C
Ro=
100K R2=
100K
C=1uF
R3=
10K
R1=
100K
R1=
200K
典型
环节
传递函数参数与模拟电路参数
关 系
单位阶跃响应
理想阶跃响应曲线
实测阶跃响应曲线
PID
KP=
TI=Ro C1
TD=
理想：μo(t)= TDδ(t)+Kp+
答：传递函数的相角始终大于零，a>1。
3．你能解释校正后系统的瞬态响应变快的原因吗？
答：由于实际控制系统具有惯性、摩擦、阻尼等原因。
表3-1
参数
项目
Mp(%)
Ts(s)
阶 跃 响 应 曲 线
未校正
0.6
4
校正后
0.125
0.42
实验四 控制系统的频率特性
一、被测系统的方块图及原理：
图4—1 被测系统方块图
关 系
单位阶跃响应
理想阶跃响应曲线
实测阶跃响应曲线
惯性
K=
T=R1C
μo(t)=
K(1-e-t/T)
R1=
250K
Ro=
250K
C=
1μF
C=
2μF
I
T=RoC
μo(t)=
Ro=
200K
C=
1μF
C=
2μF
PI
K=
T=RoC
μo(t)=K+
R1=
100K
Ro=
200K
C=
传递函数估计
传递函数估计在信号处理和控制系统中，传递函数是描述系统输入和输出之间关系的重要工具。
传递函数估计是通过对已知输入和输出数据进行分析和处理，来近似地确定系统的传递函数。
这一技术在各个领域都有广泛的应用，例如电子电路设计、机械控制系统、信号处理等。
传递函数估计的目的是为了通过已知的输入和输出数据，来推断出一个可以近似描述系统动态行为的传递函数模型。
这样的模型可以用来分析系统的稳定性、频率响应以及设计控制器等。
传递函数估计的方法有很多种，其中最常用的是基于频域分析的方法和基于时域分析的方法。
基于频域分析的传递函数估计方法，一般使用傅里叶变换或者拉普拉斯变换来将时域的输入和输出信号转换到频域。
然后通过频域的分析和处理，来确定系统的传递函数。
这种方法的优点是可以利用频域的特性，例如频率响应和幅频特性，来进行系统分析和设计。
然而，频域分析方法对信号的处理和计算要求较高，需要使用复杂的数学工具和算法。
基于时域分析的传递函数估计方法，一般使用差分方程或者微分方程来描述系统的动态行为。
通过对已知的输入和输出数据进行离散化处理，然后利用最小二乘法或者最优化算法来拟合得到系统的传递函数。
这种方法的优点是计算相对简单，不需要复杂的数学工具和算法。
然而，时域分析方法对信号的采样和离散化要求较高，需要考虑采样频率和采样点数等因素。
无论是基于频域分析还是时域分析的传递函数估计方法，都需要考虑信号的噪声和干扰对估计结果的影响。
在实际应用中，我们通常会对输入和输出信号进行预处理，例如滤波、降噪和去除干扰等。
同时，还需要选择合适的估计方法和参数，以获得准确和稳定的传递函数估计结果。
在实际工程中，传递函数估计常常是一个复杂和耗时的过程。
需要根据具体的应用和系统特性来选择合适的方法和工具。
同时，由于系统的动态行为往往是非线性和时变的，传递函数估计的结果往往只能作为近似和参考，而不能完全代表系统的实际行为。
因此，在实际应用中，我们还需要进行实验和验证，以确保系统的稳定性和性能。
过程控制系统广义对象讲义
温度控制通道阶跃响应特性参数为：稳定时温度变化 Δθ (∞) = 50°C ；时间常数T = 100s ；
纯迟延时间τ = 12s 。试求控制器的 δ 、Ti 。
r(t)
e(t)
u(t)
μ (t )
y(t)
⎜⎜⎝⎛1 +
1 Ti s
+
Td s ⎟⎟⎠⎞
（7）
式中，δ * = δ /(Kv Km ) = 1/(Kv Km Kc ) 为等效控制器的比例带；Km 为测量变送装置的增益。
由上可知，实际控制器 Gc (s) 和等效控制器的参数仅比例带（比例系数）不同，需进行
转换，而积分时间 Ti 和微分时间 Td 完全相同，不需要转换。 例 对于图 1 所示温度控制系统，控制器采用 PI 控制规律。温度变送器量程为 0～200
=
K0Km Ts + 1
e −τs
=
4 /15 e−12s 100s + 1
=
K e−τs Ts + 1
采用动态特性参数法，按 Z-N 公式，可得等效控制器的等效比例带为
δ * = 1.1× ⎜⎛ 4 /15 ⎟⎞ ×12 = 0.0352 ⎝ 100 ⎠
此时等效控制器包括了实际控制器和调节阀，则等效比例带为实际控制器的比例带和调 节阀增益倒数相乘的结果，即
采用动态特性参数法，按 Z-N 公式，可得等效控制器的等效比例带为
δ * = 1.1× ⎜⎛ 50 /15 ⎟⎞ ×12 = 0.44 ⎝ 100 ⎠
此时等效控制器包括了实际控制器、调节阀和测量变送装置，则等效比例带为实际控制 器的比例带和调节阀增益倒数、测量变送装置增益倒数相乘的结果，即
第五章(5) 频域：用实验法确定系统的传递函数
第五节 用实验法确定系统传递函数
例
已知采用积分控制液位系统的结构 和对数频率特性曲线,试求系统的传 和对数频率特性曲线 试求系统的传 hr(t) 递函数。 递函数。 1 K h(t)
1 4
L(ω)/dB
20 0 -20 -20dB/dec
S
Ts+1
φ(ω)
0 -90 -180
返回 解: 将测得的对数 -40dB/dec 1 = 曲线近似成渐 0.25S2+1.25S+1) 近线: 近线 ω 1 φ(s)= (S+1) (S/4+1)
ω
一用实验法确定系统的伯德图二根据伯德图确定传递函数第五节用实验法确定系统传递函数一用实验法确定系统的伯德图若线性系统是稳定的可用实验的方法获得其伯徳图具体步骤如下
第五章 频率特性法
第五节 用实验法确定系统传递函数
频率特性具有明确的物理意义， 频率特性具有明确的物理意义，可 用实验的方法来确定它.这对于难以列 用实验的方法来确定它 这对于难以列 写其微分方程的元件或系统来说,具有 写其微分方程的元件或系统来说 具有 很重要的实际意义。 很重要的实际意义。
0
L(ω段的曲线与横 轴相交点的频率为 的频率为ω 轴相交点的频率为 0 20lgK 因为 =40 故 lgω0-lg1
1
ω0
ωc
ω
-40dB/dec
20lgK=40lgω0 K=ω02
第五节 用实验法确定系统传递函数
例 由实测数据作出系统的伯德图如图 所示，试求系统的传递函数。 所示，试求系统的传递函数。 由图可得： 解: 由图可得： L(ω)/dB 根据 0 ≤ξ ≤0.707 -40dB/dec ω0 =3.16 -20dB/dec 40 取 ξ=0.38 20lgMr=3dB 3dB 20 Mr=1.41 0 由频率曲线得 2ω0 ω 0.5 1 -60dB/dec Mr= G(s)= =1.41 -20 φ(ω) ξ 2 21-ξ 2 0 ω 3.16 (2S+1) -90 2(0.25S=±0.92 ξ ± 得：1 2+0.38S+1) -180 S -270 ξ2=±0.38 ±
自控理论 4-7系统传递函数的实验确定法
(4-51)
其中，K﹑ω1﹑ω2﹑ω3﹑ω4待定。
1
2
3
4
由20lgK=30dB 得K=31.6。 由直线方程及斜率的关系式确定ω1﹑ω2﹑ω3﹑ω4。
20db/dec Ts 1 40db/dec T 2 s 2 2Ts 1 （ζ值可根据实验曲线确定）
Ts 1
T 2 s 2 2Ts 1
【例4-14】最小相位系统对辐频渐进特性如图4-50所示。 试确定系统的传递函数。
解 由图知此为分段线性曲线，在各交接频率处， 渐近特性斜率发生变化，由斜率变化可确定加入的 环节类型。 ω1处，斜率变化-20dB，为惯性环节。 ω2处，斜率变化-20dB，为惯性环节。 ω3处，斜率变化-20dB，为惯性环节。
s 1) 0.1 G( s) H ( s) s s s s ( 1)( 1)( 1)( 1) 0.316 3.48 34.81 82.54 31.6(
L (ω A） L（ω B） K
ω1=0.1×10
40 30 20
=0.316
取ωA=ω4，ωB=100， 由图知，L(ω4)=5dB，L（100）=0dB，K=-60（dB/dec）, 则有： ω4=100×10
50 60
=82.54
取 ωA=ω3 ， ωB=ω4 ， 由 图 L(ω3)=20dB ， L(ω4)=5dB ， K=40dB/dec,则有： ω3=82.54×10
20A=ω2， ωB=ω3， L(ω2)=40dB， L（ω3）=20dB, K=-20dB/dec,则有：
过程控制控实验报告
过程控制控实验报告实验⼀单容⾃衡⽔箱特性的测试⼀、实验⽬的1. a 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1. A3000⾼级过程控制实验系统2. 计算机及相关软件三、实验原理由图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，Q 2为流出⽔箱的流量。
⼿动阀QV105和闸板QV116的开度（5~10毫⽶）都为定值。
根据物料平衡关系，在平衡状态时：0Q Q 2010=- （1）动态时则有： dtdVQ Q 21=- （2）式中V 为⽔箱的贮⽔容积，dtdV为⽔贮存量的变化率，它与h 的关系为Adh dV =，即：dtdhA dt dV = （3） A 为⽔箱的底⾯积。
把式（3）代⼊式（2）得：QV116V104V103hh QV105QV102P102LT103LICA 103FV101MQ 1Q 2图2.1单容⽔箱特性测试结构图图2.2 单容⽔箱的单调上升指数曲线dtdhA=-21Q Q （4）基于S 2R h Q =，R S 为闸板QV116的液阻，则上式可改写为dtdhA R h Q S =-1，即：或写作：1)()(1+=TS Ks Q s H （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SR s Q 01)(=，R 0=常数，则式（5）可改为： TS KR S R K S R T S T K s H 0011/)(0+-=?+= 对上式取拉⽒反变换得： )e -(1KR h(t)t/T0-= （6）当∞→t 时0KR )h(=∞，因⽽有=∞=0R )h(K 阶跃输⼊输出稳态值。
当t=T 时，则)h(KR )e-(1KR h(T) 001∞===-0.6320.632。
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。
过程控制系统实验报告
过程控制系统实验报告实验⼀过程控制系统的组成认识实验过程控制及检测装置硬件结构组成认识，控制⽅案的组成及控制系统连接⼀、过程控制实验装置简介过程控制是指⾃动控制系统中被控量为温度、压⼒、流量、液位等变量在⼯业⽣产过程中的⾃动化控制。
本系统设计本着培养⼯程化、参数化、现代化、开放性、综合性⼈才为出发点。
实验对象采⽤当今⼯业现场常⽤的对象，如⽔箱、锅炉等。
仪表采⽤具有⼈⼯智能算法及通讯接⼝的智能调节仪，上位机监控软件采⽤MCGS⼯控组态软件。
对象系统还留有扩展连接⼝，扩展信号接⼝便于控制系统⼆次开发，如PLC控制、DCS控制开发等。
学⽣通过对该系统的了解和使⽤，进⼊企业后能很快地适应环境并进⼊⾓⾊。
同时该系统也为教师和研究⽣提供⼀个⾼⽔平的学习和研究开发的平台。
⼆、过程控制实验装置组成本实验装置由过程控制实验对象、智能仪表控制台及上位机PC三部分组成。
1、被控对象由上、下⼆个有机玻璃⽔箱和不锈钢储⽔箱串接，4.5千⽡电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭外循环不锈钢锅炉夹套构成），压⼒容器组成。
⽔箱：包括上、下⽔箱和储⽔箱。
上、下⽔箱采⽤透明长⽅体有机玻璃，坚实耐⽤，透明度⾼，有利于学⽣直接观察液位的变化和记录结果。
⽔箱结构新颖，内有三个槽，分别是缓冲槽、⼯作槽、出⽔槽，还设有溢流⼝。
⼆个⽔箱可以组成⼀阶、⼆阶单回路液位控制实验和双闭环液位定值控制等实验。
模拟锅炉：锅炉采⽤不锈钢精致⽽成，由两层组成：加热层（内胆）和冷却层（夹套）。
做温度定值实验时，可⽤冷却循环⽔帮助散热。
加热层和冷却层都有温度传感器检测其温度，可做温度串级控制、前馈－反馈控制、⽐值控制、解耦控制等实验。
压⼒容器：采⽤不锈钢做成，⼀⼤⼀⼩两个连通的容器，可以组成⼀阶、⼆阶单回路压⼒控制实验和双闭环串级定值控制等实验。
管道：整个系统管道采⽤不锈钢管连接⽽成，彻底避免了管道⽣锈的可能性。
为了提⾼实验装置的使⽤年限，储⽔箱换⽔可⽤箱底的出⽔阀进⾏。
实验报告一和二模拟电路传递函数的求取
①
U i ( s)
1 C1 s
②
U模拟电路变成运算放大电路
设中间变量 U ( s ) ,则对左边的运算放大电路①有
1 C1 s U s U i s R0 R1
对右边的运算放大电路②有
U O s 1 U s
Rx 1 ， R1 2
Rx R x R0 R1 C 2 C 1 R0 C 1 R1 Rx Rx s Rx C 2 Rx R x R0 R1 C 2 C 1 s R x R0 R1 C 2 C 1 s T0 K1 ，n ，则二阶系统的传递函数 K 1T1 T1T0
令 T0 R0 C 1 ， T1 R x C 2 ， K 1
①
U i s
1 C1 s U s
②
U o s
惯性环节传递函数的求法： 先把普通电路变成运算电路 , 即把所有变量写成其拉普拉斯变换形式 , 把电容变成运算阻抗
1 C1 s
设中间变量 U ( s ) ,则对左边的运算放大电路①有
1 R2 C1 s 1 1 R2 // R2 C1 s R2 U s C1 s R0 R1 R2 C 1 s 1R0 R1 U i s R0 R1
所以积分环节为电路①和②的串联,其传递函数为:
1 U o s C1 s 1 1 1 R0 R1 C 1 s Ts U i s R0 R1
1、用运算放大器模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出 来的？ 答：①假定运放具有理想特性，即满足“虚短” “虚断”特性 ②运放的静态量为零，各输入量、输出量和反馈量都可以用瞬时值表示其动态变 化。 2 积分环节与惯性环节的主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地 视为积分环节？在什么条件下，又可以视为比例环节？ 答：惯性环节的特点是，当输入 x(t)作阶跃变化时，输出 y(t)不能立刻达到稳态 值，瞬态输出以指数规律变化。而积分环节，当输入为单位阶跃信号时，输出为 输入对时间的积分，输出 y(t)随时间呈直线增长。当 t 趋于无穷大时，惯性环节 可以近似地视为积分环节，当 t 趋于 0 时，惯性环节可以近似地视为比例环节。 3 如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？ 答：用示波器的“时标”开关测出过渡过程时间t（即 95%U O 时的时间） ，由公 式T = t/3 计算时间常数。
北航自控实验报告2
成绩北京航空航天大学自动控制原理实验报告班级120228学号12021191学生姓名黄钟胤自动控制与测试教学实验中心实验二 频率响应测试一、实验目的1.掌握频率特性的测试原理及方法。
2.学习根据所测定出的系统的频率特性，确定系统传递函数的方法。
二、实验内容1.测定给定环节的频率特性。
系统模拟电路图及系统结构图分别如图2-1及图2-2。
系统传递函数为：取12R R =,则2=K , 20010200)s (2++=s s G取15R R =,则5=K , 50010500)s (2++=s s G若正弦输入信号为)sin()(1i t A t U ω=，则当输出达到稳态时，其输出信号为)sin()(2o ψω+=t A t U 。
改变输入信号频率值πω2=f ，便可测得二组12A A和ψ随f （或ω）变化的数值，这个变化规律就是系统的幅频特性和相频特性。
三、实验原理1.幅频特性即测量输入与输出信号幅值1A 及2A ，然后计算其比值12A A 。
2.实验采用“李沙育图形”法进行相频特性的测试。
3.相位差角的求法：对于)sin()(t X t X m ωω=及)sin()(ψωω+=t Y t Y m ，当0=t ω时，有X (0)=0，)sin()0(0ψm Y Y Y ==；即)/arcsin(0m Y Y =ψ。
显然，仅当2/0πψ≤≤时，上式成立。
四、实验设备1.HHMN-1型电子模拟机一台。
2.PC 机一台。
3.数字式万用表一块。
五、实验步骤1.熟悉HHMN-1型电子模拟机的使用方法。
将各运算放大器接成比例器，通电调零。
2.断开电源，按照系统结构图和系统传递函数计算电阻和电容的取值，并按照模拟线路图搭接线路，不用的运算放大器接成比例器。
3.将D/A1与系统输入端Ui 连接，将A/D1与系统输出端Uo 连接（此处连接必须谨慎，不可接错）。
线路接好后，经教师检查后再通电。
4.在Windows XP 桌面用鼠标双击“MATLAB ”图标后进入，在命令行处键入“autolab ”进入实验软件系统。
实验一对象特性测试实验
实验一：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：通过实验掌握对象特性曲线的测量方法。
测量时应注意的问题：对象模型参数的求取。
液位装置中的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。
对象参数的求取:、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T02、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K0、T0和T■的方法如下：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q而与CB段的值即为时间常数T0o3、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K0、T1、T2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(8)；(2)y (t1) =0.4 y (oo)时曲线上的点y1和相应的时间t1;(3)y (t2) =0.8 y E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T1、T2。
M t1 t2(4)T1+T2 比 2.16T1T2(5)T1T2174s _055对于二（T过程2）（002T t2）t2<07465 ,播2=0.32 时T0= (t1+t2) 2.12);当t1/t2=0.46 时，过程的传递函数W (s) =K0/ (T0s+1) (T0s+1)(此时，T1=T2=T0= (t1+t2) /2X2.18);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，反应曲线的出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，以便推算纯滞后时间z2、测试与记录工作必须持续到输出参数达到新的稳态值。
广义过程的传递函数
广义过程的传递函数
广义过程是指同时具有随机变量和时间这两个维度的过程，它在实际应用中非常广泛。
在研究广义过程的控制和优化问题时，传递函数是非常重要的工具。
本文将介绍广义过程的传递函数及其应用。
一、传递函数的概念
传递函数是指某个系统在输入信号作用下输出信号与输入信号之比的函数关系。
在控制工程中，传递函数是系统分析和设计的重要工具。
二、广义过程的传递函数
对于广义过程，其传递函数可以表示为：
G(s)=C(sI-A)-1B+D
其中，A、B、C、D分别是过程的状态空间矩阵，输入矢量、输出矢量和传递矩阵。
s是Laplace变换因子。
传递函数可以描述系统对于特定输入信号的响应情况。
如果输入信号是一个阶跃信号，那么传递函数的分母就代表系统对阶跃信号的响应速度。
三、广义过程传递函数的应用
1.稳定性分析
传递函数可以帮助我们分析广义过程的稳定性。
如果传递函数的极点在s平面的左半面，则系统是稳定的。
2.频域响应分析
我们可以通过传递函数来计算广义过程的频域响应，从而得到系统的频率特征和频率响应。
3.控制器设计
传递函数也可以用于控制设计。
比如，我们可以利用传递函数来设计具有稳定特性的控制器，使得系统能够以最优的方式响应输入信号。
四、总结
广义过程的传递函数是描述系统输入与输出之间关系的工具，它在控制工程的应用非常广泛。
它可以帮助我们分析系统的稳定性、频域响应和控制器设计等问题。
因此，对于控制工程师来说，了解广义过程的传递函数是非常重要的。
实验一 传递函数的测定
控制工程基础实验一 传递函数的测定一、实验准备知识1.一阶系统传递函数及其特征参数对其性能的影响；2.一阶系统的阶跃响应；3.直流电动机工作原理；4.直流发电机的工作原理。
二、实验目的1.掌握直流电动机系统工作框图，并推导其传递函数；2.掌握一阶系统（以直流电动机为例）传递函数的测试方法；3.学会相关实验仪器的使用方法，包括：低频示波器、光电测速仪、稳压电源等。
三、实验仪器1.直流电动机-测速发电机组一套；2.低频示波器一台；3.光电测速仪一套；4.三路稳压电源一台；5.连接导线若干。
四、实验原理1.直流电机工作原理2.电枢控制式直流电机传递函数的建立(1) 电网络平衡方程aa d a di LRi e u dt++= 式中，a i 为电动机的电枢电流；R ——电动机的电阻； L ——电动机的电感；d e ——电枢绕组的感应电动势。
工作原理图：(2) 电动势平衡方程d de k ω=式中，d k 为电动势常数，由电动机的结构参数确定。
(3) 机械平衡方程L d JM M dtω=- 式中，J ——电动机转子的转动惯量；M ——电动机的电磁转矩；L M ——折合阻力矩。
(4) 转矩平衡方程am i K M =式中，m K 表示电磁力矩常数，由电动机的结构参数确定。
将上述四个方程联立，因为空载下的阻力矩很小，略去L M ，并消去中间变量a i 、d e 、M ，得到关于输入输出的微分方程式：22d a m m JL d JR d k u K dt K dtωωω++= 这是一个二阶线性微分方程，因为电枢绕组的电感一般很小，若略去L ，则可以得到简化的一阶线性微分方程为：d a m JR d K u K dtωω+=则转速n 与输入电压a u 之间的一阶线性微分方程为：226060d a m JR dn K n u K dt ππ+=令初始条件为零，两边拉氏变换，求得传递函数为：3011/()()()d a m dK N s KG s JR U s TS S K K π===++ 五、实验测试方法1.测试原理直流电动机当输入给定电枢电压信号而输出为转速时,其其传递函数为：()()()1N s KG s U s Ts ==+ 2.测试方法实验测定出T 和K 值，则系统的传递函数即可取定。
自动控制原理5.6 系统传函的试验确定法
由Bode图确定系统的传递函数（续）
Gk s
1
s2
1 2.5s
ss
1
2.5
0.4
s0.4s 1
L db
也可再画出Gk s
对应的L 曲线
1 2.5
0 0.1 0.4 -8
1
2.5
-20
10
20 lg K 20 lg 0.4 8db
3
4030
10 20
34.8 101
3.48
18
§5—6系统传函的试验确定法
由Bode图确定系统的传递函数（续）
40 30
实际上：1 0.110 20 0.1100.5 0.316
（与上述计算相等）
31.6 s 1
故Gs
0.1
s 1 s 1 s 1 s 1
求G(s)。
L
解：
Gs
s
K 1 s
12
2 0
8
2 8 10
20
或Gs
K 82
60
s 1 s2 2 8s 82
2
20 lg
K
10, K
10
10 20
100.5
1
0.316
0
ωc
1
2 -60
7
§5—6系统传函的试验确定法
由Bode图确定系统的传递函数（续）
(3)
Gs
K
s
2
1
L
s
s
1
实验一 过程广义对象的测试和传递函数的确定
实验一过程广义对象的测试和传递函数的确定一、实验目的要求目的：1.通过实验了解广义对象的组成及原理，掌握广义对象的测试方法。
2.了解不同广义对象的阶跃响应特性的特点。
3.掌握由阶跃响应特性求广义对象传递函数的方法。
要求：作好实验前的准备工作，阅读实验内容，复习有关广义对象传递函数的理论推导方法及理想结果。
二、实验内容1.压力广义对象特性的测试（1）压力测试管道图。
压力广义对象由密封的不锈钢罐，提升泵，变频器，电动调节阀，压力传感器及变送器组成。
压力广义对象测试线路图（2）操作：第一种情况：①接通密封罐的进水和出水管道上的手动开关F01,F02,F10,F08，关闭手动开关F03,F04,F09,F11。
②放水的电动调节阀开度为50%。
③接通计算机电源，启动组态软件KingView，进入压力曲线显示图形画面。
④打开设备电源，将设备手动开关接通，启动变频器输出设定频率为20HZ，提升泵电动机转动抽水进入压力罐，使P增加，达到最终平衡状态。
⑤改变提升泵频率为30HZ，记录压力变化趋势曲线，并对其特性进行分析。
第二种情况：固定提升泵频率f=40HZ，使压力初始值为某一恒定值，将电动调节阀放水阀门开度突然变为70%，观测压力变化曲线。
2. 流量广义对象特性的测试（1）广义对象的管道线路图流量广义对象测试线路图流量广义对象由流量传感器，变频器，提升泵，进水管道，开口水箱，放水阀组成。
（2）操作：第一种情况：①将进水管道和流量测试管道的手动开关接通，放水手动阀F13关闭，电动调节阀开度为50%。
②打开计算机，启动组态软件KingView，让其进入流量曲线画面。
③打开设备电源，将设备手动开关接通，设定变频器输出频率为20HZ，记录流量稳态值。
④改变提升泵频率为40HZ，记录流量变化曲线，并对其特性进行分析。
第二种情况：将变频器频率设定为20HZ，使对象回到原来状态，改变电动调节阀开度为70%，观测流量变化曲线并记录。
自动控制原理实验指导书
自动控制原理实验实验一典型环节的模拟研究1.各典型环节的方块图及传函2.各典型环节的模拟电路图及输入响应，其中，3.实验内容及步骤（1）观测比例，积分,比例积分,比例微分和惯性环节的阶响应曲线①准备：使运放处于工作状态。
将信号源单元（U1SG）的ST端（插针）与+5V端（插针）用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管（3DJ6）夹断，这时运放处于工作状态。
②阶路信号的产生：电路可采用图1-1所示电路，它由“单脉冲单元”（U13SP）及“电位器单元”（U14 P）组成。
图1-1具体线路形成：在U13单元中，将H1与+5V插针用“短路块”短接，H2插针用排线接至U14P单元的X插针；在U14P单元中，将Z插针和GND插针用“短路块”短接，最后由插座的Y端输出信号。
以后实验若再用到阶跃信号时，方法同上，不再述。
实验步骤①按2中的各典型环节的模拟电路图将线接好（先按比例）。
（PID先不接）②将模拟电路输入端（U1）与阶跃信号的输出端Y相联接；模拟电路的输出端（U0）接至示波器。
③按下按钮（或松开按钮）H时，用示波器观测输出端的实际响应曲线U0（t），且将结果记下。
改变比例参数，重新观测结果。
④同理得出积分、比例积分、比例微分和惯性环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线见表1-1。
表1-1续表1-1=（2）观察PID环节的响应曲线实验步骤：①此时U1采用U1，SG单元的周期性方波信号（U1单元的ST的插针改为与S插针用“短路块”短接，S11波段开关置于“阶跃信号”档，“OUT”端的输出电压即为阶跃信号电压，信号周期由波段开关S12和电位器W11调节，信号幅值由电位器W12调节。
以信号幅值小\信号周期较长为比较适宜）。
②参照2中的PID模拟电路图，将PID环节搭接好。
③将①中产生的周期性方波信号加到PID环节的输入端（U1），用示波器观测PID输出端（U0），改变电路参数，重新观察并记录。
实验二典型系统瞬态响应和稳定性1.典型二阶系统①典型二阶系统的方块图及传函图2-1图是典型二阶系统原理方块图，其中T0=1S，T1=0.1S,K1分别为10、5、2.5、1。
实验传递函数的原理及应用
实验传递函数的原理及应用1. 介绍实验传递函数是控制系统理论中的一个重要概念。
它用来描述输入信号与输出信号之间的关系，可以帮助我们研究和设计各种控制系统。
本文将介绍实验传递函数的原理及其在控制系统中的应用。
2. 实验传递函数的定义实验传递函数是一个复数函数，它将输入信号的傅立叶变换与输出信号的傅立叶变换之比定义为控制系统的传递函数。
其数学表达式可以表示为：$$ G(s) = \\frac{Y(s)}{X(s)} $$其中，G(s)表示传递函数，Y(s)表示输出信号的傅立叶变换，X(s)表示输入信号的傅立叶变换。
3. 实验传递函数的原理实验传递函数的原理基于控制系统的输入输出关系。
通过对输入信号施加一个特定的激励，观察输出信号的响应，并将它们的傅立叶变换取比值，就可以得到实验传递函数。
实验传递函数的原理可以通过以下步骤进行实现： - 施加一个特定的输入信号到控制系统； - 记录输出信号的响应； - 对输入信号和输出信号进行傅立叶变换；- 取输出信号的傅立叶变换与输入信号的傅立叶变换之比； - 将比值表示为复数函数形式，即为实验传递函数。
4. 实验传递函数的应用实验传递函数在控制系统的分析和设计中有广泛的应用。
下面列举了一些实验传递函数的应用场景：4.1 系统性能分析实验传递函数可以帮助我们分析系统的稳定性、阻尼比、共振频率等重要性能指标。
通过分析实验传递函数的零点、极点和幅频特性，可以评估系统的性能，并作出相应的控制策略。
4.2 控制系统设计实验传递函数可以用于控制系统的设计和优化。
通过理解系统的传递函数，我们可以根据系统的需求和性能指标，设计合适的控制器来实现系统的稳定性、快速响应等要求。
4.3 信号滤波实验传递函数可以用于信号的滤波。
通过选择合适的实验传递函数，可以将输入信号中的噪声和干扰滤除，得到更加稳定和准确的输出信号。
4.4 系统建模与仿真实验传递函数可以用于系统建模和仿真。
通过测量和分析实际系统的输入输出数据，可以得到系统的实验传递函数，并用于系统的仿真和预测，从而评估不同控制策略的效果。
广义对象传递函数
广义对象传递函数
广义对象传递函数（Generalized Object Transfer Function）是一种用于系统建模和控制的概念。
它是在控制工程中应用的一种数学模型，用于描述系统输入和输出之间的关系。
广义对象传递函数可以用于描述连续时间系统或离散时间系统的动态行为。
它通常表示为一个函数，输入为系统的激励信号，输出为系统的响应信号。
这个函数描述了系统对输入信号的处理过程，可以反映系统的传递特性、频率响应和动态响应。
在连续时间系统中，广义对象传递函数通常表示为Laplace 变换的形式。
它描述了输入信号和输出信号之间的关系，可以通过频域分析和控制理论进行系统设计和分析。
在离散时间系统中，广义对象传递函数通常表示为 Z 变换的形式。
它描述了离散时间系统中输入信号和输出信号之间的关系，可以用于数字信号处理和数字控制系统设计。
广义对象传递函数的形式和参数取决于具体的系统和应用领域。
它可以用于描述各种系统，如电路系统、机械系统、化学过程等，并且在控制系统设计、系统辨识和信号处理等领域有广泛的应用。
过程控制知到章节答案智慧树2023年东北电力大学
过程控制知到章节测试答案智慧树2023年最新东北电力大学第一章测试1.生产过程中引起被控量偏离其给定值的各种因素称为扰动。
参考答案:对2.当被控量受到扰动偏离给定值后，使被控量恢复为给定值所需改变的物理量称为控制量。
参考答案:对3.工业过程对系统控制性能的要求，可以概括为稳定性、准确性和快速性。
参考答案:对4.过渡过程时间是反映控制系统稳定性的性能指标。
参考答案:错5.最大动态偏差是指过渡过程结束后，给定值与被控量稳态值的差值，它是控制系统静态准确性的衡量指标。
参考答案:错第二章测试1.响应速度ε越大，说明在单位阶跃扰动下，被调量的最大变化速度越大，即响应曲线越陡，惯性越大。
参考答案:对2.有自平衡能力对象的自平衡率ρ越大，表示自平衡能力越弱。
参考答案:对3.实验法建模过程中，测试阶跃响应曲线时，其扰动量的数值应足够大，一般约为额定负荷的8%—10%。
错4.实验法建模过程中，为防止其他干扰因素的影响，同一阶跃响应曲线应在相同工况下重复测试多次。
参考答案:错5.工程上常用的由阶跃响应曲线求取对象传递函数的方法有切线法和两点法。
参考答案:错第三章测试1.比例控制器中，随着比例带的增大，系统的静态偏差将加大。
参考答案:对2.控制系统中的微分时间越小，微分作用越弱，系统越稳定，最终静态偏差为零。
错3.微分控制作用对恒定不变的偏差没有克服能力。
参考答案:对4.对于一个实际的生产过程，其广义被控对象的增益可以是负数也可以是正数，适当选取控制器是作用方式，就可以保证系统工作在负反馈控制方式下。
参考答案:对5.控制系统中的积分时间越小，系统的振荡加强，最终静态偏差越大。
参考答案:错第四章测试1.被控对象扰动通道的纯迟延对控制质量不利。
错2.控制系统对象扰动通道的纯迟延对控制质量没什么影响。
参考答案:对3.如果被控对象的控制通道的时间常数越大，阶次越高，则控制系统的控制质量将降低。
参考答案:对4.临界比例带法和衰减曲线法是在开环状态下的整定方法。
对象特性测试实验报告
对上式取拉氏反变换得 h(t)=Kx0(1-e-t/T) 当 t—>∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有 K=
h（ ） h（0） 输出稳态值 ＝ x0 阶跃输入
(1) (2)
当 t=T 时，则有 h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h(∞) 式（1）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 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。
H (s) R K ＝ = Q1( s ) RCs 1 Ts 1
式中 T 为水箱的时间常数，T＝RC；K 为放大系数，K＝R；C 为容量系数。若 令 Q1（s）作阶跃扰动，即 Q1（s）= H（s）=
x0 ，x0=常数，则上式可改写为 s
Kx 0 x x K /T × 0 =K 0 1 s s s 1 s T T
大学实验报告
课程名称 过程装备控制技术及应用 系 专业 班 姓名 指导老师
实验名称 对象特性测试实验（实验一） 实验日期 2013.7.3
一、实验目的 （1）掌握一阶系统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、τ 和传递函数； 二、实验设备 实验对象、电源控制台、研华模块、计算机一台、万用表一个、实验连接线 若干。 三、实验原理 一阶系统数学模型为 W0（s）＝
图1
一阶系统的阶跃响应曲线
如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图 1（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)== ADAMTCP_Write6KDO(IPAddress, 6050, 1, 1, 1, byData(1)) Label4.Caption = "待检测" Label6.Caption = "待检测" Label8.Caption = "待检测" End Sub Private Sub Command1_Click() 开始按钮命令； sp = Val(Text1.Text) Timer1.Enabled = True Timer3.Interval = 1000 Timer1.Interval = 5000 采样时间 5S； Line (1200, 6240 - sp * 23.6)-(14640, 6240 - sp * 23.6), RGB(0, 255, 0) End Sub Private Sub Command3_Click() 关闭按钮命令； Timer1.Enabled = False Timer2.Enabled = False IPAddress = "10.0.0.3" byData(1) = 0 RetVal = ADAMTCP_Write6KDO(IPAddress, 6050, 1, 1, 1, byData(1)) Label4.Caption = "待检测" Label6.Caption = "待检测" Label8.Caption = "待检测" End End Sub Private Sub Command4_Click() sp = Val(Text1.Text) Line (1200, 6240 - sp * 23.6)-(14640, 6240 - sp * 23.6), RGB(0, 255, 0) End Sub Private Sub Form_Load() u0 u1 e1 e2 e3 = = = = = 0 0 0 0 0
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实验一过程广义对象的测试和传递函数的确定
一、实验目的要求
目的：1.通过实验了解广义对象的组成及原理，掌握广义对象的测试方法。
2.了解不同广义对象的阶跃响应特性的特点。
3.掌握由阶跃响应特性求广义对象传递函数的方法。
要求：
作好实验前的准备工作，阅读实验内容，复习有关广义对象传递函数的理论推导方法及理想结果。
二、实验内容
1.压力广义对象特性的测试
（1）压力测试管道图。
压力广义对象由密封的不锈钢罐，提升泵，变频器，电动调节阀，压力传感器及变送器组成。
压力广义对象测试线路图
（2）操作：
第一种情况：①接通密封罐的进水和出水管道上的手动开关F01,F02,F10,F08，关闭手动开关F03,F04,F09,F11。
②放水的电动调节阀开度为50%。
③接通计算机电源，启动组态软件KingView，进入压力曲线显示图形画面。
④打开设备电源，将设备手动开关接通，启动变频器输出设定频率为20HZ，提升泵电动机转动抽水进入压力罐，使P增加，达到最终平衡状态。
⑤改变提升泵频率为30HZ，记录压力变化趋势曲线，并对其特性进行分析。
第二种情况：固定提升泵频率f=40HZ，使压力初始值为某一恒定值，将电动调节阀放水阀门开度突然变为70%，观测压力变化曲线。
2. 流量广义对象特性的测试
（1）广义对象的管道线路图
流量广义对象测试线路图
流量广义对象由流量传感器，变频器，提升泵，进水管道，开口水箱，放水阀组成。
（2）操作：
第一种情况：①将进水管道和流量测试管道的手动开关接通，放水手动阀F13关闭，电动调节阀开度为50%。
②打开计算机，启动组态软件KingView，让其进入流量曲线画面。
③打开设备电源，将设备手动开关接通，设定变频器输出频率为20HZ，记录流量稳态值。
④改变提升泵频率为40HZ，记录流量变化曲线，并对其特性进行分析。
第二种情况：将变频器频率设定为20HZ，使对象回到原来状态，改变电动调节阀开度为70%，观测流量变化曲线并记录。
（3）将流量传感器接到输出管道，测量输出流量特性。
操作：
第一种情况：①打开计算机，启动组态软件KingView，进入流量曲线画面，设定f=30HZ，电动调节阀开度设定50%，使流量达到平衡状态，记录稳定的流量值。
②打开设备电源，将设备手动开关接通，变频器频率改为40HZ，观测流量变化曲线并记录。
第二种情况：将变频器频率设定为30HZ，使对象回到原来状态，改变电动调节阀开度为70%，观测流量变化曲线并记录。
输出流量特性测试线路图
3.液位广义对象特性的测试
（1）管道线路图
液位广义对象由开口水箱，提升泵,变频器，差压液位传感器和变送器组成。
液位广义对象测试线路图
（2）操作：
第一种情况：①关闭手动阀F13，电动调节阀开度为50%。
②接通进水管道的手动阀，保证进出水畅通，其余手动开关关闭。
③打开计算机，启动组态软件KingView，让其进入液位曲线画面。
④打开设备电源，将设备手动开关接通，并设定变频器的频率为15HZ，让液位处于某初始平衡状态。
⑤改变提升泵频率为35HZ，观测液位变化曲线并记录，。
第二种情况：将变频器频率f固定在40HZ，使液位上升到400mm处，突然打开电动调节阀，开度为70%，观测液位变化曲线。
三、实验报告
1.分别记录压力、流量、液位广义对象的阶跃响应特性曲线。
辨识其传递函数结构形式及参数。
2.广义对象有无纯滞后现象，若有，是如何产生的？
实验二 压力、液位、流量数字PID 控制系统实验
一、实验目的要求
目的：1.通过实验进一步了解PID 算法的离散化和编程。
2.掌握PID 参数整定方法。
要求：1.复习实验指导书，熟悉压力、液位、流量广义对象的特性参数。
2.复习PID 参数整定方法。
二、实验内容
1.压力单回路控制系统实验
（1）管道线路图
压力单回路控制系统管道线路图
（2）操作：
①将进水管上手动阀放在接通位置。
②放水电动调节阀开度为50%。
③打开计算机，启动组态软件KingView ，进入压力曲线画面。
④设定压力给定值及P K =1，I K =0，D K =0，点击自动实验一。
接通电源开关，则闭环控制系统工作，记录压力的时间响应曲线并计算质量指标值。
⑤按4：1衰减曲线及压力广义对象特性参数算出P K ，I K ，D K 值，并设定在显示屏幕有关项目下，重做第二次实验，记录压力时间响应曲线并计算出质量指标值。
2.液位单回路控制系统实验
（1）管道线路图:
液位单回路控制系统管道线路图
（2）操作：
①将进入液箱的入水管道上手动开关打开，其余手动开关关闭，放水电动调节阀开度设为50%。
②打开计算机，启动组态软件KingView ，进入液位曲线显示画面，设置液位给定值，并设P K =1，I K =0，D K =0，点击自动实验一。
接通设备电源，打开设备手动开关，则液位闭环控制系统工作，记录液位响应曲线并分析动态质量。
③打开放水阀，使液位回到设定初始位置，按4：1及液位广义对象的响应特性的参数，算出P K ，I K ，D K 值并设置在屏幕上，重新设定液位给定值，点击自动，记录液位上升变化曲线，分析计算动态质量。
3.流量单回路控制系统实验
（1）管道线路图：
流量单回路控制系统管道线路图
（2）操作：
①把流量传感器接入输入通道，接通相关手动阀，关闭相关手动阀。
②打开计算机，启动组态软件KingView ，进入流量曲线显示画面。
③在屏幕上设置流量给定值，并设P K =1，I K =0，D K =0，点击自动实验一，接通设备电源，打开设备开关，则闭环控制系统工作，记录流量时间响应变化曲线，分析计算其动态质量。
④根据4：1及流量广义对象的特性参数，算出PID 整定参数，设置在屏幕上，重做实验。
五、实验报告
1.绘出未校正时压力、液位、流量的响应曲线，计算出质量指标值。
2.绘出校正后压力、液位、流量的PID 参数值及响应曲线和质量指标。
3.分析P ，I ，D 参数对各单回路动态质量的影响。
实验三 串级控制系统实验
一、实验目的要求
目的：
1.通过实验，进一步了解串级控制系统的组成原理。
2.加深理解串级控制系统的特点。
3.掌握串级控制系统PID 参数整定的方法。
要求：
1.复习实验指导书的内容。
2.复习串级控制系统组成方法和特点。
二、实验内容
1.液位——流量串级控制系统
（1）实验装置图
系统由液位水箱，提升泵，变频器，差压液位传感器，变送器，涡轮流量传感器，变送器放水电动阀和计算机组成。
液位—流量串级控制系统实验装置图
（2）操作：
①将流量传感器接入输入管道，放水电动阀开度为50%。
②打开计算机进入液位-流量串级控制显示画面。
③设置液位给定值，整定P，I，D参数，使液位变化曲线质量较好，且达到稳态，并记录曲线（先调副调节器的，后调主调节器）。
④突然改变放水电动阀开度为70%，使Qo发生变化，观测流量和液位的变化，记录结果。
⑤去掉副回路的调节器直接由LC控制，设置主调节器参数如前面值，放水阀开度为50%，改变放水阀开度为70%，观测液位变化曲线并记录。
⑥比较有副回路和无副回路时抗干扰的能力。
2.压力—流量串级控制系统
（1）实验装置图
压力—流量串级控制系统管道线路图
系统由密封压力罐，压力传感器，变送器，提升泵，变频器，流量传感器，变送器，计算机等组成。
（2）操作：
①将流量传感器接入进水管道。
②打开计算机进入压力-流量串级控制曲线显示画面。
③设置压力给定值，整定副回路的调节器参数及主回路调节器参数。
④突然将放水电动阀开度置70%，观测压力的变化趋势曲线。
⑤去掉流量调节器，直接由压力调节器输出控制触发电路工作情况下，在原设定压力情况下，突然将电动调节阀开度设为70%,观测压力变化曲线。
⑥比较有副回路和无副回路抗干扰能力。
三、实验报告
1.画出各串级控制系统的时间响应曲线（PID整定前后的数值及曲线）。
2.将单回路克服干扰与串级控制克服干扰的结果对比。
3.心得体会。