双容水箱特性的测试(课堂参照)
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。
二阶双容水箱液位特性曲线测试
8.序言工业液体的液位控制系统是工业生产中比较典型的控制应用之一，双容水箱液位的控制作为过程控制的典型代表，是众多过程控制专家研究的热点之一，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用，其中控制装置的可靠性与控制方案的准确性一直是影响整个系统性能的关键。
为了从应用角度理解并提高用理论解决实际问题的能力，我在现有液位系统的基础上对控制器及控制算法的改进进行实验性的开发和研究，由于其自身存在滞后、非线性特性及控制系统比较复杂的特点，系统状态、系统参数和控制算法都直接影响控制精度，在传统的油库发油、炼化等行业中，应用单片机对液位的控制，存在计量不精确、失控和安全性差等问题。
为了克服这些缺点，本设计采用西门子公司S7-300系列PLC和WINCC工业组态软件来实现对双容水箱液位的控制。
S7-300系列是一类可编程控制器，可以满足多种多样的自动化控制需要，在工业控制中得到广泛应用。
随着科学技术的飞速发展,PLC 已进入日常生产的各个方面,PLC 的应用在各行各业已成为必不可少的内容。
PLC 是继电器技术和“3C 技术”(计算机、控制、通信)的综合体,是一种控制机器动作顺序的“程控型”控制装置。
他能适应工厂环境要求,工作可靠体积小,功能强,而且“用途可随时改变”.长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。
目前,在电气控制领域,国内外普遍采用PLC。
特别是最近几年的冶金行业中,PLC以其在工业恶劣环境下仍能高可靠性工作,及抗干扰能力强的特点而获得更为广泛的使用。
PLC将电气、仪表、控制这三电集于一体,可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统,以适应各种工业控制的需要。
随着微电子技术的快速发展,PLC的制造成本不断下降,而其功能却大大增强。
在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备,应用几乎覆盖了所有工业企业,日益跃居现代工业自动化三大支(PLC,ROBOT,CAD/CAM)的主导地位。
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。
实验二 双容水箱液位定值控制系统(单回路)
实验项目名称：（所属课程：）学院：专业班级：姓名：学号：实验日期：实验地点：合作者：指导教师：本实验项目成绩：教师签字：日期：一、实验目的1．通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。
2．掌握双容水箱液位控制系统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。
4．研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。
5．掌握双容液位定值控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验条件THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台。
三、实验原理图2-4 单容液位定值控制系统原理框图四、实验内容与要求本实验选择中水箱液位作为被控参数，上水箱流入量为控制参数。
实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7和F1-11全开，将中水箱出水阀F1-10开至适当开度（50%左右，上水箱出水阀开到70%左右），其余阀门均关闭。
按以下步骤进行实验。
1.根据系统组成方框图接线，如图2-5所示。
2.接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相1、单相对性空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
3.打开上位机“组态王”组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入组态王运行环境，在主菜单中点击“实验四、双容液位定值控制系统”，进入实验四的监控界面。
4.在上位机监控界面中点击“启动仪表”，将智能仪表设置为“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。
值得注意的是手自动切换的时间为：当中水箱液位基本稳定不变（一般约为3～5cm）且下水箱的液位趋于给定值时切换为最佳。
5.合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使中水箱的液位平衡于设定值。
6.按经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。
图2-5 智能仪表控制单容液位定值控制实验接线图7.待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动控制状态。
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。
第二节 双容自衡水箱液位特性测试实验
第二节 双容水箱特性的测试一、实验目的1．掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；2．根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K 、T 1、T 2及传递函数；3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验设备（同前）三、原理说明图2-9 双容水箱对象特性测试系统(a)结构图 (b)方框图由图2-9所示，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。
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。
根据本章第一节单容水箱特性测试的原理，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++=+⨯+ (2-9) 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。
本实验中被测量为下水箱的液位，当中水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2-10所示。
由图2-10可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图2-10 (a)）；而下水箱液位的响应曲线则呈S 形曲线（图2-10 (b)），即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1-10和F1-11的开度大小密切相关。
图2-10 双容水箱液位的阶跃响应曲线（a ）中水箱液位 （b ）下水箱液位双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。
在图2-11所示的阶跃响应曲线上求取：(1) h 2（t ）|t=t1=0.4 h 2(∞)时曲线上的点B 和对应的时间t 1；(2) h 2（t ）|t=t2=0.8 h 2(∞)时曲线上的点C 和对应的时间t 2。
图2-11 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阶跃输入量输入稳态值=∞=O h x )(K 2 (2-10) 2.16t t T T 2121+≈+ (2-11) )55.074.1()T (T T T 2122121-≈+t t (2-12) 0.32〈t 1/t 2〈0.46由上述两式中解出T 1和T 2，于是得到如式（2-9）所示的传递函数。
双容型水箱实验报告
机械电子工程原理实验报告双容型水箱液位及PID控制综合实验组员:XXXXXX年X月实验一压力传感器特性测试及标定测量实验一、实验目的1、了解本实验装置的结构及组成。
2、掌握压力传感器的实验原理及方法，对压力传感器进行标定。
二、实验设备1、德普施双容水箱一台。
2、PC 机及 DRLINK4.5 软件。
三、实验原理图 1-1 传感器装置图本实验传感器如图1-1所示，使用二个扩散硅压阻式压力传感器，分别用来测量上水箱水柱压力，下水箱水柱压力。
扩散硅压阻式压力传感器实质是硅杯压阻传感器。
它以N型单晶硅膜片作敏感元件，通过扩散杂质使其形成4个P型电阻，形成电桥。
在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，使电桥有相应输出。
经过后级电路的放大处理之后输出0~5V之间的电信号。
扩散硅压力传感器的输出随输入呈线性关系，输出特性曲线一般是一条直线，一般使用传感器前需要对此传感器进行标定，通常的做法是取两个测量点（x1，y1）和（x2， y2）然后计算特性直线的斜率K和截距B 即可。
由于扩散硅压力传感器承受的水压力及水的液位高度成正比，因此扩散硅压力传感器通常也用来测量液位高度。
四、实验内容及结果图1-2 上水槽压力传感器特性测试及标定测量实验图1-3 下水槽压力传感器特性测试及标定测量实验5）压力传感器的标定系数值表。
表1-1 压力传感器标定系数值传感器K值B值液位1传感器0.06440-7.98567液位2传感器0.065166-12.63056）依据压力传感器标定系数值绘制的压力传感器特性曲线如图1-3，图1-4所示：图1-3 上水槽压力传感器特性曲线图1-4 下水槽压力传感器特性曲线五、思考题1.在做本实验的时候，为何2次标定的液位高度不能够太接近？答：由于液位高度及电压值为线性关系，故2次标定的液位高度要保持一定距离，这样可以有效降低系统误差。
在控制过程中由于水泵抽水压力冲击传感器等影响会对液位传感器产生一定程度的干扰。
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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第二节双容水箱特性的测试
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1只
三、实验原理
图2-1 双容水箱对象特性结构图
由图2-1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2-62所示。
由图2-2
可见，上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数(图2-2(a))，而下水箱液位的响应曲线则呈S形状（2-2(b)）。
显然,多了一个水箱，液位响应就更加滞后。
由S形曲线的拐点P处作一切线，它与时间轴的交点为A,OA则表示了对象响应的滞后时间。
至于双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。
图2-2 双容液位阶跃响应曲线图2-3 双容液位阶跃响应曲线在图2-3所示的阶跃响应曲线上求取：
(1)h2（t)|t=t1=0.4h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t1；
(2)h2（t)|t=t1=0.8h2(∞)时曲线上的点C和对应的时间t2；然后，利用下面的近似公式计算式
由上述两式中解出T1和T2,于是求得双容(二阶)对象的传递函数为
四、实验内容与步骤
1.接通总电源和相关仪表的电源。
2.接好实验线路，打开手动阀，并使它们的开度满足下列关系：
V1的开度>V2的开度>V3的开度
3.把调节器设置于手动位置，按调节器的增/减，改变其手动输出值（一般为最大值的40～70%，不宜过大，以免水箱中水溢出），使下水箱的液位处于某一平衡位置（一般为水箱的中间位置）。
4.按调节器的增/减按钮，突增/减调节器的手动输出量，使下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。
5.点击实验界面下边的按钮，可切换到实时曲线、历史曲线和数据报表
6.根据实验所得的曲线报表和记录的数据，按上述公式计算K值，再根据图中的实验曲线求得T1、T2值。
60%上升峰值
突变为50%
7.把由计算机作用的实验曲线进行分析处理，并把结果填表入下表中：
测量值
液位h
K T1 T2 τ
参数值
正向输入0.0951 125s 289s 0
负向输入0.1779 112s 273s 0
平均值0.1365 118.5s 281s 0
五、思考题
1.做本实验时，为什么不能任意改变两个出水阀门开度的大小？
答：出水阀的开度是改变出水量Q2的，改变水箱泄水的过程。
在此实验中是先将出水阀开至适当的开度。
之后在单容水箱在稳定的过程中，此阀门是不能任意改变的，因为一改变就会对系统带来干扰，造成系统不稳定，不能正确反映实验特性。
只有当系统稳定时，要研究输出量对系统的稳定特性影响时才改变出水阀。
2.用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与哪些因素有关？
答：应曲线可能与实验工作电压的波动，执行器的不稳定性，和系统的控制参数比例度、积分时间、微分时间及测量值的波动都可能带来一定的误差，造成精度下降，同时还跟压力传感器的精度，阀门开度，测试软件都有关系。
3.如果采用上水箱和中水箱做实验，其响应曲线与用中水箱和下水箱做实验的曲线有什么异同？试分析差异原因。
答：若采用中水箱和上水箱做实验，它的响应曲线要比中水箱和下水箱变化的快。
原因：因为中水箱和上水箱的回路较中水箱和下水箱短，上升相同的液位高度，中水箱和下水箱要更长的时间。