图3-6 双容水箱液位的阶跃响应曲线
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3-7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3-7 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
K?h2(?)输入稳态值? xO阶跃输入量T1?T2?t1?t2 2.16 T1T2t1?(1.74?0.55) 2 (T1?T2)t2式中，0.32＜t1/t2＜0.46；由上述两式可解出T1和T2 。
在改变相应的阀门开度后，对象可能出现滞后特性，这时可由S形曲线的拐点P处作一切线，它与时间轴的交点为A，OA对应的时间即为对象响应的滞后时间?。于是得到双容滞后（二阶滞后）对象的传递函数为：
G（S）=
Ke??S
(T1S?1)(T2S?1)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测对象（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F1-10开度稍大于F1-11的开度），其余阀门均关闭。
具体实验内容与步骤如下：
1．将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，并按照控制屏接线图3-3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“实验二、双容自衡水箱对象特性测试”，进入实验二的监控界面。
4．在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”输出，并将输出值设置为一个合适的值（一般为最大值的40～70%，不宜过大，以免水箱中水溢出），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．液位平衡后，突增（或突减）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3-8所示。
图3-8 双容水箱液位阶跃响应曲线
7．根据前面记录的液位和仪表输出值，计算K值，再根据图3-14中的实验曲线求得T1、T2值，写出对象的传递函数。
五、实验报告要求
1．画出双容水箱液位特性测试实验的结构框图。
2．根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出双容水箱液位对象的参数及传递函数。
六、思考题
1．做本实验时，为什么不能任意改变两个出水阀门开度的大小？ 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？
实验三 单容水箱液位控制系统实验
一、实验目的
1．了解单容水箱液位控制系统的结构与组成。
2．掌握单容水箱液位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。
二、实验设备
同前。 三、实验原理
本实验系统结构图和方框图如图3-9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。
图3-9 中水箱单容液位定值控制系统
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如下：
1．按照图3-10 连接实验系统。将“LT 2 中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
图3-10 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、单容水箱液位控制系统实验”，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，后面两种仅供参考）
（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）
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（采用后面两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3-11 所示。
图3-11 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。
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。
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。 4．比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。
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。 2．改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？