基于PID的上水箱液位控制系统课程设计报告

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。

课程设计报告设计题目：水箱液位控制系统的设计班级：学号：姓名：指导教师：设计时间： 2012.05.07—2012.05.25摘要在过程工业中被控制量通常有以下四种: 液位、压力、流量、温度。

而液位不仅是工业过程中常见的参数，且便于直接观察，也容易测量。

过程时间常数一般比较小。

以液位过程构成实验系统,可灵活地进行组态，实施各种不同的控制方案。

液位控制装置也是过程控制最常用的实验装置。

国外很多实验室有此类装置，如瑞典LUND大学等。

很多重要的研究报告、模拟仿真均出自此类装置!本次设计也是基于这套水箱液位控制装置来实现的。

这套系统由多个水箱，液位检测变送器，电磁流量计，涡轮流量计，自动调节阀，控制面板等喝多器件构成。

液位控制的发展从七十年代到九十年代经历了几个阶段，控制理论由经典控制理论到现代控制理论，再到多学科交叉；控制工具由模拟仪表到DCS，再到计算机网络控制；控制要求与控制水平也由原来的简单、安全、平稳到先进、优质、低耗、高产甚至市场预测、柔性生产。

而其中应用最广泛的就是PID 控制器。

这次首先是用一天半的时间让我们熟悉各种建模的方法。

学会建立了最初的四种模型。

接着后几天就是开始熟悉各种控制系统，以及运用它们去控制水箱的液位，从而更加深刻的理解控制的概念。

并且在过程中，要熟练学会调整PID的参数，学会使用MATLAB等。

关键词：水箱液位 PID控制串级控制前馈控制经验凑试法1.引言在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。

在本世纪30 年代就已有应用。

过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。

在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。

目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。

《控制工程实验》实验报告实验题目：上水箱液位 PID 整定实验课程名称：《控制工程实验》姓名：学号：专业：年级：院、所：日期： 2019.04.12实验一上水箱液位 PID 整定实验一、实验目的1．了解单容液位定值控制的结构与组成。

2．掌握单容液位定值控制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．掌握控制系统的实现过程。

二、实验设备1. 实验装置对象及控制柜 1套2. 装有Step7、WinCC等软件的计算机 1台3. CP5621专用网卡及MPI通讯线各1个三、实验原理本实验系统结构图和方框图如图1所示。

被控量为上水箱（也可采用中水箱或下水箱）的液位高度，实验要求上水箱的液位稳定在给定值。

将压力传感器 LT1 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电动调节阀的开度，以达到控制上水箱液位的目的。

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。

图 1 上水箱单容液位定值控制(a)结构图 (b)方框图四、实验内容与步骤本实验选择上水箱作为被控对象。

实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门 F1-1、F1-6、F1-10、F1-11 全开，将中水箱出水阀门 F1-9 开至适当开度（50%左右），其余阀门均关闭。

1．用 MPI 通讯电缆线将 S7-300PLC 连接到计算机 CP5621 专用网卡，并按照控制柜接线图连接实验系统。

2．接通总电源空气开关，合上单相，打开钥匙开关，给系统上电，将相应旋钮开关打至开，给 S7-300PLC 及电动调节阀上电。

3．打开 Step 7 软件，并打开“S7-300PLC”程序进行下载，然后将S7-300PLC 置于运行状态，然后运行 WinCC 组态环境，打开“S7-300PLC 控制系统”工程，然后进入 WinCC 运行环境，在主菜单中点击“实验三、上水箱液位 PID 整定实验”，进入实验三的监控界面。

实验二上水箱液位简单PID 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.实验原理图3-1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。

本系统所要保持的恒定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，采用工业智能仪表控制。

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。

因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器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。

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，PID 控制器电动调节阀上小水箱液位变送器+ ─给定液位图3-1、实验原理图扰动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）。

在单位阶跃作用下，P、PI、PID 调节系统的阶跃响应分别如图3-2中的曲线①、②、③所示。

图3-2、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线三.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)将AE2000A 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。

基于PID的上水箱液位控制系统设计一、引言上水箱液位控制系统是指通过控制进水和排水流量，以维持上水箱液位在设定范围内的一种控制系统。

该系统通常由液位传感器、执行器（如水泵和阀门）以及PID控制器组成。

PID控制器利用反馈信号和设定值之间的误差，控制执行器的输出来调节系统的操作点。

本文将介绍基于PID 控制算法的上水箱液位控制系统设计。

二、系统框架及传感器设计上水箱液位控制系统的框架由上水箱、进水管、排水管、水泵和阀门等组成。

液位传感器被安装在上水箱内部，并通过模拟信号输出当前液位高度。

液位传感器使用压力或超声波等测量方法，将液位高度转化为与之对应的电信号。

三、PID控制器设计PID控制器是目前最为常用的控制算法之一，其通过比较反馈信号与设定值之间的误差，并根据比例、积分和微分三个参数的调节来调整执行器的输出。

PID控制器的输出信号将会改变水泵和阀门的工作状态，以实现液位控制目标。

1. 比例（Proportional）参数：该参数决定了控制器输出与误差的线性关系。

假设比例参数为Kp，则控制器输出为Kp乘以误差信号。

较大的比例参数会导致较大幅度的输出调整，但可能会引起过冲。

2. 积分（Integral）参数：该参数代表了误差随时间的累积值。

通过对误差的积分可以消除稳态误差，提高系统的稳定性。

大的积分参数会导致较大幅度的输出调整，但可能引起系统超调和震荡。

3. 微分（Derivative）参数：该参数反映了误差变化的速度。

通过对误差的微分可以预测误差的未来变化趋势，对输出进行调整。

适当调节微分参数可以提高系统的响应速度，减小超调和震荡。

四、系统实现及优化1.系统实现根据液位传感器的反馈信号以及设定值，PID控制器计算出相应的控制输出，并改变水泵和阀门的工作状态，实现液位控制。

具体步骤如下：1）根据液位传感器的信号，计算当前液位与设定值之间的误差。

2）根据误差的大小，计算比例、积分和微分参数的调整值。

3）将调整值作用于水泵和阀门的工作状态，调节进出水流量。

基于PLC的水箱液位PID控制摘要本设计的课题是基于PLC的水箱液位PID控制。

在设计中，主要是数学模型的建立和控制算法的设计，因此在论文设计中用到的PID算法较多，而在PLC方面的知识较少。

本文的主要内容包括：PLC的产生和定义、过程控制的发展、水箱的特性确定与实验曲线分析， S7-200系列可编程控制器的硬件掌握，PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应PID控制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和讲解PLC的过程控制指令PID指令来控制水箱水位。

关键词：S7-200系列PLC，控制对象特性，PID控制算法，PID指令，The liquid level control system based on PLCAuthor：Yan ZhengjunTutor：Wang HongweiABSTRACTThe subject of graduation design is based on PLC, liquid level control systemdesign. In the design, the author is mainly responsible for the mathematical model andcontrol algorithm design, so the design used in the paper referred to was more PIDalgorithm, PLC in less knowledge.Main contents of this article: PLC creation and definition, process control, development, and water tanks and experiment to determine the characteristics curveanalysis, S7-200 series PLC hardware control, PID tuning parameters and variousparameters of the control performance comparison, the application PID controlalgorithm obtained experimental curve analysis, the entire system, introduce andexplain the various parts of the PLC process control commands to control the tanklevel PID instruction.Keywords：S7-200 series PLC, PID control algorithm, to expand the criticalproportion method, PID instruction,目录第一章绪论............................................................. 错误!未定义书签。

上、中水箱液位串级PID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、实验设备AE2000型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。

三、实验原理上水箱液位作为副调节器调节对象，中水箱液位做为主调节器调节对象。

控制框图如图9-1所示：图9-1上水箱下水箱液位串级控制框图四、实验内容和步骤1、设备的连接和检查1).打开以丹麦泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。

2).打开上水箱出水阀和中水箱的出水阀开至适当的开度。

3).检查电源开关是否关闭2、系统连线图图9-2实验接线图1).将上水箱液位信号接至8017的AI0通道，将中水箱液位信号接至8017的AO0通道。

2).将8024的AO1通道接至气动调节阀的控制信号输入端。

3).电源控制板上的三相电源空气开关、丹麦泵电源开关打在关的位置。

3、启动实验装置：1).打开电源带漏电保护空气开关。

打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。

打开单相泵电源。

2).启动计算机DDC组态软件，进入实验系统相应的实验3).建立工作点将副回路的PID控制器设成手动单击实验界面中的副回路PID控制器标签打开副回路PID控制器界面，然后单击副回路PID控制器的“手动”按钮a、设定工作点单击副回路PID控制器界面中MV柱体旁的增/减键，设置MV（U1）的值c、进行对象动态特性测试（参见已做过的实验）给MV一个阶跃，将1号和3号水箱的液位变化数据记录在表1中：根据实验数据用两点法建立3号和1号水箱的传递函数，作为PID初始参数计算的依据。

4)调节串级的后级a、设置PID参数根据对象特性，查表计算PID初始参数，P＝I＝D＝，并将参数输入到控制器中，并进行微调，使内回路控制效果达到最佳。

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。

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。

pid水箱控制系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解PID控制原理，掌握水箱控制系统的基本构成及工作原理；2. 使学生掌握水箱液位控制的相关数学模型，了解参数对控制系统性能的影响；3. 引导学生运用所学知识，分析水箱控制系统的实际运行问题，并提出合理的解决方案。

技能目标：1. 培养学生运用PID控制算法进行水箱控制系统设计与调试的能力；2. 培养学生利用相关软件工具（如MATLAB/Simulink等）进行水箱控制系统仿真的技能；3. 提高学生团队协作、沟通表达及分析解决问题的能力。

情感态度价值观目标：1. 激发学生对自动控制技术的兴趣，培养其创新意识和实践精神；2. 培养学生严谨的科学态度，提高其对工程问题的责任感；3. 引导学生关注我国自动化产业发展，树立为国家发展贡献力量的价值观。

课程性质分析：本课程为实践性较强的课程，旨在让学生将所学理论知识应用于实际控制系统设计，提高学生的实践操作能力和创新能力。

学生特点分析：学生已具备一定的自动控制理论基础，具有较强的学习兴趣和动手能力，但缺乏将理论知识与实际应用相结合的经验。

教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，强调学生在课程学习中的主体地位，提高学生的参与度和积极性。

通过课程学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关课程的学习和工程实践打下坚实基础。

二、教学内容1. 理论知识：- PID控制原理：介绍比例、积分、微分控制的基本概念和作用；- 水箱控制系统的数学模型：讲解水箱液位控制系统的动态特性及传递函数推导；- 控制系统性能分析：探讨参数对控制系统稳定性和快速性的影响。

2. 实践操作：- 水箱控制系统设计与仿真：利用MATLAB/Simulink软件，进行水箱控制系统的建模、仿真与调试；- 硬件在环实验：结合实际水箱控制系统，进行硬件在环实验，验证控制策略的有效性。

3. 教学大纲：- 第一周：PID控制原理学习，水箱控制系统的基本构成及工作原理介绍；- 第二周：水箱控制系统的数学模型建立与性能分析；- 第三周：水箱控制系统设计与仿真，参数调试与优化；- 第四周：硬件在环实验，总结与反思。