双容水箱液位PID控制实验
双容水箱液位PID控制实验
《过程控制系统设计》课程实验报告2018年5月9日实验二双容水箱液位PID控制实验一、实验目的1、学习双容水箱液位PID 控制系统的组成和原理；2、进一步熟悉PID 的调节规律；3、进一步熟悉PID 控制器参数的整定方法。
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1、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 1 所示：图 1 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。
3、PID 控制器参数的实验整定方法双容水箱液位PID 控制器参数整定，是为了得到某种意义下的最佳过渡过程。
我们这里选用较通用的“最佳”标准，即在阶跃扰动作用下，先满足需要的衰减率，然后尽量协调准确性和快速性要求。
四、实验内容在手动情况下进入初始稳态（如图3），然后根据水箱的实际液位情况进行了一次下水箱阶跃响应测试，最终达到平衡状态，如图4所示。
根据两点法求K、T、τ参数，并用响应曲线法整定出对应的控制器参数。
将整定好的参数投入设备，进行闭环自动控制，并微调参数，记录分析控制系统的响应曲线。
图2 现场接线图图3 建立工作点图4 下水箱阶跃响应测试曲线五、数据记录由图4的阶跃响应曲线，根据两点法求出K、T、τ参数，并用响应曲线法整定出对应的控制器参数P、Ti，绘图及计算过程如图5所示。
图5 响应曲线法整定参数设置完PID参数（Kc=1/P=1/0.7=1.43,Ti=8.52min×60=514.8s），手动切自动，修改设定值（SV=13），最终达到平衡状态，如图6所示。
双容水箱液位定值控制系统实验
双容水箱液位定值控制系统实验双容水箱液位定值控制系统一、实验目的1( 通过实验，进一步了解双容对象的特性。
2( 掌握调节器参数的整定与投运方法。
3( 研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。
二、实验设备1( THJ-2型高级过程控制系统装置。
2( 计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根3( 万用表一只三、实验原理本实验系统以中水箱与下水箱为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被图6-1 双容液位定值控制系统结构图控制量。
基于系统的给定量是一定值，要求被控制量在稳态时等于给定量所要求的值，所以调节器的控制规律为PI或PID。
本系统的执行元件既可采用电动调节阀，也可用变频调速磁力泵。
如果采用电动调节阀作执行元件，则变频调速磁图6-2 双容液位定值控制系统方框图力泵支路中的手控阀F2-4或F2-5打开时可分别作为中水箱或下水箱的扰动。
图6-1为实验系统的结构图，图6-2为控制系统的方框图。
四、实验内容与步骤1( 图6-1所示，完成实验系统的接线。
2( 接通总电源和相关仪表的电源。
3( 打开阀F1-1、 F1-2、F1-7、F1-10和F1-11，且使F1-10的开度大于F1-11的开度。
4( 用实验四(上册)中所述的临界比例度法或4:1衰减振荡法整定调节器的相关参数。
5( 设置系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，控制电动调节阀给中水箱打水，待中水箱液位基本稳定不变且下水箱的液位等于给定值时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。
6( 启动计算机，运行MCGS组态软件软件，并进行下列实验:1)当系统稳定运行后，突加阶跃(给定量增加5%,15%)，观察并记录系统的输出响应曲线。
2)待系统进入稳态后，启运变频器调速的磁力泵支路，分别适量改变阀F2-4或阀F2-5的开度(加扰动)，观察并记录被控制量液位的变化过程。
7.通过反复多次调节PI的参数，使系统具有较满意的动态性能指标。
实验五、串接双容下水箱液位PID整定实验
1.4.2二阶水箱对象PID控制
实验五串接双容中水箱液位PID整定
一、实验目的
（1）熟悉单回路双容液位控制系统的组成和工作原理。
（2）熟悉用P、PI和PID控制规律时的过渡过程曲线。
（3）定性分析不同PID控制器参数对双容系统控制性能的影响。
二、实验设备
CS2000型过程控制实验装置、计算机、DCS控制系统与监控软件。
(7)改变控制规律，时间允许的情况下，对于P、PI、PID，分别得到2条合理的过渡过程曲线（对应不同参数）。注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。
五、实验报告要求
（1）画出双容水箱液位控制实验系统的结构图。
（2）画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D对系统性能的影响。
六、思考题
三、实验原理
二阶双容水箱液位PID控制方框图
上图为双容水箱液位控制系统。这也是一个单回路控制系统，它与实验四不同的是有两个水箱相串联，控制的目的是使中水箱的液位高度等于给定值所期望的高度，具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响功能。显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于控制器（DCS）的结构和参数的合理选择。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故系统的稳定性不如单容液位控制系统。
对于阶跃输入（包括阶跃干扰），这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度成正比。若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数δ和TI调节的合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的控制作用，从而使系统既无余差存在，阀，将CS2000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。
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。
双容水箱液位定值控制系统实验报告
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：双容水箱液位定值控制系统专业：控制工程姓名： XXX学号：XXXXXX指导教师： XXX完成时间：XXXXX实验名称：双容水箱液位定值控制系统实验目的：1．通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。
2．掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3．研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。
4．研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。
5．掌握双容液位定值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：本实验以中水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。
要求下水箱液位稳定至给定量，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，系统的调节器应为PI或PID控制。
调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。
本实验系统结构图和方框图如图所示。
方案设计及参数计算：单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。
系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。
单回路控制系统方框图调节器参数的整定方法（一）经验法系统参数δ(%)T I(min) T D(min)温度20～60 3～10 0.5～3流量40～100 0.1～1压力30～70 0.4～3液位20～80(二)临界比例度法根据临界比例度δk和振荡周期T S，按下表所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到4：1衰减为目标。
CS4000双容水箱液位串级PID控制实验(1~6号实验装置)
双容水箱液位串级PID控制实验一、实验目的1、进一步熟悉PID调节规律2、学习串级PID控制系统的组成和原理3、学习串级PID控制系统投运和参数整定二、实验设备1、四水箱实验系统DDC实验软件2、PC机（Window 2000 Professional 操作系统）三、实验原理1、控制系统的组成及原理一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器称为“串级”控制器。
两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给被控对象，这样组成的系统称为串级控制系统。
本仿真系统的双容水箱串级控制系统如下图所示：图17－1 本仿真系统的双容水箱串级控制系统框图串级控制器术语说明主变量：y1称主变量。
使它保持平稳使控制的主要目的副变量：y2称副变量。
它是被控制过程中引出的中间变量副对象：上水箱主对象：下水箱主控制器：PID控制器1，它接受的是主变量的偏差e1，其输出是去改变副控制器的设定值副控制器：PID控制器2，它接受的是副变量的偏差e2，其输出去控制阀门副回路：处于串级控制系统内部的，由PID控制器2和上水箱组成的回路主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出r2为输入，以副变量y2为输出的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，即主回路。
串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。
但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。
串级控制系统的主要优点有：1）副回路的干扰抑制作用发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正2）主回路响应速度的改善副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的相应速度3）鲁棒性的增强串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性4）副回路控制的作用副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制由此可见，串级控制是改善调节过程极为有效的方法，因此得到了广泛的应用。
双容液位PID控制
摘要本设计以THSA-1型综合自动化控制系统实验装置为平台，采用PID控制规律，对双容水箱系统的下水箱液位进行控制。
以远程数据采集控制方式进行实验，并利用MCGS组态软件来实现计算机监控，使控制系统具有良好的稳态性能和动态性能。
实验测试结果表明，系统实现了对过程参数的无稳态误差控制。
关键词：液位控制；PID调节；MCGSAbstractThe design is according to the THSA-1 experimental device of integrated automation control system, using the PID control rules on the two-capacity water tank system to control the water level. By way of remote data acquisition and control experiments, using MCGS configuration software to monitor the computer, so that the control system will have good steady state and dynamic performance. The experimental results show that the system of process parameters achieves zero steady-state of error control.Keywords: liquid level control; PID control; MCG目录前言............................................................... - 1 -第1章绪论........................................................ - 2 -1.1过程控制概述 ............................................................................................................ - 2 -1.2设计内容 ................................................................................................................... - 4 - 第2章双容水箱液位系统控制方案.................................... - 4 -2.1 单回路控制系统概述................................................................................................. - 4 -2.2 调节器设计............................................................................................................... - 5 -2.2.1单容水箱液位特性测试 ................................................................................... - 6 -2.2.2双容水箱特性测试和被控对象的建模 .............................................................. - 8 -2.2.3调节规律的选择.............................................................................................- 11 -2.2.4调节器正/反作用方式的选择....................................... - 12 -2.2.5调节器的参数整定 .........................................................................................- 12 - 第3章双容水箱液位系统控制实验................................... - 15 -3.1实验所用装置说明 ....................................................................................................- 15 -3.1.1 THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台.................................................- 15 -3.1.2 THSA-1型过控综合自动化控制系统对象........................................................- 16 -3.1.3 THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台.................................................- 17 -3.1.4 软件介绍 ......................................................................................................- 19 -3.2双容水箱液位PID控制实验 ......................................................................................- 20 -3.2.1实验内容与步骤.............................................................................................- 20 -3.2.2实验结果与数据分析......................................................................................- 22 - 结论............................................................... - 28 -参考文献 (29)致谢.................................................. 错误！未定义书签。
双容水箱液位PID控制实验
《过程控制系统设计》课程实验报告2018年5月9日实验二双容水箱液位PID控制实验一、实验目的1、学习双容水箱液位PID 控制系统的组成和原理；2、进一步熟悉PID 的调节规律；3、进一步熟悉PID 控制器参数的整定方法。
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1、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 1 所示：图 1 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。
3、PID 控制器参数的实验整定方法双容水箱液位PID 控制器参数整定，是为了得到某种意义下的最佳过渡过程。
我们这里选用较通用的“最佳”标准，即在阶跃扰动作用下，先满足需要的衰减率，然后尽量协调准确性和快速性要求。
四、实验内容在手动情况下进入初始稳态（如图3），然后根据水箱的实际液位情况进行了一次下水箱阶跃响应测试，最终达到平衡状态，如图4所示。
根据两点法求K、T、τ参数，并用响应曲线法整定出对应的控制器参数。
将整定好的参数投入设备，进行闭环自动控制，并微调参数，记录分析控制系统的响应曲线。
图2 现场接线图图3 建立工作点图4 下水箱阶跃响应测试曲线五、数据记录由图4的阶跃响应曲线，根据两点法求出K、T、τ参数，并用响应曲线法整定出对应的控制器参数P、Ti，绘图及计算过程如图5所示。
图5 响应曲线法整定参数设置完PID参数（Kc=1/P=1/0.7=1.43,Ti=8.52min×60=514.8s），手动切自动，修改设定值（SV=13），最终达到平衡状态，如图6所示。
双容水箱液位调节阀控制实验
实验五双容水箱液位调节阀控制5.1 实验目的了解双容液位控制的构成环节，调节阀的工作原理，熟悉上位机组态王的组态及通讯。
通过实验，掌握双容液位PID参数的整定。
5.2 实验要求1、实验前需熟悉实验的设备装置以及管路构成。
2、熟悉仪表装置，如检测单元、控制单元、执行单元等。
3、用响应曲线法求取PID参数，以4:1标准衰减振荡作为指标，整定出最佳的比例度、积分时间和微分时间。
5.3 实验设备及系统组成1、实验设备：A3000对象系统（1）泵：工作电源220VAC。
（2）变频器：工作电源220VAC，控制信号4-20mA，输出电源0-220VAC。
（3）电动调节阀：工作电源24VAC，控制信号2.10VDC,阀门开度0.100%。
（4）液位传感器：输出信号4-20mA,量程为0-50cm。
2、系统组成双容下水箱液位PID控制流程图如图5.1所示图5.1双容下水箱液位调节阀PID单回路控制3、测点清单测点清单如表5.1所示：表5.1 双容下水箱液位调节阀PID单回路控制测点清单水介质由泵P102箱V104中加压获得压头，经由调节阀FV101进入水箱V102，经QV117流向V103,通过挡板QV116回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT103测得，用调节挡板QV116的开启程度来模拟负载的大小。
本例为定值自动调节系统，FV101为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调节来完成。
需要全打开的手阀：QV102、QV107；需要全关闭的手阀：QV103、QV104、QV105、QV109；挡板开度：QV1170.8cm。
QV1160.5cm。
5.4 操作步骤和调试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。
2、在现场对象上，选择管路，打开或关闭相应手阀。
3、在控制柜上，将IO面板的下水箱液位输出连接到AI0，IO面板的电动调节阀控制端连到A O0。
双容水箱液位单回路控制投运及PID参数整定(实验二)
青岛科技大学实验报告年月日姓名专业班级同组者课程实验项目：双容水箱液位单回路控制投运及PID参数整定一、实验目的1．学习和使用组态软件MCGS。
2．学习和使用PLC的编程和通讯功能。
3．掌握调节器参数的整定方法。
4．研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。
5．在实验平台上实现简单的控制方案。
二、实验设备1．THJ-2型高级过程控制系统装置。
2．计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根3．万用表一只三、实验原理本实验系统以上水箱与中水箱为被控对象，中水箱的液位高度为系统的被控制量。
基于系统的给定量是一定值，要求被控制量在稳态时等于给定量所要求的值，所以调节器的控制规律为PI或PID。
本系统的执行元件既可采用电动调节阀，也可用变频调速磁力泵。
图2双容液位定值控制系统方框图四、实验内容与步骤1、接好实验线路。
2、接通总电源和相关仪表的电源。
3、把调节器设置于手动位置，改变其手动输出值，使中水箱的液位处于某一平衡位置（一般为水箱的中间位置）。
4、在上位机监控界面中设定PID参数，在PID扩展参数中设定控制器的正反作用。
5、当系统输出稳定时，由手动切换到自动，保证系统投运的无扰动切换。
6、使系统的给定值作阶跃跳变（3—5cm），使中水箱的液位由原平衡状态开进入另一个平衡状态。
反复调节PID 始变化，经过一定的调节时间后，液位h2参数使系统输出曲线的衰减比为4：1。
7、打印历史曲线。
五、实验要求请给出实验的调节过程及调节参数，并附上历史曲线，分析实验结果，总结PI参数变化对系统输出的影响。
双容水箱液位定值控制系统实验报告
双容水箱液位定值控制系统实验报告实验目的：通过搭建双容水箱液位定值控制系统，了解液位控制的基本原理和方法，掌握PID控制器在液位控制中的应用。
实验器材：1.液位控制综合实验台2.电子积分器PID控制器3.水泵4.液位传感器5.两个水箱6.电压表和电流表实验步骤：1.将两个水箱放在实验台上，一个用作上升水箱，一个用作下降水箱。
2.将水泵安装在上升水箱中，并通过输水管连接两个水箱。
3.将液位传感器安装在上升水箱和下降水箱中，并将其连接到电子积分器PID控制器。
4.将电子积分器PID控制器连接到电源，并连接电压表和电流表来监测相应的电压和电流。
5.打开水源，使用电子积分器PID控制器调节水泵的运行方式和水泵的转速。
6.观察液位传感器的反馈信号，并根据反馈信号调整PID控制器的参数，使得液位保持在设定值附近。
7.记录不同设定值下液位的控制效果，并分析数据。
8.关闭水源，停止实验。
实验结果：根据实验数据，可以观察到双容水箱液位控制系统的控制效果。
当设定值改变时，PID控制器能够调整水泵的运行方式和水泵的转速，以使得液位保持在设定值附近。
实验结果表明，在合适的PID控制器参数设置下，液位的稳定性和控制精度较高。
实验分析：在双容水箱液位定值控制系统中，PID控制器起到了关键作用。
P项（比例项）根据液位的偏差来调节水泵的转速，I项（积分项）根据液位的积累偏差来调整水泵的运行方式，D项（微分项）根据液位的变化速度来预测液位的变化趋势。
通过PID控制器的联合作用，可以实现对液位的稳定控制。
从实验结果分析可以看出，PID控制器的参数设置非常重要。
当P参数过大或过小时，会导致液位振荡或调节速度缓慢；当I参数过大或过小时，会导致液位超调或稳态误差；当D参数过大时，系统可能产生过冲。
因此，需要根据具体的系统要求和实验条件来合理设置PID控制器的参数。
结论：通过搭建双容水箱液位定值控制系统，并对其进行实验研究，我们可以了解液位控制的基本原理和方法，掌握PID控制器在液位控制中的应用。
实验二 双容水箱液位定值控制系统(单回路)
实验项目名称：（所属课程：）学院：专业班级：姓名：学号：实验日期：实验地点：合作者：指导教师：本实验项目成绩：教师签字：日期：一、实验目的1．通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。
2．掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3．研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。
4．研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。
5．掌握双容液位定值控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验条件THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台。
三、实验原理图2-4 单容液位定值控制系统原理框图四、实验内容与要求本实验选择中水箱液位作为被控参数，上水箱流入量为控制参数。
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和F1-11全开，将中水箱出水阀F1-10开至适当开度（50%左右，上水箱出水阀开到70%左右），其余阀门均关闭。
按以下步骤进行实验。
1.根据系统组成方框图接线，如图2-5所示。
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1、单相对性空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
3.打开上位机“组态王”组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入组态王运行环境，在主菜单中点击“实验四、双容液位定值控制系统”，进入实验四的监控界面。
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。
值得注意的是手自动切换的时间为：当中水箱液位基本稳定不变（一般约为3～5cm）且下水箱的液位趋于给定值时切换为最佳。
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。
图2-5 智能仪表控制单容液位定值控制实验接线图7.待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动控制状态。
实验二垂直双容过程液位控制
垂直双容过程液位控制实验报告书实验名称：姓名：班级：学号：指导老师：实验2.1双容液位单回路PID 控制一、实验目的1、实验前需熟悉双容液位控制模型的特点。
2、熟悉仪表装置，如检测单元、控制单元、执行单元等。
3、用单回路PID 控制方法，整定出最佳的比例度、积分时间和微分时间。
二、实验流程水介质由泵U101(P101)从水箱V104 中加压获得压头，QV113、经水箱V102、QV114、水箱V101、阀QV116，回流至水箱V104 而形成水循环，负荷的大小通过手阀QV116来调节；其中，水箱V101 的液位由液位变送器LT101 测得。
三、实验结果1、给定阶跃后效果如图2、干扰测试效果如图收集试验数据：P：5.00 I：1.0 D:0.00，准备与串级控制实验结果进行比较。
实验2.2双容液位串级控制一、实验目的1、了解双容液位串级控制工作原理。
2、通过实验，掌握串级控制系统的投运、控制器参数的整定方法。
3、组建串级回路，并测量两类干扰下的控制效果。
二、实验流程水介质由泵U101(P101)从水箱V104 中加压获得压头，QV113、经水箱V102、QV114、水箱V101、阀QV116，回流至水箱V104 而形成水循环，负荷的大小通过手阀QV116来调节；其中，水箱V101 的液位由液位变送器LT101 测得。
其中，水箱V101 的液位由液位变送器LT101 测得，水箱V102 的液位由液位变送器LT102 测得。
三、实验结果1、给定阶跃后系统如图2、干扰后效果如图记录数据P：5.00 I：1.00 D：0.00四、实验结果与思考1、本次串级实验中主、副控制器正反作用如何确定？因为水位和水流量成正比，故为正作用调节器，K0为正。
又因为，系统停止工作时，应关闭水阀，故应为气开式，K V2也为正，为保证副回路为负反馈，故K V2也为正。
同理，主回路为保证负反馈，K C1也为正。
2、结合本次实验情况，分析串级控制比单回路控制质量高的原因。
AE2000双容水箱液位串级PID控制实验(7~10号实验装置)
上、中水箱液位串级PID控制实验一、实验目的1、掌握串级控制系统的基本概念和组成。
2、掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。
3、研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。
二、实验设备AE2000型过程控制实验装置、万用表、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、实验原理上水箱液位作为副调节器调节对象，中水箱液位做为主调节器调节对象。
控制框图如图9-1所示：图9-1上水箱下水箱液位串级控制框图四、实验内容和步骤1、设备的连接和检查1).打开以丹麦泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。
2).打开上水箱出水阀和中水箱的出水阀开至适当的开度。
3).检查电源开关是否关闭2、系统连线图图9-2实验接线图1).将上水箱液位信号接至8017的AI0通道，将中水箱液位信号接至8017的AO0通道。
2).将8024的AO1通道接至气动调节阀的控制信号输入端。
3).电源控制板上的三相电源空气开关、丹麦泵电源开关打在关的位置。
3、启动实验装置：1).打开电源带漏电保护空气开关。
打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。
打开单相泵电源。
2).启动计算机DDC组态软件，进入实验系统相应的实验3).建立工作点将副回路的PID控制器设成手动单击实验界面中的副回路PID控制器标签打开副回路PID控制器界面，然后单击副回路PID控制器的“手动”按钮a、设定工作点单击副回路PID控制器界面中MV柱体旁的增/减键，设置MV（U1）的值c、进行对象动态特性测试（参见已做过的实验）给MV一个阶跃，将1号和3号水箱的液位变化数据记录在表1中：根据实验数据用两点法建立3号和1号水箱的传递函数，作为PID初始参数计算的依据。
4)调节串级的后级a、设置PID参数根据对象特性，查表计算PID初始参数，P＝I＝D＝，并将参数输入到控制器中，并进行微调，使内回路控制效果达到最佳。
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及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及组成。
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及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：由于液位高度及电压值为线性关系，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05 双容水箱液位定值控制实验
实验5 双容水箱液位定值控制实验一、实验目的1、掌握多容系统单回路控制的特点2、深入了解PID控制特点。
3、深入研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
二、实验设备A3000现场系统，任何一个控制系统。
三、实验原理与介绍1、系统结构水从中水箱进入，中水箱闸板开度8毫米，进入下水箱，下水箱闸板开度5-6毫米。
要保证中水箱闸板开度大约下水箱闸板开度，这样控制效果好些。
水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板来改变。
被调量为下水位H。
如图5-3-1所示。
实际上，可以通过控制连接到水泵上的变频器来控制压力，效果可能更好。
图5-3-1 双容水箱液位定值控制实验2、控制逻辑结构双容水箱液位控制系统如图5-3-2所示。
图5-3-2 双容水箱液位定值控制实验逻辑图这也是一个单回路控制系统，它与上一个实验不同的是有两个水箱相串联，控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度；具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。
显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于调节器Gc（S）的结构和参数的合理选择。
由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。
对于阶跃输入（包括阶跃扰动），这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度成正比，若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数δ和Ti调节得合理，也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。
4、参考结果双容水箱液位控制实验PI控制器控制曲线如图5-3-3所示：图5-3-3 PI控制器控制曲线PID控制的曲线具有两个波，然后逐步趋于稳定。
由于系统延迟很大，这个稳定时间非常长。
比较好的效果是P=24, I=200，D=2。
如图5-3-4所示：图5-3-4 PID控制曲线从图可见，增加微分项之后，系统在有10%的扰动下，很快就进入稳定状态。
实训任务单2液位水箱液位PID整定试验
化工学院工作任务单课程：仪表班级：姓名：学号：教师：李勇学期：实训任务单2：液位水箱液位PID整定实验实验目的1）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。
3）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
实验设备CS6000型过程控制实验装置：配置：C6000仪表、万用表、实验连接线。
三、实验原理扰动图2-1、实验原理图图2-1为单回路水箱液位控制系统。
单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。
根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。
当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有余差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分（PID）调节器是在PI 调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。
但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。
对于我们的实验系统，在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2-2中的曲线①、②、③所示。
双容水箱液位PID控制matlab实验报告
Simulink 仿真如下：
7 时， S1 50.401, S2 0.094
8 时， S1 66.136, S2 0.536
9 时， S1 83.969, S2 0.978
10 时， S1 103.9, S2 1.42
11 时， S1 125.929, S2 1.862
1 1 1 1 (1 Td s) 1 ，此时，PD 调节 n n 1 (1 T0 s) (1 T0 s)
器的零点正好抵消了调节对象的一个重极点，使系统阶次降低一阶， 系统的性能最好。 比例微分调节器调节结束后被调量存在偏差，增加微分作用后， 可起到超前调节的作用，可以减少调节过程中被调量的动态偏差，减 少调节过程的振荡倾向。
可见， 越小，偏差越小，系统振荡比较剧烈； 越大，偏差越 大，系统比较平稳
2.PI 调节
Wa ( s) S1
令 s m j
S0 s
Wa (m, ) S1
S0 m j S0 m [ S1 S ] j (m2 1) 0 (m2 1)
单位阶跃响应为
实际效果还可以，但是没有找到最优解不知道是哪里出了问题。
加入干扰，Simulink 仿真如下：
单位阶跃响应为
系统趋于稳定，但是有一定的波动，范围很小。 实际上，PID 兼顾了以上三种调节器的优点，既能靠积分作用消 除被调量的静态误差，又能靠微分环节改善动态过程的品质。调节的
12 时， S1 150.056, S2 2.304
13 时， S1 176.281, S2 2.746
由于微分环节反应灵敏，微分环节的比重加大会使系统不易平 衡，可以看出来， 13 时，系统在稳定值附近的摆动会越来越明 显，相比较而言， 12 时， S1 150.056, S2 2.304 时系统的性能最 佳。 查阅资料知道，当微分时间近似等于时间常数时，从闭环特征方 程可以看出 WK 1
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实验时间： 2013年 5月 15日
一、实验目的 学习双容水箱液位PID控制系统的组成和原理 进一步熟悉PID的调节规律 进一步熟悉PID控制器参数的整定方法
二、实验设备 1、四水箱实验系统DDC实验软件 2、PC机（Windows XP 操作系统） 三、实验原理 1、 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下图所示：
问题，未能进一步地检测Ti对各参数的影响，因此在经验法的基础上，由于超调 量较大，衰减率较小，我认为接下来应减小Kc从而达到减小超调量以及加大衰 减比的目的。
2、根据趋势曲线，计算在较佳控制参数下的超调量、过渡时间和衰减比等 特性参数。 超调量：36.8% 过渡时间：1632 衰减率：1
3、分析P、I、D三种调节作用对控制效果的影响。 比例度P减小会加大超调量和振荡频率，同时会减少静差和衰减率； 积分时间Ti减小同样会加大超调量和振荡频率，同时会减小衰减率，但会使 静差恒等于0； 微分时间Td增加会减小超调量，同时会增大衰减率和振荡频率，但不会影响 静差。 在本实验中运用的是PI控制，不能使用微分控制，由于微分控制过快过于迅 速，不适用于液位控制。
5、通过本次实验总结在 PID 参数整定过程中应注意的问题。 整定PID参数时，应该根据实际情况先选择控制规律，然后按由P开始，I、 D 的顺序进行各项参数的整定，修改参数时，要注意P不能过小、Ti不能过短、Td 不能过长（本次实验为用到） ，不然会引起周期性的激烈振荡。
六、思考题 1、实验系统在运行前应做好哪些准备工作？ 答：实验需要了解双容水箱实验对象和内容，被控对象为水箱，被控量为液 位高度，所以做PID设计时不应加入微分作用，同时要注意每次变换控制参数进 行实验观察波形时都必须要有阶跃作用， 即设定值变化时都会有调节阀开度的变 化。 在改变参数时要注意各个参数变化的大小， 不宜过大， 不然会影响实验效果， 浪费时间， 同时在参数改变后要将PID控制设定为自动模式， 不然没有控制效果。 2、试用控制原理的相关理论分析 PID 调节器的微分作用为什么不能太 大？ 答：由于增大微分作用能使超调量减小，衰减率增加，振荡频率增加，微分 作用过大会产生周期性的激烈振荡， 会引起控制阀时而全开时而全关， 会使系统 对扰动的抑制能力减弱，不利于我们对系统进行调节。 3、为什么微分作用的引入必须缓慢进行？这时的比例系数 K 是否要改 变？为什么？ 答：由于微分作用会增加快速性，直接加入微分作用会使系统响应过快反而 不能达到预期的控制效果。此时比例系数K不需要进行改变，因为微分作用只对 改善动态特性有效果，对静态特性无关。 4、调节器参数（K、Ti 和Td）的改变对整个控制过程有什么影响？ 答：K增大会加大超调量和振荡频率，同时会减少静差和衰减率； 积分时间Ti减小同样会加大超调量和振荡频率，同时会减小衰减率，但会使 静差恒等于0； 微分时间Td增加会减小超调量，同时会增大衰减率和振荡频率，但不会影响 静差。 七、心得体会 本次实验运用所得出的PID参数来对双容水箱大的对象特性进行控制。是我 们首次对实物进行PID参数的整定，在实验中，由于错误地选取水箱3作为响应 曲线进行记录，导致我们只能重新记录水箱1的值，进行实验建模和经验法计算 PID参数，浪费了很多宝贵的时间，所以最终只能调节Kc参数到理想值，对于Ti 就没来得及改动，这是十分遗憾的。不过这次实验的收获还是很多的。
根据结果再次设置PID参数，这里选取
Kc
=0.5，
Ti
=438.9，结果如下：
图 2-3
K c =0.5， Ti =438.9 时水箱 1 液位阶跃响应曲线（绿色）
9、 结果分析 a、分析PID控制器的参数将实际的PID参数与经验法得出的参数进行比较， 并验证经验法。 b、分析PID控制器的控制曲线 根据趋势曲线，计算在较佳控制参数下的超调量、过渡时间和衰减比等特性 参数 c、分析P、I、D三种调节作用对控制效果的影响
通过键盘输入比例系数、积分时间和微分时间，一般不用修改其它参数。 5、启动水箱1液位PID控制器 a、将控制器改成自动方式：单击控制器窗体的“自动”按钮； b、改变设定值：单击控制器窗体SV柱体旁的增/减键，改变控制器的设定值 SV。 6、水箱1液位PID控制器的控制效果 通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体可以查看趋势曲线； 根据趋势曲线，从超调量、过渡时间和衰减比等方面对控制效果进行评估； 当达到或接近期望效果时，跳到第8步。 7、根据控制效果，调整PID控制器参数 当控制效果不佳时，重新将控制器设置成手动，根据以下几条参考调节规律 或其它经典的调节规律修正PID参数： a、如果系统出现振荡时，应适当减小比例作用和积分作用； b、如果系统出现较大的超调时，应当减小积分作用；反之，应加大积分作 用；
五、实验报告 1、将实际的PID参数与经验法得出的参数进行比较，并验证经验法。 由实验二所得出的 Kc 0.7 ， Ti 438.9 s ；在本次实验中所调试出的最佳参数为
Kc 0.5 ， Ti 438.9 s ，实验一中所得出的Kc值较大，可能会引起系统发散，本
次试验用经验法调试出的Kc较合适，使本身的衰减比约为4:1。但由于试验时间
图 2-1
水箱 1 液位初始稳态阶跃响应曲线（绿色）
水箱1液位初始稳态阶跃响应曲线
（纸质版计算过程见纸质版报告）
根据表1—1在毫米方格纸上画出系统的阶跃响应，用两点法求其传递函数。
y() 18.0 9.5 8.5cm
x0 5%
k y () 8.5cm / 30cm 85 4.722 x0 6%/100% 18
4.722 -133 s e 482 s 1
133 P 1.1 k 1.1 4.7 1.4332 则由经验法得到 ，则 K c =0.7 t 482 Ti 3.3 3.3 133 438.9 s
图 2-2
K c =0.7， Ti =438.9 时水箱 1 液位阶跃响应曲线（绿色）
得到最广泛应用的基本控制方式。常用的PID控制规律有：P、PI、PD、PID， 可 根据被控对象的特点和控制要求选择其中之一作为控制器。 3、 PID控制器参数的实验整定方法 双容水箱液位 PID 控制器参数整定，是为了得到某种意义下的最佳过渡过 程。我们这里选用较通用的“最佳”标准，即要求在阶跃扰动作用下，被调量的波 动具有衰减率0.75左右，在这个前提下，尽量满足准确性和快速性的要求。常用 的实验整定方法有： a、动态特性曲线法 b、稳定边界法 c、衰减曲线法
图1
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。 单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求， 只有在单回路调节系统不 能满足生产更高要求的情况下，才采用复杂的调节系统。 2、PID调节规律 PID控制是比例、积分、微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展历程 中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。目前，PID控制仍然是
单击实验界面中的“水箱1液位控制器”标签，打开控制器窗体，如下图所示：
单击控制器窗体中的“手动”按钮，将控制器设置成手动； b、设定工作点 单击控制器界面中MV柱体旁的增/减键，设置MV（U1）的值，如下图所示：
4、设置PID控制器参数根据对象特性，设置P、I、D参数： 假定估算PID参数如下： P＝5 将参数输入控制器中； 单击控制器界面中的“参数设置”按钮，弹出控制器参数设置窗体，如下图所 示： I＝20 D＝0
四、实验步骤 1、进入实验 运行四水箱实验系统DDC实验软件，进入首页界面，选择实 验模式为“实物模型”。 单击实验菜单，进入双容水箱液位PID控制实验界面。 2、选择控制回路 a）选择控制对象 在实验界面的“请选择控制回路”选择框中选择控制回路， 从两个回路中任选 一个。 这里， 我们选择“水箱1和3”作为控制回路， 此时只有水箱1的PID控制器是有 效的。 b）控制回路构成 根据选择的控制对象，调节相应的进水阀状态。 以“水箱1和3”对象为例， 此时需打开水箱1和3的对应阀门， 关闭其它进水阀， 从而构成双容PID控制回路。 具体的设置方式请参考《单容水箱特性测试实验》的实验步骤4。 3、选择PID控制器的工作点 a、PID控制器设置成手动方式 假定我们选择了“水箱1和3”构成的控制回路， 则相应地设置水箱1的 8.2
0.6 480 4.4 1500 8.4
0.7 600 5.4 1680 8.3
1 720 6.0 1860 8.5
1.3 840 6.7 2040 8.5
1.6 960 7.1
时间
下水箱水 位H1 （cm）
时间s
下水箱水 位H1 （cm）
（原始数据见纸质版报告）
时间s 18:17:56 30 (0)
下水箱水 位H1 （cm）
19:29:06 Kc I(s) 0.7 438.9
20:46:53 0.5 438.9
超调量（%） 过渡时间（s） 稳态误差 衰减率 效果评估
60
90
120
150
180
240
0 300 2.6 1080 7.8
0.2 360 3.2 1200 8.0
c、如果期望缩短过渡时间，可以适当加大比例作用； d、液位调节中，一般不用微分作用； 跳转到第4步，继续实验。
8、数据记录 记录控制的调节参数， 并利用趋势窗体查看控制效果， 并结果记录在下表中： 时间 控 制 参 数 D(s) 0 43% 2880 0 0.733 超调量大，衰减率小 0 36.8% 1632 0 1 超调量和衰减率 均有所改善 （详细计算过程见纸质版报告） 上述表格的得到过程如下： 1、 对实验数据纸中的数据(初始化后)进行分析：