自动控制实验_单容、双容水箱

滨江学院计算机综合控制实验题目A3000过程控制实验院系滨江学院自动控制系专业电气工程与自动化学生姓名* * *学号20090000000指导教师郭伟目录一、PID控制原理二、被控对象的分析三、PID参数整定方法四、单、双容控制结构图五、仿真结果与分析六、结束语七、参考文献摘要本论文的目的是设计单、双容水箱液位串级控制系统。

在设计中充分利用计算机控制技术，自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。

作为一个过程控制实验装置，单、双容水箱液位控制系统具有强大的实验功能，不仅可以实现单入单出一阶对象、二阶对象、和非线性双入双出对象，而且还可以作为一种多功能型实验设备去验证各种工业过程的控制算法。

针对双容水箱大滞后系统，采用PID方法去控制。

首先对PID控制中各参数的作用进行分析，采用根轨迹校正、伯德图校正的方法，对系统进行校正。

最后采用调整系统控制量的模糊PID控制的方法，对该二阶系统进行控制。

关键词 : 单、双容水箱串级控制 PID 控制一、PID控制原理当今的自动控制技术绝大多数部分是基于反馈。

反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。

测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此偏差来纠正和调节控制系统的响应。

反馈理论及其在自动控制的应用的关键是：作出正确的测量与比较后，如何将偏差用于系统的纠正和调节。

在过去的几十年里，PID控制，即比例-积分-微分控制在工业控制中得到了广泛的应用。

虽然各种先进控制方法不断涌现，但PID控制器由于结构简单，在实际应用中较易于整定，且具有不需精确的系统模型等优势，因而在工业过程控制中仍有着非常广泛的应用。

而且许多高级的控制技术也都是以PID控制为基础的。

下面是典型的PID控制系统结构图图1-1其中PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。

（1）比例（P）调节作用是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。

比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

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。

单容水箱液位过程控制综合报告自动化专业实验单容水箱液位过程控制综合报告I. 实验目的一、 了解单容水箱液位控制系统的结构与组成。

二、 掌握单容水箱液位控制系统调节器参数的整定方法。

三、 研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。

四、 了解P 、PI 、PD 和PID 四种调节器分别对液位控制的作用。

II. 单容水箱系统模型一、单容水箱物理模型单容水箱的结构图如下：由图2-1可知，对象的被控制量为水箱的液位H ，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q 1，手动阀V 1和V 2的开度都为定值，Q 2为水箱中流出的流量。

根据物料平衡关系，在平衡状态时10200Q Q -= （1）动态时，则有12d V Q Q d t-=（2）式中V 为水箱的贮水容积，dtdV 为水贮存量的变化率，它与H 的关系为Adh dV =，即d V d h Ad td t= （3）A 为水箱的底面积。

把式（3）代入式（2）得12d h Q Q Ad t-= （4）基于Q 2=SR h ，R S 为阀V2的液阻，则上式可改写为1Sh d h Q AR d t-=即1sd h A R h K Qd t+=或写作1()()1H s K Q s T S =+ （5）式中s T A R =，它与水箱的底积A 和V 2的R S 有关；s K R =。

二、 电动调节阀流量特性物理模型电动调节阀包括执行机构和阀两个部分，它是过程控制系统中的一个重要环节。

电动调节阀接受调节器输出4～20mADC 的信号，并将其转换为相应输出轴的角位移，以改变阀节流面积S 的大小。

图2-9为电动调节阀与管道的连接图。

图2-9 电动调节阀与管道的连接图图中：u----来自调节器的控制信号（4～20mADC ） θ---阀的相对开度 s ---阀的截流面积q----液体的流量由过程控制仪表的原理可知，阀的开度θ与控制信号的静态关系是线性的，而开度θ与流量Q 的关系是非线性的。

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与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与组成。

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与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6）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：由于液位⾼度与电压值为线性关系，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。

为了更好的体现⼀阶液位的特性和准确的获得测量值。

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。

双容水箱串级控制系统实验报告双容水箱串级控制系统实验报告所属课程：《集散控制系统》院（部）：电子信息与电气工程学院学生姓名：安永军学号：201002040062专业班级：电气工程及其自动化2010级指导教师：邢春芳双容水箱串级控制系统的设计一、实训目的（1）熟悉集散控制系统（DCS）的组成。

（2）掌握MACS组态软件的使用方法。

（3）培养灵活组态的能力。

（4）掌握系统组态与装置调试的技能。

二、实训内容针对实验室内THSA-1型生产过程自动化技术综合实训设置，以双容水箱为对象设计液位串级控制系统, 用和利时的MACS进行组态实训，内容包括：（1）数据库组态。

（2）设备组态。

（3）算法组态。

（4）画面组态。

（5）系统组态。

三、实训设备和器材（1）THSA-1型生产过程自动化技术综合实训装置。

（2）和利时DCS控制系统。

四、实训步骤1、工程分析双容水箱液位串级控制系统需要两个输入测量信号，一个输出控制信号。

因此需要一个模拟输出模块FM148A和一个模拟输出模块FM151.采集下水箱液位信号（LT1）控制电动控制发的开度。

2、工程建立（1）打开：开始→程序→macsv组态软件→数据库总控。

（2）点击按钮或选择工程/新建工程，新建工程，输入工程名字：surunmin。

（3）点击“确定”按钮，然后在空白处选择这个工程，此时会显示当前域号为65535等信息。

（4）选择“编辑>域组号组态”，选择组号为1，将刚创建的工程从“未分组的域”移动到右边“该组所包括的域”里，点“确定”按钮。

出现当前域号：0等信息。

（5）在数据库总控组态中添加变量。

选择菜单栏，编辑→编辑数据库，弹出窗口，输入用户名和口令bjhc/3dlcz。

点击“确定”按钮,进入数据库组态编辑窗口。

（6）选择系统→数据操作，出现一个对话框，点击“确定”。

（7）因为双容水箱定制控制系统用到一个模块，两个通道，所以需要编辑两个点号。

点击“AI模拟量输入”选项出现图1。

《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。

自动化仪表与过程控制实训报告班级：测控801姓名：徐元富学号：08010028实训内容：双容水箱特性测试及液位定值控制一、双容水箱对象特性测试（中、下水箱）（一）实验目的：1、掌握双容水箱特性的阶跃曲线测试方法；2、根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数T1、T2、K及传递函数；（二）实验设备：1、实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、计算机一台；2、SA-12挂件一台、RS485/232转换器一个、通讯线一根。

（三）实验原理：被测对象由中水箱和下水箱串联构成，双容水箱数学模型是由俩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，其传递函数可表示为：G(S)=G(S1)G(S2)=k1/(T1s+1)x[k2/(T2s+1))=K/[(T1s+1)(T2s+1)],其中K= k1 k2，为双容水箱的放大倍数，T1、T2分别为俩个水箱的时间常数。

本实验中被测量是下水箱液位当中水箱的液位有一阶跃性变化时下水箱的液位也会随之而变化，但是下水箱的液位的变化要比中水箱之后一点时间，因此下水箱的液位输出曲线是一S型上升的并最后未定到一稳定值h，根据实验测出的下水箱的液位输出曲线求得0.4h、0.8h所对应的时间t1、t2的值，再由公式T1+T2=(t1+t2)/2.16,T1T2/[(T1+T2) (T1+T2)]=1.741/t2-0.55（其中t1、t2需满足0.32<t1/t2<0.46）求的T1、T2,而K=输入稳态/值阶跃输入量=h/x0，最后由T1、T2、K确定其传递函数。

（四）实验步骤：本实验选择中水箱和下水箱为实验对象，实验之前先将储水箱中储足水量，然后将阀门F1-1,F1-2，F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10，下水箱出水阀门F1-11开到适度（其中中水箱的开度稍微大一点），其余阀门全关。

具体步骤如下：1、将SA-12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，再按照单容水箱特性测试时的连接图连接实验系统，此试验测的是下水箱液位的变化，将“LT3下水箱液位”钮子开关打到“ON”上。

“过程控制系统计”实物实验报告实验名称：双容水箱液位PID控制实验姓名：学号：班级：指导老师：同组人：实验时间：2013 年05 月23 日一、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、实验设计（画出“系统方框图”和“设备连接图”）三、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 的控制器。

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：将阀门U1 开度设置在某一确定值——即选定某一工作点；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＝I＝D＝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：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。

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。

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，用相应的方法确定被测对象的特征参数K 、T 和传递函数；3．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1．实验对象及控制屏，SA-11挂件一个，SA-14挂件一个，计算机一台。

万用表一个；2. SA-12挂件一个，3. SA-44-1挂件一个4. SA-24-1 挂件一个5. SA-21 挂件一个 SA-22挂件一个 SA-23挂件一个三、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2-1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Q 1，改变电动调节阀V 1的开度可以改变Q 1的大小，下水箱的流出量为Q 2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q 2。

液位h 的变化反映了Q 1与Q 2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。

若将Q 1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Q 1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 (2-1) 将式(2-1)表示为增量形式 ΔQ 1-ΔQ 2=Adt h d ∆ (2-2) 式中：ΔQ 1，ΔQ 2，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Q 1 发生变化时，液位h 随之变化，水箱出 图2-1 单容自衡水箱特性测试系统 口处的静压也随之变化，Q 2也发生变化。

（a ）结构图 （b ）方框图 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Q 2与h 成正比关系，而与阀F1-11的阻力R 成反比，即ΔQ 2=Rh ∆ 或 R=2Q ∆∆h (2-3) 式中：R ——阀F1-11的阻力，称为液阻。

二容水箱液位控制实验实验项目性质：验证性所属课程名称：过程装备与控制技术及应用计划学时：2学时实验一液位传感器标定实验一、实验目的了解传感器标定的基本概念，认识液位标定在系统控制中的作用。

二、实验原理本实验系统采用1000系列通用静压式液位传感器。

其基本原理是利用压阻效应，当被测压力作用于传感器芯体的敏感区域时，在恒流源或恒压源供电的情况下，传感器输出端会产生相应的电压信号输出，输出信号与所加压力成线性关系。

下面是压力传感器连接原理图：在实际使用中，由于传感器的零点与系统刻度的零点不同，以及由于传感器本身制造，水箱刻度制作及其它系统误差，一般需要对传感器进行标定。

在本实验中，传感器本身的线性度较好。

三、实验设备(1) 具有串口通讯（通过转接方式也可以）接口的计算机，Windows系统环境(2) DRMC-B运动控制采集卡(3) 多变量液位控制对象(4) 多变量液位控制系统实验软件四、实验步骤(1) 确保水箱有足够的纯净水，打开水箱电控箱开关。

(2) 运行水箱实验软件，确保软件设备端口正确，设置好AD/DA通道等参数（一般出厂已经设置好；德普施运动控制卡”的“最小采集周期”和” 采样频率”为：1000、5000）。

(3) 关闭各排水阀及各个水柱之间的耦合阀。

(4) 在实验软件的系统设置中，将“液位标定参数”的参数”设置为a=1，b=0。

(5) 手动拖动“控制量”状态条，直接控制直流电磁泵，向各个水柱注水，直到液位升至最高（参见软件使用说明），然后停止输入控制量（手动拖动“控制量”状态条至最左边），关闭直流电磁泵。

(6) 对各水柱，分别进行标定：调节水柱的出水阀，使液位处于不同高度，记录液位在水柱刻度上的读数和在实验软件中的读数。

至少记录两组数据。

注意：必须要保持液位稳定后，才能记录数据。

(7) 将得到的两组数据分别代入data=AD_data * a + b中。

解方程求出a和b值。

其中data表示实际刻度读数，AD_data表示从软件中得到的读数(8) 将计算的a.b值输入软件中。

第二节双容水箱特性的测试一、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1只三、实验原理图2-1 双容水箱对象特性结构图由图2-1所示，被控对象由两个水箱相串联连接,由于有两个贮水的容积，故称其为双容对象。

被控制量是下水箱的液位，当输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2-62所示。

由图2-2可见，上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数(图2-2(a))，而下水箱液位的响应曲线则呈S形状（2-2(b)）。

显然,多了一个水箱，液位响应就更加滞后。

由S形曲线的拐点P处作一切线，它与时间轴的交点为A,OA则表示了对象响应的滞后时间。

至于双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。

图2-2 双容液位阶跃响应曲线图2-3 双容液位阶跃响应曲线在图2-3所示的阶跃响应曲线上求取：(1)h2（t)|t=t1 =0.4 h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t1；(2)h2（t)|t=t1 =0.8 h2(∞)时曲线上的点C和对应的时间t2；然后，利用下面的近似公式计算式由上述两式中解出T1和T2 ,于是求得双容(二阶)对象的传递函数为四、实验内容与步骤1. 接通总电源和相关仪表的电源。

2. 接好实验线路，打开手动阀，并使它们的开度满足下列关系：V1的开度>V2的开度>V3的开度3. 把调节器设置于手动位置，按调节器的增/减，改变其手动输出值（一般为最大值的40～70%，不宜过大，以免水箱中水溢出），使下水箱的液位处于某一平衡位置（一般为水箱的中间位置）。

4. 按调节器的增/减按钮，突增/减调节器的手动输出量，使下水箱的液位由原平衡状态开始变化，经过一定的调节时间后，液位h2进入另一个平衡状态。

双容水箱实验报告双容水箱实验报告引言：水是人类生活中不可或缺的资源，而水箱作为储存和供应水源的设备，在我们的日常生活中扮演着重要的角色。

然而，传统的单容水箱在一些情况下存在一些不足之处，比如水压不稳定、供水量不足等问题。

为了解决这些问题，我们进行了双容水箱实验。

实验目的：本次实验的目的是验证双容水箱在水压稳定和供水量方面的优势，并探讨其对于日常生活的实际应用价值。

实验材料和方法：我们使用了两个相同容量的水箱，并通过管道将它们与供水系统连接起来。

其中一个水箱作为主水箱，另一个作为备用水箱。

实验中我们记录了供水系统的水压和供水量，并对比了双容水箱和单容水箱的表现。

实验结果与分析：在实验过程中，我们发现双容水箱相较于单容水箱，在水压稳定和供水量方面表现更加优越。

当供水系统的水压下降时，备用水箱会自动启动，补充主水箱的水源，从而保持水压的稳定性。

而单容水箱在水压下降时无法及时补充水源，导致供水量减少，给用户的用水带来了不便。

此外，双容水箱还具有一定的智能化功能。

通过传感器和控制系统的配合，双容水箱可以根据用户的用水情况，自动调节备用水箱的启动和停止，以达到更加高效的供水效果。

这种智能化的设计使得双容水箱更加适应不同用户的需求，并且能够节约水资源，减少浪费。

实验结论：通过本次实验，我们验证了双容水箱在水压稳定和供水量方面的优势。

双容水箱能够保持水压的稳定性，确保用户在用水过程中不会受到影响。

此外，双容水箱还具有智能化的功能，可以根据用户的用水情况进行自动调节，提高供水效率。

在实际应用中，双容水箱可以广泛应用于住宅、办公楼、商业建筑等场所。

它不仅可以解决传统单容水箱的不足之处，还能够提供更加舒适和便利的用水体验。

双容水箱的推广和应用将有助于提高水资源的利用效率，促进可持续发展。

结语：通过本次实验，我们对双容水箱的优势有了更加深入的了解。

双容水箱在水压稳定和供水量方面表现出色，具有智能化的功能，适用于各种场所。

1 单容水箱动态特性1.1 单容水箱构成无自平衡对象表1-1 一阶无自平衡对象的实验数据及验证结果对象参数计算过程: TS e S G s τ-=)( ，KT 1=，00)()(h t t K t h +-⨯=根据实验数据，利用matlab 拟合曲线得到： 4.6067t 1.187,00==h0359.10328.0)(+=t t h30.48780328.011===K T 4.6067=τ 传递函数为：30.4878S)(-4.6067Se S G =实验飞升曲线如图1-1图1-1（+为实验数据点，直线为拟合直线）1.2 单容水箱构成自平衡对象由于试验给的是放水的过程，但是该系统的关键参数不会变化，因为它是一个惯性环节（1)(+=Ts K s G ），其中，T 是不会变的，则可以用MATLAB 模拟的方法。

表1-2一阶自平衡对象的实验数据及验证结果①由飞升曲线确定一阶惯性环节的参数，1)(+=Ts Ks G中需要确定未知参数K 和T 。

静态增益 3.92 5%203.92)0()(=⨯=∞=x y K 。

求时间常数T 时，先将实验飞升曲线改写成如下标幺的飞升曲线，)()(*∞=y t y y 标幺的飞升曲线的表达式为：T t e y /*1--=因此只需选择某个时刻1t ，找出)(1*t y 的值，就可解出T 值。

)](1ln[1*1t y t T --= 63.0)101(*=y ，则102)63.01ln(101=--=T 。

STs K s G 102192.31)(+=+=实验曲线：图1-22 二阶对象的传递函数(二阶20%给定)表中)()()(*∞=y t y t y ,y(t)是任意时刻水位高度，)(∞y 为达到平衡时水位的高度。

)(*t y 传递函数121)(2++=s T s T s G ζ。

此式改写))((1)(212ωω++=s s T s G ，式中]1[1]1[12221-+=--=ζζωζζωTT或⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+==21212121ωωωωζωωT 于是传递函数又可表示成 ))(()(2121ωωωω++=s s s G在单位阶跃作用下，输出的飞升曲线为t t e e t y 21121122*1)(ωωωωωωωω---+--=根据以上飞升曲线模型，利用matlab 拟合可得： w1= 0.0132 , w2= 7.9935利用公式：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+==21212121ωωωωζωωT ，可以得到T= 3.0754, ζ=12.3121传递函数121)(2++=s T s T s G ζ=175.7286S 9.4581 12++S曲线如图2-1：图2-1（平滑曲线为拟合曲线，震荡曲线为实验曲线）3 二阶对象的传递函数(二阶40%给定)表中)()()(*∞=y t y t y ,y(t)是任意时刻水位高度，)(∞y 为达到平衡时水位的高度传递函数可表示成 ))(()(2121ωωωω++=s s s G在单位阶跃作用下，输出的飞升曲线为t t e e t y 21121122*1)(ωωωωωωωω---+--=根据以上飞升曲线模型，利用matlab 拟合可得：（附程序2）w1= 0.0082 w2= 8.1451利用公式：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+==21212121ωωωωζωωT ，可以得到T= 3.8637, ζ= 15.7511传递函数121)(2++=s T s T s G ζ=1121.7158S 14.9284 12++S曲线如图图3-1（平滑曲线为拟合曲线，震荡曲线为实验曲线）4 用带时延的一阶惯性对象拟合二阶40%给定对象参数计算过程 其中稳态放大系数： 1.59415%401883.3)0()(=⨯=∞=x y K 为计算时间常数T 及纯时延τ，将)(t y 改写成标幺飞升曲线)()()(*∞=y t y t y ，有：⎪⎩⎪⎨⎧≥-<=--τττt et t y T t 10)(*任取两点(t 1,y1*)、(t 2,y2*)⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧------=----=)](1ln[)](1[ln )](1[ln )](1[ln )](1[ln )](1[ln 2*1*2*11*22*1*12t y t y t y t t y t t y t y t t T τ 可取y*(61)=0.3908,y*(116)=0.6302⎩⎨⎧=-==-=-=52110)61116(2)(22112t t t t T τ 传递函数sS e Se TS K s G 511015941.11)(--+=+=τ实验曲线:图4-15 设计串联校正装置（二阶20%给定的校正）校正前的根轨迹：图5-1分析与计算：由于要求在阶跃输入下闭环系统的稳态位置误差05.0<ss e ，阻尼比8.06.0<<ζ则：19)1(05.01>=<+=p pss K R K Re而且当ζ=0.707时，即cos -1 ζ=450时动态性能最佳 由原开环极点为（-0.0132，0i ）,(-7.9935,0i) 可取希望的极点为S 1为（-7，-7i ） 设计超前-滞后校正装置：⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛++⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=b b a aC T s T s T s T s K s G ββ111)( 由011225)9935.7)(0132.0(0924.0-=++∠s s应使超前校正部分提供r=0225-0180=045的超前角即：0451=++∠bbT s T s β由此可得01.5.285.996.31===ααbbT T为使滞后校正部分对r 角影响很小则：011≈++∠a aT s T s α 可使21.0152.01==aaT T α校正后的根轨迹由图可知当ζ=0.707时，开环增益为74=p K ，即19>p K 满足05.0<ss e 的校正要求，此时8.06.0<<ζ满足要求。

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THPCAT-2型现场总线过程控制对象系统实验装置、AT-1智能仪表挂件一个、RS485/232转换器一个、RS485通讯线一根、计算机一台、万用表一个、软管若干。

三、实验原理图3-6 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3-6所示。

被控量为上小水箱（也可采用上大水箱或下水箱）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LT1检测到的上小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上小水箱作为被测对象（也可选择上大水箱或下水箱）。

以上小水箱为例叙述实验步骤如下：1. 实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-3、F1-4、F1-6全开，将上小水箱出水阀门F1-10开至适当开度（30%～80%），其余阀门均关闭。

2. 管路连接：将工频泵出水口和支路1进水口连接起来；将支路1出水口和上小水箱进水口连接起来；将上小水箱出水口和储水箱进水口连接起来。

3. 采用智能仪表控制：1）将“AT-1智能调节仪控制”挂件挂到网孔板上，并将挂件的通讯线插头通过RS485通讯线与RS485/232转换器连接到计算机串口1。

2）强电连线：单相I电源L、N端对应接到AT-1挂件电源输入L、N端。

3）弱电连线：上小水箱液位LT1的1-5V+、-端对应接到智能调节仪I的1-5V电压输入1、2端；智能调节I输出7、5对应接到电动调节阀控控制输入+ 、-端。