实验二 双容水箱液位定值控制系统(单回路)
[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。
水箱液位单回路控制系统
水箱液位单回路控制系统一、控制目的根据设定的控制对象和管道配置，运用计算机和INTOUCH组态软件，设计一套监控系统，并通过调试使得水箱液位维持恒定或保持在一定的误差范围内。
二、性能要求1、要求水箱液位恒定，液位设定值SP自行给定。
2、无扰动时，水压基本恒定，由变频器控制水泵实现。
3、扰动因数：水箱出水流量允许波动。
4、预期性能：响应曲线为衰减震荡；允许存在一定误差。
调整时间尽可能短。
三、方案设计、控制规律选择简单控制系统一般是单回路控制系统。
由于其结构简单并且能够满足大多数控制质量的要求，因此在生产过程控制中得到了广泛的应用，是生产过程控制中最基本的一种控制系统。
一个单回路反馈系统是由测量变送器装置、控制器、和被控对象所组成，按其被控变量类型的不同可以分为温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液位控制系统等。
控制系统设计时针对某一特定生产对象进行的，当系统安装完成之后，控制效果主要取决于控制器的参数设定整定。
选择合适的比例度、积分时间、微分时间是保证和提高系统控制质量的主要途径。
单回路水箱的原理，系统地输入变量为进水阀门、出水阀门的开度，输出变量为水箱液位。
单回路PID控制的被控制量是水位，控制量是进水门、出水门开度。
通过调节PID控制器的比例增益、积分时间、微分时间三个参数得到比较好的控制效果。
PID 调节器构成的闭环控制回路一般原理如图1 所示图1 控制系统方框图控制系统草稿图如图2图2控制规律选择：目前工业上常用的控制规律主要有：比例控制、比例积分控制和比例积分微分控制等。
本方案采用比例积分微分控制。
比例控制——克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。
是最基本的控制规律。
但在终了时会存在余差，负荷变化越大余差越大。
使用于滞后较小、负荷变化不大、允许被控变量存在余差的场合。
比例积分控制——在比例作用下引用积分作用，虽然会使系统的稳定性降低，但没有余差。
适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、不允许被控变量存在余差的场合。
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。
双容液位单回路控制系统设计
双容液位单回路控制系统设计在设计双容液位单回路控制系统时，首先要考虑系统的硬件组成。
通常，该系统由两个储液容器、一个流量调节阀、一个液位传感器和一个控制器组成。
其中，储液容器用于存储供给液体，流量调节阀用于调节液体的流入和流出，液位传感器用于检测液位的实时数值，控制器用于处理传感器的反馈信号并对流量调节阀进行控制。
接下来是系统的软件设计。
在软件设计中，首先需要确定液位的设定值。
该值可以根据实际需求进行调整。
其次，需要设计一个控制算法来实现对流量调节阀的控制。
最常用的算法是PID控制算法，它可以根据液位偏差的大小来自动调节流量调节阀的开度，以使液位保持在设定值附近。
在进行控制算法设计时，需要考虑到系统的稳定性和响应时间。
稳定性是指系统在受到外部扰动时能够迅速恢复到设定值附近的能力，而响应时间则是指系统调节液位所需要的时间。
为了提高系统的稳定性和响应时间，可以采用参数整定和滤波技术。
参数整定是通过调整PID控制器的参数来使系统响应更为迅速和稳定，而滤波技术可以去除传感器采集信号中的噪声，以提高系统的稳定性和准确性。
另外，为了保证系统的安全性和可靠性，在设计时还需考虑到异常情况的处理。
例如，当液位超出设定范围时，系统应能够及时发出警报或采取自动关闭阀门的操作。
此外，还要考虑到系统的节能性，即在液位达到设定值后，系统应自动减小或关闭流量调节阀，以降低能耗。
在完成系统的硬件和软件设计后，还需要进行测试和调试以验证系统的性能。
通过与设定值进行比较，检查系统的稳定性、响应时间和准确性是否符合要求。
如果系统存在差异，可以通过调整参数或更换部件来改进。
总之，双容液位单回路控制系统设计涉及到硬件和软件两个方面，需要考虑系统的组成、控制算法、参数整定、滤波技术、异常情况处理和节能性等因素。
只有经过精心设计、测试和调试，才能够设计出性能稳定、响应迅速的双容液位单回路控制系统。
单回路双容水箱液位控制系统组态软件课程设计
成绩课程设计报告设计题目单回路双容水箱液位控制系统课程名称监控系统程序设计技术班级自动化1104 导师韩晓霞设计日期2015 年 1 月19 日单回路双容水箱液位控制系统摘要随着科技的进步，自动化逐步走进千家万户。
本学期在修完《监控系统程序设计技术》课程后，运用工业监控系统组态软件（MCGS），结合一个自动控制系统，学生自选题目进行工程设计。
本次设计的工程系统是“单回路双容水箱液位控制系统”。
通过查阅相关资料，了解到单回路双容水箱的液位控制采用PID调节方法，设定水位与实际水位的偏差和水泵电压信号构成PID调节的输入与输出单回路双容水箱液位控制系统充分体现着自动化技术的优越性，通过简单操作来实现水箱液位的自动控制。
其主要目的是：根据用户的需求，按照用户所设定的水箱液位值，系统自动识别并给出相应的电压信号，控制进水流量，从而控制水箱液位达到设定液位。
此外在操作方面，该系统紧密联系实际，可以进行手动控制和自动控制的自由切换。
同时为了便于用户使用和实时监控，该系统设置了多项曲线和报表显示窗口，以及多个显示标签。
在安全机制方面，在操作权限上根据实际情况进行人员分组管理设置，并设有密码，以便提高系统的安全性能。
通过本次课设学生不仅对课程内容更加了解，通过也提高了学生的动手实践和设计能力。
关键词：水位控制；PID；课程设计；自动化Single loop and double tank water level control systemAbstractWith the progress of science and technology, automation and gradually into thethousands of households. This semester in completing the "program" monitoringsystem design technology course, the use of industrial monitoring systemconfiguration software (MCGS), combined with an automatic control system,students choose the subject of Engineering design. Engineering system of this design is a "single loop and double tank water level control system".Through access to relevant information, understanding to the level of single loopcontrol of two tank using PID regulation method, set the water level and theactual waterlevel deviation and the pump voltage signal to form the PID input and output regulation Single loop and double tank water level control system, fully embodies theadvantages of automation technology, through simple operation to realize the automatic control of tank level. Its main purpose is: according to the needs of users, according tothe water level set by the user value, automatic identification system and the corresponding voltage signal, water flow control, so as to control the water level reaches a set level. In addition, in the operation of the system,close connection is actual, can be manually controlled and free switch automatic control. At the same time in order to facilitate the use of the user and the real-time monitoring, the system has set up a number of curves and report display window, and a plurality of display tag. In a safe mechanism, set inthe personnelgrouping management operation authority based on the actual situation, and is provided with a password, so as to improve the safety performance of the system.Through this lesson student not only learn more about the content of thecourse,through hands-on practice and also improve the students' ability to design.Key Words：Water level control ;PID; Curriculum design; Automation目录摘要 (I)Abstract (II)第1章选题及工艺流程分析说明 (1)1.1 系统概述 (1)1.1.1 选题想法 (1)1.1.2 设计思路 (1)1.2 组态设计的目标 (3)1.3 PID控制原理 (3)1.3.1PID概况 (3)1.3.2系统串级控制方案设计 (5)第2章MCGS工程组态 (7)2.1 主控窗口设计 (7)2.2 设备窗口设计 (8)2.3 用户窗口设计 (9)2.4 实时数据库设计 (11)2.5运行策略设计 (12)2.6脚本程序设计 (12)第3章仿真 (15)3.1 运行结果分析 (15)3.2 组态设计和调试中遇到的问题、解决方法和结果 (15)3.2.1 遇到的问题 (15)3.2.2 解决方法和结果 (15)第4章总结 (16)参考文献 (17)第1章选题及工艺流程分析说明在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为重要。
实验2 液位单回路控制系统的设计、分析与调试
实验2 液位单回路控制系统的设计、分析与调试一、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、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线；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AE2000B型过程控制实验装置三、实验原理图1 实验原理图图1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。
本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上小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，采用工业智能仪表控制。
当调节方案确定后，就要整定调节器的参数，一个单回路系统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。
因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题，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，而且与系统的动态性能也密切相关。
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）。
在单位阶跃作用下，P、PI、PID 调节系统的阶跃响应分别如图2中的曲线①、②、③所示。
图2 P、PI和PID调节的阶跃响应曲线四、实验内容和步骤1. 设备的连接和检查1）将AE2000B 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）；2）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；3）打开上水箱的出水阀至适当开度；4）检查电源开关是否关闭。
双容液位单回路控制系统设计
中北大学课程设计说明书学生姓名：学号：学院：机械工程与自动化学院专业：过程装备与控制工程题目：双容液位单回路控制系统设计指导教师：职称:职称:2013年12月30日中北大学课程设计任务书2013/2014 学年第 1 学期学院：机械工程与自动化学院专业：过程装备与控制工程学生姓名：学号：课程设计题目：双容液位单回路控制系统设计起迄日期：2013年12月30日～2014年1月10日课程设计地点：中北大学指导教师：系主任：下达任务书日期: 2013年12月30日课程设计任务书目录1 被控对象基本内容及结构-----------------------------------------12 建模方法以及系统变量的确定-------------------------------------12.1 建模方法的选择与分析---------------------------------------12.2 系统变量的确定---------------------------------------------12.3 建模参数的确定---------------------------------------------22.4 被控对象的数学模型-----------------------------------------22.4.1对象特性的机理建模法 ---------------------------------22.4.2设定传函----------------------------------------------23 控制方案的确定------------------------------------------------44 PID控制的仿真图----------------------------------------------44.1 PID控制的仿真图------------------------------------------54.2 PID的参数整定--------------------------------------------55 仪表的选型---------------------------------------------------75.1 调节器的选用--------------------------------------------75.2 执行器的选择--------------------------------------------75.3 液位变送器----------------------------------------------76 设计总结--------------------------------------------------- -87 参考文献---------------------------------------------------- 81.被控对象基本内容及结构液位控制系统是生产过程中的一类常见问题。
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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。
待液位平衡后，通过突增（突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）的阶跃增量的变化。
(1)突增(或突减)仪表设定值的大小，使其有一个正(或负)阶跃增量的变化(此法推荐，后面三种仅供参考)。
(2)将电动调节阀的旁路阀F1—3或F1．4(同电磁阀)开至适当开度。
(3)将下水箱进水阀F1-8开至适当开度(改变负载)。
(4)接上变频器电源，并将变频器输出接至磁力泵，然后打开阀门F2－1、F2-4，用变频器支路以较小频率给中水箱打水。
以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％（可以稍大一些），干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。
加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值(采用后面三种干扰方法仍稳定在原设定值)，记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图2-6所示。
8.分别适量改变调节器的P和I参数，重复步骤6，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。
9.分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤5~7，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。
见表2.2。
表2.2 进行参数整定，确定调节器的相关参数
五、参数设置
调节器采用AI－808。
设定值：Sv=10cm
比例度：P=-10-30(参考值)
积分时间：TI=10～30(参考值)
微分时间：TD=O(参考值)
输入规格：Sn=33(1～5v电压输入)
系统功能选择：CF=0(反作用调节、内给定等)
控制方式：Ctrl=l (采用A1人工智能调节／PID调节)
小数点位置：Dip=l(小数点在十位)
输入上限显示：dIH=50
输入下限显示：dIL=0
输出方式：OPl=4(4-20mA线性电流输出)
参数修改级别：Loc=808(Loc设置为808时，可设置全部参数) 具体请详细阅读调节器使用手册。
注：若采用自整定则将Ctrl=2。
中水箱出水阀开度70％。