实验3 单回路液位控制
实验3 液位数字PID计算机控制系统实验
实验3 液位数字PID控制及参数整定提示：希望大家在做实验之前仔细阅读实验指导书，并且编写三个程序（P、PI、PID）争取能够到实验室就进行调节，观察效果，进行整定参数。
一、实验目的1、通过实验进一步学习单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2、掌握P、PI和PID调节器原理，并编写比例控制算法，比例积分控制算法，比例、积分、微分控制算法，并进行参数整定，使得液位控制在20cm处，超调量不超过10%，稳态误差5%。
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、实验设备过程控制实验装置、万用表、计算机控制教学实验开发平台CC-1型、ADS1.2软件开发环境，实验连接线数根。
三、实验原理图1 闭环控制系统原理图图1为单回路水箱液位控制系统。
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。
本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制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。
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。
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，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）。
但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。
实验三单回路控制系统
液位单回路自动控制系统
思考： 1）单回路控制系统的构成及基本工作原理，本实验中 控制阀是什么作用形式？ 2）如何保证控制系统自动控制系统是负反馈性质的， 控制器的正、反作用是指的什么，该系统是什么作用？ 3）为什么要实行手动到自动状态的无扰动切换，无扰 动切换的一般操作步骤； 4）常用的工程参数整定法有哪些，其本质是什么，各 有什么特点；
液位单回路自动控制系统
(3)施加干扰时，设定值应在稳态工作点附近往返变化， 具体先向哪个方向变化取决于当时水位高度。一般液位 的工作点在50%附近。 (4)然后可将比例度分别改为50-20左右，观察控制过 渡过程曲线的变化，从而找到更接近4:1的衰减振荡过 程曲线，并估计所对应P参数； (5)以该比例度为基础，将比例度乘以1.2倍，以该参 数所对应曲线的振荡周期（两个波峰之间的时间）的一 半为积分时间，将控制器改设为PI（比例-积分）控制 器；（积分时间５０以上）
液位单回路自动控制系统
具体步骤如下： 切换到自动后请立刻把积分时间调 整到3000. 切换到自动后可以开始控制器参数 整定工作。
实验中采用的是适合在工业场合应 用的工程参数整定法。
液位单回路自动控制系统
工程参数整定法也有多种，使用较多的有反应曲线法， 临界比例度法，衰减曲线法等。在工业中我们推荐使用 的是衰减曲线法(4~10:1)。它的最大好处就是适合在现 场调整，且安全性较高。因为工业设备具有一定的操作 余量，反馈控制系统具有一定的鲁棒性，因此没有必要 求控制器参数整定的十分精确。 具体操作如下：
液位单回路自动控制系统
投运整定控制系统的主要操作内容： ① 连线构建一个控制系统； ② 手动操作系统达到稳定，然后进行手动->自动的无 扰动切换， ③ 采用工程整定的方法，寻找合适的控制器PID参数， ④ 进行测试，判断是否达到希望的质量要求（4:1衰减 过程)；
过程控制实验报告3(液位单闭环实验)
班级：082班座号：姓名成绩：
课程名称：过程控制工程实验项目：液位单闭环实验
一、实验目的：
通过实验掌握单回路控制系统的构成。
学生可自行设计，构成单回路单容液位，并采用临界比例度法、阶跃反应曲线法和整定单回路控制系统的PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用计算机进行PID参数的调整和自动控制的投运。
二、实验设备：
水泵、变频器、压力变送器、主回路调节阀、上水箱、上水箱液位变送器、牛顿模块（输入、输出）。
表4-13 阶跃反应曲线整定参数表
4、将计算所得的PID参数值置于计算机中。
5、使水泵Ⅰ在恒压供水状态下工作。
观察计算机上液位曲线的变化。
6、待系统稳定后，给定加个阶跃信号，观察其液位变化曲线。
7、再等系统稳定后，给系统加个干扰信号，观察液位变化曲线。
8、曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果于表格4.12中。
五、试验报告：
根据试验结果编写实验报告，并根据K、T、τ平均值写出广义的传递函数。
双容水箱液位单回路控制抗干扰实验(实验三)
青岛科技大学实验报告年月日姓名专业班级同组者课程实验项目：双容水箱液位单回路控制抗干扰实验一、实验目的1．学习和使用组态软件MCGS。
2．学习和使用PLC的编程和通讯功能。
3．掌握调节器参数的整定方法。
4．研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。
5．在实验平台上实现简单的控制方案。
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上水箱与中水箱为被控对象，中水箱的液位高度为系统的被控制量。
要求系统被控量在系统收到阶跃干扰的情况下，仍能够回到原平衡态。
所以调节器的控制规律为PI或PID。
本系统的执行元件变频调速磁力泵。
由定量泵和电动调节阀对系统中加入干扰量，干扰上水箱的液位。
控制系统框图如如2所示。
图2双容液位定值控制系统方框图四、实验内容与步骤1、接好实验线路。
2、接通总电源和相关仪表的电源。
3、把调节器设置于手动位置，改变其手动输出值，使中水箱的液位处于某一平衡位置（一般为水箱的中间位置）。
4、设定PID参数，并确定好控制器的正反作用，在PID扩展参数设定中设定好。
如图1所示。
5、当系统输出稳定时，由手动切换到自动，保证系统投运的无扰动切换。
6、从干扰通道加入阶跃干扰（10%），使中水箱的液位由原平衡状态开始变进入另一个平衡状态。
反复调节PID参数化，经过一定的调节时间后，液位h2使系统输出曲线的衰减比为4：1。
7、打印历史曲线。
五、实验要求请给出实验的调节过程及调节参数，并附上历史曲线，分析实验结果，总结参数变化对系统输出的影响。
单容液位特性实验和单容液位控制实验
单容液位特性实验一、实验目的1、掌握单容水箱的阶跃响应测试方法；2、记录相应的响应曲线；二、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，不需要操作人员或设备等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。
水箱的结构和特性。
水箱的出水量与水压油罐，而水压又与水位高度近乎成正比。
这样，当水箱的水位升高时，其出水量也在不断增大，所以，水箱的阀开度适当，在不溢出的状况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。
三、实验步骤将水箱1的进水阀全开，出水阀开30%，其他阀门全关。
1、点击“PCS-A-PPL-MCG”2、mm:12343、点击“进入运行环境”4、“系统管理”，用户登录(无密码)5、“特性实验”---“单容特性”6、“阀门开度”设定为60或者707、达到平衡时，测量值不变，记录测量值8、给系统一个扰动(增大阀门开度或者调解出水阀)，待系统达到一个新的平衡后，记录测量值9、实验结束四、实验报告1、原始记录阀门开度60----对应的测量值----达到平衡时的液位高度阀门开度65----对应的测量值----达到平衡时的液位高度2、数据处理作图：测量值与实间的变化曲线思考题与习题1．做本实验时，为什么不能任意改变出水阀F1-9开度的大小？2．用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？单容液位控制实验一、实验目的1、了解单容水箱液位控制系统的结构与组成；2、掌握单容水箱液位控制系统调解参数的方法3、了解PID调节器对液位、水压控制的作用二、实验原理单容水箱控制系统是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所需求的高度，并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。
本实验以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，采用PID算法控制。
首先由差压传感器检测出水箱水位，水位实际值通过DDC单元转换，变成数字信号后，被输入计算机中，最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID 程序算法得到输出值，再将输出值经过转换，由DDC控制单元输入模拟信号控制阀门开度，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机控制。
单回路液位控制实验报告
单回路液位控制实验报告这次做的单回路液位控制实验，说实话，刚开始我还真是有点懵。
你知道吧，液位控制系统听起来就很高大上，我脑袋里一下子浮现出各种复杂的公式和看不懂的图表。
啥？让液体在一个容器里保持平稳的水位？看起来简单，做起来才发现，哎哟，原来“水”这种东西，也能玩出这么多花样。
说到单回路液位控制，简单来说，就是通过控制进水量，保持一个容器里的液位不变。
你别看这个系统这么基础，但要想把它弄明白，真的是不容易啊。
尤其是刚开始接触的时候，大家心里肯定会想：“这不就是往桶里加水吗？有什么好复杂的？”但一开始我就傻眼了。
液位控制可不是那么简单的事儿。
要知道，桶里的水如果太多，溢出来了那就麻烦了；如果太少，又会被提醒“快加水啊，别让它干掉了。
”这时候你才明白，液位控制其实跟你的生活也有那么点关系。
就像是你爸妈叫你每天按时喝水，不能太多也不能太少，要“适量”。
然后，操作这套控制系统其实有点像是弹钢琴。
你要按得刚刚好，稍微过了就不行，稍微不够也不行。
液位传感器在这里就像是你的眼睛，实时监控水位的变化，告诉你水位高了还是低了；而控制阀门就像是你的手，适时地控制水流的大小。
每一次水位变动，控制系统就像是一个“过敏体质”的人一样，立马做出反应，水流的大小瞬间调整，以确保水位保持在设定的范围内。
接下来讲讲实验的操作过程。
最开始，所有人都在调试系统，搞得像是高科技大片的拍摄现场。
我也是一脸懵逼，甚至都不知道从哪里下手。
液位传感器、控制阀门、控制器，三者好像是同一个团队的成员，但每个人的职能又都不一样。
调试过程中，感觉像是给系统“喂饭”，反复试探各种条件，直到它开始稳定工作。
有时候水位调得太高，控制器就发火了，开始疯狂调节，最后水位还是不能稳定；有时候水位调得太低，系统又开始“无声抗议”，不肯动弹。
每一次失败，都让人有点想笑，但又不敢笑，因为你知道，失败一次两次不算事儿，真正的高手是从失败中学会的。
不过，经过几轮调试之后，终于能做到水位上下波动不过几毫米，稳稳的。
液位单闭环控制实验
液位单闭环控制实验实验目的本实验旨在探讨液位单闭环控制的原理与方法。
通过搭建液位控制系统，了解液位的测量、控制与调节方法，并通过实验验证闭环控制的有效性。
原理介绍液位控制是一种常见的工业过程控制方式，通过控制液位的测量和调节，保持液体在一定范围内的稳定状态。
液位控制系统主要由液位传感器、控制器和执行器组成，其中控制器接收传感器的信号并根据设定值与实际液位之间的误差进行反馈，控制执行器调节供液量，使得液位保持在设定值附近。
在液位单闭环控制系统中，闭环由传感器、控制器和执行器组成。
传感器测量液位，并将信号传输给控制器。
控制器与设定值进行比较，并根据误差信号调节执行器，改变供液量，从而控制液位。
实验设备•液位传感器：用于测量液位并将信号传输给控制器。
•控制器：根据传感器信号与设定值的比较结果，控制执行器调节供液量。
•执行器：根据控制器的指令，调节供液量，从而控制液位。
实验步骤1. 搭建实验装置•将液位传感器安装在液位容器内，确保传感器与液位接触良好。
•将控制器与传感器连接，并确保信号传输正常。
•将执行器与控制器连接，并确保控制指令正常传递。
2. 校准液位传感器•将液位容器灌满液体，并将液位设定为指定值。
•使用调节螺钉或软件调节液位传感器的测量值，使其与设定值一致。
3. 设定控制器参数•根据实验要求，设定控制器的调节参数，包括比例、积分和微分参数。
•根据传感器和执行器的特性，设定合适的响应时间。
4. 进行闭环控制实验•将液位设定为一定值，并观察实际液位的变化。
•根据传感器信号与设定值的比较结果，调节执行器的供液量。
•观察液位的稳定情况，记录实验数据。
5. 分析实验结果•通过实验数据分析控制器的性能，包括超调量、调节时间等指标。
•优化控制器参数，提高液位控制的精度和稳定性。
实验注意事项•液位传感器的安装位置应该合适，并确保与液位接触良好。
•实验装置需要稳定，避免外界干扰对实验结果产生影响。
•在实验过程中，需注意安全，并遵守实验室相关规定。
基于过程控制的单回路系统液位实验研究
作 者 简 介 ： 张 洪 ｎ １６ 年 一） ￣（９ ８ ，男 ，高 级 工 程师 ，长 期 从 事 特 种 设 备 检 验 检测 工 作 。
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制 方 式 ， 通过 液 位 趋 势 图 ，总 结 控 制 规律 。
关键 词：过程控制 ；ＰＤ Ｉ 控制器 ：单回路：液位 控制
中 图分 类 号 ：Ｔ ２ ３５ 文献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ： Ｐ ７
ＨＧ － Ｋ １型 过 程 控 制 实验 平 台是基 于工 业 过
模 拟输 入模 块插 孔相 连 ， 以取 得输入 信 号 。从 总 监 测 台界面 观察 各过 程控 制量 的设 定值 、当前 值
［】 ２尹献德． 浅谈架桥机 安装验收检验项 目的设置与要求［ 起重运输机械，０ ０３：９１２ ２ １（） —０ ９ ［］Ｓ ７ １－０ ８ ３Ｔ Ｇ Ｑ ０ ５２ ０ ， 起重机械定期检验规 则［】 Ｓ． ［］ ＢＴ１９ ２２ ０ ， ４Ｇ ／ ７ ９ ．０８集装箱正面 吊运起重机 安全规程［】 ｓ．
行给 定值 、ＰＤ各参 数 的设定 。首先 将积分 常数 、 Ｉ
微 分常 数 设为 ０ ，调 节 比例 系数 的大 小，点击 液 位 趋势 图观 察液 位 当前值 的变 化情 况 、及 稳 定后
的效果 。
在取 得较 好 的 比例 控 制 的情 况 下 ，保 持 比例 系数 不变 ，改变 积分 常数 的大 小 ，经过反 复实验 ，
《 电技术 》２ １ 年第 ４期 机 ００
特种设备及检验检测
结构 特 点进行 分析 ，依据 起重 机械 的国家和 行业 相关 法规 、标准 ，从保证 正面 吊 自身安 全角度 ，
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3 阶跃响应曲线
PI调节器能提高输出速度，又消除静差。 设定好仿真得到的PI，通过细调P和I，使得输 出衰减比为4：1。
记录参数，记录得到输出阶跃响应曲线。
4 单容、双容单回路实验步骤
进行单回路中水箱液位控制系统实验；
智能调节仪+电动调节阀（或变频器）+中水箱。 管路选择，接线，设置、调整得到的PID参数，记录输 出和的液位变化曲线。（参考接线见最后，注意接三 相磁力泵） 比较仿真与实验效果的异同。
实验三
单回路液位控制系统设计
一、实验任务
1 按照中水箱单容水箱为对象设计单回B整定PI参数，把该参数 设置到808仪表中，做阶跃响应，调整PI参数直至 满足衰减比大致为4：1；
3 比较仿真与实验PI参数和输出曲线的异同
1 单回路控制系统方框图
二、实验报告
1、记录PI参数和输出阶跃响应曲线； 2、记录4:1时单回路实验单容系统，参数设置及 阶跃响应曲线输出结果； 3、比较单容仿真与实验结果不同，分析原因。
参考接线：
被控对象 ↓ 数学建模 ↓ 理论仿真设计 ↓ 实验验证
三、思考题
1、变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生 什么影响？
2、为什么调节器参数根据工程整定方法整定 出来的数据还要进行调整？
用MATLAB的SIMULINK工具，用建立的单容,双容水 箱模型仿真设计单回路液位控制系统。
2. 经验整定法
经验整定法实质上是一种根据经验进行试凑， 根据对象运行经验，先确定一组初始控制器参 数，投入运行，人为加入阶跃扰动，根据阶跃 响应曲线，依照控制器各参数对调节过程的影 响，改变相应整定参数值。 一般先δ 后 Ti和 Td，如此反复试验多次，直到 获得满意的阶跃响应曲线为止。