双容水箱液位定值控制系统实验报告

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。

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。

自动控制系统课程设计双容水箱系统——结题报告学校：北京工业大学学院：电控学院专业：自动化班级：组号：第五组组员：实验日期：指导教师：目录一、课程设计任务 (2)二、被控对象的模型及分析 (2)三、系统控制方案论证 (5)四、控制结构与控制器设计步骤 (6)五、实验过程论述 (8)六、实验结果及分析 (10)七、总结 (10)八、附录 (11)一、课程设计任务1、课程设计目的（1）掌握自动控制系统的分析与控制器设计方法。

（2）掌握基于MATLAB的系统仿真方法（3）掌握基于实验方法确定系统模型参数的方法(4) 掌握基于物理对象的控制系统的调试方法（5）培养编制技术总结报告的能力。

2、被控对象: 双容水箱系统3、性能指标要求衰减率4:1～10:1,超调量Mp<10%，调节时间Ts<45s，稳态误差0=sse二、被控对象的模型及分析1双容水箱的数学模型双容水箱液位控制结构图如下图所示：图2-3 双容水箱液位控制结构图设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度H2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为式中K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分别为阀V3和V4的液阻，C1和C2分别为左水箱和右水箱的容量系数。

式中的K、T1和T2可由实验求得的阶跃响应曲线求出。

具体的做法是在下图所示的阶跃响应曲线上取：6)-1(*)1*)(1*()()()(2112e sSTSTKSGSQSHτ-++==1）、h 2（t ）稳态值的渐近线h 2(∞)；图2-4 阶跃响应曲线 2）、h 2（t ）|t=t1=0.4 h 2(∞)时曲线上的点A 和对应的时间t 1；3）、h 2（t ）|t=t2=0.8 h 2(∞)时曲线上的点B 和对应的时间t 2。

然后，利用下面的近似公式计算式1-6中的参数K 、T1和T2。

其中：对于式（1-6）所示的二阶过程，0.32<t 1/t 2<0.46。

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。

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。

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。

自动控制课程设计报告 -------双容水箱液位控制王治国 07020133赵超跃 070201072010年7月11日目录试验目的 (3)控制对象 (3)性能指标 (3)试验设计内容 (3)试验步骤 (4)试验结果分析 (12)总结 (12)（一）实验目的1、掌握自动控制系统的分析与控制器设计方法2、掌握基于MATLAB 的系统仿真方法3、掌握基于实验方法确定系统模型参数的方法4、掌握基于物理对象的控制系统的调试方法5、培养编制技术总结报告的能力（二）控制对象双容水箱系统（三）指标要求衰减率4:1～10:1,超调量%10≤pM ，调节时间sts15≤，稳态误差0=sse（四）课程设计内容（1）系统分析根据被控对象的数学模型，应用控制理论系统分析的方法，对被控对象的性能进行分析（时域、频域）。

（2）系统设计根据性能指标的要求，进行系统方案论证，进行相关控制器或控制算法设计。

（3）系统仿真在MATLAB 的Simulink 仿真平台下，进行系统仿真，验证控制算法的可行性、抗干扰性以及参数变化对系统的影响。

（4）系统实现搭建相关控制器或编写相应的控制算法，对所选的物理对象进行实时控制，并进行相关控制器的调试，使系统正常工作时满足性能指标的要求。

（5）系统模型参数的获取设计相关实验，获取系统模型参数。

（6）参数变化对系统性能的影响设计实验，获取数据，分析控制参数对系统性能的影响。

(五) 实验步骤(1)系统参数的获取和性能分析双容水箱的数学模型双容水箱液位控制结构图如下图所示：图2-3 双容水箱液位控制结构图设流量Q 1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度H 2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为式中 K=R 4，T 1=R 2C 1，T 2=R 4C 2，R 2、R 4分别为阀V 3和V 4的液阻，C 1 和C 2分别为左水箱和右水箱的容量系数。

K 、T 1和T 2可由实验求得的阶跃响应曲线求出。

双容水箱液位串级PID控制实验一、实验目的1、进一步熟悉PID调节规律2、学习串级PID控制系统的组成和原理3、学习串级PID控制系统投运和参数整定二、实验设备1、四水箱实验系统DDC实验软件2、PC机（Window 2000 Professional 操作系统）三、实验原理1、控制系统的组成及原理一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器称为“串级”控制器。

两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给被控对象，这样组成的系统称为串级控制系统。

本仿真系统的双容水箱串级控制系统如下图所示：图17－1 本仿真系统的双容水箱串级控制系统框图串级控制器术语说明主变量：y1称主变量。

使它保持平稳使控制的主要目的副变量：y2称副变量。

它是被控制过程中引出的中间变量副对象：上水箱主对象：下水箱主控制器：PID控制器1，它接受的是主变量的偏差e1，其输出是去改变副控制器的设定值副控制器：PID控制器2，它接受的是副变量的偏差e2，其输出去控制阀门副回路：处于串级控制系统内部的，由PID控制器2和上水箱组成的回路主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出r2为输入，以副变量y2为输出的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，即主回路。

串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。

但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。

串级控制系统的主要优点有：1）副回路的干扰抑制作用发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正2）主回路响应速度的改善副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的相应速度3）鲁棒性的增强串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性4）副回路控制的作用副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制由此可见，串级控制是改善调节过程极为有效的方法，因此得到了广泛的应用。