单容水箱液位PID控制系统
单容水箱液位定值控制系统
单容水箱液位定值控制系统一、实验目的1．理解单容水箱液位定值控制的基本方法及原理；2．了解压力传感器的使用方法；3．学习PID控制参数的配置。
二、实验设备1．控制理论实验平台2．数据采集卡一块3．PC机1台4．THBDY-1单容水箱液位控制系统三、实验原理单容水箱液位定值控制系统的控制对象为一阶单容水箱，主要的实验项目为单容水箱液位定值控制。
其执行机构为微型直流水泵，正常工作电压为24V。
直流微型水泵控制方式主要有调压控制以及PWM控制，在本实验中采用PWM控制直流微型水泵的转速来实现对单容水箱液位的定值控制。
PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理参考实验十三的相关部分。
控制器采用了工业过程控制中所采用的最广泛的控制器——PID控制器。
通过计算机模拟PID控制规律直接变换得到的数字PID控制器，它是按偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)组合而成的控制规律。
水箱液位定值控制系统一般有由电流传感器构成大电流反馈环。
在高精度液位控制系统中，电流反馈是必不可少的重要环节。
这里为了方便测量与观察反馈信号，通常把电流反馈信号转化为电压信号：反馈端输出端串接一个250Ω的高精度电阻。
本实验电压与液位的关系为：H液位=（V反馈-1）×12.5 单位：mm 水箱液位控制系统方框图为：四、实验步骤1．实验接线1.1 将水箱面板上的“LT –”与实验台的“GND”相连接；水箱面板上的“LT +”与实验台的“AD1”相连接。
1.2将水箱面板上的“输入–”与实验台的“GND”相连接；水箱面板上的“输入+”与实验台的“DA1”相连接。
1.3将水箱面板上的“输出–”与“水泵电源–”连接；水箱面板上的“输出+”与“水泵电源+”连接。
1.4打开实验平台的电源总开关。
2．压力变送器调零本实验在开始实验前必须对压力变送器调零操作。
具体方法为：2.1 将水箱中打满水，然后再全部放到储水箱中；2.2 旋开压力变送器的后盖，用小一字螺丝刀调节压力变送器中电路板上有“Z”标识的调零电位器，让压力变送器的输出电压为1V；2.3 再次向水箱中打水，并观察水箱液位与压力变送器输出电压的对应情况，其对应关系为：H液位=（V反馈-1）×12.5（当液位为10cm时，输出电压应为1.8V左右），如不对应，再重复步骤2.1、2.2直到对应为至；2.4 如果步骤1）、2）、3）还不能调好水箱液位与压力变送器输出电压的对应情况，那么可适度调节压力变送器中电路板上有“S”标识的增益电位器，再重复步骤2.1、2.2、2.3直到对应为至。
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。
单容水箱液位定值PID数字控制系统
制 ，输 出的信号通 过Ｄ Ａ 换器和保持器后输 出Ｐ Ｍ ／转 Ｗ 信
号，用所 产生 的Ｐ Ｍ Ｗ 控制驱动 电机的转速进 而控制微 型水泵来控制水流量的大小 。这 样实现对 单容 水箱液 位 的定值控制。
先进 的控制技术 ，即当被控对象的结构和参数不 能完 全 掌握 ，或得不到精确的数学模型时 ，控 制理论 的其
、
ＰＤ数 字控 制 系统 对水箱水 位的控 制 Ｉ
（ 控制流程 图 一）
“
．
｛蛐
｝
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小 ；液 位 ｈ 的变 化 反 映 了 由 于 ｑ与 ｑ不 相 等 而 引起 的
液位在单容 水箱 内的积 累 。设 ｈ 为被控 量 ，ｑ为输 入 ｌ
量，ｑ为扰动量，构成单输入有扰动 的系统 。 。 单容水箱液位控制结构图见 图３ ：
这 是累计流量的关系式。
系统研究更关心 的是在某平衡 状态下的增量式 ， 设各个参数分别为ｑ。 。 。 、ｑ。 ，则增量为 ： 、ｈ
△ ｌ ｑ —ｑ 。 ｇ ｌ ｌ
ｄｉ ｐｖ， ＳＶ， ｅｉ， ｅｘ， ｅｙ， Ｋ， Ｔｉ， Ｔｄ， ｑ ｍ Ｏ，
ｑ ，ｑ ，ｏ ，ｈ ｌ ２ ｐ
传统 的水箱液位控制多采用包含手动控制方式的
单回路控制， 同时采用 传统 的指针式机械仪表来显示 液位的当前值 ，如浮子式、磁 电式 、接近开关式 、电 容式 、声波式等 。而２ 世纪发展 中的Ｐ Ｄ １ Ｉ 控制 是～项
机 中用Ｖ Ｓ ｒ ｐ 编程 ，所采集 的信 号通过数字Ｐ Ｄ Ｂ ｃ ｉｔ Ｉ 控
— —
：
Ｏ
（ ） ４
Ｔ Ｒ Ｃ ”液位ｈ ％ ”，ｈ ＴＡＥ ＝ｆ ｓ＝Ｏ ｖ ｌ 水箱液位 的控制高度 ，单位ｃ ｍ
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。
单容水箱液位控制系统的设计
单容水箱液位控制系统的设计摘要：本文根据液位系统过程机理，建立了单容水箱的数学模型。
介绍了PID控制的基本原理及数字PID算法，并根据算法的比较选择了增量式PID算法。
建立了基于Visual Basic语言的PID液位控制模拟界面和算法程序，进行了系统仿真，并通过整定PID参数，同时得出了整定后的仿真曲线和实际曲线。
关键字：单容水箱，水箱建模，液位控制，PID算法，增量式PID一、前言过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。
尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；工矿企业的排水与进水，如果排水或进水控制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精流塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。
在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。
可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。
所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。
在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。
针对过程控制试验台中液位控制系统装置的特点，建立了基于Visual Basic语言的PID液位控制模拟界面和算法程序。
虽然PID控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。
但是，要想取得良好的控制效果，必须合理的整定PID的控制参数，使之具有合理的数值。
二、单容水箱液位控制系统建模2.1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。
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。
a3000实验水箱液位调节阀之PID篇
单容水箱液位控制系统的实验一、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。
二、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。
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。
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）。
fx5u pid控制案例
FX5U PLC在PID控制方面的应用非常广泛，以下是一个基本的PID控制案例：案例：水箱液位PID控制一、系统描述此案例为一个单容水箱液位控制系统，其目标是通过PID控制算法来维持水箱内的液位在设定值。
当液位低于设定值时，PID控制器将增加进水阀的开度，以增加进水量；当液位高于设定值时，PID控制器将减小进水阀的开度，以减少进水量。
二、硬件配置FX5U PLC：作为主控制器，负责接收液位传感器的信号，并根据PID算法计算结果控制进水阀的开度。
液位传感器：采用模拟量输出型液位传感器，其输出信号为4-20mA，对应液位的0-100%。
进水阀：采用电动调节阀，其开度可通过PLC输出的模拟量信号进行控制。
三、软件编程PLC程序需要首先读取液位传感器的模拟量输入信号，并将其转换为实际的液位值。
由于FX5U的PLC本体模拟量输入是电压类型，所以需要通过外部电路将传感器的4-20mA电流信号转换为0-10V的电压信号，然后再通过PLC的A/D转换功能将其转换为数字量。
在获取到实际的液位值后，PLC程序需要将其与设定值进行比较，并根据偏差值计算出PID 控制器的输出。
FX5U PLC内置了PID控制功能块，可以直接调用进行PID计算。
PLC程序最后将PID控制器的输出转换为电动调节阀的开度控制信号，通过PLC的D/A转换功能将其转换为模拟量电压信号输出给电动调节阀。
四、调试与优化在系统投入运行前，需要对PID控制器的参数进行调试与优化。
一般来说，PID控制器的参数包括比例增益、积分时间和微分时间三个部分。
这三个参数的设置需要根据系统的实际情况进行调整，以达到最佳的控制效果。
在调试过程中，可以先将积分时间和微分时间设为0，只调整比例增益，使系统达到基本的稳定状态；然后再逐步增加积分时间和微分时间，以改善系统的动态性能。
在调整参数时，需要注意观察系统的响应情况，避免出现超调或振荡等不稳定现象。
单容水箱系统建模及PID控制仿真
<1>由物料平衡得： Q1- Q2=A × dh/dt Q1=K1 ×u Q2=K1 × √h 代入方程得平衡方程：dh/dt=1/A ×(K1 × u- K1× √h) ① <2>上式是一个非线性方程，如果水位保持在小范围内变化，我 们可将上式线性化，首先把平衡方程改为增量形式。 在稳定平衡状况下：0=1/A×(Q10-Q20) ② 将① ②两式相减得方程增量形式： ΔQ1 - ΔQ2 = A × d Δ h/dt ③ ΔQ2=K1/(2 × √h0 ) × Δh ④ ΔQ1=K1 × Δu ⑤ <3>对①②③式进行拉普拉斯变化得: △Q1 ( s) -△ Q2 ( s) = s ×A ×△H( s) = 10s△ H( s) △Q1 ( s) = K1 ×△U ( s) = 10 ×△U ( s) △Q2 ( s) =K1/(2 ×√ h0)×△H( s) = 3.1536 ×△H( s)
1.4
比 例 积 分 作 用
1.2
p=10,i=100 p=10,i=10
1 p=10,i=0 0.8
yLeabharlann p=10,i=1 0.60.4
0.2
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5 t
3
3.5
4
4.5
5
1. “水箱系统”的液位控制可以实现无静差 ,并且具有较好的动态过程控制; 2. 当 I参数设置较大 , 即积分作用较强时 , 可以出现衰减振荡过程。通常对 大多数的自动控制系统的动态过程 , 出现衰减振荡过程是人们所期望的 , 但如果仅对我们 这次所探讨的系统而言 , 应该是衰减振荡过程动态性 能不如非周期过程理想; 3. 本系统采用 PI调节作用 , 对抗干扰性能的要求也能很好地满足
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。
基于PID的单容水箱液位控制系统仿真
图３ 未加 Ｐ Ｉ Ｄ 调节器的仿 真输 出图形
图 １ 有 自衡 单容 液 住 对 象
Ｑ ｉ ＝ ｒ ｕ ｌ ｕ
在发生扰动前 ，系统处于稳定状态平衡方程为 ：
０ ＝ Ｉ ／ Ｆ（ ０ － ｑ ｏ ０ ）
得：
位 为 控 制 目标 ，将 ｍａ ｄ ａ ｂ 软件 工具与Ｐ Ｉ Ｄ控 制 理 论 相 结 合 ， 着重讨论 了 Ｐ Ｉ Ｄ 控 制在ｍ ａ ｄ ａ ｂ 软件 里的建模 、仿真及参
关键词 ：Ｐ Ｉ Ｄ；单闭环控制 ；ＭＡＴ Ｌ Ａ Ｂ
中图分 类号 ｉ Ｔ Ｐ ２ ７ ３ 文献 标识 码 ：Ａ
１ ． 总体 设计 方案
Ｐ Ｉ Ｄ 单 容水箱液位控制 由控制器 、执行调节器 、被 控对 象 、测量变送等部分构成 闭环反馈控制系统 。本 文将 ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ 软 件工 具 与Ｐ Ｉ Ｄ控制 理 论相 结合 ，着重 讨论 了Ｐ Ｉ Ｄ控制 在 ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ 软件里 的建模 、仿真及参数整定方法 ；同时通过参数 的调整仿真结果 ，认识 Ｐ 、Ｐ Ｉ 、Ｐ Ｄ、Ｐ Ｉ Ｄ 控制作用 的规律 。
０ ． 引 言 Ｐ Ｉ Ｄ控制 理论 是工业 自动化控 制领 域 经典 、成 熟 的控
Ａ Ｑ ｉ ＝ Ｋ ｕ ＡＵ
此次给定Ｈ＝ １ ２ ｃ ｍ，采用Ｔ ９ ４ ０ Ｈ一 １ ６ 电动调节阀 ，查
表 ，可知Ｄ Ｎ＝ ４ ｃ ｍ，Ｋ ＝ Ｉ ． ４ 。
制思想 ，是理工科专 业学生重要 的学 习内容 。Ｐ Ｉ Ｄ 控制是 比 例 （ Ｐ）、积分 （ Ｉ ）、微分 （ Ｄ） 三部作 用的数学综合 。因 此 ，弄清Ｐ 、Ｉ 、Ｄ 各 自作用规律及对 系统控制所贡献 的 比重 （ 参数整定 ） 是 掌握Ｐ Ｉ Ｄ 控制思想 的关键 。本文将 以单 容水 箱液位 为控制 目标 ，以Ｐ Ｉ Ｄ 反馈 控制 为策 略 ，借 助ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ 软 件 ，仿真Ｐ Ｉ Ｄ 控 制的作用 、调节规律 。
单容水箱液位控制系统的PID算法学习资料
单容水箱液位控制系统的PI D 算法I动控制原理课程设计报告单容水箱液位控制系统的PID算法摘要随着科技的进步，人们对生产的控制精度要求越来越高，水箱液位系统是过程控制中一种典型的控制对象，提高液位控制系统的性能十分重要。
本文针对理想的单容水箱液位系统，将包括单容水箱、电动机等在内的部分分别建立数学模型，并加入常规PID对系统性能进行调节。
但由于实际单容水箱液位系统具有时滞性和非线性，实际生产中若要对其建立精确的数学模型比较困难。
因此，将模糊控制的方法引用到对单容水箱液位系统的PID控制中，通过Simulink仿真验证了算法的有效性。
结果表明，和常规PID控制相比，模糊PID控制具有良好的动静态品质。
关键词单容水箱液位；PID控制；MATLAB; Simulink;模糊控制.PID con trol method in water level system of sin gle-ta nkABSTRACT With the development of technology, the control precision is more and more important. And the water level system of single-tank is a typical control target in process control. The article mainly deals with the water level system of single-tank. It establishes mathematics model for every part of the system, and uses the traditional PID to improve the function . But in actual industry，it ' hard to establishes precise mathematics model. So, it introduces fuzzy PID control in this system. The result suggests that fuzzy PID control is more suitable than the traditional one.KEY WORDS the water level of single-tank; PID control; MA TLAB ; Simulink; fuzzy control.在工业过程控制中，被控量通常有：液位、压力、流量和温度。
单容水箱液位控制系统
单容水箱液位控制系统摘要：本文以单容水箱为被控对象，控制系统主要由以下基本环节组成：被控对象、液位测量变送器、控制器、执行器、水泵、储水箱。
控制的主要目标是维持水箱的特定设定值，即便干扰出现控制器也能做出决策，使水箱的液位回复设定值。
根据算法控制的比较选择了标准PID控制，双位控制，积分分离PID控制。
基于MCGS组态软件制作液位模拟界面和算法控制。
关键词：单容水箱；液位控制；PID算法1.引言过程控制是自动技术的重要应用领域,它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制,在治金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。
尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用,比如,民用水塔的供水,如果水位太低,则会影响居民的生活用水;工矿企业的排水与进水,如果排水或进水控制得当与否,关系到车间的生产状况:锅炉汽包液位的控制,如果锅炉内液位过低,会使锅炉过热,可能发生事故:精流塔液位控制,控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。
在这些生产领域里,基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质,极容易出现操作失误,引起事故,造成厂家的的损失,可见,在实际生产中,液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。
所以,为了保证安全条件、方便操作,就必须研究开发先进的液位控制方法和策略2.系统的目的要求2.1主要目的通过对单容水箱液位控制系统这样一个工业控制实际应用系统的软、硬件设计，使学生进一步加深对基于组态软件技术的控制系统的基本设计方法的认识及较快掌握组态软件编程技术，培养学生独立分析问题和解决问题的能力，提高学生的实际工程应用能力。
2.2主要任务①选择一个题目，熟悉设计要求、实验室提供的设备及实际控制系统的硬件组成，进行接口设备的安装与连接；熟悉所用组态软件的操作。
②查看有关参考书籍、查阅相关文献资料，独立设计基于组态软件的控制系统方案。
③根据实际系统的要求，进行画面设计与编辑、控制程序的编写、设定报警和历史趋势等。
实验六 单容下水箱液位调节阀PID 单回路控制
实验六 单容下水箱液位调节阀PID 单回路控制1、实验目的（1）学会操作A3000过程控制实验系统；（2）了解PID控制规律，学习初步整定参数。
2、实验内容及步骤1、单容下水箱液位 PID 控制流程图如下图所示。
单容下水箱液位调节阀PID单回路控制测点清单如下表所示。
水介质由泵P102 从水箱V104 中加压获得压头，经由调节阀FV-101 进入水箱V103，通过手阀QV-116 回流至水箱V104 而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT-103 测得，用调节手阀QV-116 的开启程度来模拟负载的大小。
本例为定值自动调节系统，FV-101 为操纵变量，LT-103 为被控变量，采用PID 调节来完成。
2、在现场系统上，打开手阀QV102、QV105，调节下水箱闸板QV116开度(可以稍微大一些)，其余阀门关闭。
3、在控制系统上，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AO0。
注意：具体那个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。
对于全连好线的系统，例如DCS，则必须安装已经接线的通道来编程。
4、打开设备电源。
启动右边水泵P102和调节阀。
5、启动计算机组态软件，进入测试项目界面。
启动调节器，设置各项参数，可将调节器的手动控制切换到自动控制。
6、设置比例参数。
观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰测试。
3、实验报告（1）设计一个报表：实验开始后，每20分钟记录一组数据，包括调节阀控制、V103液位、SP三个变量。
（2）改变参数设置，记录相应的变量曲线图。
（3）通过曲线图对比，谈谈对PID参数整定的心得。
单容液位定值控制系统
单容液位定值控制系统一、实验目的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。
4．了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。
5．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验设备三、实验原理图6 中水箱单容液位定值控制系统(a)结构图 (b)方框图本实验系统结构图和方框图如图6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。
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按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。
（一）、智能仪表控制1．将“SA-12智能调节仪控制”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，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。
将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
图7 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、单容液位定值控制系统”，进入实验三的监控界面。
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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 ss
23
1
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）。
在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图
7-3中的曲线①、②、③所示。
图7-3、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
四、验内容与步骤
1、比例（P）调节器控制
1）、按图7-1所示，将系统接成单回路反馈系统（接线参照实验一）。
其中被控对象是上水箱，被控制量是该水箱的液位高度h1。
2）、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。
3）、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好准备。
4）、在开环状态下，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（一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处）。
5）、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，比例度设置于某一中间值，“正-反”开关拔到“反”的位置，调节器的“手动”开关拨到“自动”位置），让系统投入闭环运行。
6）、待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现）。
记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。
7）、减小δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
8）、增大δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
9）、选择合适的δ值就可以得到比较满意的过程控制曲线。
10）、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。
2、比例积分调节器（PI）控制
1）、在比例调节实验的基础上，加入积分作用（即把积分器“I”由最大处“关”旋至中间某一位置，并把积分开关置于“开”的位置），观察被控制量是否能回到设定值，以验证在PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。
2）、固定比例度δ值（中等大小），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，并记录不同Ti值时的超调量σp。
3）、固定积分时间T i于某一中间值，然后改变δ的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同δ值下的超调量σp。
4）、选择合适的δ和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。
此曲线可通过改变设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。
3、比例积分微分调节（PID）控制
1）、在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把D打开。
然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与实验步骤（二）所得的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。
2）、选择合适的δ、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现）。
3）、用计算机记录实验时所有的过渡过程实时曲线，并进行分析。
五、注意事项
1、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后才能接通电源。
2、必须在老师的指导下，启动计算机系统和单片机控制屏。
3、若参数设置不当，可能导致系统失控，不能达到设定值。
六、实验报告要求
1、绘制单容水箱液位控制系统的方块图。
2、用接好线路的单回路系统进行投运练习，并叙述无扰动切换的方法。
3、P调节时，作出不同δ值下的阶跃响应曲线。
4、PI调节时，分别作出Ti不变、不同δ值时的阶跃响应曲线和δ不变、不同Ti值时的阶跃响应曲线。
5、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。
6、比较P、PI和PID三种调节器对系统余差和动态性能的影响。