液位(压力)二阶PID 控制实验

一、实验目的

1．进一步加深对PID 控制理论的理解；

2．掌握时间比例P、积分I、微分D 对高阶测控过程连续测控的影响；

3．进一步通过改变控制周期以及控制参数（采样点数和采样速率）了解控制量、 外界干扰及误差对PID 控制的影响；

二、实验原理

二阶水箱是靠一阶水箱的稳定放水和自身的稳定放水实现的储水的，当二者 放水量不相同时就会出现两种情况，一是一阶水箱供水不足，导致二阶水箱液面

无法稳定，二是一阶水箱供水过量，导致二阶水箱液面居高不下，这两者都是工

业上不希望看到的情况。因此需引进PID 控制，这里充分体现出在PID 控制系 统中，积分和微分在模仿将来和累积过去时的重大意义。

三、实验项目

1．用PID 控制二阶水箱液位高度；

2．用控制效果对比完成数据对比操作，选出最佳值。

四、实验仪器

ZCK-II 型智能化测控系统。

五、实验步骤及操作说明

1．打开仪器面板上的总电源开关，绿色指示灯亮起表示系统正常； 2．打开仪器面板上的液位电源开关，绿色指示灯亮起表示系统正常；

3，确保贮水箱内有足够的水，参照图2（图见第三章）中阀门位置设置阀门开 关，将阀门1、2、5、6 打开，阀门3、4 关闭；

4．参看变频器操作说明书将其设置在自动操作挡； 5．单击控制器RUN 按钮，使变频器处于工作状态； 6．打开计算机，启动ZCK-II 型智能化测控系统主程序；

7．用鼠标单击液位控制图形进入液位控制系统主界面，小组实验无须在个人信 息输入框填写身份，直接确定即可；

8．在液位系统控制主界面中，单击采集卡测试图标，进入数据采集卡测试程序。 确定软硬件正常工作后返回。

9．在液位系统控制主界面中，单击传感器标定图标，进入传感器标定程序。完

成标定后返回。

10．在液位系统控制主界面中，单击二阶简单PID 系统图标，进入二阶简单PID 液位控制系统程序。点击控制参数图标，进入控制参数设定界面，按照参数表 13 中的小组1 给定的预设参数填写。确定返回后点击采集参数图标按照参数表 13 中的小组1 给定的预设参数填写。确定返回后点击启动程序图标，观察实验 波形，波形满意后点击停止程序图标并用事后观察观察具体波形情况并记录数据

于表14 中，记录完毕保存数据（保存的数据可以随意编辑文件名，但请不要更 换文件夹以方便教师统一管理）；

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表13

液位给定值 mm 控制周期 ms Kp Ki Kd 采样点数采样速率 小组1 50 1000 10 0 50 5000 5000 小组2 50 1000 10 50 0 5000 5000 小组3 50 1000 10 50 50 5000 5000

11．点击重置程序图标，重复步骤10 的操作按表13 中的小组2 给定的预设参数 重新设置控制参数和采集参数（重置后程序返回默认值，即使和上次一样的数值

也必须重新输入），观察、记录并保存数据；

12．重复步骤11 完成小组3 中给定数值的操作。完成后结束程序返回液位控制 主程序，进入单人实验；

13．单人实验首先单击复位（换人）图标，在个人信息输入框中正确输入您的班

级、姓名、学号，输入完成后请在本次授课实验教师处选择您的指导老师，至此

您所做实验的实验数据路径将被正式记录给您的授课教师，供其参考评分，您无

须担心，请按实验步骤继续进行实验；

14．通过实验步骤10、11、12 和您理想KP、KI、KD 值进行比较，应该不难得 出一个最佳的控制参数，再次点击进入一阶简单PID 液位控制系统，在控制参数

里输入理想的PID 参数，如实验数据另自己满意请保存数据用于做之后的数据对

比实验。在一阶简单PID 液位控制系统完成实验并保存数据后，结束程序返回液

位控制主程序，请点击保存程序，方便教师评定。之后下一名同学请重复步骤 13、14 完成自己的实验；

15．当全部同学完成单人实验后，在液位控制系统主界面下单击控制效果对比

进

入控制效果对比程序，在路径选择右边单击打开图标选择大家保存*.dat 文件进 行对比，用最好的数据来完成表15。对比完毕返回主程序，点击退出程序选择 程序结束。

六、注意事项

1．个人信息输入框中输入的个人信息及本次授课实验教师处选择的指导老师务 必填写正确，由于本实验的透明性和数据的保密性，该实验无须安排考试，所有

成绩按照实验数据和实验报告的好坏来评定即可（不代表学校意见）；

2．进入程序时，液位设定不得超过150mm（这个不是软件的问题，是因为硬件 方面考虑到实验装置的运输、教室的高度等情况，水箱高度暂时只做到200mm， 但实际软件支持到300mm）；

3．进入传感器标定程序后，传感器一经标定，后续实验将以标定后的值为基准， 传感器一经标定请不要退出液位控制主程序，否则标定会失效，标定只对本次实

验有效，如误操作导致程序重启请重新完成标定；

4．二阶简单PID 液位控制程序和液位控制系统主界面中均有保存数据选项，单 人实验请务必按照实验步骤里的保存步骤进行保存。这个直接关系到您的实验评

定及教师评分；

5．由于小组实验中的三次实验对比性很强，所以，请在设置好一阶水箱和二阶 水箱的放水阀门后，待做完小组实验再进行修改。在实验中，因为二阶系统受一

阶系统干扰很大，如果水位设置较高，请注意将一阶水箱出水阀门开大，防止渗 水。

七、实验报告

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1．小组实验数据记录： 表 14

2．比较好的PID 参数设置以及实验数据：

小组 1 的Kp= Ki= Kd= 采样点数= 采样速率= 液位给定= 小组2 的Kp= Ki= Kd= 采样点数= 采样速率= 液位给定= 小组3 的Kp= Ki= Kd= 采样点数= 采样速率= 液位给定= 表15

3．为某自来水公司设计一套完整的PID 供水体系，要求有一阶储水体系和二阶

用户体系，下水道承受体系以及循环体系，并在用户体系中增加反馈环，用于用

水高峰期和用水低谷期的记录和控制。 思考题：

现阶段多数无自来水供水的地区都使用了水塔做为储水装置，水的来源基本 靠水泵从地下抽水，传统的水塔是不使用PID 调节的，要靠人去专门抽放水。你

可否设计一种方案，既要提高水塔的方便性，又不用太多投资？