双容水箱液位静动态特性测试(实验一)
[汇总]THPFSY-2型双容水箱液位对象系统实验指导书（西门子）
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THPFSY-1型双容水箱液位对象系统为了保证实验的正确性和精确性，在实验前要对实物模型的液位与输出电流的线性关系进行调节，以便得到更为精确的实验结果。
把液压传感器后盖打开，用一字螺丝刀分别调节Z、S电位器（Z：调零；S：增益），使左右水箱各自液位与相对应的LT1、LT2输出电流的线性关系均如下图所示：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；二、实验设备1．THPFSY-2型双容水箱液位对象系统一台2．装有STEP7-Micro/WIN 32编程软件的电脑一台3．西门子S7-200系列PLC一台（附带EM235模块）4．PC/PPI下载电缆一根5．实验导线若干三、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。
下图所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。
设被控水箱流入量为Q 1，改变电动调节阀V 1的开度F1-1可以改变Q 1的大小，被控水箱的流出量为Q 4，改变出水阀F1-3的开度可以改变Q 4。
液位h 的变化反映了Q 1与Q 4不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。
若将Q 1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Q 1之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系有Q 1-Q 4=A dtdh(1-1)将式(2-1)表示为增量形式ΔQ 1-ΔQ 4=A dthd ∆ (1-2)式中：ΔQ 1，ΔQ 4，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 4，dtdh＝0；当Q 1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，Q 4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。
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。
双容水箱液位数学模型的测定试验
双容水箱液位数学模型的测定实验一、实验目的1、获得双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、系统介绍水流入量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。
被调量为下水箱水位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。
逻辑结构如图4-3所示。
通过物料平衡推导出的公式：0,122111=-+=+rH H dtdH T R k H dt dH T u μ，图4-3双容水箱液位数学模型的测定实验其中R1、R2为线性化水阻。
212212122111,,R R R r R R R R F T R F T +=+==。
那么： μμ122212221)(R rk H T dt dH T T dtH d T T =+++。
4、参考结果双容水箱水位阶跃响应曲线，如图4-5所示：图4-5 双容水箱液位飞升特性平衡时液位测量高度215 mm ，实际高度215 mm -3.5 mm =211.5mm 。
对比单容实验，双容系统上升时间长，明显慢多了。
但是在上升末端，还是具有近似于指数上升的特点。
按照理论有一个拐点。
四、实验要求1、要求使用不同的给定值获得不同的曲线。
2、给出双容水箱液位数学模型。
五、实验内容与步骤1、在A3000-FS上，将手动调节阀JV205、JV201完全打开，并使中水箱、下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。
2、在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电源，调节阀(FV101)通电。
4、在A3000-FS上，启动右边水泵，给中水箱注水。
双容水箱液位定值控制系统实验报告
双容水箱液位定值控制系统实验报告实验目的：通过搭建双容水箱液位定值控制系统，了解液位控制的基本原理和方法，掌握PID控制器在液位控制中的应用。
实验器材：1.液位控制综合实验台2.电子积分器PID控制器3.水泵4.液位传感器5.两个水箱6.电压表和电流表实验步骤：1.将两个水箱放在实验台上，一个用作上升水箱，一个用作下降水箱。
2.将水泵安装在上升水箱中，并通过输水管连接两个水箱。
3.将液位传感器安装在上升水箱和下降水箱中，并将其连接到电子积分器PID控制器。
4.将电子积分器PID控制器连接到电源，并连接电压表和电流表来监测相应的电压和电流。
5.打开水源，使用电子积分器PID控制器调节水泵的运行方式和水泵的转速。
6.观察液位传感器的反馈信号，并根据反馈信号调整PID控制器的参数，使得液位保持在设定值附近。
7.记录不同设定值下液位的控制效果，并分析数据。
8.关闭水源，停止实验。
实验结果：根据实验数据，可以观察到双容水箱液位控制系统的控制效果。
当设定值改变时，PID控制器能够调整水泵的运行方式和水泵的转速，以使得液位保持在设定值附近。
实验结果表明，在合适的PID控制器参数设置下，液位的稳定性和控制精度较高。
实验分析：在双容水箱液位定值控制系统中，PID控制器起到了关键作用。
P项（比例项）根据液位的偏差来调节水泵的转速，I项（积分项）根据液位的积累偏差来调整水泵的运行方式，D项（微分项）根据液位的变化速度来预测液位的变化趋势。
通过PID控制器的联合作用，可以实现对液位的稳定控制。
从实验结果分析可以看出，PID控制器的参数设置非常重要。
当P参数过大或过小时，会导致液位振荡或调节速度缓慢；当I参数过大或过小时，会导致液位超调或稳态误差；当D参数过大时，系统可能产生过冲。
因此，需要根据具体的系统要求和实验条件来合理设置PID控制器的参数。
结论：通过搭建双容水箱液位定值控制系统，并对其进行实验研究，我们可以了解液位控制的基本原理和方法，掌握PID控制器在液位控制中的应用。
实验1 二阶双容中水箱对象特性测试实验
实验1 二阶双容中水箱对象特性测试实验一、实验目的1、熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线；2、根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的飞升特性。
二、实验设备AE2000B 型过程控制实验装置、实验连接线图1 双容水箱系统结构图三、原理说明如图1所示：这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，被调量是第二水槽的水位h 2。
当输入量有一个阶跃增加∆Q 1时，被调量变化的反应曲线如图2所示的∆h 2曲线。
它不再是简单的指数曲线，而是呈S 形的一条曲线。
由于多了一个容器，就使调节对象的飞升特性在时间上更加落后一步。
在图中S 形曲线的拐点P 上作切线，它在时间轴上截出一段时间OA 。
这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此称容量滞后，通常以τC 代表之。
设流量Q 1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度h 2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：2112()()* ()(*1)(*1)sH S K G S Q S T S T S e τ-==++图2 变化曲线式中K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分别为阀V2和V3的液阻，C1和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。
由式中的K、T1和T2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。
具体的做法是在图3所示的阶跃响应曲线上取：1）h2（t）稳态值的渐近线h2(∞)；2）h2（t）|t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的点A和对应的时间t1；3）h2（t）|t=t2=0.8 h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t2。
然后，利用下面的近似公式计算式2-1中的参数K、T1和T2。
其中：2()KOhR∞==输入稳态值阶跃输入量图3 阶跃响应曲线4）1212t tT T2.16++≈对于式（2-1）所示的二阶过程，0.32〈t1/t2〈0.46。
当t1/t2=0.32时，为一阶环节；当t1/t2=0.46h0.40.82hh1h222时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2（此时T 1=T 2=T=(t 1+t 2)/2* 2.18 ）5）1212122T T (1.740.55) (T T )t t ≈-+四、实验步骤1、设备的连接和检查：1） 打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀；2） 将下水箱的出水阀开至适当开度； 3） 检查电源开关是否关闭。
双容自衡水箱液位特性的测试实验报告
XXXX大学
电子信息工程学院
专业硕士学位研究生综合实验报告
实验名称：双容自衡水箱液位特性的测试专业：控制工程
姓名
学号：
指导教师：
完成时间：
图1 双容水箱对象特性测试系统
(a)结构图(b)方框图
图2 双容水箱液位的阶跃响应曲线
然后，利用下面的近似公式计算式求得
阶跃输入量
输入稳态值=∞=O h x )(K 2
图3 双容水箱液位阶跃响应曲线
．根据前面记录的液位和仪表输出值，按公式
中的实验曲线求得T1、T2值，写出对象的传递函数。
图4 双容水箱液位的阶跃响应曲线
结果分析：
由测得特性曲线得：
4.29)=∞；
76.112=∞)(H ，由图可得s t 261=；
52232.)(H =∞，由图可得s t 572=；
6=OA 。
％阀门开度对应给定电流信号4.10x 0=
83.24
104292==∞=..x )(h O 4.3816
25726162212=+=+≈+..t t T 2405507412
122121.).t t .()T T T =-≈+。
二容水箱液位控制实验
二容水箱液位控制实验实验项目性质：验证性所属课程名称：过程装备与控制技术及应用计划学时：2学时实验一液位传感器标定实验一、实验目的了解传感器标定的基本概念，认识液位标定在系统控制中的作用。
二、实验原理本实验系统采用1000系列通用静压式液位传感器。
其基本原理是利用压阻效应，当被测压力作用于传感器芯体的敏感区域时，在恒流源或恒压源供电的情况下，传感器输出端会产生相应的电压信号输出，输出信号与所加压力成线性关系。
下面是压力传感器连接原理图：在实际使用中，由于传感器的零点与系统刻度的零点不同，以及由于传感器本身制造，水箱刻度制作及其它系统误差，一般需要对传感器进行标定。
在本实验中，传感器本身的线性度较好。
三、实验设备(1) 具有串口通讯（通过转接方式也可以）接口的计算机，Windows系统环境(2) DRMC-B运动控制采集卡(3) 多变量液位控制对象(4) 多变量液位控制系统实验软件四、实验步骤(1) 确保水箱有足够的纯净水，打开水箱电控箱开关。
(2) 运行水箱实验软件，确保软件设备端口正确，设置好AD/DA通道等参数（一般出厂已经设置好；德普施运动控制卡”的“最小采集周期”和” 采样频率”为：1000、5000）。
(3) 关闭各排水阀及各个水柱之间的耦合阀。
(4) 在实验软件的系统设置中，将“液位标定参数”的参数”设置为a=1，b=0。
(5) 手动拖动“控制量”状态条，直接控制直流电磁泵，向各个水柱注水，直到液位升至最高（参见软件使用说明），然后停止输入控制量（手动拖动“控制量”状态条至最左边），关闭直流电磁泵。
(6) 对各水柱，分别进行标定：调节水柱的出水阀，使液位处于不同高度，记录液位在水柱刻度上的读数和在实验软件中的读数。
至少记录两组数据。
注意：必须要保持液位稳定后，才能记录数据。
(7) 将得到的两组数据分别代入data=AD_data * a + b中。
解方程求出a和b值。
其中data表示实际刻度读数，AD_data表示从软件中得到的读数(8) 将计算的a.b值输入软件中。
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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静、动态特性测试
一、实验目的
1. 熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
2. 根据由实际测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其传递函数。
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 1只
三、实验原理
图1 双容水箱对象特性结构图
由图1所示，被控对象由两个水箱相串联连接，由于有两个贮水的容积，故称其为双容对象。
被控制量是下水箱的液位，当输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2所示。
由图2可见，上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数（图2(a)），而下水箱液位的响应曲线则呈S形状（图2(b)）。
显然，多了一个水箱，液位响应就更加滞后。
图2 双容液位阶跃响应曲线
图3 双容液位特性参数计算
在图3所示的阶跃响应曲线上求取，利用下面的近似公式计算式
，从而得到双容对象的传递函数为。
四、实验内容与步骤
1、打开上位机，按照线路图接线。
2、检查线路，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，手动改变输出值到阀位65%，观察实时和历史曲线，使上水箱和中水箱的液位处于某一平衡位置。
4、突增/减调节器的手动输出量（建议增加到75%），重新达到平衡，作为一次阶跃输入，测得。
减小手动阀位输出量到65%，使中水箱的液位由原平衡状态开始变化，经过一定的调节时间后，液位h2进入另一个平衡状态，测得。
5、两次参数求平均求得系统参数，并打印历史曲线。
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，给出双容液位广义对象的传递函数表达式。