简单控制系统投运与参数整定―水箱液位定值控制实验
试验三双容水箱液位定值控制系统试验-化工控制工程试验中心
试验三双容水箱液位定值控制系统试验-化工控制工程试验中心过程控制系统与工程实验指导书沈阳工业大学工程学院目录实验一单容自衡水箱液位特性测试实验 (3)实验二单容液位定值控制系统实验 (6)实验三双容水箱液位定值控制系统实验 (8)实验四水箱液位串级控制系统实验 (10)实验五下水箱液位前馈-反馈控制系统实验 (12)实验一单容自衡水箱液位特性测试实验一、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3.万用表一只三、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，依靠其自身重新恢复平衡的过程。
图1-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。
阀门F1-1、F1-2和F1-8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Q1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。
根据动态物料平衡关系有Q 1-Q 2=A dtdh (1-1) 将式(1-1)表示为增量形式ΔQ 1-ΔQ 2=Adt h d ? (1-2) 式中：ΔQ1，ΔQ2，Δh ——分别为偏离某一平衡状态的增量； A ——水箱截面积。
在平衡时，Q 1=Q 2，dtdh ＝0；当Q1发生变化时，液位h 随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。
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。
但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q2与h 成正比关系，而与阀F1-11的阻力R 成反比，即ΔQ 2=R h ? 或 R=2Q ??h (1-3) 式中：R —阀F1-11的阻力，称为液阻。
实验三 水箱液位串级控制系统实验
（实验三）水箱液位串级控制系统实验报告班级测控四班学号0800201428 姓名王常玥一、实验目的1．通过实验了解水箱液位串级控制系统组成原理。
2．掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3．了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。
4．掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验原理本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。
主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为锅炉汽包，其液位为系统的主控制量。
副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为上水箱，又称副对象，其液位为系统的副控制量。
主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。
副调节器的的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制液位的目的。
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，系统的主调节器应为PI 或PID控制。
由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P 调节器。
本实验系统结构图和方框图如图4-2所示。
图4-2 水箱液位串级控制系统(a)结构图(b)方框图三、实验设备DDD-Z05-I实验对象及DDD-Z05-IK控制屏、DDD-Z05-III 电源控制柜一台、SA-12挂件一个、SA-13A挂件一个、计算机一台、万用表一个、实验连接线若干。
四、实验内容与步骤本实验选择上水箱和锅炉汽包，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F2-14全开，F1-9 、F2-15开适当开度（F1-9﹥F2-15），其余阀门均关闭。
1．按照第一章1-6用网线和交换机连接操作员站和服务器，以及服务器和主控单元，“SA31 FM148现场总线远程I/O模块”、“SA31 FWM158现场总线远程I/O模块”挂件挂到屏幕上，并将挂件的通讯线街头插入屏内Profibus-DP总线接口上，将控制屏左侧Profibus-DP总线连接到主控单元DP口，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。
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。
实验三 双容水箱液位定值控制
实验三双容液位定值控制实验原理：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LT3检测到的下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。
实验系统控制方框图如下所示：图3－1 双容液位定值控制系统方框图实验内容一：观察系统在PI控制参数下的动态响应曲线1、按要求设定参数，液位给定值SV＝80mm，PI参数为P＝20，I＝60。
2、设置好系统的给定值后，用手动操作AI智能调节仪的输出，通过电动调节阀给上水箱打水，待其液位达到给定量所要求的值，且基本稳定不变时，把输出切换为自动，使系统投入自动运行状态。
其总貌图如下图所示：图3－2 双容液位定值控制系统总貌图上图曲线中所示，恒定不变的曲线线为下水箱液位的设定值，上面一条曲线为下水箱液位的的测量值，下面一条曲线为中水箱液位的测量值。
3、 观察系统在设定的控制参数下的动态响应曲线，如下图所示：图3－3 双容液位定值控制系统动态响应曲线由上图可知，其最大测量值为PV max =119.35mm ，由此可得出其最大超调量δ＝(119.35－80)/80*100％，δ=50％ 。
又由实时数据知：t 1＝09:59:15，t 2＝10:04:43则其上升时间t ＝t 2－t 1=328s 。
由以上可知，该双容控制系统的动态响应不如单容液位定值控制系统的动态响应，并且，在双容定值控制系统中，系统的响应还有一定的滞后，其滞后时间为T=94s 。
分析以上现象可得出以下的结论：本实验中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。
根据前一实验单容水箱液位定值控制的原理，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)=G 1(s)G 2(s)=)1s T )(1s T (K 1s T k 1s T k 212211++=+⨯+ (3－1) 式中K ＝k 1k 2，为双容水箱的放大系数，T 1、T 2分别为两个水箱的时间常数。
单容量水箱液位pid控制实验报告
单容量水箱液位pid控制实验报告实验目的：通过单容量水箱液位PID控制实验，学习PID控制器的原理和调节方法，掌握PID控制器在液位控制中的应用。
实验器材：1. 单容量水箱2. 水泵3. 液位传感器4. 控制器5. 电脑实验原理：PID控制器是由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成的控制器。
根据物体的反馈信号与设定值之间的差异，PID控制器会计算出相应的控制量，以使系统的输出信号趋近于设定值，从而实现对物体的控制。
实验步骤：1. 搭建实验装置：将单容量水箱与水泵和液位传感器连接，将控制器与电脑连接。
2. 设置实验参数：根据实验需求，设置控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数，并将设定值设定为所需的液位。
3. 开始实验：启动水泵，观察水箱液位的变化，并记录在实验报告中。
4. 数据分析：根据液位传感器的反馈信号，计算实际液位与设定值之间的差异，并根据PID控制器的算法计算出相应的控制量。
5. 调整控制参数：根据实验数据分析的结果，调整PID控制器的参数，如增大比例增益、调整积分时间常数和微分时间常数，再次进行实验。
6. 重复步骤3-5，直到达到所需的控制效果。
实验结果与分析：根据实验数据，绘制出液位随时间变化的曲线图。
通过分析曲线形状和数据变化趋势，判断控制系统的稳定性和响应时间。
如果液位在设定值附近波动较小，并且响应时间较短，则说明PID控制系统的参数调节较为合适。
结论：通过单容量水箱液位PID控制实验，我们学习了PID控制器的原理和调节方法，并掌握了PID控制器在液位控制中的应用。
同时，我们还了解到PID控制器的参数调节对控制系统的稳定性和响应时间有很大影响，需要通过实验数据的分析来进行参数调整。
这些知识和技能对于后续的控制系统设计和实施有着重要的指导意义。
自动控制系统综合实验报告——水箱液位控制
自动控制系统综合实验报告水箱液位控制J自动化0703班XXX学号：XXXXX`目录自动控制系统综合实验报告 (1)第一章现场总线控制系统（FCS）的组成 (1)一、系统简介 (1)二、系统组成 (1)1. 被控对象 (2)2. 检测装置 (2)3. 执行机构 (3)4. 控制器 (3)5. 空气压缩机 (3)三、总线控制柜 (3)四、系统软件 (3)1、SIEMENS简介 (4)2、STEPS简介 (4)3、WINCC简介 (4)第二章下位机程序的边协调是与下载 (5)一、STEP 7简介 (5)二、STEP 7的安装 (5)三、STEP 7的硬件配置和程序结构 (5)四、工程新建 (6)五、程序编写 (6)1、添加导轨(０)Rail (6)2、在机架的１号槽添加电源PS 307 5A (6)3、添加CPU 315-2 DP (7)4、添加PROFIBUS-DP通信总线 (8)5、添加以太网通信处理器CP 343-1 (8)6、添加以太网 (8)7、添加DP/PA 连接器IM 153-2 OD (9)8、添加分布式Ｉ/O设备ET200M (9)9、添加变频器MICROMASTER 4 (10)11、添加PROFIBUS-PA设备 (11)六、程序下载 (11)第三章上位机组态软件编写 (12)一、WINCC 概述 (12)二、WINCC的安装 (12)三、WINCC的通讯连接和画面组态方法 (12)1. 通讯驱动程序 (13)2. 通道单元 (13)3、连接 (13)4、WINCC变量 (14)四、WINCC组态程序的编写 (14)1．打开WINCC组态环境 (14)2．新建一工程 (15)3．组态变量 (16)4．画面组态 (20)5．实时曲线和历史曲线的组态 (23)6．添加按钮动作 (24)7．保存组态画面 (26)第四章基于OPC技术的matlab与wincc的数据交换 (27)第一节OPC技术简介 (27)第二节Matlab 作为客户端访问OPC服务器的通信流程 (30)第三节MATLAB 与WINCC 数据通讯的实现 (31)自动控制系统综合实验报告第一章现场总线控制系统（FCS）的组成一、系统简介本现场总线控制系统是基于PROFIBUS和工业以太网通讯协议、在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统。
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。
实验三上水箱下水箱液位串级控制实验
实验三上水箱下水箱液位串级控制实验一.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.实验原理上水箱液位作为副调节器调节对象，下水箱液位做为主调节器调节对象。
控制框图如图3-1所示：3-1、上水箱下水箱液位串级控制框图三.实验设备AE2000A型过程控制实验装置：上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、万用表一只四.实验内容和步骤1、设备的连接和检查：（1）、关闭阀1、阀22将AE2000A 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。
（2）、打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门：阀1、阀4、阀6，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门:阀2、阀10、阀17、阀20。
（3）、打开上水箱的出水阀：阀8至适当开度。
（4）、检查电源开关是否关闭2、系统连线图：图3-2、实验接线1）、如图5-2所示：将I/O信号接口板上的下水箱液位的钮子开关打到OFF位置，上水箱液位的钮子开关打到ON位置。
2）、将下水箱液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV的+极），下水箱液位-（负端）接到智能调节仪的2端（即RSV的-极）。
智能仪表的地址设为1，软件定义调节仪地址为1的调节器为主调节器，调节仪地址为2的调节器为副调节器。
3）、将主调节仪的4~20mA输出接至I/O信号面板的温度变送器转换电阻上转换成1~5V 电压信号，再将此转换信号接至另一调节仪（副调节器）的1端和2端作为外部给定，上水箱液位信号转换为0.2~1V的信号后接入副调节器的3、2两端。
调节器输出的4~20mA接电动调节阀的4~20mA控制信号两端。
4）、电源控制板上的三相电源、单相Ⅰ的空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。
5）、电动调节阀的~220V电源开关打在关的位置。
6）、智能调节仪的~220V电源开关打在关的位置。
320实验一、单容水箱液位(DCS)PID整定实验
实验一、基于DCS的液位控制系统的实验一、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AE2000A型过程控制实验装置、JX-300X DCS控制系统、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、网线1根、24芯通讯电缆1根。
三、实验原理图2-15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SUPCON JX-300X DCS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图2-16中的曲线①、②、③所示。
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。
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。
单容水箱液位定值控制实验
实验上水箱液位定值控制系统实验目的1•了解闭环控制系统的结构与组成。
2•了解单闭环液位控制系统调节器参数的整定。
3 •观察阶跃扰动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MCG组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根三. 实验原理------------------------------------------------------单回路控制系统的结构/方框图：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。
由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。
本实验系统的被控对象为上水箱，其液位高度作为系统的被控制量。
系统的给定信号为一定值，它要求被控制量上水箱液位在稳定时等于给定值。
由反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感检测作为反馈信号。
其实验图如下：JE*辅过程：储水箱的水被抽出后经过电动调节阀调节进水量送给上水箱，经过 LT1的测量变送使上水箱的液位反馈给 LC1, LC1控制电动调节阀的开度进而控 制入水流量，达到所需要的液位并保持稳定。
四•实验接线 其接线图为：图中LT2改接为LT1'0 i >1/ IN2N…MI /五•实验内容及步骤1 •按图要求，完成系统的接线。
2 •接通总电源和相关仪表的电源。
3•打开阀F1-1、F1-2、F1-6和F1-9，且把F1-9控制在适当的开度。
4•设置好系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，使电动调节阀给上水箱 打水，待其液位达到给定量所要求的值， 且基本稳定不变时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。
5 •启动计算机，运行MCG 组态软件软件，并进行下列实验：]N一 2 JWVW A.1 0____ 戋删1卞仪控制■ -- 圧力覺退BPLT I旧日日■* rA广一三梱堪打泵I 3SUV单相电踊输出 尊相I单IT・I设定其智能调节仪的参考参数为：SV=8cmP=20; 1=40 ; D=0 CF=Q ADDR=1 Sn=33; diH=50;dil=0;上水箱出水阀开度：45% 运行MCG组态软件软件，并进行实验当实验数据稳定的同时记录的实验曲线如下图：其系统达到稳态的实验数据为:S.07.918M7：5R B n QB.O8.010:48:08S.08.010:48:13B+08.D系统大约在5分钟左右到达稳态，记录下的曲线为阶跃响应曲线。
水箱水位控制实验报告
水箱水位控制实验报告实验名称：水箱水位控制实验实验目的：1. 理解并掌握水位控制的基本原理；2. 学习并掌握PID控制器的原理和应用；3. 进一步培养分析和解决问题的能力。
实验原理：水箱水位控制是典型的反馈控制系统，它的基本原理是根据传感器检测到的水位信号，通过控制阀门的开度来调节进水和排水的流量，从而实现控制水箱水位的目的。
PID（Proportional-Integral-Derivative）控制器是一种常用的控制器，它能根据给定的目标值和当前的反馈信号，通过比例、积分和微分三个控制参数来实现对系统的精确控制。
实验步骤：1. 搭建水箱水位控制实验装置，包括水箱、加水阀门、排水阀门、水位传感器和PID控制器等；2. 使用水位传感器对水箱的水位进行实时检测，并将检测到的信号传输给PID 控制器；3. 设置PID控制器的参数，并设定所需的水位目标值；4. PID控制器根据当前的水位反馈信号，通过计算得出相应的控制信号，进而调节阀门的开度；5. 根据控制信号的变化，调整阀门的开度，从而控制进水和排水的流量，以达到控制水箱水位的目的；6. 不断监测水箱水位的变化，对PID控制器的参数进行调整，优化控制系统的性能；7. 记录实验数据，并分析实验结果。
实验结果与分析：通过实验，我们可以得到一系列的实验数据，包括水箱水位和时间的变化关系、阀门开度和时间的变化关系等。
根据这些数据，我们可以对系统进行分析和优化。
在实验过程中，我们可以观察到如下现象：1. 当PID控制器的参数设置不合理时，系统的水位控制效果不佳，水位波动较大；2. 通过合理调整PID控制器的参数，可以减小水位波动，使得水位能够在较短的时间内达到稳定状态；3. 在某些情况下，系统的响应时间会较长，此时需要进一步优化PID控制器的参数；4. 可以通过改变目标水位值，观察系统的响应特性，进一步研究系统的稳定性和灵敏度。
实验结论：通过本实验，我们深入了解了水箱水位控制的基本原理和PID控制器的原理与应用。
水箱液位定值控制实验
水箱液位定值控制实验一、单回路与串级控制系统概述1．单回路控制系统：下图为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。
由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。
图12-1 单回路控制系统方框图（1）干扰对系统性能的影响：①干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。
干扰通道的放大系数Kf会影响干扰加在系统中的幅值。
若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。
如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为Tf，则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。
即时间常数Tf越大，则系统的动态偏差就愈小。
通常干扰通道中还会有纯滞后环节，它使被调参数的响应时间滞后一个τ值，但不会影响系统的调节质量。
②干扰进入系统中的不同位置。
复杂的生产过程往往有多个干扰量，它们作用在系统的不同位置，如下图所示。
同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。
对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。
图12-2 扰动作用于不同位置的控制系统（2）控制规律的选择：PID 控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。
① 比例(P)调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。
由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。
这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。
其传递函数为： GC(s)= KP =δ1(12-1)式中KP 为比例系数，δ为比例带。
② 比例积分(PI)调节PI 调节器就是利用P 调节快速抵消干扰的影响，同时利用I 调节消除残差，但I 调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。
其传递函数为：G C (s)=K P (1+s 1I T )＝δ1(1+s1I T ) (12-2)式中T I 为积分时间。
实验四 水箱液位串级控制系统
实验四水箱液位串级控制系统一、实验目的1．通过实验了解水箱液位串级控制系统组成原理。
2．掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3．研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。
4．掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。
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、上位机MCGS 组态软件、RS232-485 转换器1 只、串口线1 根3、万用表1 只三、实验原理本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主、副两个回路组成。
每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量。
副回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，它的输出是一个辅助的控制变量。
本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值，实现无差调节。
当有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当被控制量（下水箱的液位）未作出反映时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对被控制量的影响。
此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。
本实验系统结构图和方框图如图所示。
图1 水箱液位串级控制系统(a)结构图 (b)方框图四、实验内容与步骤1、本实验选择中水箱和下水箱串联作为被控对象（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开至适当开度（40%～90%）、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（30%～80% 要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。
2、按照实验图接线，将主、副控仪表设置为自动，主控制器Sn=33,addrss=1，CF=0 ，DF=0；副控制器Sn=32,addrss=2，CF=8，DF=0；合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，上位机的主控制器，下水箱的液位设定值8—15cm。
实验3上、中水箱液位串级控制系统实验
实验3 上、中水箱液位串级控制系统实验一、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AE2000B型过程控制实验装置、万用表一只三、实验原理上水箱液位作为副调节器调节对象，中水箱液位作为主调节器调节对象。
控制框图如图1所示：图1 上水箱中水箱液位串级控制框图四、实验内容与步骤1、设备的连接和检查：1）将AE2000B 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）；2）打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀；3）打开上水箱和下水箱的出水阀至适当开度；4）检查电源开关是否关闭。
2、系统连线图：1）将I/O信号接口板上的下水箱液位的钮子开关打到OFF位置，上水箱液位的钮子开关打到ON位置；2）按图2所示连线；3）将主调节仪的4~20mA输出接至I/O信号面板的温度变送器转换电阻上转换成1~5V 电压信号，再将此转换信号接至另一调节仪（副调节器）的1端和2端作为外部给定，上水箱液位信号转换为1~5V的信号后接入副调节器的1~5V和地两端。
调节器输出的4~20mA接电动调节阀的4~20mA控制信号两端。
3、启动实验装置：1）将实验装置电源插头接到220V的单相电源上；2）打开电源单带漏电保护空气开关，电压表指示220V；3）打开总电源开关，即可开启电源。
4、实验步骤1）开启电动调节阀电源、24V电源、智能调节仪电源，调整好仪表各项参数；图2、实验接线2）设定主控参数和副控参数。
主调节器的参数与单回路闭环控制设定方法一样；3）启动动力支路，待系统稳定后，在上水箱给一个阶跃信号，观察实时曲线的变化，并记录此曲线；4）系统稳定后，在副回路上加干扰信号，观察主回路和副回路上的实时曲线的变化。
记录并保存曲线。
五、实验报告要求分析串级控制和单回路PID控制不同之处？六、注意事项1、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源；2、系统连接好以后，在老师的指导下，运行串级控制实验；3、为保护仪表及用电设备的使用寿命实验完毕，先关闭所有电源开关，再关电源总开关。
水箱液位控制02
实验二水箱液位定值控制系统一、实验目的1．了解单闭环液位控制系统的结构与原理；2．了解单闭环液位控制系统调节器的参数整定方法；3．研究调节器相关参数的变化对系统动态性能的影响。
二、实验设备及安全注意事项1．实验设备：1）THJ-2高级过程控制系统；2）计算机，MCGS组态软件等；2．安全注意事项：1）用电安全；2）爱护仪器设备；三、实验原理1 ) 常规控制器1．比例控制器控制器是控制系统的心脏。
它的作用是将测量变送信号与设定值相比较产生偏差信号，并按一定的运算规律产生输出信号。
控制器的输出一般送到控制阀。
比例控制器的输出与偏差成比例：U ( t ) = Kc e (t) + U。
式中，U ( t )为控制器输出信号；e (t)为设定值与测量变送信号之差，Kc为控制器增益；U。
为当偏差e (t)为零时的输出信号值，它反映了比例控制的工作点。
几乎所有的工业用控制器，不用Kc而用比例度PB来进行刻度：PB = 100 / Kc ;Gc ( s) = Kc ；或Gc( jω) = Kc ；显然比例控制器的振幅比(AR)和相角(φ)都是恒定的，分别为Kc和0°。
用比例控制时，Kc大小对受控变量过渡过程的影响较为明显。
随着Kc的变化、过渡稳定程度与控制精度(在表中体现为最大偏差和余差) 的矛盾。
Kc 增加能使控制精度提高，但使稳定程度变差。
Kc 参数的整定，就是对这两项指标在作权衡。
◆ 设被控变量最终稳态值是C ，超出其最终稳态值的最大瞬态偏差为B 。
设定值和扰动作用阶跃变化时过渡过程的典型曲线率、上升时间和峰值时间等。
① 衰减比衰减比表示振荡过程的衰减程度，是衡量过渡过程稳定程度的动态指标。
它等于曲线中前后两个相邻波峰值之比，即：n = B / B ’衰减比n>1，过渡过程是衰减振荡，n 越大，衰减越大，系统越接近非周期过程。
为保持足够的稳定裕度，衰减比一般取 (4 ：1)～(10 ：1)，这样，大约经过两个周期，系统趋于新的稳态值。
水箱液位定值PID调节
K p 控 制 器 的 比 例 系 数 Ti 控 制 器 的 积 分 时 间 Td 控 制 器 的 微 分 时 间 ; ;
实验六、水箱液位定值PID调节
四、实验内容
1、熟悉水箱夜位控制原理和结构框图 2、使用操作站操作画面对控制对象进行参数设置 3、使用操作站操作画面对控制对象进行参数整定 4、观察P、I、D参数变化对控制效果的影响
实验六、水箱液位定值PID调节
一、实验目的
1、掌握PID调节的控制原理 2、掌握PLC控制系统实现PID调节的基本方法和参数整定 3、分析P、I、D各参数对液位控制品质的影响
二、实验设备
1、PCS3000过程控制系统一套 2、配置SIMENS S7-300的智能操作台一套 3、装有WINCC的 PC操作站一台
• ＰＩＤ控制作用的影响
积分作用：消除稳态误差，提高精度，但系统响应慢， 稳定性变坏． 微分作用：是控制器增加了超前作用，有助于补偿控 制环中任何滞后或计算延迟，增加系统的快速性和稳 定性．
• ＰＩＤ控制作用的影响
– 比例作用(P):
•
p(t ) kP[e(t )
1 de(t ) e(t )dt TD ] T dt I
e( t ) 控 制 器 的 输 入
Kp 控 制 器 的 比 例 系 数 Ti 控 制 器 的 积 分 时 间 Td 控 制 器 的 微 分 时 间
u ( t ) K p [e( t ) 1 Ti
e(t)dt T
0
t
d
t de( t ) de( t ) ] K p e( t ) K i e( t )dt K d 0 dt dt
实验六、水箱液位定值PID调节
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简单控制系统投运与参数整定―水箱液位定值控制实验
1.了解单容液位定值控制系统的结构与组成。
2.掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定方法。
3.了解P、PI、PD 和PID 四种调节器分别对液位控制的作用。
3.2 实验设施：
化工自动化仪表实验平台、实验导线、计算机、MCGS 组态软件、RS485/232 转换器。
3.3 实验原理：
实验系统流程图如下图所示。
被控量为液位水箱的液位高度，实验要求水箱的液位稳定在给定
值的2%～5%范围内。
本装置中共有三路液位传感器同时检测液位水箱的液位高度，可任选一路作
为控制器的反馈信号，本实验选用电容式压力变送器作为测量液位的反馈信号，与给定量比较后取
得差值，调节器根据偏差来控制电动调节阀的开度，以达到控制水箱液位的目的。
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，一般在变化量较快的
液位、流量和压力控制参数中，不采用微分控制，微分虽然可以改善动态调节效果，但其对变化较
快参数的抗干扰能力较差。
7. 在实验界面中有通讯成功标志，表示计算机已和三块仪表同时建立了通讯关系;若显。