单容水箱液位控制
实验五、单容水箱液位PID控制实验(DCS)
实验五、单容水箱液位PID控制实验(DCS)一、实验目的1）、熟悉单容水箱液位反馈PID控制系统硬件配置和工作原理。
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控制器参数对单容系统控制性能的影响。
二、实验设备CS4000型过程控制实验装置，DCS系统、 PC机，监控软件。
三、实验原理一阶单容水箱PID控制方框图图为单回路上水箱液位控制系统。
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EPA系统控制。
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下图中的曲线①、②、③所示。
P、PI和PID 调节的阶跃响应曲线四、实验步骤(1)关闭出水阀,将CS4000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。
单容水箱液位pid控制实验报告
单容水箱液位pid控制实验报告实验报告：单容水箱液位PID控制实验实验目的：本实验旨在通过PID控制器对单容水箱的液位进行控制，验证PID控制算法在液位控制中的应用效果，并了解PID控制器参数调节的方法和影响因素。
实验装置和仪器：1. 单容水箱：用于存放水并模拟液位变化。
2. 液位传感器：用于实时监测水箱的液位。
3. 控制器：采用PID控制器，用于调节水箱液位。
4. 电源和信号线：提供电力和信号传输。
实验步骤：1. 将水箱与液位传感器连接，并确保传感器能够准确测量液位。
2. 将PID控制器与液位传感器连接，建立控制回路。
3. 设置PID控制器的参数，包括比例系数（P）、积分时间（I）和微分时间（D）。
4. 将控制器调至手动模式，并将控制器输出设定值调整为合适的初始值。
5. 开始实验，记录初始液位和控制器输出设定值。
6. 观察液位的变化，并记录实时液位值。
7. 根据液位变化情况，调整PID控制器的参数，使液位尽可能接近设定值。
8. 结束实验，记录最终液位和控制器参数。
实验结果：通过实验，我们得到了如下的结果和观察：1. PID控制器的参数调节对液位控制有重要影响，不同的参数组合会导致液位的不同响应和稳定性。
2. 比例系数P的增大可以增加控制器对液位误差的敏感程度，但过大的P值可能引起震荡或超调。
3. 积分时间I的增大可以减小稳态误差，但过大的I值可能导致震荡或系统不稳定。
4. 微分时间D的增大可以提高系统的动态响应速度，但过大的D值可能引起噪声干扰或导致系统不稳定。
5. 通过逐步调整PID控制器的参数，我们可以实现较好的液位控制效果，使液位尽可能接近设定值并保持稳定。
结论：本实验通过PID控制器对单容水箱的液位进行控制，验证了PID控制算法在液位控制中的应用效果。
通过逐步调整PID控制器的参数，我们可以实现较好的液位控制效果，并使液位保持稳定。
实验结果表明，PID控制器的参数调节对液位控制有重要影响，需要根据实际情况进行调整和优化。
单容量水箱液位pid控制实验报告
单容量水箱液位pid控制实验报告一、实验目的本实验旨在通过单容量水箱液位pid控制实验，掌握PID控制器的基本原理及其在工程中的应用，熟悉液位传感器的使用方法，了解单容量水箱液位pid控制系统的组成和工作原理。
二、实验原理1. PID控制器PID控制器是一种用于工业过程自动化控制的常见算法。
PID是Proportional-Integral-Derivative（比例-积分-微分）三个英文单词的缩写。
PID算法通过对过程变量进行采样和比较，计算出误差，并根据误差大小进行调整。
其中比例项P、积分项I和微分项D分别代表了对过程变量偏差大小、偏差持续时间以及偏差变化率的反馈调整。
2. 液位传感器液位传感器是一种用于测量液体或固体物料高度或深度的设备。
常见的液位传感器有浮球式、压力式、电容式等多种类型。
本实验中采用电容式液位传感器进行测量。
3. 单容量水箱液位pid控制系统单容量水箱液位pid控制系统由水箱、液位传感器、PID控制器和执行机构（如电磁阀）组成。
系统的工作原理是：液位传感器采集水箱内的液位信号，将其转换为电信号并传输给PID控制器；PID控制器通过比较设定值和实际值之间的误差，输出相应的控制信号给执行机构，使其调节水箱内的水流量，从而维持水箱液位稳定在设定值。
三、实验步骤1. 搭建实验装置将单容量水箱与电磁阀、电容式液位传感器等连接起来，组成完整的单容量水箱液位pid控制系统。
2. 设置PID参数根据实际情况，设置合适的PID参数。
其中比例系数Kp、积分系数Ki 和微分系数Kd需要进行适当调整以达到最佳效果。
3. 进行实验测试将设定值设置为一定值，并记录下当前的反馈值。
根据反馈值计算出误差，并通过PID控制器输出相应的调节信号给执行机构。
随着时间的推移，观察液位是否能够稳定在设定值附近。
4. 调整PID参数如果发现液位不能够稳定地保持在设定值附近，需要对PID参数进行适当调整。
可以通过增大或减小比例系数、积分系数和微分系数来调整系统的响应速度和稳定性。
单容水箱液位控制报告
湖南工程学院系统综合训练报告液位课题名称控制系统专业班级名姓号学指导教师目录一概述 (1)二硬件介绍说明 (4)2.1电动调节阀 (4)2.2扩散硅压力液位变送器 (5)2.2扩散硅压力液位变送器 (5)2.4远程数据采集模块ICP-7017、ICP-7024面板 (5)三．软件介绍说明 (7)3.1工艺流程 (7)3.2制作总体回路 (8)3.2制作总体回路 (9)调试结果与调试说明………………………………………11四．4.1调试说明： (11)4.2调试结果 (12)五．实训心得………………………………………………………12．第章系统总体方案1在工业生产过程中，液位贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲器、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡。
因此，工艺要求贮槽内的液位需维持在给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出。
例如，锅炉系统汽包的液位控制，自流水生产系统过滤池、澄清池水位的控制等等。
根据课题要求，设计一个单容水箱的液位过程控制系统，该系统能对一个单容水箱液位的进行恒高度控制。
单容水箱是个比较简单的控制系统，因为在该设计中，只要控制一个液位的高度，初步设计采用水泵恒定抽水，改变电动调节阀的开度来控制水的流量从而控制水箱液位的高度。
本设计选用压力传感器对液位高度进行测量，将测量的值与系统的给定值进行比较，来确定阀的开度。
被控参数的选择1.1根据设计要求可知，水箱的液位要求保持在一恒定值。
所以，可以直接选取水箱的液位作为被控参数。
控制参数的选择1.2影响水箱液位有两个量，一是流入水箱的流量。
二是流出水箱的流量。
调节这两个流量的大小都可以改变液位高低，这样构成液位控制系统就有两种控制方案。
对两种控制方案进行比较，假如系统在停电或者失去控制作用时，第一种通过控制水箱的流入量的方案将出现的情况是：水箱的水将流干；第二种通过控制水箱的流出量的方案则会形成水长流或者水溢出的情况，因此，选择流入量作为控制参数更加合理。
单容水箱液位控制系统的设计
单容水箱液位控制系统辨识一、单容水箱液位控制系统原理单容水箱液位控制系统是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动 的影响。
单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般 生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。
图 1-1为单容水箱液位控制系统方块图。
当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的 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，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常 工作。
因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个 很重要的实际问题。
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。
图1-2是单容液位控制系统结构图GK-07图i-i 单容水箱液位控制系统的方块图系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定 值无偏差存在。
图1-2是单容水箱液位控制系统结构图。
一般言之，具有比例（P ）调节器的系统是一个有差系统，比例度3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。
比例积分电帖泵204上水箱（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3, Ti选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。
图1-2单容液位控制系统结构图比例积分微分（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）。
在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图1-3中二、单容水箱液位控制系统建模2.1液位控制的实现液位控制的实现除模拟PID调节器外，可以采用计算机PID算法控制。
首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过单片机进行A/D转换,变成数字信号后，被输入计算机中；最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值传送到单片机中，由单片机将数字信号转换成模拟信号。
单容水箱液位pid控制系统实验报告
单容水箱液位pid控制系统实验报告本次实验以单容水箱液位PID控制系统为研究对象，通过实验来探究PID控制系统在单容水箱液位控制中的应用。
实验采用的硬件设备包括一台多功能数据采集仪、一个电动水泵、一个水箱、一个液位传感器以及一台电脑。
液位传感器负责实时监测水箱的液位高度，然后将液位信号传输给多功能数据采集仪，再通过电脑处理分析数据。
电动水泵负责将水加入到水箱中，实现液位的上升。
在实验中我们需要采用PID控制算法对液位进行控制。
PID控制器是由比例控制器（P）、积分控制器（I）和微分控制器（D）三个部分组成的一种常见的控制算法。
比例控制器根据当前偏差值来进行控制，积分控制器主要解决由于比例控制器的积累误差，使系统达到静态稳态的需求，微分控制器则是对系统输出信号的变化率进行调整，在系统响应速度方面起到了重要的作用。
PID控制器综合了三种控制器的优点，因此在工业自控领域中得到了广泛的应用。
在实验的开始，我们首先需要计算PID控制参数，包括比例系数Kp、积分时间Ti和微分时间Td。
计算出这些参数之后，我们需要将它们输入到控制器中，使得控制器能够根据当前的液位值来进行控制。
实验过程中，需要适当控制电动水泵的运行时间和运行速度，使得液位能够平稳地上升，同时又不超过设定的上限值。
在实验中，我们首先对比例系数进行了调整。
我们发现当比例系数过大时，液位的波动会变得非常剧烈，表现为液位的快速上升和下降。
当比例系数过小时，系统的响应速度将会比较慢，导致液位不能够很好地达到设定值。
通过实验我们调整了比例系数，使得液位能够更加稳定地上升，并且在液位接近设定值时，系统能够迅速地响应。
我们也对积分时间和微分时间进行了调整，并且通过分析实验数据，我们最终确定了比例系数为1.8、积分时间为0.2秒和微分时间为0.1秒。
通过本次实验，我们深入了解了PID控制系统在单容水箱液位控制中的应用，也体验了PID控制系统参数调整的过程。
我们相信，在实际工程中，PID控制系统的应用会带来更大的效益。
单容水箱单回路液位控制工艺流程简介
单容水箱单回路液位控制工艺流程简介下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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单容水箱液位组态控制实验报告
4 单容水箱液位组态控制实验报告学院：自动化学院班级：学号：姓名:单容水箱液位组态一．实验目的：1.熟悉单容水箱液位调节阀PID 控制系统工作原理2.熟悉单用户项目组态过程3.掌握WINCC 画面组态设计方法4.掌握WINCC 过程值归档的组态过程5.掌握WINCC 消息系统的组态过程6.掌握WINCC 报表系统的组态过程二：单容水箱实验原理1、实验结构介绍水流入量Qi 由调节阀u 控制，流出量Qo 则由用户通过闸板开度来改变。
被调量为水位H 。
分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。
直接在调节阀上加定值电流，从而使得调节阀具有固定的开度。
(可以通过智能调节仪手动给定，或者AO 模块直接输出电流。
)调整水箱出口到一定的开度。
突然加大调节阀上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型。
通过物料平衡推导出的公式：μμk Q H k Q i O ==,那么 )(1H k k Fdt dH -=μμ， 其中，F 是水槽横截面积。
在一定液位下，考虑稳态起算点，公式可以转换成μμR k H dtdH RC =+。
公式等价于一个RC 电路的响应函数，C=F 就是水容，k H R 02=就是水阻。
给定值 图4-1单容水箱液位数学模型的测定实验如果通过对纯延迟惯性系统进行分析，则单容水箱液位数学模型可以使用以下S 函数表示： )1()(0+=TS S KR S G 。
相关理论计算可以参考清华大学出版社1993年出版的《过程控制》，金以慧编著。
2、控制系统接线表测量或控制量 测量或控制量标号使用PLC 端口 使用ADAM 端口下水箱液位 LT103 AI0 AI0调节阀FV101 AO0 AO03参考结果单容水箱水位阶跃响应曲线，如图4-2所示：图4-2 单容水箱液位飞升特性此时液位测量高度184.5 mm ，实际高度184.5 mm -3.5 mm =181 mm 。
实际开口面积5.5x49.5=272.25 mm²。
单容液位特性实验和单容液位控制实验
单容液位特性实验一、实验目的1、掌握单容水箱的阶跃响应测试方法；2、记录相应的响应曲线；二、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，不需要操作人员或设备等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。
水箱的结构和特性。
水箱的出水量与水压油罐，而水压又与水位高度近乎成正比。
这样，当水箱的水位升高时，其出水量也在不断增大，所以，水箱的阀开度适当，在不溢出的状况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。
三、实验步骤将水箱1的进水阀全开，出水阀开30%，其他阀门全关。
1、点击“PCS-A-PPL-MCG”2、mm:12343、点击“进入运行环境”4、“系统管理”，用户登录(无密码)5、“特性实验”---“单容特性”6、“阀门开度”设定为60或者707、达到平衡时，测量值不变，记录测量值8、给系统一个扰动(增大阀门开度或者调解出水阀)，待系统达到一个新的平衡后，记录测量值9、实验结束四、实验报告1、原始记录阀门开度60----对应的测量值----达到平衡时的液位高度阀门开度65----对应的测量值----达到平衡时的液位高度2、数据处理作图：测量值与实间的变化曲线思考题与习题1．做本实验时，为什么不能任意改变出水阀F1-9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？单容液位控制实验一、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解参数的方法3、了解PID调节器对液位、水压控制的作用二、实验原理单容水箱控制系统是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所需求的高度，并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。
本实验以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，采用PID算法控制。
首先由差压传感器检测出水箱水位，水位实际值通过DDC单元转换，变成数字信号后，被输入计算机中，最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID 程序算法得到输出值，再将输出值经过转换，由DDC控制单元输入模拟信号控制阀门开度，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机控制。
单容水箱液位定值控制实验
单容水箱液位定值控制实验
一、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。
二、实验设备
A3000现场系统，任何一个控制系统，万用表
三、实验原理
1、控制系统结构
单容水箱液位定值(随动)控制实验，定性分析P, PI，PD控制器特性。
控制逻辑如图5-4所示：
水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变。
被调量为水位H。
使用P,PI , PID控制，看控制效果，进行比较。
控制策略使用PI、PD、PID调节。
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。
2、控制系统接线表
测量或控制量测量或控制量标
号
使用PLC端
口
使用ADAM端
口
下水箱液位LT103 AI0 AI0 调节阀FV101 AO0 AO0。
单容水箱液位PID控制系统
单容水箱液位PID 控制系统一、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、研究系统分别用P 、PI 和PID 调节器时的阶跃响应。
3、研究系统分别用P 、PI 和PID 调节器时的抗扰动作用。
4、定性地分析P 、PI 和PID 调节器的参数变化对系统性能的影响。
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台)2、万用表一只3、计算机系统三、实验原理1、单容水箱液位控制系统图7-1、单容水箱液位控制系统的方块图图7-1为单容水箱液位控制系统。
这是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。
单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。
当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的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，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。
因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。
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。
图7-2单容液位控制系统结构图 系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定值无偏差存在。
一般言之，具有比例（P ）调节器的系统是一个有差系统，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t(s)T( c).10e ss231参数δ，Ti选择合理，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）。
单容水箱液位控制系统实验设计
单容水箱液位控制系统实验设计【摘要】通过对单容水箱液位控制系统特性的测试掌握单容水箱阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线。
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。
【关键词】单容水箱；液位控制；数字模型1.单容水箱液位控制系统组成本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。
系统动力支路分两路：一路由三相（380V交流）磁力驱动泵、气动调节阀、直流电磁阀、PA电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。
1.1被控对象被控对象由不锈钢储水箱、圆筒形有机玻璃水箱和敷塑不锈钢管路组成。
水箱：包括上水箱和储水箱。
上水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直能接观察到液位的变化和记录结果。
分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。
管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。
有效提高了实验装置的使用年限。
其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀打开让水直接排出。
1.2检测装置压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。
1.3执行机构调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。
它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等。
水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。
泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。
可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。
输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。
电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。
单容水箱液位控制系统的设计
单容水箱液位控制系统的设计水箱液位控制系统是指利用传感器等技术手段实时监测水箱液位，并通过控制装置调节供水和排水流量，使水箱的液位保持在设定的范围内的系统。
1.系统组成(1)传感器：负责实时监测水箱液位，常用的传感器有浮球传感器、电阻传感器、超声波传感器等。
传感器要具有高精度、稳定性好、可靠性高等特点。
(2)控制装置：根据传感器反馈的液位信号，控制水泵或排水装置，调节供水和排水流量，使水箱液位保持在设定的范围内。
控制装置可以采用微控制器、PLC等。
(3)供水装置：负责向水箱供水，可以是普通水泵、恒压供水设备等。
供水装置的选型要考虑流量、扬程等参数。
(4)排水装置：负责将多余的水排出水箱，可以是排水泵、电磁阀等。
排水装置的选型要考虑排水能力、响应时间等参数。
(5)控制面板：提供操作和显示功能，用于设定液位控制的参数和实时显示液位情况。
2.系统原理(1)运行原理：系统根据设定的最低液位和最高液位，当液位低于最低液位时，控制装置开启供水装置；当液位高于最高液位时，控制装置开启排水装置。
当液位处于最低液位和最高液位之间时，控制装置停止供水和排水装置。
(2)至空调和给排水系统的作用：当液位低于最低液位时，系统将启动供水装置，为空调系统提供水源；当液位高于最高液位时，系统将启动排水装置，将多余的水排出，保证水箱不溢出。
3.系统设计要点(1)传感器的选择：根据实际情况选择不同类型的传感器。
传感器的安装位置要合理，避免水箱漏水或传感器受到污染。
(2)控制装置的设计：根据传感器反馈的液位信号，计算控制装置的输出信号，控制供水和排水装置的运行。
要考虑控制装置的响应时间、动作准确性等参数。
(3)供水装置和排水装置的选型：选型要根据水箱的容量和液位控制需求确定。
要考虑流量、扬程、动力源等因素。
(4)安全保护措施：系统应具备过液位保护、过流量保护、电源故障保护等功能，确保系统的安全可靠性。
(5)控制面板的设计：控制面板应具有操作简便、参数设定方便、实时显示液位等功能。
单容水箱液位控制系统设计
单容水箱液位控制系统设计一、引言单容水箱液位控制系统是一种常见的工业自动化控制系统。
它主要用于监测和控制水箱的液位，确保水箱中的液位保持在特定的范围内。
本文将介绍单容水箱液位控制系统的设计原理、硬件电路设计、软件设计以及系统测试和实施。
二、设计原理1.传感器模块传感器模块用于监测水箱中的液位。
一种常用的传感器是浮球传感器，它随着液位的变化而移动，从而输出不同的电信号。
传感器模块将传感器输出的信号转换为数字信号，并传送给控制器模块进行处理。
2.控制器模块控制器模块是整个系统的核心，它接收传感器模块传来的信号，并根据预设的液位范围进行判断和控制。
控制器模块通常使用单片机或者嵌入式系统来实现。
它可以通过开关控制执行器模块的工作状态，以调节水箱的液位。
3.执行器模块执行器模块用于控制水箱的进水和排水。
在液位过低时，执行器模块打开水泵，使水箱进水；在液位过高时，执行器模块关闭水泵，使水箱排水。
执行器模块可以采用继电器、驱动电机等元件来实现。
三、硬件电路设计1.传感器模块传感器模块将传感器的信号转换为数字信号。
可以使用模拟到数字转换器（ADC）将传感器输出的模拟电压转换为数字信号，然后通过串口等方式传送给控制器模块。
2.控制器模块控制器模块可以使用单片机或者嵌入式系统来实现。
它需要包括输入接口、控制逻辑和输出接口。
输入接口负责接收传感器模块传来的信号，控制逻辑通过判断液位范围来控制执行器模块的工作状态，输出接口负责向执行器模块发送控制信号。
3.执行器模块执行器模块根据控制器模块的信号控制水箱的进水和排水。
可以使用继电器或驱动电机等元件来实现。
进水时，可以通过开启水泵或开启电磁阀等方式；排水时，可以通过关闭水泵或关闭电磁阀等方式。
四、软件设计软件设计主要包括控制器模块的程序设计。
程序需要实时监测传感器模块的信号，并根据预设的液位范围进行判断和控制。
可以使用状态机或者PID控制算法来实现。
1.状态机状态机通过定义不同的状态和状态转移条件来实现控制逻辑。
单容水箱液位控制实验报告
单容水箱液位控制实验报告单容水箱液位控制实验报告一、引言液位控制是自动化领域中一个重要的研究课题。
在许多工业领域，如化工、石油、食品等，液位的准确控制对生产过程的稳定性和安全性至关重要。
本实验旨在通过搭建一个单容水箱液位控制系统，探究液位控制的原理和方法，并验证控制系统的性能。
二、实验装置及原理1. 实验装置本实验采用的实验装置包括：单容水箱、液位传感器、控制器、执行器和数据采集系统。
2. 原理介绍液位传感器通过测量液位高度将其转换为电信号，并传输给控制器。
控制器根据接收到的信号，通过控制执行器的开关状态，调节水箱进出水的流量，以达到控制液位的目的。
数据采集系统用于记录和分析实验数据。
三、实验步骤1. 搭建实验装置首先，将液位传感器安装在水箱内部，并连接到控制器。
接下来，连接执行器和控制器，并确保所有连接线路正确无误。
最后，将数据采集系统与控制器连接，确保数据采集的准确性。
2. 系统校准在实验开始之前，对液位传感器进行校准。
校准的目的是确定液位传感器输出信号与实际液位之间的关系，以确保控制系统的准确性。
3. 进水控制实验将水箱放置在合适的位置，并将进水管道连接到水箱。
打开进水阀门，控制器开始接收液位传感器的信号，并根据设定的目标液位调节进水阀门的开关状态。
记录下实验过程中的液位变化情况。
4. 出水控制实验将出水管道连接到水箱，并打开出水阀门。
控制器根据液位传感器的信号，控制出水阀门的开关状态，以维持设定的目标液位。
同样，记录下实验过程中的液位变化情况。
四、实验结果与分析通过实验数据的记录和分析，我们可以得出如下结论：1. 进水控制实验在进水控制实验中，我们观察到当液位低于目标液位时，控制器打开进水阀门，增加水箱内的水量；当液位高于目标液位时，控制器关闭进水阀门，减少水箱内的水量。
实验结果表明，控制系统能够有效地调节进水流量，使液位保持在目标值附近。
2. 出水控制实验在出水控制实验中，我们观察到当液位低于目标液位时，控制器关闭出水阀门，减少水箱内的出水量；当液位高于目标液位时，控制器打开出水阀门，增加水箱内的出水量。
单容水箱液位pid控制系统实验报告
单容水箱液位pid控制系统实验报告一、实验目的本实验旨在设计并实现一个单容水箱液位PID控制系统，通过对水箱液位的测量和控制，达到稳定控制水箱液位的目的。
二、实验原理1. 液位测量原理：利用浮球开关检测水箱内部液位高度，并将其转换为电信号输出。
2. PID控制原理：PID控制器是一种经典的控制算法，它根据当前误差、误差变化率和误差积分值来计算输出信号，从而调节被控对象的状态。
三、实验步骤1. 设计电路：根据所需控制系统的功能要求，设计出相应的电路图。
本实验采用Arduino开发板作为主要控制器，通过连接电路板上的传感器和执行器来完成液位测量和PID调节功能。
2. 编写程序：在Arduino开发环境中编写程序代码。
首先需要进行传感器数据采集和处理，然后根据PID算法计算出输出信号，并将其发送到执行器上进行调节。
3. 调试系统：在完成硬件连接和程序编写后，需要对系统进行调试。
首先进行传感器测试，确保能够准确地检测到液位高度，并将其转换为电信号输出。
然后进行PID算法测试，通过手动调节控制器的参数，观察系统的响应情况，并逐步优化控制器的参数。
4. 实验结果：通过实验验证，本设计的单容水箱液位PID控制系统能够准确地检测到水箱内部液位高度，并能够根据设定值进行自动调节。
在实验过程中，我们不断优化控制器的参数，最终实现了稳定控制水箱液位的目标。
四、实验总结本实验通过设计和实现单容水箱液位PID控制系统，深入了解了传感器数据采集、PID算法计算和执行器控制等相关知识。
在实验过程中，我们遇到了很多问题，但通过不断尝试和优化，最终成功完成了任务。
这次实验对我们的学习和提高有很大帮助，在今后的学习和工作中也将会有所裨益。
单容水箱水位控制
单容水箱是一个自衡系统，自衡调节过程比较缓慢，液位很难达到预期值。
加入闭环调整后，系统的性能有所改善。
但是，实际过程中往往要求要求水箱系统超调小、响应快、稳态误差小。
并且要求水箱在一定扰动下，即出水阀门打开后，液位能够平稳、快速、准确地恢复到一个恒定值。
因此，在水箱液位控制过程中引入PID调节。
原理图：单容水箱液位闭环控制系统系统闭环结构框图：系统闭环机构框图电位器模型：通过杠杆原理将液面高度与电压的关系联系起来，且两者的关系为正比关系。
假设h 为液位的增量，u为电位器电压，则电位器传递函数为电动机及减速器模型：假设:Lα为电机电感，Rα为电枢电阻，iα为电枢电流，Eα为电枢反电势，C e为电枢反电势系数, ω为电机轴的角速度, J m为电机和负载的转动惯量, f m为电机和负载的黏性摩擦系数，M m为电机产生的主动力力矩，M e为负载力矩，C m为电机转矩系数，θ为电机轴转过角度，b 为调节阀开度增量。
电枢回路电压平衡方程：电动机轴上的转矩平衡方程：电磁转矩方程：整理得对上式取拉氏变换，设初始条件为零，得到电机传递函数为设减速器减速比为K S,则减速器传递函数为则电机及减速器传递函数为其中，调节阀与水箱模型假设: Q i为输入水流量的稳态值，q i为输入水流量的增量，Q0为输出水流量的稳态值，q0为输出水流量的增量，H为液位高度，H0为液位稳态值，S为水箱横截面积，R为流出端负载阀门的阻力即液阻(液位的变化量/出料流量的变化量)，K u为阀门流量系数。
假设初始时刻处于平衡状态: Q0=Q i，h=H0。
在dt时间内，水箱内水量变化为(q i-q0)dt=Sdh当调节阀压差不变时，有q i=K u b输出水流量Q与液位高度H的关系为，这是一个非线性关系式，在平衡点(H0,Q0)附近进行线性化，得整理得经整理得，系统的开环传递函数为假设K1=0.5，K2=1，K3=1，T2=0.5，T3=3，则系统开环传递函数为水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。
单容水箱液位控制系统设计
单容水箱液位控制系统设计一、引言水箱是常见的储水设备，广泛应用于家庭、工业和农业等领域。
为了保证水箱的水位稳定和安全，需要设计一种液位控制系统来监测和控制水箱的液位。
本文将介绍一个单容水箱液位控制系统的设计思路和实现方法。
二、系统设计思路1.系统功能要求2.系统组成液位传感器用于检测水箱的液位，并将检测到的液位信号传输给控制器。
控制器根据液位传感器的信号以及设定范围来判断蓄水或排水的需求，并通过控制阀门的开闭来实现液位的控制。
执行器是用于控制阀门开闭的装置，可以是电磁阀、电动阀或脚踏阀等。
人机界面用于显示水箱的液位信息和设置控制参数，可以是液晶显示屏或者计算机控制界面。
3.系统工作原理水箱液位控制系统的工作原理如下：当水箱液位低于设定范围的下限时，控制器会发送信号给执行器，使其打开阀门，进水进入水箱。
当水箱液位达到设定范围的上限时，控制器会发送信号给执行器，使其关闭阀门，停止进水进入水箱。
当水箱液位高于设定范围的上限时，控制器会发送信号给执行器，使其打开阀门，排水排出水箱。
当水箱液位低于设定范围的下限时，控制器会发送信号给执行器，使其关闭阀门，停止排水排出水箱。
三、系统实现方法1.液位传感器的选择与安装在单容水箱液位控制系统中，可以使用浮球式液位传感器或者压力式液位传感器。
浮球式液位传感器安装在水箱内部，通过浮球的上下运动来检测液位变化。
压力式液位传感器安装在水箱外部，通过测量水箱外部水压来间接推算液位变化。
2.控制器的设计与实现控制器可以使用微控制器或者可编程逻辑控制器（PLC）来实现。
控制器需要实现以下功能：（1）接收液位传感器的信号，并进行信号处理和滤波；（2）判断水箱液位是否低于设定范围的下限或高于设定范围的上限；（3）根据判断结果控制执行器的开闭。
3.执行器的选择与控制执行器可以根据具体需求选择合适的类型，如电磁阀、电动阀或脚踏阀。
执行器控制的开闭可以通过控制信号来实现。
4.人机界面的设计与实现人机界面可以使用液晶显示屏或者计算机控制界面来显示水箱的液位信息和设置控制参数。
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湖南工程学院课 程 设 计课程名称 专业综合课程设计 课题名称 单容水箱液位控制,专 业班 级学 号姓 名指导教师2014年6月23日湖南工程学院课程设计任务书/课程名称专业综合课程设计课题单容水箱液位控制专业班级学生姓名学号指导老师审批&任务书下达日期2014年6月23日任务完成日期2014年7月4日目录第1章设计目的 0第2章系统总体设计方案 (1)~液位控制的实现 (1)被控对象 (1)水箱建模 (1)第3章仪器设备 (4)控制器 (4)执行器 (4)检测变送 (4)第4章系统结构框图与工作原理 (6)课设原理说明 (6)PID控制原理 (6)*第5章MCGS组态软件设计 (8)第6章调试 (11)第7章课程总结 (12)第8章参考文献 (13)课程设计评分表 (14)"第1章设计目的课程设计旨在使学生在深入消化课堂教学内容的基础上，综合应用所学课程的基本原理与方法，解决实际设计与应用问题，提高学生分析问题与解决问题的能力，并在设计工作中，学会查阅资料、系统设计、调试与分析、撰写报告等，达到综合能力培养的目的。
1.根据自动控制系统的设计要求，学会方案比较和论证，初步掌握工程设计的基本方法；2.掌握各种变送器以及自动化仪表的工作原理和调校；3.掌握自动控制系统集成技术；4.掌握控制系统的通信技术，学会PCI数据采集卡或远程数据采集模块的应用；5.应用MCGS软件，学会控制算法的设计和调试；6.熟悉MCGS组态软件，学会监控界面、通信驱动程序等的设计；7.提高总结归纳、撰写设计报告的能力，应当规范、有条理、充分、清楚地论述设计内容和调试成果。
第2章系统总体设计方案液位控制的实现本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，选择了出水阀门作为控制系统的执行机构。
本设计首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过A/D转换器进行A/D转换，变成数字信号后，被输入计算机中；最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值传送通过D/A转换器转换成模拟信号,控制交流变频器，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。
被控对象本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。
单容水箱的流量特性：水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。
这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。
所以，若阀2V开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。
由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。
水箱建模这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱（图2-3）。
要对该对象进行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。
正如前面提到的，单容水箱是一个自衡系统。
根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。
设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。
若Q1作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h 与Q1 之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系有 12dhQ Q Cdt -= （2-1）将式（2-1）表示为增量形式12d hQ Q Cdt ∆∆-∆= （2-2）式中，1Q ∆、2Q ∆、h ∆——分别为偏离某一平衡状态10Q 、20Q 、0h 的增量；C ——水箱底面积。
在静态时，1Q =2Q ；dh dt =0；当1Q 发生变化时，液位h 随之变化，阀2V 处的静压也随之变化，2Q 也必然发生变化。
由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h 与流量之间为非线性关系。
但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为1Q ∆与h ∆成正比，而与阀2V 的阻力2R 成反比，即22h Q R ∆∆=或22h R Q ∆=∆ （2-3）式中，2R 为阀2V 的阻力，称为液阻。
将式（2-3）代入式（2-2）可得221d hR Ch R Q dt ∆+∆=∆ （2-4）在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：2012()()()11R H s K G s Q s R Cs Ts ===++ （2-5）式中，T=R2C 为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数。
令输入流量1()Q s =0/R s ，0R 为常量，则输出液位的高度为：000()(1)1/KR KR KR H s s Ts s s T ==-++ (2-6)即 10()(1)t Th t KR e -=- （2-7） 当t →∞时，0()h KR ∞= 因而有0()h K R ∞==输出稳态值阶跃输入（2-8）当t=T 时，则有100()(1)0.6320.632()h T KR e KR h -=-==∞ （2-9）式（2-7）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。
由式（2-9）可知该曲线上升到稳态值的%所对应的时间，就是水箱的时间常数T 。
该时间常数T 也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T 。
0.63h h h 图2-3 阶跃响应曲第3章仪器设备控制器直接数字控制(Direct Digit Control)，简称为DDC系统，是用一台计算机对被控参数进行检测，再根据设定值和控制算法进行运算，然后输出到执行机构对生产进行控制，使被控参数稳定在给定值上。
利用计算机的分时处理功能直接对多个控制回路实现多种形式控制的多功能数字控制系统。
主要模块：1：D/A模块：采用7024模块。
四路模拟输出，电流0～20mA，电压1~5V。
2：A/D模块：采用7017模块，八路模拟电压1~5V的输入3：通讯模块：采用485/232转换模块，转速极高，可长距离。
执行器电动调节阀案工作方式可以分为气动，电动，液动三种，本系统将采用电动调节阀为执行器。
电动调节阀电动调节阀的流量特性，是在阀两端压差保持恒定的条件下，介质流经电动调节阀的相对流量与它的开度之间关系。
接受驱动器信号（0-10V或4-20MA）来控制阀门进行调节，也可根据控制需要，组成智能化网络控制系统，优化控制实现远程监控。
水泵在水泵的出口装压力变送器，与变送器一起构成恒压供水系统。
检测变送液位传感器用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压强公式为：Ρ = ρ . + Po式中：P ：变送器迎液面所受压强ρ：被测液体密度g ：当地重力加速度Po ：液面上大气压H ：变送器投入液体的深度同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的Po ，使传感器测得压力为：ρ . ，显然, 通过测取压强P ，可以得到液位深度。
功能特点：1稳定性好，满度、零位长期稳定性可达%FS/ 年。
在补偿温度0 ～70 ℃范围内，温度飘移低于%FS ，在整个允许工作温度范围内低于%FS 。
2具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限流在35MA 以内。
3固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。
第4章系统结构框图与工作原理课设原理说明单容水箱液位定值控制系统如下：a) 系统结构图b)方框图图4-1 上水箱单容液位定值控制系统本实验系统结构图和方框图如图所示。
被控量为上水箱的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。
将压力传感器检测到的上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气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。
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。
PID控制原理一般，在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。
常规PID 控制系统原理框图如图3-1所示。
系统由模拟PID控制器和被控对象组成。
PID 控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差()()()e t r t c t =- (3-1) 将偏差的比例（P ）、积分（I ）和微分（D ）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID 控制器。
它的控制规律为()1()()()tD P I T de t u t K e t e t dt T dt ⎡⎤=++⎢⎥⎣⎦⎰(3-2)写成传递函数形式为()1()(1)()P D I U s G s K T s E s T s ==++ (3-3)式中 P K ——比例系数； I T ——积分时间常数； D T ——微分时间常数；图3-1 模拟PID 制系统原理框图第5章MCGS组态软件设计应用MCGS组态软件建立单容水箱液位定值控制系统，以下是部分组建过程：进入MCGS组态环境。
在菜单文件中选择新建工程菜单项，生成新建工程。
主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。
经过此步操作，即在MCGS 组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。
封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。
新建立工程，工程需存放在MCGS子目录WORK的目录下，否则工程无法运行。
添加对象元件：添加百分比填充构建，并修改其属性：添加按钮构建：工程组态好后，最终效果图如下：第6章调试1）给定设定值，利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调到等于给定值，观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可将调节器切换到纯比例自动工作状态（积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关”的位置）；2）固定比例度δ值，改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，使静差减小。
3）在PI调节器控制实验的基础上，调节微分，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线得到如下曲线适当改变上小水箱出水阀开度（改变负载）结果分析：稳定后的系统对于突发的扰动具有良好的跟随抵消作用，使系统在较快的时间内恢复液位的给定值，已达到较满意的控制目的。
第7章课程总结本次课程设计给我带来了不一样的收获。
短短两周的时间里，锻炼了我主动动手解决问题和设计性思维的能力，将理论应用于实践中确实并非易事，刚接触单容水箱液位控制这个课题的时候，感觉很简单，但在具体操作中还是遇到了不少问题，首先是MCGS组态软件的应用，由于不熟悉操作，进程缓慢，还有，就是对于过程控制的基础知识不扎实，在设计时出现各种各样的本可以避免的小错误。
接着，是拥有一定的编写报告的能力，感觉报告也是一个让人头疼的问题。
在这次基于MCGS组态软件的开发应用的课设中，单容水箱液位控制我们结合之前“过程控制”的课堂教学内容及实验经验，又进一步地设计工作、调试与分析，并一一解决了实际设计与应用问题。