单容水箱液位PID控制系统设计
实验五、单容水箱液位PID控制实验(DCS)
实验五、单容水箱液位PID控制实验(DCS)一、实验目的1）、熟悉单容水箱液位反馈PID控制系统硬件配置和工作原理。
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控制器参数对单容系统控制性能的影响。
二、实验设备CS4000型过程控制实验装置，DCS系统、 PC机，监控软件。
三、实验原理一阶单容水箱PID控制方框图图为单回路上水箱液位控制系统。
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上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，采用EPA系统控制。
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。
对于我们的实验系统，在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如下图中的曲线①、②、③所示。
P、PI和PID 调节的阶跃响应曲线四、实验步骤(1)关闭出水阀,将CS4000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。
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。
单容水箱液位控制系统设计计算机课设
辽宁工业大学微型计算机控制技术课程设计（论文）题目：单容水箱液位控制系统设计院（系）：电气工程学院专业班级：自动化074学号：*********学生姓名：***指导教师：（签字）起止时间：2010.12.15—2010.12.24课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：自动化摘要本文根据液位系统过程机理，建立了单容水箱的数学模型。
介绍了PID控制的基本原理及数字PID算法，并根据算法的比较选择了增量式PID算法。
建立了基于单片机编程语言的PID液位控制模拟界面和算法程序，进行了系统仿真，并通过整定PID 参数，利用MATLAB应用软件对系统进行仿真得到图线。
系统由进出水阀门，单片机，A/D转换器，D/A转换器，传感器，显示电路和键盘电路等组成。
整个过程保持进水阀的开度比例不变，由传感器检测电路连续不断地相应液位值，送入A/D转换器中处理，输出的数字量送给单片机，控制显示电路实时显示实际液位值，由键盘输入设定值，控制器比较其值控制出水阀门的开度比例，以保持液位稳定在要求范围内。
关键词：水箱建模，液位控制，PID算法，增量式PID目录第1章绪论 (1)第2章课程设计的方案 (2)2.1概述 (2)2.2系统组成总体结构 (2)第3章硬件设计 (3)3.1单片机最小系统设计 (3)3.2传感器模块 (3)3.3A/D转换和D/A转换模块 (3)3.4键盘模块 (3)3.5显示模块 (4)第4章软件设计 (5)4.1PID算法 (5)4.2位置式PID控制系统 (6)4.3增量型PID控制算法 (8)4.4PID计算 (10)4.5主程序控制流程 (11)4.6显示部分 (12)第5章系统测试与分析/实验数据及分析 (14)5.1MATLAB程序 (14)5.2MATLAB成象曲线 (14)第6章课程设计总结 (15)参考文献 (16)附录：系统硬件原理图 (17)第1章绪论过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。
单容水箱液位控制系统的设计
单容水箱液位控制系统的设计摘要：本文根据液位系统过程机理，建立了单容水箱的数学模型。
介绍了PID控制的基本原理及数字PID算法，并根据算法的比较选择了增量式PID算法。
建立了基于Visual Basic语言的PID液位控制模拟界面和算法程序，进行了系统仿真，并通过整定PID参数，同时得出了整定后的仿真曲线和实际曲线。
关键字：单容水箱，水箱建模，液位控制，PID算法，增量式PID一、前言过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。
尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；工矿企业的排水与进水，如果排水或进水控制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精流塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。
在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。
可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。
所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。
在本设计中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，选择了出水阀门作为控制系统的执行机构。
针对过程控制试验台中液位控制系统装置的特点，建立了基于Visual Basic语言的PID液位控制模拟界面和算法程序。
虽然PID控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。
但是，要想取得良好的控制效果，必须合理的整定PID的控制参数，使之具有合理的数值。
二、单容水箱液位控制系统建模2.1液位控制的实现除模拟PID调节器外，可以采用计算机PID算法控制。
首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过单片机进行A/D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，再将输出值传送到单片机中，由单片机将数字信号转换成模拟信号。
单容水箱液位控制系统的设计
单容水箱液位控制系统辨识一、单容水箱液位控制系统原理单容水箱液位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要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动 的影响。
单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般 生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。
图 1-1为单容水箱液位控制系统方块图。
当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的 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，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常 工作。
因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个 很重要的实际问题。
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。
图1-2是单容液位控制系统结构图GK-07图i-i 单容水箱液位控制系统的方块图系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定 值无偏差存在。
图1-2是单容水箱液位控制系统结构图。
一般言之，具有比例（P ）调节器的系统是一个有差系统，比例度3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。
比例积分电帖泵204上水箱（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3, Ti选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。
图1-2单容液位控制系统结构图比例积分微分（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）。
在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图1-3中二、单容水箱液位控制系统建模2.1液位控制的实现液位控制的实现除模拟PID调节器外，可以采用计算机PID算法控制。
首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过单片机进行A/D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，再将输出值传送到单片机中，由单片机将数字信号转换成模拟信号。
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。
单容水箱液位控制系统设计
过程控制系统设计作业单容水箱液位控制系统设计学生姓名文强学号2212130任课教师陶珑院、系、中心专科部专业生产过程自动化提交日期2015年10 月日太原科技大学单容水箱液位控制系统设计摘要本论文以单容水箱为被控对象，给出了单闭环控制系统、串级控制系统和前馈反馈控制系统的设计方案，实现对水箱液位的控制。
本论文还针对每种控制系统，在Matlab的Simulink中建立仿真模型进行仿真，得到仿真曲线，并且利用仿真曲线分析控制系统的性能，例如最大动态偏差、调节时间、衰减率和积分性能指标IAE 等。
单闭环控制系统的设计包括P、I、PI和PID的设计。
本文分别通过衰减频率特性法（理论整定法）和衰减曲线法（工程整定法）对控制器参数进行了整定。
本论文还通过比较各控制系统的仿真曲线和系统性能指标，对各种控制系统设计方案进行了比较，发现串级控制和前馈反馈控制可提高系统性能。
关键词： PID；串级；前馈反馈；参数整定；SimulinkDesign on Water Level Control in a TankAbstractThis thesis provides design methods of single closed-loop control system, cascade control system and feed forward control system about the controlled object asingle water tank , and it achieves the goal of controlling level. For every kind of control system, simulation model is established by using simulation tool Matlab, simulation curves can analysis the performance of control system, such as the maximum percent overshoot, settling time, attenuation rate and IAE. The design of single closed-loop control system includes designs of P, I, PI and PID. The controller parameter is tuned by frequency response of attenuation rate and the attenuation curve .All the control design methods included are compared by simulation curves and performance indexes and we finally find that cascade control and feed forward control are able to improve system’s performance.Keywords:PID；Cascade；Feedforward- feedback；Parameter tuning；Simulink目录摘要 (I)ABSTRACT ............................................................................................................................ I I 1设计要求及内容 (1)2单容水箱系统建模 (3)3单闭环控制系统设计 (5)3.1比例控制系统设计 (5)3.2积分控制系统设计 (7)3.3比例-积分控制系统设计 (9)3.4比例-积分-微分控制系统设计 (12)4串级控制控制方案设计 (16)5前馈控制方案设计 (18)6实验室水箱实验报告 (19)6.1压力单闭环实验 (19)6.2液位单闭环实验 (20)6.3上水箱液位和流量组成串级实验 (22)6.4前馈反馈控制实验 (24)7总结 (26)参考文献 (27)附录 (28)1设计要求及内容图1 单容水箱液位控制系统单容水箱液位控制系统如题图1所示。
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实验内容与步骤
2、比例积分调节器（PI）控制
1）、在比例调节实验的基础上，加入积分作用，观察被控制量是 否能回到设定值，以验证在PI控制下，系统对阶跃扰动无余差 存在。
2）、固定比例度δ值，改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观 察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调 量σp。
3）、用计算机记录实验时所有的过渡过程实时曲线， 并进行分析。
思考问题
1、如何实现减小或消除余差？纯比例控制 能否消除余差？
2、试定性地分析三种调节器的参数δ、（δ、 Ti）和（δ、Ti和Td）的变化对控制过程各 产生什么影响？
注意事项
1、实验线路接好后，必须经指导老师检查 认可后才能接通电源。
3）、固定积分时间T i于某一中间值，然后改变δ的大小，观察加 扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同δ值下的超调 量σp。
4）、选择合适的δ和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一 条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值（如设定 值由50%变为60%）来获得。
实验内容与步骤
3、比例积分微分调节（PID）控制
2、必须在老师的指导下，启动计算机系统 和单片机控制屏。
3、若参数设置不当，可能导致系统失控， 不能达到设定值。
实验报告要求
1、绘制单容水箱液位控制系统的方块图。 2、用接好线路的单回路系统进行投运练习，并叙
述无扰动切换的方法。
3、P调节时，作出不同δ值下的阶跃响应曲线。 4、PI调节时，分别作出Ti不变、不同δ值时的阶跃
好准备。 4）、在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调
到等于给定值。 5）、观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可
将调节器切换到纯比例自动工作状态，让系统投入闭环运行。 6）、待系统稳定后，对系统加扰动信号。记录曲线，在经过几次波动稳
定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。 7）、减小δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 8）、增大δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 9）、选择合适的δ值就可以得到比较满意的过程控制曲线。 10）、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。
响应曲线和δ不变、不同Ti值时的阶跃响应曲线。 5、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D
的作用。
6、比较P、PI和PID三种调节器对系统余差和动态 性能的影响。
单容水箱液位PID控制系统设计
实验目的
1、通过实验熟悉单回路反馈控制系 统的组成和工作原理。
2、研究系统分别用P、PI和PID调 节器时的阶跃响应。
3、研究系统分别用P、PI和PID调 节器时的抗扰动作用。
4、定性地分析P、PI和PID调节器 的参数变化对系统性能的影响。
实验设备
1、THKGK-1型过程控制实验装置：GK02、 GK-03、GK-0的微 分作用，即把D打开。然后加上与前面实验幅值完 全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线， 并与实验步骤（二）所得的曲线相比较，由此可看 到微分D对系统性能的影响。
2）、选择合适的δ、Ti和Td，使系统的输出响应为一 条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从 50%突变至60%来实现）。
2、万用表一只 3、计算机系统
实验原理
单容水箱液位控制系统
图1：单容水箱液位控制系统的方块图
实验原理
图2：单容液位控制系统结构图
实验内容与步骤
1、比例（P）调节器控制 1）、按图1所示，将系统接成单回路反馈系统。其中被控对象是上水箱，
被控制量是该水箱的液位高度h1。 2）、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。 3）、接通单片机控制屏，启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作