实验05双容水箱液位定值控制实验
双容水箱液位PID控制实验
《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。
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。
实验五、串接双容下水箱液位PID整定实验
1.4.2二阶水箱对象PID控制
实验五串接双容中水箱液位PID整定
一、实验目的
（1）熟悉单回路双容液位控制系统的组成和工作原理。
（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控制器参数对双容系统控制性能的影响。
二、实验设备
CS2000型过程控制实验装置、计算机、DCS控制系统与监控软件。
(7)改变控制规律，时间允许的情况下，对于P、PI、PID，分别得到2条合理的过渡过程曲线（对应不同参数）。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。
五、实验报告要求
（1）画出双容水箱液位控制实验系统的结构图。
（2）画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D对系统性能的影响。
六、思考题
三、实验原理
二阶双容水箱液位PID控制方框图
上图为双容水箱液位控制系统。这也是一个单回路控制系统，它与实验四不同的是有两个水箱相串联，控制的目的是使中水箱的液位高度等于给定值所期望的高度，具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响功能。显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于控制器（DCS）的结构和参数的合理选择。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故系统的稳定性不如单容液位控制系统。
对于阶跃输入（包括阶跃干扰），这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度成正比。若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数δ和TI调节的合理，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的控制作用，从而使系统既无余差存在，阀，将CS2000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。
双容水箱液位定值控制和串级控制
式中，为槽 1 的时间常数，T1=R2C；T2 为槽 2 的时间常数，T2=R3C2。 经计算 T1=9.09，T2=17.43 上式即为双容液位过程的数学模型 与自衡单容过程的阶跃响应相比， 双容过程的阶跃响应一开始变化慢， 其原因是槽与槽 之间存在液体流通阻力而延缓了被控量的变化。显然，串联容器越多，则过控容量越大，时 间约延长。 双容过程也可以近似为有时延的单容过程。其做法是通过相应曲线Δ h2 的拐点作切线 （如虚线所示），与时间轴相交于 A 点，与Δ h2 的稳态值Δ h2 （∞）相交于 C 点，C 点在 时间轴上的投影为 B。此时，传递函数可近似为
图 7 双容水箱液位阶跃响应曲线
本课程设计采用负阶跃，得到响应曲线如图 8 所示。
图 8 双容水箱液位的负阶跃响应曲线（2）
根据上述公式，计算其特征参数 K、T1、T2 及传递函数。
K
h 2() 输入稳态值 12.3 = =12.3 xO 阶跃输入量 1 t1 t2 5.1 2.25 = =3.4 2.16 2.16
变化量（流量的变化量与原流量的比）则随阀杆位置的不同而不同。所以，线性调节阀在小 开时流量的相对变化量大，灵敏度高，控制作用强，容易产生振荡：而在大开度时流量的相 对变化量小，灵敏度低控制作用弱。由此可知，当线性调节阀工作在小开度或大开度时，其 控制性能均较差，因为不宜用于负荷变化大的过程。
第二章双容水箱特性Hale Waihona Puke 测试= q1 - q 2
h1 R2
q 2 = C2 dh 2 dt
= q 2 q3
h 2 R3
q3
式中，分别为流过阀 1、2、3 的流量;分别为槽 1、2 的液位；分别为槽 1、2 的容量系 数；分别为阀 2、3 的液阻。 进行拉斯变换，整理后的传递函数为
双容水箱实验报告
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。
双容水箱液位PID控制实验
《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。
双容水箱液位调节阀控制实验
实验五双容水箱液位调节阀控制5.1 实验目的了解双容液位控制的构成环节，调节阀的工作原理，熟悉上位机组态王的组态及通讯。
通过实验，掌握双容液位PID参数的整定。
5.2 实验要求1、实验前需熟悉实验的设备装置以及管路构成。
2、熟悉仪表装置，如检测单元、控制单元、执行单元等。
3、用响应曲线法求取PID参数，以4:1标准衰减振荡作为指标，整定出最佳的比例度、积分时间和微分时间。
5.3 实验设备及系统组成1、实验设备：A3000对象系统（1）泵：工作电源220VAC。
（2）变频器：工作电源220VAC，控制信号4-20mA，输出电源0-220VAC。
（3）电动调节阀：工作电源24VAC，控制信号2.10VDC,阀门开度0.100%。
（4）液位传感器：输出信号4-20mA,量程为0-50cm。
2、系统组成双容下水箱液位PID控制流程图如图5.1所示图5.1双容下水箱液位调节阀PID单回路控制3、测点清单测点清单如表5.1所示：表5.1 双容下水箱液位调节阀PID单回路控制测点清单水介质由泵P102箱V104中加压获得压头，经由调节阀FV101进入水箱V102，经QV117流向V103,通过挡板QV116回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT103测得，用调节挡板QV116的开启程度来模拟负载的大小。
本例为定值自动调节系统，FV101为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调节来完成。
需要全打开的手阀：QV102、QV107；需要全关闭的手阀：QV103、QV104、QV105、QV109；挡板开度：QV1170.8cm。
QV1160.5cm。
5.4 操作步骤和调试1、编写控制器算法程序，下装调试；编写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。
2、在现场对象上，选择管路，打开或关闭相应手阀。
3、在控制柜上，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A O0。
双容水箱串级PID控制实验液位
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。
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实验05双容水箱液位定值控制实验
实验5 双容水箱液位定值控制实验
一、实验目的
1、掌握多容系统单回路控制的特点
2、深入了解PID控制特点。
3、深入研究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。
三、实验原理与介绍
1、系统结构
水从中水箱进入，中水箱闸板开度8毫米，进入下水箱，下水箱闸板开度5-6毫米。
要保证中水箱闸板开度大约下水箱闸板开度，这样控制效果好些。
水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板来改变。
被调量为下水位H。
如图5-3-1所示。
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。
图5-3-1 双容水箱液位定值控制实验
2、控制逻辑结构
双容水箱液位控制系统如图5-3-2所示。
图5-3-2 双容水箱液位定值控制实验逻辑图
这也是一个单回路控制系统，它与上一个实验不同的是有两个水箱相
串联，控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度；具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。
显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于调节器Gc（S）的结构和参数的合理选择。
由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。
对于阶跃输入（包括阶跃扰动），这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度成正比，若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数δ和Ti调节得合理，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的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。
4、参考结果
双容水箱液位控制实验
PI控制器控制曲线如图5-3-3所示：
图5-3-3 PI控制器控制曲线
PID控制的曲线具有两个波，然后逐步趋于稳定。
由于系统延迟很大，这个稳定时间非常长。
比较好的效果是P=24, I=200，D=2。
如图5-3-4所示：
图5-3-4 PID控制曲线
从图可见，增加微分项之后，系统在有10%的扰动下，很快就进入稳定状态。
ADAM模块曲线图：SP=25, P=2, I=2022年00, D=0，如图5-3-5。
图5-3-5 ADAM模块控制曲线图
四、实验要求
1、使用比例控制进行双容液位进行控制，要求能够得到稳定曲线，以及震荡曲线。
2、使用比例积分控制进行流量控制，要求能够得到稳定曲线。
设定不同的积分参数，进行比较。
3、使用比例积分微分控制进行流量控制，要求能够得到稳定曲线。
设定不同的积分参数，进行比较。
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五、实验内容与步骤
1、使用组态软件进行组态。
注意实时曲线时间要设定大些，例如15分钟。
因为多容积导致的延迟比较大。
2、在A3000-FS上，打开手阀JV205、JV201，调节中水箱、下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。
3、连线：下水箱液位连接到内给定调节仪输入。
内给定调节仪的输出连接到调节阀的控制端。
4、打开A3000电源。
在A3000-FS上，启动右边水泵，给中水箱注水。
5、按所学理论操作调节器，进行PID设定。
首先还是使用P比例调节，单容实验的P值可以参考。
然后再加I值。
参见上一实验。
六、思考问题
分析，比较双容系统的最佳积分量I，以及上一实验中的最佳I参数，再次分析I与被控系统的响应时间有什么关系。
完全是一样的两个容器，那么单容响应时间也一样，但是两个串联后难控制多了，请分析原因。
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，分析P，PI，PID控制大致具有哪些趋势特征。
3、给出各个控制条件下的超调量σp，残差，以及控制稳定所需要的时间。
4、根据这些数据，分析P、I、D参数对控制系统的影响。