双容水箱动态特性
“过程控制系统计”
实物实验报告
实验名称：双容水箱对象特性测试实验
姓名
学号：00000000
班级：111111
指导老师
同组人：
实验时间：2013 年05 月17 日
一、实验目的
1、了解双容对象的动态特性及其数学模型
2、熟悉双容对象动态特性的实验测定法原理
3、掌握双容水箱特性的测定方法
二、实验设计（画出“系统方框图”和“设备连接图”）
三、实验步骤、
1、进入实验
运行四水箱DDC 实验系统软件，进入首页界面，单击“实物模型”单选框，选择实
验模式为实物模型；
单击实验菜单，进入双容水箱特性测试实验界面。
2、选择执行机构
在实验系统中有两个执行机构，分别由控制量“U1”和“U2”控制。这两个控制量
的范围为0～100，可以自行选择一个作为控制量。
这里假定我们选择“U1”作为控制量。
3、选择双容对象
实验系统有四个水箱：水箱1、水箱2、水箱3和水箱4，它们对应的液位分别用H1、H2、H3 和H4 表示，其中水箱3 和水箱1、水箱4和水箱2 可以分别串接成两组双容水箱，可以自行选择一组双容水箱作为被测定对象。
这里假定我们选择水箱1 和水箱3 串接的双容水箱，对应待测液位变量为H1。
4、组成控制回路
我们期望构成的控制量为U1，被测量为H1 的控制回路，为此根据连接图，我们需打
开水箱1 和3 的进水阀，关闭其它进水阀。也可选择其它的双容对象构成控制回路。
5、选择工作点
控制量“U1”或“U2”控制执行机构，通过构造的控制回路，使被测的单容水箱的液位稳定在某个点。
具体设置方式如下：
选择控制量“U1”或“U2”，
如上图所示，单击实验界面中的调节阀图标，进入输出设置窗体，如下图所示：
在窗体中，通过键盘输入期望的值。
如果选择“U2”作为控制量，也可以参考上述方法进行设置。
四、实验记录（包括实验数据和波形图）
（美好的临界状态）图1
（连线）图2
（实际模型）图3
（控制量从30%跳变到35%）图4
（控制量从35%跳变到30%）图5
（控制量从30%-37%-30%）图6
（控制量从35%跳变到30%）图7
图8
用临界比例度法求PI控制其参数：
①仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数Pm和临界振荡周期Tm。
当Ti=∞时，取比例度k=3.94得到等幅振荡，记录此时的
Pm=1/k=0.254,Tm=570(s)
②根据所记录的Pm和Tm，用195页的经验公式计算调节器的整定参。P=2.2Pm=0.5588 , T=0.85Tm=484.5 (s)
五、结果分析
用临界比例度法整定：
六、思考题
1、简述实验法测定双容水箱动特性的过程。
答：本系统由电动调节阀作为控制量，水箱的液位H2作为被控量。水箱里液位的变化，由压力传感器经过I/O接口的A/D转换成数字信号，送入计算机端口。计算机通过改变调节阀的开度向水箱加水来控制水箱的液位高度，最终达到稳定后，通过对其响应曲线的研究，最终得到双容水箱的动态特性。
2、双容水箱对象特性与单容水箱对象特性有什么区别？
答：双容过程阶跃响应曲线是S形曲线，在起始阶段与单容过程的阶跃响应曲线有很大差别。这是因为在阀门1开度变化Δu出现的瞬间，液位H1有一定的变化速度，但其变化量仍为零，而ΔQ2暂无变化，导致H2的起始变化速度也为零，经过一段延迟时间之后，H2的变化速度才达到最大值。
七、心得体会
从这次实验中我学到了好多，遇到问题先自己思考再硬着脸皮去问老师，数据处理再而三地写了三遍，虽然写得潦草但犯的错误基本上改过来了。以下是完成这次报告中要注意的几点：
1）求增益时要注意负阶跃和正阶跃；
2）矩形脉冲要化为零，必须从0开始；
3）用切线法时正确找出拐点；
4）画方框图要画成开环形式；
5）设备连接图中正确画出电动调节阀。
三容水箱液位控制
三容水箱液位过程控制设计 专业：自动化 班级：2011级4班 组员：孙健 组员：姜悦2 组员：黄潇20115041 指导老师：陈刚 重庆大学自动化学院 2015年1月
目录 一、现代工业背景 (1) 二、问题的提出 (2) 三、模型的建立 (3) 3.1 单容水箱的数学模型 (3) 3.2 双容水箱的数学模型 (5) 3.3 三容水箱模型 (6) 四、算法的描述 (8) 4.1对原始模型的仿真 (8) 4.2添加P控制并对其仿真 (9) 4.3添加单回路控制并对其仿真 (10) 4.4添加PID控制和单回路控制并对其仿真 (11) 五、结果及分析 (14) 六、总结与体会 (15) 6.1 组长孙健的总结 (15) 6.2 组员姜悦的总结 (15) 6.3 组员黄潇的总结 (15) 七、参考文献 (17) 八、附录 (18)
一、现代工业背景 世界上任何国家的经济发展,都伴随着人民生活水平的改善和城市化进程的不断加快。但是相应的淡水资源的需求和消耗也在不断增多。水,作为一种必不可少的资源，长期以来一直被认为是取之不尽、用之不竭的。在这种观点的驱使下，水环境的质量越来越恶劣、水资源短缺也越来越严重，这一切都加重了城市的负荷，带来一系列危及城市生存与发展的生态环境问题。污水也是造成环境污染的来源之一。这个污染源的出现引起了世界各国政府的关注，治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。 建设污水处理厂，消除水污染也是为人民造福的一项事业，政府一时又拿不出巨大的资金投入到治理项目的建设中去。为了使污染快速得到控制，向公民投放建设专项债券，给公民一定的高于银行存款利息的待遇，使公民的资金投入到基础设施建设，发挥这部分资金的作用，也能为政府解除一些资金筹措的忧虑，又体现了全民的环保意识。 现代污水处理技术，按处理程度划分，可分为一级、二级和三级处理。 一级处理，主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，物理处理法大部分只能完成一级处理的要求。经过一级处理的污水，BOD一般可去除30%左右，达不到排放标准。一级处理属于二级处理的预处理。 二级处理，主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质(BOD，COD物质)，去除率可达90%以上，使有机污染物达到排放标准。 三级处理，进一步处理难降解的有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。主要方法有生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂滤法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗分析法等。 整个过程为通过粗格栅的原污水经过污水提升泵提升后，经过格栅或者砂滤器，之后进入沉砂池，经过砂水分离的污水进入初次沉淀池，以上为一级处理(即物理处理)，初沉池的出水进入生物处理设备，有活性污泥法和生物膜法，(其中活性污泥法的反应器有曝气池，氧化沟等，生物膜法包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法和生物流化床)，生物处理设备的出水进入二次沉淀池，二沉池的出水经过消毒排放或者进入三级处理，一级处理结束到此为二级处理，三级处理包括生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂滤法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗析法。二沉池的污泥一部分回流至初次沉淀池或者生物处理设备，一部分进入污泥浓缩池，之后进入污泥消化池，经过脱水和干燥设备后，污泥被最后利用。 经济发展与水环境污染是成正比的，也就是说经济发展的速度越快，相应带来的水环境污染就越严重。人民生活离不开水，工农业生产发展更离不开水，排出来的无论是生活污水还是工业废水都会带来不同程度的污染。经济的发展是需要资金投入的，保护环境不受污染，同样也需要钱，当资金有限的时候，就需要将经济发展和保护环境这两项硬指标进行有机的协调，不能造成顾此失彼或厚此薄彼的局面。若顾经济发展失环境保护，就会产生环境严重受到污染，再投入相当的资金也不会治理到原来的清洁环境。国外的反面教训警示了我们，日本的伊势湾受到沿海石化生产废水的污染，使伊势湾的水产品受到严重的损失，产生了不能食用的后果，虽经多年的治理也难以恢复污染前的环境状况。这也充分证明了经济发展与环境保护的密切关系。
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τ C 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) s H 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 () K O h R ∞ == 输入稳态值 阶跃输入量 图3 阶跃响应曲线 4）12 12 t t T T 2.16 + +≈ 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=0.46 h 0.4 0.8 2 h h 1 h 2 2 2
双容水箱毕业设计
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- (一)题目： 双容水箱自动控制系统和动画设计 题目完成形式： 开题报告、毕业论文、程序流程图、源程序 主要内容： 双容水箱自动控制系统设计：水箱形状选型，上下水电磁阀、水泵等标准件选型，压力 传感器、水位传感器的选型等；工艺流程和计算机动画设计；自动控制系统调试：利用共性 参数测控系统，调试双容水箱液体流速和水位的自动控制。 选题分析（科学性、可行性论证）和内容简要： 双容水箱自动控制是流程工业的典型代表，通过设计双容水箱并实现其自动控制，掌握 流程工业的自动控制方法。双容水箱系统原理为：设计两个串联水箱，水箱1利用流体压力 传感器检测液位高度，通过变速水泵调节流量，达到精确控制水箱水位的目的；水箱2利用 水位传感器检测液面高度，当液面达到控制液面上限，自动停止供水，低于控制液面下限， 开始供水。其计算机测控系统采用“共性参数测控系统”。 内容摘要（主要解决的问题、难点）： 了解流程工业双容水箱的工作原理和实际应用，掌握双容水箱自 动控制原理，掌握水压、水位的测方法和水位的两种控制方法，掌握 计算机数据采集和自动控制原理； 主要任务： 1、查阅双容水箱工业控制原理与应用的相关文献，完成文献综述； 2、设计双容水箱工作原理图、总装配图和零部件图； 3、传感器和水泵等测控单元选型和信号调试； 4、设计双容水箱工艺流程计算机动画； 5、利用共性参数测控系统，配置计算机软件实现自动水位控制。提交文档： 开题报告、论文、系统原理图、总装配图和零部件图、工艺流程计算机动画、双容水箱 自动控制实验报告、英文文献翻译。 备注： 有较好的计算机绘图和工程测试基础，具备一定的的电子电路知识。
双容水箱实验报告(采用PID+模糊控制)
目录 摘要2 一．PID控制原理、优越性，对系统性能的改善3 二．被控对象的分析与建模6 三．PID参数整定方法概述8 3.1 PID控制器中比例、积分和微分项对系统性能影响分析8 3.1.1 比例作用8 3.1.2 积分作用8 3.1.3 微分作用9 3.2 PID参数的整定方法10 3.3 临界比例度法12 3.4 PID参数的确定15 四．控制结构16 4.1 利用根轨迹校正系统16 4.2 利用伯德图校正系统18 4.3 调整系统控制量的模糊PID控制方法20 4.3.1模糊控制部分20 4.3.2 PID控制部分23 五．控制器的设计24 六.仿真结果与分析25 七.结束语27 参考文献28
针对双容水箱大滞后系统，采用PID方法去控制。首先对PID控制中各参数的作用进行分析，采用根轨迹校正、伯德图校正的方法，对系统进行校正。最后采用调整系统控制量的模糊PID控制的方法，对该二阶系统进行控制。同时，在MATLAB下，利用Fuzzy工具箱和Simulink仿真工具，对系统的稳定性、反应速度等各指标进行分析。 关键字：双容水箱，大滞后系统，模糊控制，PID，二阶系统，MATLAB ，Simulink
For T wo-capacity water tankbig lag system，using PID to control this system. First, to analyze the effectofeach parameter of PID. And the root-locus technique and bode diagram is adopted to design the correcting Unit.Then, fuzzy PID control method was used to adjust this second-order system.And a simulation model of this system is built with MATLAB Fuzzy and SIMULINK,with it analyzing the system stability ,reaction velocity and other indexs. Keywords:two-capacity water tank,big lag system,fuzzy control,PID,second-order system 一．PID控制原理、优越性，对系统性能的改善
双容水箱液位控制 开题研究报告
双容水箱液位控制开题研究报告
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
自动控制系统课程设计 双容水箱系统 ——开题报告 学校：北京工业大学 学院：电控学院 专业：自动化 班级： 组号：第五组 组员： 实验日期： 指导教师：
目录 1、绪论 (2) 2、研究对象的数学模型及特性分析 (3) 3、控制系统的性能指标要求 (5) 4、控制器的选择与控制方案的设计与仿真 (6) 5、拟采用的实验步骤及理想的实验曲线 (15) 6、模型参数获取的实验设计 (17) 7、附录 (19)
1绪论 双容水箱系统是一种比较常见的工业现场液位系统，在实际生产中，双容水箱控制系统在石油、化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为常见。通过液位的检测与控制从而调节容器内的输入输出物料的平衡，以便保证生产过程中各环节的物料搭配得当。 经过比较和筛选，串级控制系统PID控制无论是从操作性、经济性还是从系统的控制效果均有比较突出的特性，因此采用串级控制系统PID控制对双容水箱液位控制系统实现控制。 论文以THBDC-1型控制理论?计算机控制技术实验平台为基础的实验数据作为出发点，利用MATLAB的曲线拟合的方法分别仿真出系统中上水箱、下水箱的输出响应曲线。对曲线进行处理求出各水箱的参数，用所求出的参数列写出水箱的传递函数。采用复杂控制系统中的串级控制系统列写出系统框图，根据串级控制系统PID参数整定的方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的数值，从而满足控制系统对各项性能的要求。
双容水箱液位自动控制系统的整定-任务书
课程设计任务书 2012—2013学年第一学期 专业：测控技术与仪器学号：姓名： 课程设计名称：过程控制系统课程设计 设计题目：双容水箱液位自动控制系统的整定 完成期限：自2012 年11 月12 日至2012 年11 月23 日共2 周一、设计依据 在我国随着社会的发展，很早就实行了自动化控制。而在我国液位控制系统也得到了广泛应用，特别是水箱液位控制还在黄河治水中得到了利用，通过液位控制系统检测黄河的水位高低，以免黄河水位过高而在不了解的情况下，给我们人民带来生命危险和财产损失。本设计目的是使学生通过该实践环节，能对经典控制理论有较全面的了解和掌握，同时能熟悉和掌握自动控制的基本理论在过程控制中的应用，掌握过程控制系统的组成原理及分析方法，加深理解调节器参数对控制系统质量的影响，掌握过程控制系统的工程整定方法，从而增加解决实际问题的能力，并为今后的学习和工作打下良好的基础。 二、要求及主要内容 1、说明双容水箱液位自动控制系统的工作原理，并详细画出控制系统结构图，根据被控对象的工作原理进行动态特性的测取。 2、分别对双容水箱单回路和串级控制系统进行整定。 3、根据参数整定情况，检查系统性能是否满足给定指标要求。如若不满足要求，应根据测试结果，进行适当调整，如果因系统原因不能满足的指标和要求要给出分析的结果，并最后记录相关的性能指标。 4、撰写课程设计的技术报告，应将全部分析、设计、调试的结果，进行系统的总结，分章节撰写成文。报告中应书写工整，图表齐全，对调试结果要有分析说明。 三、途径和方法 1、熟悉双容水箱自动调节装置 2、通过动态特性试验，对双容水箱对象的模型参数进行测取。 3、对单回路控制系统调节器参数进行整定并实现要求 4、对串级控制系统参数调节器参数进行整定并实现要求；
三容水箱过程故障诊断模型
2.1 三容水箱机理建模 三容水箱实验装置[44,45]主体部分分为3 个圆柱形玻璃容器、3 个连接阀门、3个泄水阀门、1 个贮水箱、3 个压力传感器、2 个水泵及2 个电磁阀和其他连接器件。该系统三个圆柱形的有机玻璃水箱，两两之间各有连接管，中间装有球阀，最右边的水箱2 的水通过管道流向底部的贮水池，而泵1 和泵2 又从贮水箱把水打入水箱1 和水箱2。所有三个水箱均安装了压力变送器来测量液位，可以通过控制泵1 和泵2 的流量1Q 和2Q 来控制水箱的液位[46]。三容水箱主体结构如图2.1 所示。 两个步进电机的转动直接控制两个进水电磁阀门开度，起到调节进水量的作用。工业计算机将检测液位的压力传感器采集到的信号经过数据采集板卡实现A/D转换，转换后以脉冲的形式输出给步进电机，从而使电机控制进水电磁阀门的开度，达到调节进水量的目的，实现控制。实验结束后可通过三个泄水阀门将水箱中的水放到贮水箱里。实验中可以通过三个泄水阀门的组合测定水箱液位的惯性特性，也可以模拟大滞后过程现象，同时可以模拟泄漏故障，电磁调节阀可以起到干扰作用，所以三容水箱过程实验装置可以作为复杂系统研究的典型对象，也可以作为故障诊断研究对象。 - 11 - 对 123
T , T,T各建平衡方程，结果如下： 113 1 QQ dt dh A -1) 1332 3 QQ dt dh A -2) 23220 2 QQQ dt dh A -3) 其未知的量 133220 Q , Q,Q能用广义的Torricelli规则来确定： 2 1 qazSsgn h2gh n -4) 公式(2-4)中： g —重力加速度，m/s
双容水箱-过控课程设计报告-上海电力_图文(精)
《过程控制系统设计》课程设计报告 姓名: 学号: XXXXXX 班级: XXXXXXXX 指导老师: 设计时间:2014年 1月 11日 ~1月 15日 第一部分双容水箱液位串级 PID 控制实物实验时间:同组人: 一、实验目的 1、进一步熟悉 PID 调节规律 2、学习串级 PID 控制系统的组成和原理 3、学习串级 PID 控制系统投运和参数整定 二、实验原理(画出“ 系统方框图” 和“ 设备连接图” 1、实验设备:四水箱实验系统 DDC 实验软件、四水箱实验系统 DDC 实验软件 2、原理说明: 控制系统的组成及原理 一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值,这样连接起来的两个控制器称为“串级” 控制器。两个控制器都有各自的测量输入, 但只有主控制器具有自己独立的设定值, 只有副控制器的输出信号送给被控对象, 这样组成的系统称为串级控制系统。本仿真系统的双容水箱串级控制系统如下图 1所示:
图 1 双容水箱串级控制系统框图 串级控制器术语说明 主变量:y1称主变量。使它保持平稳使控制的主要目的 副变量:y2称副变量。它是被控制过程中引出的中间变量 主对象:下水箱;副对象:上水箱 主控制器:PID 控制器 1,它接受的是主变量的偏差 e1,其输出是去改变副控制器的设定值副控制器:PID 控制器 2,它接受的是副变量的偏差 e2,其输出去控制阀门 主回路:若将副回路看成一个以主控制器输出 r2为输入,以副变量 y2为输出的等效环节, 则串级系统转化为一个单回路,即主回路。 副回路:处于串级控制系统内部的,由 PID 控制器 2和上水箱组成的回路 串级控制系统从总体上看, 仍然是一个定值控制系统, 因此, 主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但是串级控制系统和单回路系统相比, 在结构上从对象中引入一个中间变量(副变量构成了一个回路,因此具有一系列的特点。串级控制系统的主要优点有:
自动控制课程设计--双容水箱液位串级控制
自动控制课程设计 课程名称：双容水箱液位串级控制 学院：机电与汽车工程学院 专业：电气工程与自动化 学号： 631224060430 姓名：颜馨 指导老师：李斌、张霞 2014/12/30
0摘要 (2) 1引言 (2) 2对象分析和液位控制系统的建立 (2) 2.1水箱模型分析 (2) 2.2阶跃响应曲线法建立模型 (3) 2.3控制系统选择 (3) 2.3.1控制系统性能指标【2】 (3) 2.3.2方案设计 (4) 2.4串级控制系统设计 (4) 2.4.1被控参数的选择 (4) 2.4.2控制参数的选择 (5) 2.4.3主副回路设计 (5) 2.4.4控制器的选择 (5) 3 PID控制算法 (6) 3.1 PID算法 (6) 3.2 PID控制器各校正环节的作用 (6) 4 系统仿真 (7) 4.1.1系统结构图及阶跃响应曲线 (7) 4.2.1 PID初步调整 (10) 4.2.2 PID不同参数响应曲线 (12) 4.3.1 系统阶跃响应输出曲线 (17) 5加有干扰信号的系统参数调整 (20) 6心得体会 (22) 7参考文献 (22)
液位控制是工业生产乃至日常生活中常见的控制，比如锅炉液位，水箱液位等。针对水箱液位控制系统，建立水箱模型并设计PID控制规律，利用Matlab 仿真，整定PID参数，得出仿真曲线，得到整定参数，控制效果很好，实现了水箱液位的控制。 关键词：串级液位控制；PID算法；Matlab；Simulink 1引言 面液位控制可用于生产生活的各方面。如锅炉液位的控制，如果液位过低，可能造成干烧，容易发生事故；炼油过程中精馏塔液位的控制，关系到产品的质量，是保障生产效果和安全的重要问题。因而，液位的控制具有重要的现实意义和广泛的应用前景。本文针对双容水箱，以下水箱液位为主控制对象，上水箱为副控制对象。选择进水阀门为执行机构，基于Matlab建模仿真，采用PID控制算法，整定PID参数，得出合理控制参数。 2对象分析和液位控制系统的建立 2.1水箱模型分析 现以下水箱液位为主调节参数，上水箱液位为副调节参数，构成传统液位串级控制系统，其结构原理图如图1所示。 图1 双容水箱液位控制示意图
双容水箱液位串级控制系统DCS实训报告毕业论文
DCS实训报告双容水箱液位串级控制系统
一、实训目的 （1）、熟悉集散控制系统（DCS）的组成。 （2）、掌握MACS组态软件的使用方法。 （3）、培养灵活组态的能力。 （4）、掌握系统组态与装置调试的技能。 二、实训内容及要求 以THSA-1型生产过程自动化技术综合实训装置为工业对象。完成中水箱和下水箱串级液位控制系统的组态。 要求：设计液位串级控制系统，并用MACS组态软件完成组态。 包括：（1）、数据库组态。 （2）、设备组态。 （3）、算法组态。 （4）、画面组态。 （5）、在实验装置上进行系统调试。 三、工程分析 THSA-1型生产过程自动化技术综合实训装置中水箱和下水箱串级液位控制系统需要2个输入测量信号，1个输出控制信号。 因此,该系统包括： （1）、该系统有2个AI点LT1、LT2，1个AO点LV1。 （2）、该系统需要1个模拟量输入模块FM148用于采集中水箱液位信号LT1和下水箱液位信号LT2;1个模拟量输出模块
FM151用于控制电动控制阀的开度LV1。并且FM148的设备号为2号，FM151的设备号为3号。 （3）、LT1按2号设备的第1通道，LT2按2号设备的第2通道。LV1按3号设备的第1通道。 （4）、系统配备1个现场控制站10站，1台服务器兼操作员站。 四、实训步骤 1、工程的建立 （1）、打开：开始macsv组态软件数据库总控。（2）、选择工程/新建工程，新建工程并输入工程名；Demo。（3）、点击“确定”按钮，然后在空白处选择“demo”工程。工程信息如下图所示： （4）、选择“编辑>域组号组态”，选择组号为1，将刚创建的工程“demo”从“未分组的域”移到右边“改组所包含的域”里，点击“确认”按钮。然后，在数据库总控组态软件窗口会出现当前工程名、当前域号、该域分组号、系统总点数。 （5）、数据库组态。
三容水箱液位控制系统的建模与仿真
过程控制课程设计 三容水箱液位控制系统建模和仿真 ---------- 专业：自动化 班级：---------- 组员：---------- 指导老师：---------- 重庆大学自动化学院 20XX年10月
目录 摘要 (1) 1 两种三容水箱工作原理 (1) 1.1 三容水箱结构 (1) 1.2 三容水箱系统特点 (2) 2 两种三容水箱理论建模 (3) 2.1 假设及相关参数定义 (3) 2.2 实施器（阀门）数学模型 (4) 2.3 阶梯式三容水箱数学模型 (4) 2.4 水平式三容水箱数学模型 (6) 3两种三容水箱模型控制和仿真 (7) 3.1 阶梯式三容水箱简单PID控制 (8) 3.2 阶梯式三容水箱串级PID控制 (9) 3.3 水平式三容水箱简单PID控制 (11) 3.4 水平式三容水箱串级PID控制 (12) 4 总结 (14) 5 心得体会 (14) 5.1 顾振博心得体会 (14) 5.2 陈冶心得体会 (15) 5.3 谢海龙心得体会 (15) 参考文件 (16) 附录 (16) 所用参数及其数值 (16)
摘要 三容水箱是工业过程中很多被控对象经典抽象模型，在非线性、大惯性过程控制研究应用中含有广泛代表性。多年来中国外很多学者对三容水箱系统建模方法、控制算法及故障诊疗等方面进行了探讨。深入研究三容水箱系统控制算法并构建现在试验教学系统，在工业控制领域和工程控制论教学中全部含有较为关键理论和实际应用价值。 本设计经过对阶梯式、水平式这两种经典水平式三容水箱系统分别进行理论建模，再分别加入了简单PID和串级PID控制器，而且在MATLABSimulink仿真平台上搭建了对应控制系统框图，对阶跃响应下输出信号进行了仿真，实现了对两种三容水箱液位控制系统控制。 1 两种三容水箱工作原理 1.1 三容水箱结构 三容水箱主体由3个圆柱型玻璃容器(Tankl(T1)、Tank2(T2)、Tank3(T3))、4个阀门(VT0、VT1、VT2、VT3、VT4)、一个增压泵、一个蓄水池和响应连接部件组成。试验台工作时，增压泵抽出储水箱内水，经过百分比电磁阀VT0注入容器T1，T1内水再经过VT1、VT3依次流入T2和T3中，最终经过VT3流回蓄水池中，组成了一个封闭回路。经过各个阀门（VT0--VT3)开关状态不一样组合，可组成各阶控制对象和不一样控制系统。 下图是两种不一样形式三容水箱结构简图，其中图1为阶梯式三容水箱，图2为水平式三容水箱。
双容水箱特性的测试
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
双容水箱液位串级控制系统课程设计
双容水箱液位串级控制系统课程设计 1. 设计题目 双容水箱液位串级控制系统设计 2. 设计任务 图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。 1 图1 双容水箱液位控制系统示意图 3. 设计要求 1） 已知上下水箱的传递函数分别为： 111()2()()51p H s G s U s s ?==?+，22221()()1()()()201 p H s H s G s Q s H s s ??===??+。 要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s 后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声）； 2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中PID 参数的整定要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P 、I 、D 各参数整定的依据如何），对仿真结果进行评述； 3） 针对该受扰的液位系统设计串级控制方案，要求画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。 4.设计任务分析
系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。 在该液位控制系统中，建模参数如下： 控制量：水流量Q ； 被控量：下水箱液位； 控制对象特性： 111()2()()51 p H s G s U s s ?==?+（上水箱传递函数）； 22221()()1()()()201p H s H s G s Q s H s s ??= ==??+（下水箱传递函数）。 控制器：PID ； 执行器：控制阀； 干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行10s 后，施加均值为0、方差为0.01的白噪声 为保持下水箱液位的稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID ），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整PID 参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整PID 参数，都将无法得到满意的效果。考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上水箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。 设计中，首先进行单回路闭环系统的建模，系统框图如下： 可发现，在无干扰情况下，整定主控制器的PID 参数，整定好参数后，分别改变P 、I 、D 参数，观察各参数的变化对系统性能的影响；然后加入干扰（白噪声），比较有无干扰两
三容水箱
热工过程自动调节课程设计 指导书 南京工程学院 能源与动力工程学院
1. 单容水箱动态特性测取 1.1 单容水箱动态特性测取目的 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和传递函数。 1.2单容水箱动态特性测取原理 图1-1单容水箱特性测试结构图 由图1-1可知，对象的被控制量为水箱的液位H ，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q 1，手动阀V 1和V 2的开度都为定值，Q 2为水箱中流出的流量。根据物质平衡关系，在平衡状态时 Q 10-Q 20=0 （1） 动态时，则有 Q 1-Q 2= dt dV （2） 式中V 为水箱的贮水容积， dt dV 为水贮存量的变化率，它与H 的关系为 Adh dV =，即 dt dV = A dt dh （3） A 为水箱的底面积。把式（3）代入式（2）得 Q 1-Q 2=A dt dh （4） 基于Q 2= S R h ，R S 为阀V2的液阻，则上式可改写为 Q1- S R h = A dt dh 即 AR S dt dh +h=KQ 1 或写作 ) ()(1s Q s H = 1 +TS K （5） 式中T=AR S ，它与水箱的底积A 和V 2的R S 有关；K=R S 。 式（5）就是单容水箱的传递函数。
若令Q 1（S ）= S R 0，R 0=常数，则式（5）可改为 H （S ）= T S T K 1/+ × S R 0=K S R 0- T S KR 10 + 对上式取拉氏反变换得 h(t)=KR 0(1-e -t/T ) （6） 当t —>∞时，h （∞）=KR 0，因而有 K=h （∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入 当t=T 时，则有 h(T)=KR 0(1-e -1 )=0.632KR 0=0.632h(∞) 式（6）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1-2所示。当由实验求得图1-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应 图1-2 单容水箱的单调上升指数曲线 的时间，就是水箱的时间常数T 。该时间常数T 也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T ，由响应曲线求得K 和T 后，就能求得单容水箱的传递函数。如果对象的阶跃响应曲线为图1-3，则在此曲线的拐点D 处作一切线，它与时间轴交于B 点，与响应稳态值的渐近线交于A 点。图1-3中OB 即为对象的滞后时间τ，BC 为对象的时间T 常数T ，所得的传递函数为：H(S)= Ts Ke s +-1τ 图1-3 单容水箱的阶跃响应曲线 1.3 单容水箱动态特性测取内容与步骤 1．按图1-1接好实验线路，并把阀V 1和V 2开至某一开度，且使V 1的开度大于V 2的开度。 2．接通总电源和相关的仪表电源，并启动磁力驱动泵。 3．把调节器设置于手动操作位置，通过调节器增/减的操作改变其输出量的大小，使水箱的液位处于某一平衡位置。 4．手动操作调节器，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一定的调节时间后，水箱的液位进入新的平衡状态，如图1-4所示。
毕业设计：双容水箱系统的建模、仿真与控制
自动控制毕业设计双容水箱系统的建模、仿真与控制 2015年 7月23日
摘要 自动控制课程设计是自动化专业基础课程《自动控制原理》和《现代控制理论》的配套实践环节，对于深入理解经典控制理论和现代控制理论中的概念、原理和方法具有重要意义。本次课程设计以过程控制实验室双容水箱系统作为研究对象，开展了机理建模、实验建模、系统模拟、控制系统分析与综合、控制系统仿真等多方面的工作。 课程设计过程中，首先进行了任务I即经典控制部分的工作，主要从系统模型辨识、采集卡采集、PID算法的控制、串联校正进行性能指标的优化、滞后控制等方面进行了设计。然后，又进行了任务II即现代控制部分的工作，主要从系统模型的串并联实现、能控能观标准型实现、状态反馈设计、状态观测器设计、降维观测器设计等方面进行了深入的研究。最后选做部分单级倒立摆的内容，并对整个课程设计做了总结。 关键词：自动控制；课程设计；PID控制；根轨迹；极点配置；MATLAB；数据采集；经典控制；现代控制。
目录 第1章引言 (1) 1.1 课程设计的意义与目的 (1) 1.2 课程设计的主要内容 (1) 1.3 课程设计的团队分工说明 (2) 第2章双容水箱系统的建模与模拟 (3) 2.1 二阶水箱介绍 (3) 2.2 二阶水箱液位对象机理模型的建立 (3) 2.3 通过实验方法辨识系统的数学模型的建立 (7) 2.3.1 用试验建模（黑箱）方法辨识被控对象数学模型 (7) 2.3.2 通过仿真分析模型辨识的效果 (8) 2.4 物理系统模拟 (9) 第3章双容水箱控制系统的构建与测试 (11) 3.1 数据采集卡与数据通讯 (11) 3.2 构建系统并进行开环对象测试 (12) 第4章双容水箱的控制与仿真分析——经典控制部分 (14) 4.1采用纯比例控制 (14) 4.2采用比例积分控制 (17) 4.3采用PID控制 (21) 4.4串联校正环节 (24) 4.5采样周期影响及滞后系统控制性能分析 (28) 第5章双容水箱的控制与仿真分析——现代控制部分 (31) 5.1状态空间模型的建立 (31) 5.2状态空间模型的分析 (33) 5.3状态反馈控制器的设计 (34) 5.4状态观测器的设计 (37) 5.5基于状态观测的反馈控制器设计 (43) 第6章基于状态空间模型单级倒立摆控制系统设计 (48) 6.1 单级倒立摆系统介绍 (48)
双容水箱实验报告(采用PID+模糊控制)
目录 摘要--------------------------------------------------------------- 2 一．PID控制原理、优越性，对系统性能的改善-------------------------- 4二．被控对象的分析与建模-------------------------------------------- 6 三．PID参数整定方法概述-------------------------------------------- 8 3.1 PID控制器中比例、积分和微分项对系统性能影响分析------------ 8 3.1.1 比例作用----------------------------------------------- 8 3.1.2 积分作用----------------------------------------------- 9 3.1.3 微分作用----------------------------------------------- 9 3.2 PID参数的整定方法------------------------------------------ 10 3.3 临界比例度法---------------------------------------------- 12 3.4 PID参数的确定--------------------------------------------- 15 四．控制结构------------------------------------------------------- 16 4.1 利用根轨迹校正系统----------------------------------------- 16 4.2 利用伯德图校正系统----------------------------------------- 18 4.3 调整系统控制量的模糊PID控制方法--------------------------- 20 4.3.1模糊控制部分------------------------------------------ 20 4.3.2 PID控制部分------------------------------------------ 23五．控制器的设计--------------------------------------------------- 24 六.仿真结果与分析-------------------------------------------------- 25 七.结束语---------------------------------------------------------- 27参考文献----------------------------------------------------------- 28
双容水箱液位静动态特性测试(实验一)
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。
双容水箱液位定值控制系统实验报告
精品文档 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：双容水箱液位定值控制系统_ 专业: 控制工程 姓名: XXX 学号: XXXXXX 指导教师：XXX 完成时间：XXXXX
实验名称：双容水箱液位定值控制系统 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。 实验仪器设备： 1. 实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS需两台计算机）、万用表一个； 2. SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根； 3. SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个； 4. SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根； 5. SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线； 6. SA-42挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。 实验原理: 本实验以中水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT2检测到的中水箱液位 信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。调节器的参数整定可采用本 章第一节所述任意一种整定方法。本实验系统结构图和方框图如图所示。 屯动阀下水前