郭少杰20113324双容水箱特性测试实验
双容水箱实验报告
一、实验目的1. 了解双容水箱液位控制系统的基本原理和组成。
2. 掌握双容水箱液位控制系统的建模、仿真和实验方法。
3. 学习PID控制算法在双容水箱液位控制系统中的应用。
4. 分析不同控制策略对系统性能的影响，优化控制参数。
二、实验设备1. 双容水箱系统：包括两个水箱、阀门、传感器、执行器等。
2. 控制器：采用PID控制器进行液位控制。
3. 电脑：用于数据采集、仿真和参数调整。
4. MATLAB软件：用于系统建模、仿真和数据分析。
三、实验原理双容水箱液位控制系统主要由水箱、传感器、执行器和控制器组成。
系统的工作原理如下：1. 传感器检测水箱液位，并将液位信号传输给控制器。
2. 控制器根据预设的液位设定值和当前液位值，计算出控制信号。
3. 执行器根据控制信号调整阀门开度，控制进水流量和出水流量。
4. 通过调节进水流量和出水流量，使水箱液位保持在设定值附近。
四、实验步骤1. 系统建模：根据实验设备，建立双容水箱液位控制系统的数学模型。
模型包括水箱的液位方程、进水流量方程和出水流量方程。
2. 系统仿真：在MATLAB中，根据建立的数学模型进行系统仿真。
仿真过程中，调整PID控制器的参数，观察不同参数对系统性能的影响。
3. 实验验证：将PID控制器连接到实际双容水箱系统，进行实验验证。
通过改变液位设定值，观察系统响应和稳定性。
4. 参数优化：根据实验结果，调整PID控制器的参数，使系统性能达到最优。
五、实验结果与分析1. 系统仿真结果：在MATLAB中，通过仿真实验，观察到不同PID控制器参数对系统性能的影响。
结果表明，参数的合理选择对系统性能有显著影响。
2. 实验验证结果：将PID控制器连接到实际双容水箱系统，进行实验验证。
实验结果显示，系统响应速度快，稳定性好，能够有效控制水箱液位。
3. 参数优化结果：根据实验结果，对PID控制器的参数进行优化。
优化后的参数能够使系统在较短时间内达到稳定状态，并保持较高的响应速度。
实验五 双容对象的动态特性实验
实验二、二阶双容对象特性测试实验一、实验目的1)、熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
2）、根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的飞升特性。
二、实验设备过程控制实验装置、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。
三、原理说明图2-1、双容水箱系统结构图如图2-1所示：这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，输出量是下水箱的水位h。
当输入量有一2时，输出量变化的反应曲线如图2-2个阶跃增加∆Q1所示的∆h曲线。
它不再是简单的指数曲线，而是就2使调节对象的飞升特性在时间上更加落后一步。
在图中S形曲线的拐点P上作切线，它在时间轴上截出一段时间OA。
这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此，称容量滞后，通常以τ代表之。
C设流量Q为双容水箱的输入量，下水箱的液位高1度h为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液2体传输过程中的时延，其传递函数为： 图2-2、变化曲线式中 K=R 3，T 1=R 2C 1，T 2=R 3C 2，R 2、R 3分别为阀V 2和V 3的液阻，C 1 和C 2分别为上水箱和下水箱的容量系数。
式中的K 、T 1和T 2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。
具体的做法是在图2-3所示的阶跃响应曲线上取：1）、h 2（t ）稳态值的渐近线h 2(∞)； 2）、h 2（t ）|t=t1=0.4 h 2(∞)时曲线上的 点A 和对应的时间t 1；3）、h 2（t ）|t=t2=0.8 h 2(∞)时曲线上的 点B 和对应的时间t 2。
然后，利用下面的近似公式计算式 (2-1)中的参数K 、T1和T2。
其中：对于式（2-1）所示的二阶过程，0.32〈t 1/t 2〈0.46。
当t 1/t 2=0.32时 ，可近似为一阶环节；当t 1/t 2=0.46时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2（此时T 1=T 2=T=(t 1+t 2)/2* 2.18 ）四、实验步骤1、设备的连接和检查1）、开通以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计以及上水箱出水阀1、阀4、阀9、阀21、阀23组成的水路系统;关闭通往其他对象的切换阀2、阀5、阀7、阀11、阀13、阀15。
双容型水箱实验报告
机械电子工程原理实验报告双容型水箱液位与PID控制综合实验组员:XXXXXX年X月实验一压力传感器特性测试及标定测量实验一、实验目的1、了解本实验装置的结构与组成。
2、掌握压力传感器的实验原理及方法，对压力传感器进行标定。
二、实验设备1、德普施双容水箱一台。
2、PC 机及DRLINK4.5 软件。
三、实验原理图1-1 传感器装置图本实验传感器如图1-1所示，使用二个扩散硅压阻式压力传感器，分别用来测量上水箱水柱压力，下水箱水柱压力。
扩散硅压阻式压力传感器实质是硅杯压阻传感器。
它以N型单晶硅膜片作敏感元件，通过扩散杂质使其形成4个P型电阻，形成电桥。
在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，使电桥有相应输出。
经过后级电路的放大处理之后输出0~5V之间的电信号。
扩散硅压力传感器的输出随输入呈线性关系，输出特性曲线一般是一条直线，一般使用传感器前需要对此传感器进行标定，通常的做法是取两个测量点（x1，y1）和（x2，y2）然后计算特性直线的斜率K和截距B即可。
由于扩散硅压力传感器承受的水压力与水的液位高度成正比，因此扩散硅压力传感器通常也用来测量液位高度。
四、实验内容及结果图1-2 上水槽压力传感器特性测试及标定测量实验图1-3 下水槽压力传感器特性测试及标定测量实验5）压力传感器的标定系数值表。
表1-1 压力传感器标定系数值传感器K值B值液位1传感器0.06440 -7.98567液位2传感器0.065166 -12.63056）依据压力传感器标定系数值绘制的压力传感器特性曲线如图1-3，图1-4所示：图1-3 上水槽压力传感器特性曲线图1-4 下水槽压力传感器特性曲线五、思考题1.在做本实验的时候，为何2次标定的液位高度不能够太接近？答：由于液位高度与电压值为线性关系，故2次标定的液位高度要保持一定距离，这样可以有效降低系统误差。
在控制过程中由于水泵抽水压力冲击传感器等影响会对液位传感器产生一定程度的干扰。
双容自衡水箱液位特性的测试实验报告
XXXX大学电子信息工程学院专业硕士学位研究生综合实验报告实验名称：双容自衡水箱液位特性的测试专业：控制工程姓名学号：指导教师：完成时间：实验名称：双容水箱特性的测试实验目的：1．掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；2．根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T1、T2及传递函数；3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
实验仪器设备：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。
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，依靠自身重新恢复平衡的过程。
图1所示为双容自衡水箱特性测试结构图及方框图。
阀门F1-1、F1-2和F1-11全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q2。
液位h的变化反映了Q 1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。
若将Q1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Q1之间的数学表达式。
图1 双容水箱对象特性测试系统(a)结构图 (b)方框图方案设计及参数计算：双容水箱的数学模型可用一个二阶加时滞环节来描述。
双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。
在图2所示的阶跃响应曲线上求取：(1))(h.thtt∞==224)(1时曲线上的点B和对应的时间t1；(2))(h.thtt∞==2282）（时曲线上的点C和对应的时间t2。
双容水箱动态特性测试
“过程控制系统设计”实物实验报告实验名称：双容水箱对象特性测试及PID 控制实验姓名：学号：班级：指导老师：同组人：实验时间：2013 年5 月30 日一、实验目的1、了解双容对象的动态特性及其数学模型2、熟悉双容对象动态特性的实验测定法原理3、掌握双容水箱特性的测定方法4、学习双容水箱液位 PID 控制系统的组成和原理5、熟悉 PID 的调节规律6、掌握 PID 控制器参数的整定方法二、实验设计（画出“系统方框图”和“设备连接图”） 控制系统1、双容对象特性实验测定法原理本次实验需要求取对象的飞升曲线（即阶跃响应曲线）或方波响应曲线。
飞升曲线是在 输入量作阶跃变化时测绘输出量随时间变化曲线得到的；方波响应曲线是在输入量作一个脉 冲方波变化时测绘输出量随时间变化曲线得到的。
在获得特性曲线的基础上，进行分析获得 相应的对象特性。
双容对象飞升曲线实验测定方法的具体步骤如下： （1） 选择工作点给定控制量，让双容水箱对象的液位稳定 （2） 测绘飞升曲线让控制量做阶跃变化，并测绘双容水箱液位随时间变化的曲线 （3） 获得对象的动特性假定在输入量变化量为Δu 时测绘的飞升曲线如图１所示：图 １ 双容水箱液位 PID 控制系统的方框图因此，可估算双容水箱的模型为其中lenlen y u u y k *△△=，αοT =τ 于是用实验法测出了双容水箱的动特性。
2、控制系统的组成及原理单回路调节系统，一般是指用一个控制器来控制一个被控对象，其中控制器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
双容水箱液位PID 控制系统也是一种单回路调节系统，典型的双容水箱液位控制系统如图２所示：图２双容水箱液位PID 控制系统的方框图在双容水箱液位PID 控制系统中，以液位为被控量。
其中，测量电路主要功能是测量对象的液位并对其进行归一化等处理；PID 控制器是整个控制系统的核心，它根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节，从而控制双容水箱的液位达到期望的设定值。
双容型水箱实验报告
机械电子工程原理实验报告双容型水箱液位与PID控制综合实验组员:XXXXXX年X月实验一压力传感器特性测试及标定测量实验一、实验目的1、了解本实验装置的结构与组成。
2、掌握压力传感器的实验原理及方法，对压力传感器进行标定。
二、实验设备1、德普施双容水箱一台。
2、PC 机及DRLINK4.5 软件。
三、实验原理图1-1 传感器装置图本实验传感器如图1-1所示，使用二个扩散硅压阻式压力传感器，分别用来测量上水箱水柱压力，下水箱水柱压力。
扩散硅压阻式压力传感器实质是硅杯压阻传感器。
它以N型单晶硅膜片作敏感元件，通过扩散杂质使其形成4个P型电阻，形成电桥。
在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，使电桥有相应输出。
经过后级电路的放大处理之后输出0~5V之间的电信号。
扩散硅压力传感器的输出随输入呈线性关系，输出特性曲线一般是一条直线，一般使用传感器前需要对此传感器进行标定，通常的做法是取两个测量点（x1，y1）和（x2，y2）然后计算特性直线的斜率K和截距B即可。
由于扩散硅压力传感器承受的水压力与水的液位高度成正比，因此扩散硅压力传感器通常也用来测量液位高度。
四、实验内容及结果图1-2 上水槽压力传感器特性测试及标定测量实验图1-3 下水槽压力传感器特性测试及标定测量实验5）压力传感器的标定系数值表。
表1-1 压力传感器标定系数值传感器K值B值液位1传感器0.06440 -7.98567液位2传感器0.065166 -12.63056）依据压力传感器标定系数值绘制的压力传感器特性曲线如图1-3，图1-4所示：图1-3 上水槽压力传感器特性曲线图1-4 下水槽压力传感器特性曲线五、思考题1.在做本实验的时候，为何2次标定的液位高度不能够太接近？答：由于液位高度与电压值为线性关系，故2次标定的液位高度要保持一定距离，这样可以有效降低系统误差。
在控制过程中由于水泵抽水压力冲击传感器等影响会对液位传感器产生一定程度的干扰。
实验二、双容水箱对象特性测试实验
实验二、双容水箱对象特性测试实验一、实验目的1、 了解双容对象的动态特性及其数学模型2、 熟悉双容对象动态特性的实验测定法3、 掌握双容水箱特性的测定方法 二、实验设备1、 四水箱实验系统硬件平台2、 四水箱实验系统DDC 实验软件3、 PC 机（Window 2000 Professional 操作系统）4、 其它：连接线等 三、实验原理双容对象的特性的获取方法大体与单容对象相同，但是由于两者的动态特性不同，使得其分析方法与单容对象存在着差异。
1、双容对象的动态特性及其数学模型以双容水槽水位调节对象为例，分析其动特性及数学模型。
典型的双容水槽水位调节对象如下图所示：典型的双容水槽水位调节对象前面我们已经得出典型单容的数学模型，因此对于上图所示的系统有：()()11111+=s T K s s H μ （1）()()1Q 222+=s T K s s H （2）())(Q 1s H s ∝（3）对于（2－3）式，假定在工作点附近有，（4）())(KQ 1Rs H s ＝ 联立上述各式，可得：()()1*1*K 221112++=s T K s T K s s H R μ （5）标准表达式为：()())1)(1(2112++=s T s T K s s H μ（6）式中 K=K R *K 1*K 2上式为典型的双容水箱对象的传递函数，从传递函数中可以看出，其有两个负极点-1/T1，-1/T2，所以它是非振荡的自衡过程。
2、双容对象特性的实验测定法许多工业对象内部的工艺过程复杂，通过机理分析等寻求对象的数学模型非常困难，即使能得到对象的数学模型，仍需要通过实验方法来验证。
因此，对于运行中的对象，用实验法测定其动态特性，是了解对象的简易途径。
常用的测定对象动态特性的实验方法主要有三种： A 、测定动态特性的时域方法这个方法主要是求取对象的飞升曲线或方波响应曲线。
飞升曲线是在输入量作阶跃变化时测绘输出量随时间变化曲线得到的；方波响应曲线是在输入量作一个脉冲方波变化时测绘输出量随时间变化曲线得到的。
双容水箱特性的测试
双容⽔箱特性的测试第⼆节双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、MCGS⼯控组态软件、RS232/485转换器1只、串⼝线1根3.万⽤表1只三、实验原理图2-1 双容⽔箱对象特性结构图由图2-1所⽰，被控对象由两个⽔箱相串联连接,由于有两个贮⽔的容积，故称其为双容对象。
被控制量是下⽔箱的液位，当输⼊量有⼀阶跃增量变化时，两⽔箱的液位变化曲线如图2-62所⽰。
由图2-2可见，上⽔箱液位的响应曲线为⼀单调的指数函数(图2-2(a))，⽽下⽔箱液位的响应曲线则呈S形状（2-2(b)）。
显然,多了⼀个⽔箱，液位响应就更加滞后。
由S形曲线的拐点P处作⼀切线，它与时间轴的交点为A,OA则表⽰了对象响应的滞后时间。
⾄于双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述⽅法来确定。
图2-2 双容液位阶跃响应曲线图2-3 双容液位阶跃响应曲线在图2-3所⽰的阶跃响应曲线上求取：(1)h2（t)|t=t1=0.4h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t1；(2)h2（t)|t=t1=0.8h2(∞)时曲线上的点C和对应的时间t2；然后，利⽤下⾯的近似公式计算式由上述两式中解出T1和T2,于是求得双容(⼆阶)对象的传递函数为四、实验内容与步骤1.接通总电源和相关仪表的电源。
2.接好实验线路，打开⼿动阀，并使它们的开度满⾜下列关系：V1的开度>V2的开度>V3的开度3.把调节器设置于⼿动位置，按调节器的增/减，改变其⼿动输出值（⼀般为最⼤值的40～70%，不宜过⼤，以免⽔箱中⽔溢出），使下⽔箱的液位处于某⼀平衡位置（⼀般为⽔箱的中间位置）。
4.按调节器的增/减按钮，突增/减调节器的⼿动输出量，使下⽔箱的液位由原平衡状态开始变化，经过⼀定的调节时间后，液位h2进⼊另⼀个平衡状态。
双容水箱特性的测试
双容水箱特性的测试一、实验目的1．掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；2．根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T1、T2及传递函数；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（同前）三、原理说明图9 双容水箱对象特性测试系统(a)结构图 (b)方框图由图9所示，被测对象由两个不同容积的水箱相串联组成，故称其为双容对象。
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。
根据本章第一节单容水箱特性测试的原理，可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：G(s)=G1(s)G2(s)=)1sT)(1sT(K1sTk1sTk212211++=+⨯+(9)式中K＝k1k2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。
本实验中被测量为下水箱的液位，当中水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图10所示。
由图10可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图10 (a)）；而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图10 (b)），即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1-10和F1-11的开度大小密切相关。
图10 双容水箱液位的阶跃响应曲线（a）中水箱液位（b）下水箱液位双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。
在图11所示的阶跃响应曲线上求取：(1)h2（t）|t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t1；(2) h2（t）|t=t2=0.8 h2(∞)时曲线上的点C和对应的时间t2。
图11 双容水箱液位的阶跃响应曲线然后，利用下面的近似公式计算式阶跃输入量输入稳态值=∞=O h x )(K 2 (10) 2.16t t T T 2121+≈+ (11) )55.074.1()T (T T T 2122121-≈+t t (12) 0.32〈t 1/t 2〈0.46由上述两式中解出T 1和T 2，于是得到如式（9）所示的传递函数。
双容水箱特性测试
当y2=0.632*(10.7-4.3)+4.3=8.3448时，t2=6.766s；
则有 。增益如1-（1），便得传递函数为：
或
4.阀门开度由40%变化到30%的阶跃响应数据记录如下表（4）：
表（4）40%30%的阶跃响应
当y2=0.632*(10.7-3.6)+3.6=8.0872时，t1=4.348s；
则有 。增益如1-（1），便得传递函数为：
或
5.阀门开度由30%变化到38%的矩形脉冲响应数据记录如下表（5），其中脉冲宽度为 。
表（5）30%38%30%的矩形脉冲转为阶跃响应
时间t（min）
0
2
4
6
8
10
12
被测量（cm）
1.阀门开度由30%变化到35%的阶跃响应数据记录如下表（1）：
表（1）30%35%的阶跃响应
时间t（min）
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
被测量（cm）
4.8
5.1
6.0
6.5
7.1
7.5
7.5
7.6
7.8
7.8
将以上数据做少许调整（实验时存在误差），可绘图如下图（1）：
图（1）30%35%的阶跃响应曲线图
“过程控制系统设计”
实物实验报告
实验名称：
姓名：
学号：
班级：
指导老师：
同组人：
实验时间： 年 月 日
一、实验目的
1.了解双容对象的动态特性及其数学模型
2.熟悉双容对象动态特性的实验测定法原理
双容水箱对象特性测试实验
《过程控制系统设计》课程实验报告2018年4月19日实验一双容水箱对象特性测试实验一、实验目的1、了解双容对象的动态特性及其数学模型；2、熟悉双容对象动态特性的实验测定法原理；3、掌握双容水箱特性的测定方法。
二、实验设备1、四水箱实验系统DDC 实验软件；2、PC 机（Window XP 操作系统）；3、CS4000型过程控制实验装置。
三、实验原理本次实验主要是求取对象的飞升曲线或方波响应曲线。
飞升曲线是在输入量作阶跃变化时测绘输出量随时间变化曲线得到的；方波响应曲线是在输入量作一个脉冲方波变化时测绘输出量随时间变化曲线得到的。
在获得特性曲线的基础上，进行分析获得相应的对象特性。
飞升曲线实验测定方法的具体步骤如下：A、选择工作点给定控制量，让双容水箱对象的液位稳定B、测绘飞升曲线让控制量做阶跃变化，并测绘双容水箱液位随时间变化的曲线C、获得对象的动特性假定在输入量变化量为Δu 时测绘的飞升曲线如下图所示：四、实验内容获得2个上阶跃、2个下阶跃和1个矩形方波共5组的响应曲线，记录过程数据并处理。
现场接线图和设备连接图五、数据记录阀门开度为40%，达到初始平衡状态时的曲线如下。
记录此时的平衡点参数，见表1-1。
程参数，直至进入新的平衡状态，见表1-2和表1-3。
阀门开度从50%跳变到35%后，实时趋势如下。
记录此引起的阶跃响应的过程参数，直至进入新的平衡状态，见表2-1和表2-2。
程参数，直至进入新的平衡状态，见表3-1和表3-2。
阀门开度从28%跳变到42%后，实时趋势如下。
记录此引起的阶跃响应的过程参数，直至进入新的平衡状态，见表4-1和表4-2。
阀门开度从42%跳变到52%，经5分钟后又跳回到42%,实时趋势如下。
记录此引起的阶跃响应的过程参数，直至进入新的平衡状态，见表5-1和表5-2。
六、数据处理注：原始数据记录表格和手工绘制曲线（包括切线法和两点法的作图）见后面的附录部分。
七、思考题1、在做本实验时，为什么不能任意变化中水箱出水阀的开度大小？因为在本次实验中，水箱水位逐步趋于稳定是由于双容水箱的自衡特性，而如果在测量的过程中，若是更改了手动阀的大小就会导致整个系统的初始稳态发生变化，从而导致水箱水位一直不能达到稳定。
双容水箱实验报告
双容水箱实验报告双容水箱实验报告引言：水是人类生活中不可或缺的资源，而水箱作为储存和供应水源的设备，在我们的日常生活中扮演着重要的角色。
然而，传统的单容水箱在一些情况下存在一些不足之处，比如水压不稳定、供水量不足等问题。
为了解决这些问题，我们进行了双容水箱实验。
实验目的：本次实验的目的是验证双容水箱在水压稳定和供水量方面的优势，并探讨其对于日常生活的实际应用价值。
实验材料和方法：我们使用了两个相同容量的水箱，并通过管道将它们与供水系统连接起来。
其中一个水箱作为主水箱，另一个作为备用水箱。
实验中我们记录了供水系统的水压和供水量，并对比了双容水箱和单容水箱的表现。
实验结果与分析：在实验过程中，我们发现双容水箱相较于单容水箱，在水压稳定和供水量方面表现更加优越。
当供水系统的水压下降时，备用水箱会自动启动，补充主水箱的水源，从而保持水压的稳定性。
而单容水箱在水压下降时无法及时补充水源，导致供水量减少，给用户的用水带来了不便。
此外，双容水箱还具有一定的智能化功能。
通过传感器和控制系统的配合，双容水箱可以根据用户的用水情况，自动调节备用水箱的启动和停止，以达到更加高效的供水效果。
这种智能化的设计使得双容水箱更加适应不同用户的需求，并且能够节约水资源，减少浪费。
实验结论：通过本次实验，我们验证了双容水箱在水压稳定和供水量方面的优势。
双容水箱能够保持水压的稳定性，确保用户在用水过程中不会受到影响。
此外，双容水箱还具有智能化的功能，可以根据用户的用水情况进行自动调节，提高供水效率。
在实际应用中，双容水箱可以广泛应用于住宅、办公楼、商业建筑等场所。
它不仅可以解决传统单容水箱的不足之处，还能够提供更加舒适和便利的用水体验。
双容水箱的推广和应用将有助于提高水资源的利用效率，促进可持续发展。
结语：通过本次实验，我们对双容水箱的优势有了更加深入的了解。
双容水箱在水压稳定和供水量方面表现出色，具有智能化的功能，适用于各种场所。
双容水箱对象特性测试实验
“过程控制系统设计”仿真实验报告实验名称：双容水箱对象特性测试实验姓名：徐辉胜学号： 20101523班级： 2010032组员：实验时间： 2013 年 5 月 7 日一、实验目的1、了解双容对象的动态特性及其数学模型2、熟悉双容对象动态特性的实验测定法原理3、掌握双容水箱特性的测定方法二、实验设计（画出“系统方框图”和“设备连接图”）设备连接图：图1 设备连接图系统方框图：图2 系统方框图三、实验步骤1、运行四水箱DDC 实验系统软件，选择“实物模型”，单击实验菜单进入双容水箱特性测试实验界面。
2、选择执行机构，在此我们选U1。
3、选水箱1和3串联组成的双容水箱，对应待测液位为H1。
4、根据连接图够成控制回路，打开响应水阀，记录1K 与3K 的开度，3K =80%、1K =60%。
5、选择工作点，使被测的水箱的液位稳定在某个点，此时U1=20%。
6、当双容水箱的液位稳定在工作的时，让控制量阶跃变化，观察记录数据。
四、实验记录（H3、H1单位为cm ）表1 控制量从20%跳变到25%的阶跃响应表3 控制量从20%→22%→20%宽度为6min的方波响应表4 控制量从20%跳变到15%的阶跃响应图3 控制量从20%→25%→20%的阶跃响应图4 控制量从20%→22%→20%宽度为6min的方波响应图5 控制量从20%→15%→20%的阶跃响应五、结果分析1、由表1和表2绘制=25%时的飞升曲线和控制量从25%→20%的阶跃响应曲线（图6）图6 控制量从20%→25%→20%的阶跃响应曲线y=y(∞)-y(0)=20.4-11.2=9.2(cm)当控制量从20%变化到25%时，用两种方法计算传递函数：被控过程的静态放大系数K==9.2/5%=1.84(cm/%)。
（1）两点法：将y(t)转换成无量纲形式选y、=0.632y，计算可知t1和t2对应的点为14.8cm和17.3cm，在坐标轴上可以画出对应的时间t1=7.5min，t2=12.5min，现计算T和值。
实验二双容水箱对象特性的测试(优.选)
实验三、双容水箱对象特性的测试一、实验目的1、了解双容水箱的自衡特性。
2、掌握双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
3、实测双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1、THKGK-1型过程控制实验装置：GK-02 GK-03 GK-04 GK-07 2、万用表一只 3、计算机及上位机软件三、实验原理阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节器手动操作改变对象的输入信号（阶跃信号）。
同时，记录对象的输出数据和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理地处理，确定模型中的相关参数。
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。
双容水箱测试双容水箱液位控制结构图如图3-1所示：图3-1、双容水箱液位控制结构图设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度H2为输出量，根据物料 动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为式中 K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分别为阀V2和V4的液阻，C1 和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数, 式中的K 、T1和T2可由实验求得的阶跃响应曲线求出, 具体的做法是在图3-2所示的阶跃响应曲线上取：1）、h2（t ）稳态值的渐近线h2(∞)；2）、h2（t ）|t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的点A 和对应的时间t1；3）、h2（t ）|t=t2=0.8 h2(∞)时曲线上的 点B 和对应的时间t2。
然后，利用下面的近似公式计算式3-5中 1)-3 ( )1)(1()()()(2112esS T S T K S G S Q S H τ-++== h 0.4 0.8 2 0 0( h 00 ( h 0 0( B A h 2 (t) 2P的参数K 、T1和T2。
其中：图3-2、 阶跃响应曲线对于式（3-1）所示的二阶过程，0.32<t1/t2<0.46。
水箱对象特性测试实验报告
水箱对象特性测试实验报告水箱对象特性测试实验报告一、引言水箱作为一种常见的容器，广泛应用于各个领域，如建筑、工业、农业等。
为了确保水箱的质量和性能符合要求，我们进行了一系列的特性测试实验。
本报告旨在总结并分析实验结果，以期为相关领域的设计和生产提供参考。
二、实验目的1. 测试水箱的密封性能，以评估其是否能有效防止水的泄漏。
2. 测试水箱的耐压性能，以确定其在承受外部压力时的稳定性。
3. 测试水箱的耐腐蚀性能，以评估其在不同环境条件下的使用寿命。
三、实验方法1. 密封性能测试将水箱充满水，并放置在水平台上。
观察水箱是否存在漏水现象，并记录时间和水量变化。
通过对比实验前后的水量差异，评估水箱的密封性能。
2. 耐压性能测试使用液压机施加外部压力于水箱表面，逐渐增加压力直至水箱发生破裂。
记录破裂时的压力数值，并计算水箱的耐压性能。
3. 耐腐蚀性能测试将水箱分别置于酸性、碱性和盐水溶液中，模拟不同环境条件下的腐蚀情况。
观察水箱表面是否出现腐蚀现象，并记录时间和腐蚀程度。
通过对比实验前后的外观变化，评估水箱的耐腐蚀性能。
四、实验结果与分析1. 密封性能测试结果显示，水箱在实验过程中未出现漏水现象，水量变化极小。
说明水箱具有良好的密封性能，能有效防止水的泄漏。
2. 耐压性能测试结果表明，水箱在承受压力时具有较高的稳定性。
经测试，水箱在压力达到80MPa时发生破裂，表明其耐压性能较强。
3. 耐腐蚀性能测试结果显示，水箱在酸性、碱性和盐水溶液中均未出现明显的腐蚀现象。
经过长时间的浸泡，水箱表面仍然保持光滑，未出现明显的腐蚀痕迹。
这表明水箱具有良好的耐腐蚀性能，能够在不同环境条件下长时间使用。
五、结论通过密封性能、耐压性能和耐腐蚀性能的测试，我们可以得出以下结论：1. 水箱具有良好的密封性能，能有效防止水的泄漏。
2. 水箱具有较高的耐压性能，能够承受较大的外部压力。
3. 水箱具有良好的耐腐蚀性能，能够在不同环境条件下长时间使用。
郭少杰20113324双容水箱特性测试实验
二、实验设计（画出“系统方框图”和“设备连接图” ）
系统方框图如图所示。
系统连接图如图所示
2
三、实验步骤
1、进入实验 运行四水箱DDC实验系统软件，进入首页界面，单击“实物模型”单选框， 选择实验模式为实物模型； 单击实验菜单，进入双容水箱特性测试实验界面。 2、 选择执行机构 在实验系统中有两个执行机构，分别由控制量“U1”和“U2”控制。这两 个控制量的范围为0～100，可以自行选择一个作为控制量。我们选择“U1”作 为控制量。 3、 选择双容对象 实验系统有四个水箱：水箱1、水箱2、水箱3和水箱4，它们对应的液位分别 用H1、H2、H3和H4表示，其中水箱3和水箱1、水箱4和水箱2可以分别串接成两组 双容水箱， 可以自行选择一组双容水箱作为被测定对象。我们选择水箱1和水箱3 串接的双容水箱，对应待测液位变量为H1。 4、 组成控制回路 我们期望构成的控制量为U1，被测量为H1的控制回路，为此根据连接图，我 们需打开水箱1和3的进水阀，关闭其它进水阀。 5、 选择工作点 控制量“U1”或“U2”控制执行机构，通过构造的控制回路，使被测的单 容水箱的液位稳定在某个点。 具体设置方式如下：
参数整定:G(s)=
(1)稳定边界法
1.77 294 s e 432s 1
取 Ti 为无穷大，Td=0，选择一个合适的 P，直到出现等幅振荡，记下 Pm 和 Tm。
经查表得：Pm=1/1.73,Tm=1000; P=2.2Pm=2.2/1.73=1.27,Ti=0.85*Tm=0.85*1000=850 调整后的参数和图像如图
“过程控制系统设计”
实物实验报告
实验名称：
双容水箱对象特性测试
姓 名： 学 号： 班 级： 指导老师：
双容水箱实验报告(采用PID+模糊控制)
目录之邯郸勺丸创作摘要2一．PID控制原理、优越性,对系统性能的改良2二．被控对象的阐发与建模3三．PID参数整定办法概述43.1 PID控制器中比例、积分和微分项对系统性能影响阐发43.1.1 比例作用43.1.2 积分作用53.1.3 微分作用53.2 PID参数的整定办法63.3 临界比例度法83.4 PID参数的确定9四．控制结构94.1 利用根轨迹校正系统104.2 利用伯德图校正系统124.3 调整系统控制量的模糊PID控制办法134.3.1模糊控制部分134.3.2 PID控制部分15五．控制器的设计15六.仿真结果与阐发16七.结束语16参考文献16摘要：针对双容水箱大滞后系统,采取PID办法去控制.首先对PID控制中各参数的作用进行阐发,采取根轨迹校正、伯德图校正的办法,对系统进行校正.最后采取调整系统控制量的模糊PID控制的办法,对该二阶系统进行控制.同时,在MATLAB下,利用Fuzzy东西箱和Simulink仿真东西,对系统的稳定性、反响速度等各指标进行阐发.关头字：双容水箱,大滞后系统,模糊控制,PID,二阶系统 ,MATLAB ,SimulinkAbstract：For Two-capacity water tankbig lag system,using PID to control this system. First, to analyze the effectofeach parameter of PID. And the root-locus technique and bode diagram is adopted to design the correcting Unit.Then, fuzzy PID control method was used to adjust this second-order system.And a simulation model of this system is built with MATLAB Fuzzy and SIMULINK,with it analyzing the system stability ,reaction velocity and other indexs.Keywords:two-capacity water tank,big lag system,fuzzy control,PID,second-order system一．PID控制原理、优越性,对系统性能的改良当今的自动控制技术绝大多数部分是基于反响.反响理论包含三个基本要素：丈量、比较和执行.丈量关怀的是变量,并与期望值相比较,以此偏差来纠正和调节控制系统的响应.反响理论及其在自动控制的应用的关头是：作出正确的丈量与比较后,如何将偏差用于系统的纠正和调节.在过去的几十年里,PID控制,即比例-积分-微分控制在产业控制中得到了广泛的应用.虽然各类先进控制办法不竭涌现,但PID 控制器由于结构简单,在实际应用中较易于整定,且具有不需精确的系统模型等优势,因而在产业过程控制中仍有着很是广泛的应用.并且许多初级的控制技术也都是以PID控制为基础的.下面是典型的PID控制系统结构图：图1-1其中PID 控制器由比例单元（P ）、积分单元（I ）和微分单元（D ）组成.（1）比例（P ）调节作用是按比例反响系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差.比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定.（2）积分（I ）调节作用是使系统消除稳态误差,提高无差度.因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值.积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti 越小,积分作用就越强.反之Ti 大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢.积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI 调节器或PID 调节器.（3）微分（D ）调节作用微分作用反应系统偏差信号的变更率,具有预见性,能预见偏差变更的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除.因此,可以改良系统的动态性能.在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间.微分作用对噪声搅扰有缩小作用,因此过强的加微分调节,对系统抗搅扰晦气.此外,微分反响的是变更率,而当输入没有变更时,微分作用输出为零.微分作用不克不及单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD 或PID 控制器.二．被控对象的阐发与建模该系统控制的是有纯延迟环节的二阶双容水箱,示意图如下： 图2-1其中12A A 辨别为水箱的底面积,123q q q 为水流量,12R R 为阀门1、2的阻力,称为液阻或流阻,经线性化处理,有：2R h q ∆=∆.则按照物料平衡对水箱1有：拉式变换得：对水箱2：拉式变换得：则对象的传递函数为：其中211R A T =为水箱1的时间常数,322R A T =水箱2的时间常数,K 为双容对象的缩小系数.若系统还具有纯延迟,则传递函数的表达式为：其中0τ延迟时间常数. 在参考各类资料和数据的基础上,可设定该双容水箱的传递函数为：三．PID 参数整定办法概述3.1 PID 控制器中比例、积分和微分项对系统性能影响阐发在MATLAB 中建立对象的传递函数模型5022()100201s G S e s s -=++,在命令行中输入： sys=tf(2,[100 20 1],'inputdelay',5);sysx=pade(sys,1);3.1.1 比例作用阐发在不合比例系数下,系统的阶跃响应图,输入命令：P=[0.1 0.5 1 5 10];figure,hold onfor i=1:length(P)G=feedback(P(i)*sys,1);step(G)end得到图形如下：图3-1图中辨别绘出了K为0.1,0.5,1,5,10时的阶跃响应图,可知当K增大时系统的稳态误差不竭减小,响应时间加快,并出现振荡.3.1.2 积分作用阐发在不合积分常数下,系统的阶跃响应图,输入命令：Ti=[3:0.5:5];t=0:2:100;figure,hold onKp=1;for i=1:length(Ti)Gc=tf(Kp*[1,1/Ti(i)],[1,0]);G=feedback(Gc*sys,1);step(G,t)end得图形如下：图3-2由图可知,积分作用虽可消除误差,但加入积分调节可使系统稳定性下降,途中甚至可出现不稳定的情况,同时动态响应变慢,调节时间变大.3.1.3 微分作用阐发在不合微分时间常数下,系统的阶跃响应图,输入命令：Td=[1:4:20];t=0:1:100;figure,hold onfor i=1:length(Td)Gc=tf([5*Td(i),5,1],[5,0]);G=feedback(sys*Gc,1);step(G,t)end得图形如下：图3-3图中绘出了Td为1逐渐增大至20时的系统阶跃响应变更趋势,可知微分时间常数增加时,系统上升时间增加了,但是调节时间减少,更重要的是由于带有预测作用,惯性系统的超调量大大减小了.3.2 PID参数的整定办法采取PID控制器时,最关头的问题就是确定PID控制器中比例度PB、积分时间Ti和微分时间Td.一般可以通过理论计算来确定这些参数,但往往有误差,不克不及达到理想的控制效果.因此,目前,应用最多的有工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例度法和反响曲线法,各类办法的大体过程如下：（1）经验法又叫现场凑试法,即先确定一个调节器的参数值PB和Ti,通过改动给定值对控制系统施加一个扰动,现场不雅察判断控制曲线形状.若曲线不敷理想,可改动PB或Ti,再画控制过程曲线,经频频凑试直到控制系统合适动态过程品质要求为止,这时的PB和Ti就是最佳值.如果调节器是PID三作用式,那么要在整定好的PB和Ti的基础上加进微分作用.由于微分作用有抵制偏差变更的能力,所以确定一个Td值后,可把整定好的PB和Ti值减小一点再进行现场凑试,直到PB、Ti和Td取得最佳值为止.显然用经验法整定的参数是准确的.但花时间较多.为缩短整定时间,应注意以下几点：①按照控制对象特性确定好初始的参数值PB、Ti和Td.可参照在实际运行中的同类控制系统的参数值,或参照表3-4-1所给的参数值,使确定的初始参数尽量接近整定的理想值.这样可大大减少现场凑试的次数.②在凑试过程中,若发明被控量变更缓慢,不克不及尽快达到稳定值,这是由于PB过大或Ti过长引起的,但两者是有区此外：PB 过大,曲线漂浮较大,变更不规则,Ti过长,曲线带有振荡份量,接近给定值很缓慢.这样可按照曲线形状来改动PB或Ti.③PB过小,Ti过短,Td太长都会导致振荡衰减得慢,甚至不衰减,其区别是PB过小,振荡周期较短；Ti过短,振荡周期较长；Td 太长,振荡周期最短.④如果在整定过程中出现等幅振荡,并且通过改动调节器参数而不克不及消除这一现象时,可能是阀门定位器调校禁绝,调节阀传动部分有间隙（或调节阀尺寸过大）或控制对象受到等幅动摇的搅扰等,都会使被控量出现等幅振荡.这时就不克不及只注意调节器参数的整定,而是要检查与调校其它仪表和环节.（2）衰减曲线法该办法是以4：1衰减作为整定要求的,先切除调节器的积分和微分作用 ,用凑试法整定纯比例控制作用的比例度PB（比同时凑试二个或三个参数要简单得多）,使之合适4：1衰减比例的要求,记下此时的比例度PBs和振荡周期Ts.如果加进积分和微分作用,可按相应的表格给出经验公式进行计算.若按这种方法整定的参数作适当的调整.对有些控制对象,控制过程进行较快,难以从记录曲线上找出衰减比.这时,只要被控量动摇2次就能达到稳定状态,可近似认为是4：1的衰减过程,其动摇一次时间为Ts.（3）临界比例度法用临界比例度法整定调节器参数时,先要切除积分和微分作用,让控制系统以较大的比例度,在纯比例控制作用下运行,然后逐渐减小PB,每减小一次都要认真不雅察过程曲线,直到达到等幅振荡时,记下此时的比例度PBk(称为临界比例度)和动摇周期Tk,然后按对应的表给出的经验公式求出调节器的参数值.按该表算出参数值后,要把比例度放在比计算值稍大一点的值上,把Ti和Td放在计算值上,进行现场不雅察,如果比例度可以减小,再将PB放在计算值上.这种办法简单,应用比较广泛.但对PBk很小的控制系统不适用.（4）反响曲线法前三种整定调节器参数的办法,都是在预先不知道控制对象特性的情况下进行的.如果知道控制对象的特性参数,即时间常数T、时间迟延ξ和缩小系数K,则可按经验公式计算出调节器的参数.利用这种办法整定的结果可达到衰减率φ=0.75的要求 .3.3 临界比例度法在本设计中,我们组采取了临界比例度法来进行PID参数的整定,下面是用临界比例度法整定PID参数的过程在simulink中设计简单的PID控制系统结构图如下：图3-4采取临界比例度法整定PID参数,先切除积分和微分作用,让控制系统以较大的比例度,在纯比例控制作用下运行,然后逐渐减小PB,直到达到等幅振荡时,记下此时的比例系数约为2.45 (称为临界比例度)和动摇周期Tk约为32s,如下图：图3-5然后按对应的表给出的经验公式求出调节器的参数值.仅加入比例环节时,设P为1.225,系统阶跃响应图如下：图3-6由图知系统超调量较小,调节时间为120s左右,但是存在较大的稳态误差为0.3左右,由前面阐发欲减小稳态误差需加入积分环节,设P为1.1,Ti为0.0375,此时系统阶跃响应图如下：图3-7由图知加入积分环节后系统的稳态误差大大减小,也验证了其消除误差的作用,但是调节时间加长到约为140s,同时超调量加大近38%,使用PID 控制器：图3-8系统稳态误差基本为零,调节时间略有减小,但是超调量接近50%,远远达不到系统动态性能的要求.减小比例系数后发明系统超调量逐渐下降,但是响应速度逐渐减慢,调节时间增加,于是增大微分时间常数以加快响应速度,按照经验法逐步伐整各参数,得基本满足系统动态性能的图形如下：图3-9此时系统各项指标基本令人满意,只是调节时间稍长,为80s 左右.采取临界比例度法得到的PID 参数为：Kp=1.47Ki=0.0625Kd=43.4 PID 参数的确定该控制器采取的是临界比例系数法对PID 参数进行初步整定,然后按照控制的效果,对PID 参数进行调整.最后确定的PID 参数为：Kp=0.465Ki=0.06Kd=5.2四．控制结构在这次设计中,我们首先对系统的传递函数5022()100201s G S e s s -=++进行根轨迹校正和波的图校正,然后采取调整系统控制量的模糊控制PID 控制办法,对系统的控制器进行阐发.4.1 利用根轨迹校正系统校正前开环系统根轨迹如下：图4-1设定系统校正指标要求为：稳态误差≤0.05,超调量p σ≤15%,s t 20s ≤∆（=0.02）,则校正过程如下： MATLAB 中输入如下命令：>> KK=20;bp=0.15;ts=20;delta=0.02;>> ng0=[2];dg0=[100,20,1];g0=tf(KK*ng0,dg0); ；建立传递函数模型 s=bpts2s(bp,ts,delta)s =-0.2034 + 0.3368i ；期望的闭环主导极点>> [ngc,dgc]=rg_lead(KK*ng0,dg0,s); ；根轨迹法求带惯性的PD 控制器gc=tf(ngc,dgc)Transfer function:2.014 s + 0.5583----------------s + 0.5583 ；校正环节传递函数>> g0c=tf(g0*gc);b1=feedback(sys,1);b2=feedback(g0c,1); ；单位负反响step(b1,'r--',b2,'b');grid on ；校正前后系统的阶跃响应图4-2验算时域性能指标：[pos,tr,ts,tp]=stepchar(b2,delta)pos = 46.1787,tr = 2.4720,ts = 15.5381,tp = 3.5314从验算结果来看,稳态误差及调节时间达到设计要求,但超调量太大远远不克不及满足要求,需要调整闭环主导极点的位置.检查此时预设的主导极点的阻尼比和无阻尼自然频率：>> [kosi,wn]=s2kw(s)kosi =0.9477,wn =0.2146再提高阻尼等到自然频率的值辨别为0.99,0.99得闭环极点：>>s=kw2s(0.99,0.99)s=-0.9801 + 0.1397i再运行PD控制器设计得：Transfer function:6.838 s + 2.589---------------s + 2.589阶跃响应图如下：图4-3验算各性能指标：>> [pos,tr,ts,tp]=stepchar(b2,delta)pos =14.3869,tr =1.9006,ts =6.1242,tp =2.7453 完全满足设计性能指标要求. 4.2 利用伯德图校正系统校正指标要求： 40v K ≥,60γ︒=,c 5rad/s ω=,幅值裕度≥15dB . KK=20;Pm=60;wc=5;ng0=KK*[2];dg0=[100,20,1]; g0=tf(ng0,dg0); w=logspace(-1,3);[ngc,dgc]=fg_lead_pm_wc(ng0,dg0,Pm,wc,w); gc=tf(ngc,dgc);g0c=tf(g0*gc);b1=feedback(sys,1);b2=feedback(g0c,1); step(b1,'r--',b2,'b');grid onfigure,bode(sys,'r--',g0c,'b',w),grid on 校正前后伯德图如下：图4-4得校正前后阶跃响应如下：图4-5调节时间明显减小,响应速度加快. 验算各性能指标如下：[gm,pm,wcg,wcp]=margin(g0c)得截止频率为1.33,离设计相差较大,相角裕度为73度也偏大,效果不是太理想,还需加入二级控制装置.4.3 调整系统控制量的模糊PID控制办法该控制办法采取的是模糊控制和PID控制相结合,这类控制器的特点是在大偏差规模内利用模糊推理的恍如调整系统的控制量U,而在偏差规模内转换成PID控制,两者的转换按照事先给定的偏当switch的输入误差值的绝对值≥0.5时,采取模糊控制；当switch的输入误差值绝对值＜0.5时,采取PID控制.4.3.1模糊控制部分1.控制器设计（1）模糊集及论域定义对误差E、误差变更EC及控制量U的模糊集及论域定义如下：E、EC和U的模糊集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}E和EC论域均为{-3,-2,-1,0,1,2,3}U的论域为{-4.5,-3,-1.5,0,1.5,3,4.5}E的隶属函数图形如下图图4-7EC的隶属函数图形如下图图4-8U的隶属函数图形如下图图4-9（2）模糊控制规则模糊控制规则如下表表4-1NB NM NS O PS PM PBNB NMNSOPSPMPBPSNSNMNBNBNBNBPSPSNSNMNMNBNBPSPSONSNSNMNMPSPSOOONSNSPMPMPSPSONSNSPBPMPMPMPSPSNSPBPBPMPMPMPSNS（3）模糊变量的赋值表模糊变量E的赋值辨别如表4-2E-3-2-10123N B NM NSOPS PM PB1.0.51.00.500.51.00.50.51.00.5000.51.00.5000.51.00.51.0模糊变量EC的赋值辨别如表4-3E-3-2-10123N B NM NSO1.0.51.00.500.51.00.50.51.00.5000.51.00.5000.51.00.5模糊变量U的赋值辨别如表4-4得到的模糊控制器的输出曲面如图图4-104.3.2 PID控制部分PID部分是当输入的|e|＜0.5时,主要是控制系统的稳定性.PID参数的主要通过临界比例度法进行整定,然后按照实际的控制效果,进行调节.最后确定的PID参数如下：Kp=0.465Ki=5.2Kd=0.08五．控制器的设计模糊控制器的输入为误差和误差变更率：误差e=r-y,误差变更率ec=de/dt,其中r和y辨别为液位的给定值和丈量值.把误差和误差变更率的精确值进行模糊化酿成模糊量E和EC,从而得到误差E和误差变更率EC的模糊语言集合,然后由E和EC模糊语言的的子集和模糊控制规则R（模糊关系矩阵）按照合成推理规则进行模糊决策,这样就可以得到模糊控制向量U,最后再把模糊量解模糊转换为精确量u,再经D/A转换为模拟量去控制执行机构动作.图5-1该控制器的特点是在大偏差规模内利用模糊推理的办法调整系统的控制量U,能够获得较好的动态性能,反响时间加快.而在小规模偏差规模内转换成PID控制,获得较好的静态性能.从仿真曲线和性能指标可以看出,与常规的PID控制相比,模糊PID控制器能使系统响应的超调减小,反响时间加快.尤其是在系统具有延迟的模型结构和参数不确定的情况下,模糊PID控制具有更佳的控制效果.六.仿真结果与阐发本设计采取了Matlab的Simulink东西箱和Fuzzy东西箱进行了系统仿真,其中系统的传递函数为其中Simulink的仿真计算图如下图6-1其中PID参数为：Kp=0.465Ki=0.08Kd=5.2模糊控制和PID控制转换的设定值为：|e0|=0.5当只有PID调节,没有加入模糊控制时的仿真曲线如下：图6-2增加了模糊控制后的仿真曲线：图6-3增加了随机动态扰动后的仿真曲线：图6-4从上面的图像对比可知,模糊控制能够使得反响时间加快,明显改良了系统的动态特性.而在增加了随机扰动后,能够看到系统任然能够坚持较好的稳态特性,说明PID控制器在具备较强的抗扰动能力.七.结束语参考文献[1] 王海英,袁丽英,吴勃. 控制系统的MATLAB仿真与设计. 北京：初等教育出版社,2009.[2] 胡寿松. 自动控制原理.第4版. 北京：科学出版社.2001.[3] 黄忠霖. 控制系统MATLAB计算及仿真[M].2版. 北京：国防产业出版社,2004.[4] 黄永安. 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参数整定:G(s)=
(1)稳定边界法
1.77 294 s e 432s 1
取 Ti 为无穷大，Td=0，选择一个合适的 P，直到出现等幅振荡，记下 Pm 和 Tm。
经查表得：Pm=1/1.73,Tm=1000; P=2.2Pm=2.2/1.73=1.27,Ti=0.85*Tm=0.85*1000=850 调整后的参数和图像如图
选择控制量“U1”或“U2”， 如上图所示，单击实验界面中的调节阀图标，进入输出设置窗体，如下图 所示：
在窗体中，通过键盘输入期望的值。 6、 控制量阶跃变化 当单容水箱的液位稳定在工作点时，让控制量作阶跃变化。 7、 实验记录 实验软件提供了“实时趋势”和“历史趋势”两个功能窗体 来记录实验数据。 8、 结果分析 分析测绘的飞升曲线，并根据记录的数据，测定双容水箱的 近似特性，并将对象的特性参数记录。
(2)衰减曲线法 衰减比为 10:1，衰减率 0.1
由图得：Ps=1/0.85,Tr=400, P=1.2Ps=1.2/0.85=1.41,Ti=2Tr=2*400=800。 调整后的参数和图像如图
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衰减比为4:1，衰减率 0.75
由图得：Ps=1,Ts=1000, P=1.2Ps=1.2*1=1.2,Ti=0.5Ts=0.5*1000=500。 调整后的参数和图像如图
“过程控制系统设计”
实物实验报告
实验名称：
双容水箱对象特性测试
姓 名： 学 号： 班 级： 指导老师：
郭少杰 20113324 2011033 孙宇贞
同组人： 徐之贤、程国鑫
实验时间：2014 年 04 月 11 日
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一、实验目的
1、了解双容对象的动态特性及其数学模型 2、熟悉双容对象动态特性的实验测定法原理 3、掌握双容水箱特性的测定方法
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四、实验记录（包括实验数据和波形图）
组一原始数据
组二原始数据
组三原始数据
组四原始数据
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组五原始数据
组一与组二波形图
组三与组四波形图
组五波形图
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五、结果分析
组一数据处理、图像与分析
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组二数据处理、图像与分析
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组三数据处理、图像与分析
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组四数据处理、图像与分析
Байду номын сангаас
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组五数据处理、图像与分析
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二、实验设计（画出“系统方框图”和“设备连接图” ）
系统方框图如图所示。
系统连接图如图所示
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三、实验步骤
1、进入实验 运行四水箱DDC实验系统软件，进入首页界面，单击“实物模型”单选框， 选择实验模式为实物模型； 单击实验菜单，进入双容水箱特性测试实验界面。 2、 选择执行机构 在实验系统中有两个执行机构，分别由控制量“U1”和“U2”控制。这两 个控制量的范围为0～100，可以自行选择一个作为控制量。我们选择“U1”作 为控制量。 3、 选择双容对象 实验系统有四个水箱：水箱1、水箱2、水箱3和水箱4，它们对应的液位分别 用H1、H2、H3和H4表示，其中水箱3和水箱1、水箱4和水箱2可以分别串接成两组 双容水箱， 可以自行选择一组双容水箱作为被测定对象。我们选择水箱1和水箱3 串接的双容水箱，对应待测液位变量为H1。 4、 组成控制回路 我们期望构成的控制量为U1，被测量为H1的控制回路，为此根据连接图，我 们需打开水箱1和3的进水阀，关闭其它进水阀。 5、 选择工作点 控制量“U1”或“U2”控制执行机构，通过构造的控制回路，使被测的单 容水箱的液位稳定在某个点。 具体设置方式如下：
六、思考题
1.一旦开始动态性能测试，为什么不能任意更改管路手动阀的开度大小? 在测量的过程中， 若是更改了手动阀的大小就会导致整个系统的初始稳态发 生变化。 2.比较两点法和用切线法得到的对象特性参数 切线法的误差比较大，不够准确，两点法相对比较精确。
七、个人小结
通过此次双容水箱对象特性测试实验不仅给了我们一个接触和了解双容水 箱实物运作特性， 把动态特性和数学模型的机理运用于实际应用中，逐步摸索和 掌握双容水箱特性的测定法则，更加熟悉切线法、两点法处理数据，并且对传函 进行参数整定。
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