应用场景

1. 科研场景：用于验证单容 / 双容液位过程的控制算法，如 PID 参数优化、先进控制策略（模糊控制、预测控制等）对比，通过实时建模与仿真，为工业过程中类似 “迟延 + 惯性” 特性的被控对象（如化工反应釜液位、储罐液位）提供控制方案参考。

2. 教学场景：作为自动化、测控技术等专业的实验教学设备，帮助学生理解数据采集原理、虚拟仪器开发流程、PID 控制算法实现及系统建模方法，通过可视化界面直观观察控制参数对系统响应的影响。

3. 工业实训场景：用于企业技术人员培训，模拟工业现场液位控制常见问题（如滞后、干扰导致的液位波动），训练参数整定与故障排查能力。

硬件架构

软件架构

功能实现

1. 数据采集：在软件环境中调用 DAQ 模板的 AI 子模块，定时采集液位变送器输出的电压信号，转换为实际液位值（0~600mm），采样周期可通过 HMI 手动设置，采集数据经巴特沃斯低通数字滤波（每秒处理 1000 个数据并输出平均值），降低高频干扰影响。

2. 实时建模：通过阶跃试验 VI 实现，HMI 中用布尔按钮选择单容 / 双容被控对象，“Power” 键控制变频器调节使能，“Start/Stop” 键控制采样启停。采样结束后，数据传入 HistData.vi（前端显示数据 + DDE 通讯存入 Excel）与 Eval.vi（基于非线性最小二乘法，以 “一阶惯性 + 迟延” 模型\(G(s)=\frac{K}{1+Ts} e^{-\tau s}\)拟合数据，计算模型参数 K、T、τ 及拟合曲线与试验曲线的均方差（MSE））。

3. PID 控制：采用防积分饱和增量式 PID 算法，框图程序中先计算液位设定值与实测值的偏差\(\Delta e(k)\)，再通过公式\(\Delta u(k)=k_p \Delta e(k)+k_i e(k)+k_d[\Delta e(k)-\Delta e(k-1)]\)（其中\(k_i=k_p T / T_i\)，\(k_d=k_p T_d / T\)）计算控制量，限制控制量输出范围为 0~60（对应变频器 0~60Hz），最后通过 DAQ 板卡 AO 端口输出至变频器，调节水泵转速。

4. 监控报警：HMI 实时显示液位波形图、设定值与实测值偏差，当液位超出设定上下限（如低于 50mm 或高于 550mm）时，触发前面板报警指示灯与声音提示；同时支持历史数据查询，通过 Excel 存储的试验数据可回溯分析系统响应特性。