过程控制实验(液位控制)
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对比 3、4、5 组实验数据，发现随着积分时间常数TI 减小，积分控制作用有 利于减小误差，减小超调量，缩短控制时间。但是积分时间常数TI 不宜过小，否 则系统稳定性有所下降。
对比 5、6、7 组实验数据，没有明显看出积分控制作用对系统性能的影响。 书本上说微分是按偏差的变化控制的，能够提高系统的稳定性，抑制超调。
计算机
进水
LT
FT
x
出水
图 3-1 利用液位—输出流量关系建立模型的实验原理图
⑵ 原理
对于液位系统，根据动态物料平衡关系有
Qi
QO
A dh dt
①
式中： Qi —输入流量； QO —输出流量；
h —液位高度； A—水箱截面积；
Qi 、 QO 、 h 分别为偏离某一平衡状态 Qi0 、 QO0 、 h0 的增量。
掌握过程计算机控制系统的单回路控制方式。 二、实验要求
设计单容水箱的液位单回路控制系统，实现液位的定值控制，并对系统进行 参数整定。 三、实验内容
1、按照图 4-1，在组合式实验装置上通过选择管路，构造液位单回路控制系 统。
计算机
进水
M
LI
出水
图 4-1 液位单回路控制系统原理图
2、画出液位单回路控制系统方框图。
0.00
2.50
相对误差（%）
０
0
5
7.5
10
5.01
7.52
10.03
0.2
0.2７
0.3
四、思考题 1、用传感器测量过程变量的准确性如何？如果有误差，可以采取什么方法进行
修正？ 答：用传感器测量过程变量中，液位测量的数值误差较大；流量传感器的测量值 由于没有理论值相比较，所以不知道传感器的测量准确性如何；温度传感器 的 测量结果与实际温度相差不大。用 PCL-812PG 板卡的 D/A 口向比例阀输出的控 制电压值与实际测量的误差很小。
由①、②，消去中间变量 QO ，再求拉氏变换得 单容液位过程的传递函数为：
W (S) H (S) R2 K
③
Qi (S) R2 AS 1 TS 1
⑶ 关闭所有出水阀，向水箱内注水至 260mm 左右，然后按图 3-1 将出水 阀旋开至适当位置，测量给定液位高度所对应的流量值，填入下表。并根据 式③求液位对象的模型。
万用表测量值（伏） 2.77
2.09
1.48
0.89
50 mm 0.30
A/D 口测量值 (伏)
2.87
2.19
1.41
0.83
0.36
机内转换高度（mm） 221.5
175.4
112.9
66.8
28.9
相对误差（%）
11.4
12.3
24.7
33.2
42.2
2、温度传感器的测试数据如下表：
温度计（度）
8m40s
10
4m8s
15
5m
7.8
2m52s
7.3
4m20s
7
2
0.5
0.2
8.3
3m57s
对于选择调节器参数 KC 、 TI 和 TD 值，对比上面多次实验结果，当 KC =2， TI =0.5，TD =0.1 时，控制效果最佳。
对比 1、2、3 组实验数据，比例系数 KC 越大，控制作用越强，抑制超调量， 缩短调节时间。但是 KC 过大，容易引起被控量的振荡，使闭环系统部稳定。
在静态时， Qi
QO
，
dh dt
0 ，当 Qi
变化时， h 、 QO
也将发生变化，由
流体力学可知，流体在紊流情况下， h 与流量之间为非线性关系，为简化起
见，作线性化处理。近似认为 QO 与 h 在工作点附近成正比，而与出水阀的阻
力 R2 （称为液阻）成反比，即
h QO R2
或
h R2 Q0
②
u(k) 0时，u(k) 0 。
如果有误差，在后续中，我们人为的对误差进行补偿。分析高度传感器测量 的结果，比实际液位高度低大约 30cm。
实验三 系统动态特性的测试
一、实验目的
学习单容对象动态特性的实验测定方法。
二、实验要求
通过实验的方法建立液位对象的过程数学模型。
三、实验步骤
利用液位对象的液位与输出流量的关系建立其模型
⑴ 测试系统结构如图 3-1 所示。
四、思考题
1、在控制过程中遇到了哪些问题，你是如何解决的？为了提高控制效果，你在 控制算法上还采取了哪些措施？
答：在实验中，我们组的液位传感器的测量有较大误差，机内转换高度与实测值
相差大约在 30mm，所以对液位传感器的测量值进行误差补偿。由于我们先前学
习的是计算机语言室 C++，本次编程用的是 C 语言，我们实验过程中遇到一些
液位设定值 —
液位调节器
流量阀
水箱
实际液位值
液位检测变送器
3、根据液位对象的数学模型，选择系统的采样周期
TS 0.5s 4、运用经验法确定数字调节器的参数
实验次数
调节器Байду номын сангаас数
KC
TI
TD
1
0.5
1
0.1
2
1
1
0.1
3
2
1
0.1
4
2
2
0.1
5
2
0.5
0.1
6
2
0.5
0.5
性能指标
0 0
tS
21
12m
16
编程语言方面的问题，在同学和老师的帮助下解决了。 为了提高控制效果，我们小组采用了增量式ＰＩＤ控制算法。可以适当减 小
超调量，提高系统的稳定性，增量只与最近几采样值有关，容易获得较好的控制
效 果 。 另 外 ， 采 用 了 过 限 削 弱 积 分 法 ， 及 当 u(k) 10 时 ， u(k) 10 ， 当
15
传感器输出电压（伏）
0.77
A/D 口测量电压 (伏)
0.78
机内转换温度（度）
15.6
相对误差（%）
4
3、流量传感器的测试数据如下表：
脉冲数（个/秒）
278
274
264
256
270
流量（l/min）
3.74
3.68
3.57
3.47
3.64
4、比例阀的控制实验数据如下表：
控制量（伏）
0
2.5
测量值（伏）
其中水箱的截面积 A 190mm175mm 。
W(S)
200
6650000S 1
四、思考题
1、分析可能造成模型不准确的原因。
答：造成模型不准确的原因有可能有：液位传感器的准确度不高；流量传感 器
的准确度不高；为简化模型进行线性化处理带来的误差等。
实验四 液位单回路控制系统的设计及参数整定
一、实验目的
h (mm)
QO （l/min）
120
2.67
160
2.84
200
3.05
240
3.28
R2 (240 200 ) /(3.28 3.05) 173.9(mm min/ l) R2 (200 160) /(3.05 2.84) 190.5(mm min/ l) R2 (160 120) /(2.84 2.67) 235.3(mm min/ l) R2 200 (mm min/ l)
过程控制实验报告 实验二 传感器、执行器实验
一、实验目的 了解传感器、执行器的工作原理，掌握它们在实际过程控制中的应用。
二、实验要求 编程实现系统液位、温度、流量等模拟量的数据采集以及比例阀开度的控制。
三、实验步骤
1、液位传感器的测试
水箱内按要求注入不同高度的纯净水，测量数据填表如下：
高度 输出
250 mm 200 mm 150 mm 100 mm
对比 5、6、7 组实验数据，没有明显看出积分控制作用对系统性能的影响。 书本上说微分是按偏差的变化控制的，能够提高系统的稳定性，抑制超调。
计算机
进水
LT
FT
x
出水
图 3-1 利用液位—输出流量关系建立模型的实验原理图
⑵ 原理
对于液位系统，根据动态物料平衡关系有
Qi
QO
A dh dt
①
式中： Qi —输入流量； QO —输出流量；
h —液位高度； A—水箱截面积；
Qi 、 QO 、 h 分别为偏离某一平衡状态 Qi0 、 QO0 、 h0 的增量。
掌握过程计算机控制系统的单回路控制方式。 二、实验要求
设计单容水箱的液位单回路控制系统，实现液位的定值控制，并对系统进行 参数整定。 三、实验内容
1、按照图 4-1，在组合式实验装置上通过选择管路，构造液位单回路控制系 统。
计算机
进水
M
LI
出水
图 4-1 液位单回路控制系统原理图
2、画出液位单回路控制系统方框图。
0.00
2.50
相对误差（%）
０
0
5
7.5
10
5.01
7.52
10.03
0.2
0.2７
0.3
四、思考题 1、用传感器测量过程变量的准确性如何？如果有误差，可以采取什么方法进行
修正？ 答：用传感器测量过程变量中，液位测量的数值误差较大；流量传感器的测量值 由于没有理论值相比较，所以不知道传感器的测量准确性如何；温度传感器 的 测量结果与实际温度相差不大。用 PCL-812PG 板卡的 D/A 口向比例阀输出的控 制电压值与实际测量的误差很小。
由①、②，消去中间变量 QO ，再求拉氏变换得 单容液位过程的传递函数为：
W (S) H (S) R2 K
③
Qi (S) R2 AS 1 TS 1
⑶ 关闭所有出水阀，向水箱内注水至 260mm 左右，然后按图 3-1 将出水 阀旋开至适当位置，测量给定液位高度所对应的流量值，填入下表。并根据 式③求液位对象的模型。
万用表测量值（伏） 2.77
2.09
1.48
0.89
50 mm 0.30
A/D 口测量值 (伏)
2.87
2.19
1.41
0.83
0.36
机内转换高度（mm） 221.5
175.4
112.9
66.8
28.9
相对误差（%）
11.4
12.3
24.7
33.2
42.2
2、温度传感器的测试数据如下表：
温度计（度）
8m40s
10
4m8s
15
5m
7.8
2m52s
7.3
4m20s
7
2
0.5
0.2
8.3
3m57s
对于选择调节器参数 KC 、 TI 和 TD 值，对比上面多次实验结果，当 KC =2， TI =0.5，TD =0.1 时，控制效果最佳。
对比 1、2、3 组实验数据，比例系数 KC 越大，控制作用越强，抑制超调量， 缩短调节时间。但是 KC 过大，容易引起被控量的振荡，使闭环系统部稳定。
在静态时， Qi
QO
，
dh dt
0 ，当 Qi
变化时， h 、 QO
也将发生变化，由
流体力学可知，流体在紊流情况下， h 与流量之间为非线性关系，为简化起
见，作线性化处理。近似认为 QO 与 h 在工作点附近成正比，而与出水阀的阻
力 R2 （称为液阻）成反比，即
h QO R2
或
h R2 Q0
②
u(k) 0时，u(k) 0 。
如果有误差，在后续中，我们人为的对误差进行补偿。分析高度传感器测量 的结果，比实际液位高度低大约 30cm。
实验三 系统动态特性的测试
一、实验目的
学习单容对象动态特性的实验测定方法。
二、实验要求
通过实验的方法建立液位对象的过程数学模型。
三、实验步骤
利用液位对象的液位与输出流量的关系建立其模型
⑴ 测试系统结构如图 3-1 所示。
四、思考题
1、在控制过程中遇到了哪些问题，你是如何解决的？为了提高控制效果，你在 控制算法上还采取了哪些措施？
答：在实验中，我们组的液位传感器的测量有较大误差，机内转换高度与实测值
相差大约在 30mm，所以对液位传感器的测量值进行误差补偿。由于我们先前学
习的是计算机语言室 C++，本次编程用的是 C 语言，我们实验过程中遇到一些
液位设定值 —
液位调节器
流量阀
水箱
实际液位值
液位检测变送器
3、根据液位对象的数学模型，选择系统的采样周期
TS 0.5s 4、运用经验法确定数字调节器的参数
实验次数
调节器Байду номын сангаас数
KC
TI
TD
1
0.5
1
0.1
2
1
1
0.1
3
2
1
0.1
4
2
2
0.1
5
2
0.5
0.1
6
2
0.5
0.5
性能指标
0 0
tS
21
12m
16
编程语言方面的问题，在同学和老师的帮助下解决了。 为了提高控制效果，我们小组采用了增量式ＰＩＤ控制算法。可以适当减 小
超调量，提高系统的稳定性，增量只与最近几采样值有关，容易获得较好的控制
效 果 。 另 外 ， 采 用 了 过 限 削 弱 积 分 法 ， 及 当 u(k) 10 时 ， u(k) 10 ， 当
15
传感器输出电压（伏）
0.77
A/D 口测量电压 (伏)
0.78
机内转换温度（度）
15.6
相对误差（%）
4
3、流量传感器的测试数据如下表：
脉冲数（个/秒）
278
274
264
256
270
流量（l/min）
3.74
3.68
3.57
3.47
3.64
4、比例阀的控制实验数据如下表：
控制量（伏）
0
2.5
测量值（伏）
其中水箱的截面积 A 190mm175mm 。
W(S)
200
6650000S 1
四、思考题
1、分析可能造成模型不准确的原因。
答：造成模型不准确的原因有可能有：液位传感器的准确度不高；流量传感 器
的准确度不高；为简化模型进行线性化处理带来的误差等。
实验四 液位单回路控制系统的设计及参数整定
一、实验目的
h (mm)
QO （l/min）
120
2.67
160
2.84
200
3.05
240
3.28
R2 (240 200 ) /(3.28 3.05) 173.9(mm min/ l) R2 (200 160) /(3.05 2.84) 190.5(mm min/ l) R2 (160 120) /(2.84 2.67) 235.3(mm min/ l) R2 200 (mm min/ l)
过程控制实验报告 实验二 传感器、执行器实验
一、实验目的 了解传感器、执行器的工作原理，掌握它们在实际过程控制中的应用。
二、实验要求 编程实现系统液位、温度、流量等模拟量的数据采集以及比例阀开度的控制。
三、实验步骤
1、液位传感器的测试
水箱内按要求注入不同高度的纯净水，测量数据填表如下：
高度 输出
250 mm 200 mm 150 mm 100 mm