双容水箱液位定值控制系统
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
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。
双容水箱液位控制系统设计
双容水箱液位控制系统设计首先，双容水箱液位控制系统的基本原理是根据水位信号的反馈来控制水泵的启停。
当水箱液位低于设定值时，水泵启动，开始抽水；当液位达到设定值时，水泵停止运行。
这样就可以实现水箱液位的自动控制。
第一，确定水箱的容积和设计液位。
容积和设计液位的确定需要根据实际应用情况来选择，一般要考虑水泵的流量和工作时间等因素。
容积大的水箱可以减少水泵启停的频率，但其建设和维护成本也较高。
第二，确定水位传感器的选择和安装。
水位传感器是检测水箱液位的关键部件，可以选择浮子式传感器、超声波传感器等。
选择合适的传感器需要考虑其精度、可靠性、成本和使用环境等因素。
安装传感器时要确保其与水箱的接触良好，避免信号干扰。
第三，确定控制器的选择和编程。
控制器是实现水位控制的核心部件，可以选择PLC、单片机等。
控制器的选择要考虑其处理能力、输入输出接口和编程灵活性等因素。
编程时需要设置液位设定值和控制逻辑，使得系统能够准确地控制水泵的启停。
第四，确定水泵的选择和安装。
水泵是水箱液位控制系统的关键设备，可以选择离心泵、自吸泵等。
选择合适的水泵需要考虑其流量、扬程、功率和效率等因素。
水泵的安装要确保其与水箱的连接可靠，并考虑水泵的防护和维护问题。
第五，确定报警和保护措施。
对于水箱液位控制系统，需要设置相应的报警和保护机制，以及应急措施。
例如，当水泵故障或水箱液位异常时，系统应该能够及时发出报警，并采取相应的措施避免设备损坏或事故发生。
最后，测试和调试系统。
在系统设计和安装完成后，需要进行全面的测试和调试工作。
首先测试传感器和控制器的工作是否正常，然后测试水泵的启停控制是否准确。
同时，还需要进行系统的稳定性和灵敏度测试，确保系统能够稳定运行和满足实际需求。
总之，双容水箱液位控制系统的设计需要综合考虑容积、液位传感器、控制器、水泵、报警保护和测试调试等方面的因素。
只有设计合理并正确配置这些部件，才能实现高效、稳定的液位控制。
基于MCGS双容水箱的液位控制系统的设计
基于MCGS双容水箱的液位控制系统的设计液位控制系统的设计是指通过控制液位，使其保持在一定的范围内，以确保液位不超过或低于设定的阈值。
基于MCGS双容水箱的液位控制系统设计，是指采用MCGS双容水箱作为液位控制的主要装置，通过合理的控制算法和参数设置，实现水箱液位的稳定控制。
MCGS双容水箱是一种具有两个容器的水箱系统，其中一个容器填充水，另一个容器排空水，通过控制两个容器之间的水位差，可以实现对整个水箱液位的控制。
基于这种结构，可以设计出以下几个方面的液位控制系统。
第一，传感器的选取和安装。
传感器是液位控制系统的核心部件，用于实时检测水箱的液位信息。
在选取传感器时，需要考虑传感器的灵敏度、稳定性和耐腐蚀性等因素。
传感器一般安装在水箱的上部和下部，以便检测到液位的变化。
第二，控制算法的设计。
针对MCGS双容水箱的特点，可以设计出一套合理的控制算法来控制液位。
一种常用的控制算法是PID控制算法，通过调节水箱出水流量和进水流量的比例，实现对液位的控制。
通过对水箱系统进行建模和仿真，可以确定合适的PID参数，从而实现液位的稳定控制。
第三，控制参数的设置。
在设计液位控制系统时，需要合理设置控制参数，包括PID参数、液位报警阈值和控制的液位范围等。
PID参数的设置可以通过试验和调整来完成，液位报警阈值可以根据实际需求来确定，控制的液位范围可以根据水箱容量和水流量等因素来设定。
第四，系统的安全保护措施。
在设计液位控制系统时，需要考虑到系统的安全性，防止出现液位过高或过低的情况。
可以设置液位报警装置，在液位超出设定的范围时发出警报，以便及时采取措施，避免发生事故。
综上所述，基于MCGS双容水箱的液位控制系统设计需要考虑传感器的选取和安装，控制算法的设计，控制参数的设置以及系统的安全保护措施。
通过合理的设计和调试，可以实现对水箱液位的稳定控制，确保系统的运行安全和稳定。
实验三 双容水箱液位定值控制
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。
双容水箱液位串级控制系统_毕业设计
双容水箱液位串级控制系统_毕业设计
在双容水箱液位串级控制系统中，通常有两个水箱，分别称为主水箱
和副水箱。
主水箱通常是较大的水箱，副水箱是较小的水箱。
系统的目标
是保持主水箱和副水箱的液位稳定在设定值附近。
系统的控制过程可以分为以下几个步骤：
1.流程测量：系统通过测量主水箱和副水箱的液位，获取当前的液位
信号。
2.控制计算：根据测量值和设定值，计算需要调节的阀门开度。
3.阀门控制：根据计算结果，控制阀门的开度，调节水的流入和流出
速度，以实现液位的控制。
4.反馈调整：根据阀门控制后的效果，不断调整阀门开度，使液位稳
定在设定值附近。
在实际的设计中，双容水箱液位串级控制系统通常采用PID控制器来
实现。
PID控制器包括比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分。
比
例部分根据偏差的大小进行调整，积分部分根据偏差的持续时间进行调整，微分部分根据偏差的变化速率进行调整。
通过不断调整PID参数，实现系
统的稳定性和响应速度的平衡。
另外，在实际的设计中，还需要考虑到系统的动态响应、稳定性、静
差和抗干扰性等因素。
可以采用仿真软件进行系统的建模和分析，优化系
统的设计参数。
总之，双容水箱液位串级控制系统作为一种常见的控制系统，在工业、农业和民用领域有着广泛的应用。
通过合理设计和调节控制参数，可以实
现液位的稳定控制，提高系统的稳定性和安全性。
同时，与实际的实验和仿真相结合，可以进一步优化系统的设计和控制策略。
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
实验05双容水箱液位定值控制实验
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。
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第四节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
图3-1 双容液位定值控制系统结构图
图3-2 双容液位定值控制系统方框图
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3-1为实验系统的结构图，图3-2为控制系统的方框图。
四、实验内容与步骤
本实验选择中水箱和下水箱串联作为双容对象（也可选择上水箱和中水箱）。
实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。
然后接通控制系统电源，打开用作上位监控的的PC机，进入实验界面的操作和打开实验主界面的操作过程与本实验指导书第二章第一节中所描述的相同。
在实验主界面中选择本实验项即“串接双容水箱液位PID整定实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图3-3所示。
图3-3 实验界面
实验步骤与上个实验“第三节上水箱液位定值控制系统”相同，在此只列出实验数据。
P=3
P=8
P=3 I=50000
无调节时间
P=8 I=100000
P=3 D=5000
无超调、调节、上升，只算峰值时间P=8 D=10000
无调节时间
P=6 I=100000 D=10000
分析内容与上个实验“上水箱液位定值控制系统”内容一致。
五、思考题
1. 为什么本实验较上水箱液位定值控制系统更容易引起振荡？如果达到同样的动态性能指标，为什么本实验中调节器的比例度和积分时间常数均要比前两个实验大？
答：由于在本实验中的比例系数相对较大，过程相应时间相对较长，更加容易引起振荡。
要达到同样的动态性能指标，调节器的比例度应该调节的相对较大，积分时间常数调高。
2. 你能说出下水箱的时间常数比中水箱时间常数大的原因吗？
答：采用上中水箱做实验，它的响应曲线要比中下水箱变化快。
原因：因为中水箱的截面积比下水箱的要小，上升相同的液位高度，下水箱要更长时间。
3. 为什么双容液位控制系统比单容液位控制系统难于稳定？
答：因为双容的相当于两个单容的串联,变成了二阶系统,输出可能会震荡,单容的是一阶系统,输出是指数单调收敛的。