实验02 单容水箱液位数学模型的测定实验
自动控制实验_单容、双容水箱
单容水箱其具体原理可用下图表示：一、液位控制系统的工作原理当连杆位于电位器中点位置时，浮子电压为零，电压差为零，所以电动机不动，控制阀门有一定的开度，使水箱中流入水量与流出水量相等，从而液面保持在希望高度上，此时我们称系统达到平衡状态。
当连杆位于电位器中点位置偏上时，根据杠杆原理，箱内液面下降，此时电压差增大，使电动机工作，而控制闸门的开度，使入水量大于出水量，箱内液面逐渐升高，从而渐渐达到平衡状态。
当连杆位于电位器中点位置偏下时，根据杠杆原理，箱内液面上升，此时电压差减小，使电动机工作，而控制闸门的开度，使入水量小于出水量，箱内液面逐渐降低，从而渐渐达到平衡状态。
二、液位控制系统原理框图给定液位实际液位电位器放大器电动机减速器水池阀门门三、 自动控制系统各部分的数学模型的建立以及其传递函数在本控制系统中，我们设Q1为进水量（平衡状态下的增量），Q2为出水量，Ho 为平衡时的水面高度，H 为液面实际高度（平衡状态下的增量），C 为水箱的横截面积。
1)电位计独立工作没什么意义，我们把给定液面体现在电位器上，这就需要电位器和连杆，浮子一起工作，他们是一个整体，实际液面也通过电位器，连杆，浮子与给定电位比较，因为电位器体现的是电压的大小，而我们通过杠杆原理还有浮子，将液面高度与电压的关系联系起来，且两者的关系为正比关系，H （s ）为液面高度的拉式变化，U （s ）为电压的拉式变化，Go （s ）=Ku)(H U(S)S 。
2) 电动机的数学模型设)(t u 为输入的控制电压)(V ，i 电枢电流)(A ,M 为电机产生的主动力矩)(m N •,ω为电机轴的角速度)/(s rad ，L 为电机的电感)(H ，R 为电枢导数的电阻)(Ω，)(t e 电枢转动中产生的反电势)(V ，J 为电机和负载的转动惯量)(2m Kg *根据电路的克希霍夫定理（KVL ）：)()(t u t Ri dtdiL=++θ 整理后得：)(2122r rm m e M dt dM T K u K dt d T dt d T T +-=++θωωω式中：R LT =θ称为直流电动机的电气时间常数；m m K K JR T θ=称为直流电动机的机电时间常数；θK K 11=，θK K R K m =2为比例系数。
实验报告：单容自横水箱液位特性测试实验报告
过程控制综合实验报告实验名称：单容自衡水箱液位特性测试实验专业：班级:姓名：学号：实验方案一、实验名称：单容自衡水箱液位特性测试实验二、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。
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。
四、实验准备在所给实验设备准备好时，由实验指导书连线，检查线路之后上电，打开启动按钮，对实验对象进行液位特性测试。
通过该实验，我们最后要得到的理想结论是，通过手动控制阀门的开度来对水箱进行液位的特性测试，测试结果应该是，在给实验对象加扰动的情况下，贮蓄容器可以依靠自身重新恢复平衡的过程。
在实验之前，将储水箱中贮足水量，实验过程中选择下水箱作为被测对象，将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度，其余阀门均关闭，进行观察实验。
（a）结构图（b）方框图一、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、实验设备三相电源（~380V/10A）远程数据采集模拟量输出模块SA-22、SA-23（24V输入）三相磁力泵（~380V）压力变送器电动调节阀（4~20mA、~220V）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。
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。
实验02 单容水箱液位数学模型的测定实验
实验2 单容水箱液位数学模型的测定实验一、实验目的1、熟练掌握液位测量方法。
2、熟练掌握调节阀流量调节特性。
3、获得单容水箱液位数学模型。
二、实验设备A3000-FS/FBS常规现场系统，任意控制系统。
三、实验原理与介绍1、实验结构介绍水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板开度来改变。
被调量为水位H。
分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。
直接在调节阀上加定值电流，从而使得调节阀具有固定的开度。
（可以通过智能调节仪手动给定，或者AO模块直接输出电流。
）调整水箱出口到一定的开度。
突然加大调节阀上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型。
通过物料平衡推导出的公式：23参考结果单容水箱水位阶跃响应曲线，如图4-1-2所示：图4-1-2 单容水箱液位飞升特性此时液位测量高度184.5 mm，实际高度184.5 mm -3.5 mm =181 mm。
实际开口面积5.5x49.5=272.25 mm2。
此时负载阀开度系数：水槽横截面积：0.206m2。
那么得到非线性微分方程为(标准量纲):：四、实验要求1、要求使用不同的给定值获得不同的曲线。
2、给出数学模型。
五、实验内容与步骤1、在现场系统A3000-FS上，将手动调节阀JV201、JV206完全打开，使下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。
2、在控制系统A3000-CS上，将下水箱液位（LT103）连到内给定调节仪输入端，调节仪输出端连到电动调节阀（FV101）控制信号端。
3、打开A3000-CS电源，调节阀通电。
打开A3000-FS电源。
4、在A3000-FS上，启动右边水泵（P102），给下水箱注水。
5、调节内给定调节仪设定值，从而改变输出到调节阀（FV101）的电流，然后调节JV303开度，使得在低水位时达到平衡。
6、改变设定值，记录水位随时间的曲线。
7、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。
关闭全部电源设备，拆下实验连接线。
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。
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实验2 单容水箱液位数学模型的测定实验
一、实验目的
1、熟练掌握液位测量方法。
2、熟练掌握调节阀流量调节特性。
3、获得单容水箱液位数学模型。
二、实验设备
A3000-FS/FBS常规现场系统，任意控制系统。
三、实验原理与介绍
1、实验结构介绍
水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板开度来改变。
被调量为水位H。
分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。
直接在调节阀上加定值电流，从而使得调节阀具有固定的开度。
（可以通过智能调节仪手动给定，或者AO模块直接输出电流。
）
调整水箱出口到一定的开度。
突然加大调节阀上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型。
通过物料平衡推导出的公式：
2
3参考结果
单容水箱水位阶跃响应曲线，如图4-1-2所示：
图4-1-2 单容水箱液位飞升特性
此时液位测量高度184.5 mm，实际高度184.5 mm -3.5 mm =181 mm。
实际开口面积5.5x49.5=272.25 mm2。
此时负载阀开度系数：
水槽横截面积：0.206m2。
那么得到非线性微分方程为(标准量纲):：
四、实验要求
1、要求使用不同的给定值获得不同的曲线。
2、给出数学模型。
五、实验内容与步骤
1、在现场系统A3000-FS上，将手动调节阀JV201、JV206完全打开，使下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。
2、在控制系统A3000-CS上，将下水箱液位（LT103）连到内给定调节仪输入端，调节仪输出端连到电动调节阀（FV101）控制信号端。
3、打开A3000-CS电源，调节阀通电。
打开A3000-FS电源。
4、在A3000-FS上，启动右边水泵（P102），给下水箱注水。
5、调节内给定调节仪设定值，从而改变输出到调节阀（FV101）的电流，然后调节JV303开度，使得在低水位时达到平衡。
6、改变设定值，记录水位随时间的曲线。
7、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。
关闭全部电源设备，拆下实验连接线。
六、思考问题
依据分析如何测量系统的流出系数。
分析，如果提供一个下水箱出口流量计，你能增加怎样的实验。
七、实验结果提交
1、通过抓图方法，提交获得的曲线。
2、根据曲线，计算数学模型。