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:

1 副回路的干扰抑制作用:发生在副回路的干扰,在影响主回路之前即可由副控制器加以校正

2 主回路响应速度的改善:副回路的存在,使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小, 从而改善了主回路的相应速度

3 鲁棒性的增强:串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性

4 副回路控制的作用:副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制由此可见,串级控制是改善调节过程极为有效的方法,因此得到了广泛的应用。

结合实际工艺流程图(图 2所示,可以清楚的理解串级控制的设备连接。

图 2 串级双容水箱设备连接图

3、串级 PID 控制系统投运

串级控制系统和简单控制系统的投运要求一样, 必须保证无扰动切换, 采用先副回路后主回路的投运方式。这里以我们的串级控制系统为例,给出具体的操作步骤:

1 将主、副控制器的切换开关都置于手动位置,副回路处于内给定

2 用副控制器的输出控制阀门,使主变量接近设定值,当工况比较平稳时,将副控制器设成自动——无扰动切换,因为手动状态时副控制器的设定值跟踪副变量

3 手动设定主控制器的输出值等于副控制器的设定值,当工况比较平稳时,将主控制器设置成自动——无扰动切换,因为手动状态时副控制器的设定值跟踪副变量

4 串级两个控制器,将副回路控制器设置成“远端模式” ,这样主控制器的输出便作为副控制器的设定值,从而构成串级系统

4、串级 PID 控制系统的参数整定

PID 控制仍然是得到最广泛应用的基本控制方式。常用的PID控制规律

有:P、 PI、 PD、 PID, 可根据被控对象的特点和控制要求选择其中之一作为控制器。串级控制系统参数整定也采用先副后主的方式。在整定时, 应尽量加大副调节器的增益, 提高副环的频率, 使主、副回路的频率错开,最好相差 3倍以上。整定时,先切除主调节器,使主环处于断开的情况下, 按通常的方法整定副调节器的参数。然后在投入副回路的情况下, 把副环作为弱阻尼的二阶环节等效对象,再加上副环外的部分对象,按通常方法整定主调节器参数。为了得到某种意义下的最佳过渡过程。我们这里选用较通用的“ 最佳” 标准, 即要求在阶跃扰动作用下,被调量的波动具有衰减率 0.75左右,在这个前提下,尽量满足准确性和快速性的要求。常用的工程整定方法有:a 、动态特性曲线法 b 、稳定边界法 c 、衰减曲线法三、实验步骤

1、进入实验

运行四水箱实验系统 DDC 实验软件,进入首页界面;选择实验模式为“ DDC 模块” ; 单击实验菜单,进入双容水箱液位串级控制实验界面,如下图 3所示:

图 3 双容水箱液位串级控制实验界面

2、选择控制回路

选择对象:在实验界面的“请选择控制回路”选择框中选择控制回路,如下图所示:从两个回路中任选一个。

组成控制回路:当选择“串级回路1”作为控制回路时,须打开进水阀 V13,关闭其它进水阀;当选择“串级回路2”作为控制回路时,须打开进水阀 V14,关闭其它进水阀。这样便构成了一个控制回路。在串级控制系统中, 上水箱为串级系统的副回路——对应的 PID 控制器为串级的后级,下水箱为串级系统的主回路——对应的 PID 控制器为串级的前级 3、选择控制器工作点

将副回路的 PID 控制器设成手动:单击实验界面中的副回路 PID 控制器标签打开副回路 PID 控制器界面,然后单击副回路 PID 控制器的“手动”按钮,如图 4所示。

设定工作点:单击副回路 PID 控制器界面中 MV 柱体旁的增 /减键,设置 MV (U1的值,如图 5所示:

图 4 调“ 手动” 图 5 设置 MV

进行对象动态特性测试:给 MV 一个阶跃, 将 1号和 3号水箱的液位变化数据记录在表 1中,根据实验数据用两点法建立 3号和 1号水箱的传递函数,作为 PID 初始参数计算的依据。假定在输入量变化量为Δμ时测绘的飞升曲线如下图所示:

图 6 飞升曲线

因此,可估算双容水箱的模型为

其中, 至此,我们成功地用实验法测出了双容水箱的动特性。

4、调节串级的后级

设置 PID 参数:根据对象特性, 查表计算 PID 初始参数, P =0.1218, Ti =468.6, D =0, 并将参数输入到控制器中,并进行微调,使内回路控制效果达到最佳。

将控制器设成自动状态:保持模式为本地模式,单击副回路 PID 控制器界面中副回路 PID 控制器的“自动”按钮

5、调节串级的前级。前提:等液位稳定后

将控制器设成手动状态:单击主回路 PID 控制器界面的“手动”按钮;

设置控制的输出值:单击 MV 柱体旁的增 /减键,设置 MV (Z1的值,使其与副回路 PID 控制器的设定值相等。

设置控制器 PID 参数:根据对象特性,设置 P =12.63778, Ti =220, D =0并将参数输入到控制器中,参加前面实验

将控制器设成自动状态:单击主回路 PID 控制器的“自动”按钮

6、串接两个 PID 控制器

将串级后级的 PID 控制器设置成“远端模式” 。此时,串级前级的输出值便作为串级后级的设定值。

7、串级 PID 控制器的控制效果

通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体可以查看趋势曲线;根据趋势曲线,从超调量、过渡时间和衰减比等方面对控制效果进行评估,当达到或接近期望效果时,跳到第 9步。 8、根据控制效果,调整 PID 控制器参数

当控制效果不佳时, 重新将控制器设置成手动, 根据调节规律跳转到第 5步, 继续实验。 9、数据记录

记录控制的调节参数,并利用趋势窗体查看控制效果,并结果记录在下表 2中。

10、结果分析

根据记录的实验数据, 依据超调量、过渡时间和衰减比等特性参数评估串级控制的效果。四、实验记录(包括现象、实验数据和波形图

根据实验步骤可以的到如下现象实验数据和波形图:

图 7 实际操作曲线图

如图 6所示,我们可以清楚的得到主、副回路的飞升曲线,根据两点法取

]0( ([ (y(t*y y t y -∞?=, 取 39. 0 (1*=t y ; 632. 0(2*

= t y , T=2(2t -1t ;

τ=21t -2t 副回路传递函数: s e s s G 3. 69129254. 1 (-+= ; 主回路传递函数 : s

e s s G 2201

1894. 0 (-+=

五、结果分析

由上表可知, 把整定好的副控制器参数带入再整定主回路, 由于在实验中存在系统误差, 主回路的液位测量存在较大波动, 所以照成主回路的建模出现不确定因数, 因此照成了主回路参数的整定的困难。同时也因为同一原因照成控制器控制的效

果显示也存在较大波动, 不过经过三次调整, 还是得到了一个比较理想的值, 也算比较完美的完成了此次试验。特别是主控制器的最后一次调整,效果还是不错的。

1、副回路控制器 PID 的整定

我们通过 5组实验结果作对比,确定副回路较好的 PID 控制参数。由于存在系统误差, 所以图形存在波动。

第一组:控制结果如图

8

图 8 第一组参数结果

结果分析:当副控参数 P=8.21, I(S=69.3, D(s=0时,过渡时间为 159s ,超调量太大, 积分作用太大,所以应该增加积分时间。

第二组:控制结果如图

9

图 9 第二组参数结果

结果分析:当 P=8.21, I(S=65, D(s=0, , 过渡时间为 106s ,超调量太大,积分作用太大,所以应该增加积分时间。

第三组:控制结果如图

10

图 10 第三组参数结果

结果分析:经过前两组的实验,我们确定超调量过大的原因在于积分时间太短,积分作用太大,所以此次我们选择 P=8.21, I(S=75, D(s=0,过渡时间为 106s ,超调量为6%比较理想。但是过渡时间为 106s ,还是有点大,所以应该增加积分时间。

第四组:控制结果如图

11

图 11 第 4组参数结果

结果分析:经过上组的分析,我们选择 P=8.21, I(S=80, D(s=0,超调量为 3%比较理想。过渡时间为 65s ,达到理想的效果。

第五组:控制结果如图 12

图 12 第 5组参数结果

结果分析:经过上组的结果,超调量和过渡时间都比较理想,我们尝试着进一步减少过渡时间,所以我们选择 P=8.21, I(S=85, D(s=0,超调量为 3%比较理想。过渡时间为 87s , 与第四组相比过渡时间稍微加长了一点。

经过上面五组的分析比较,第四组的效果过渡时间和超调量都比较理想,所以我们选择了我们选择 P=8.21, I(S=80, D(s=0,作为副回路控制器 PID 的参数。

2、主回路控制器 PID 的整定

我们通过 3组实验结果作对比,确定主回路较好的 PID 控制参数。

第一组:控制结果如图

13

图 13 第一组参数结果

结果分析:由图中下水箱的曲线(红色 ,当主控参数 P=0.7912, I(S=660, D(s=0时, 下水箱的液位不平衡,过渡时间太长,无法达到稳态,控制效果非常差。由于系统的误差照成建模的不确定性,故第一次参数整定积分作用太弱了。

第二组:控制结果如图

14

图 14 第二组参数结果

结果分析:经过第一组的结果,我们咨询了老师的意见。因为积分时间太长,导致积分作用不明显,经过很长时间才能达到平衡,一般选取 1/3的积分时间。所以我们选择 P=0.7912, I(S=220, D(s=0,得到过渡时间为 403s ,超调量比较理想为 2%。由于过度时间太长,为了加快响应速率,我们觉得应该增大比例作用。

第三组:控制结果如图

15

图 15 第三组参数结果

结果分析:经过上次的结果, 此次我们选择 P=0.9, I(S=220, D(s=0, 过渡时间为380s , 超调量良好为 8%。与第二组相比过渡时间稍微减少了,但是效果不是很明显。应该加大比例作用。由于时间关系, 我们无法进行更深入的 PID 参数的整定。经过以上的三组实验对比, 我们选择 P=0.9, I(S=220, D(s=0作为主回路 PID 控制器的参数。从而确定了整个双容水箱的 PID 最终的参数整定是:主回路 P=0.9, I(S=220, D(s=0; 副回路 P=8.21, I(S=80, D(s=0.。因为在找工作点时,系统的检测信号误差太大,得到的图像波动太明显所以在得到的主控制器传函存在不准确性, 故得到的控制效果也不是那么特别好, 存在波动, 这属于系统误差。

六、思考题

1、串级控制相比于单回路控制有什么优点 ?

解:1 、改善了被控过程的动态特性,提高了系统的工作频率。

2 、由于副回路的作用,使抗干扰能力得到增强。

3对负荷和操作条件变化的适应能力增强,有一定自适应能力。

2、为什么串级控制系统在加了副回路控制后控制量得到较大提升?

在串级控制系统中, 由于加了副回路控制, 不仅能迅速克服作用于副回路的干扰, 也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、粗调、快调的特点,主回路具有后调、细调、慢调的特点, 对副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以消除。由于主、副回路相互配合、相互补充,相互协调工作,从而使整个系统的控制品质得到较大提升。

3、串级控制系统应如何投运?

答:串级控制系统中包含主、副回路。在投运过程中,应先控制主副回路各自在初始稳定状态, 随后先投运副回路控制器, 使其从手动状态转为自动状态, 并输入合适的控制参数,给副回路一阶跃信号,观察副回路整定效果。随后可对副回路进行参数整定, 逐步达到理想的整定效果。之后再投运主回路控制器, 设置主回路的输出值使其与副回路的设定值相同, 以实现串级系统无扰的手自切换, 随后将副回路与

主回路串级相连, 实现系统串级控制。再给主回路设定值一阶跃信号, 观察主副回

路的控制效果, 再根据控制效果对主回路控制器的参数进行整定,逐步达到理想的整定效果。

4、串级控制系统参数应如何整定?

答:串级控制系统参数整定应先整定副回路参数, 后整定主回路参数。串级控

制系统主、副回路的原理不同, 对主、副参数的要求也不同。串级控制系统主副

调节器的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。

逐步逼近法:1 、整定副回路 2 、整定主回路 3 、再次整定副回路 4重新整定

主回路 5重复 3、 4步骤直到达到品质要求。

两步整定法:1 、按单回路控制系统整定副调节器参数 2 、把已经整定好的副

回路视为串级控制系统的一个环节,仍按单回路对主调节器进行一次参数整定。

一步整定法:根据经验, 先将副调节器参数一次调好,不再变动, 然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。

七、分析与总结

通过对双容水箱液位串级 PID 控制实物实验,复习及运用了串级 PID 控制系统投运和参数整定的方法。此次中, 由于下水箱的水飞溅比较剧烈, 导致检测到的下水箱液位波动太大, 而且上水箱的液位检测也与实际值存在一定的误差, 这些系统误差照成了我们的建模出现问题, 建出的模型与实际相差可能比较大, 同时也由于系统本身原因照成控制器的效果有波动,不过总的来说,液位还是得到了控制,并且处于一个固定区间内,即使有些波动,但这是系统原因,暂时无法克服。

第二部分实际生产过程控制系统设计与仿真

一、设计内容和要求 (从任务书上获取

氧化炉控制系统设计(三

二、系统组成

如图所示,氨气和空气在混合器中混合,经过滤器后送至氧化炉(采用 0.45MPa 全中

压法控制氧化过程 ,在铂触媒的作用下生成一氧化氮,再通过废热锅炉热量回收,经快速冷却器降温,进入硝酸吸收塔, 经空气第二次氧化后,与水作用生成稀硝酸。氧化炉温度的变化受氨气和空气的比值影响很大,当氨气含量减少 1%时,炉温下降64.9℃,因此,设计了氨气 /空气的比值控制。影响氧化炉温度的因素还有很多,比如负荷变化、铂触媒的活性变化及大气环境等,为此,必须根据炉温的变化适当改变氨气 /空气的比值。氨的体积分数超过 14%会引起恶性爆炸事故毁坏生产设备,必需加设联锁保护系统,氧化炉温度及氨空比是最关键的控制参数, 对仪表精度要求极高。因此氨氧化反应对氧化炉内的氨空流量比和炉温的要求非常严格,所以,氨空比与炉温的实时检测与稳定控制是氧化炉控制的关键。

经测试,调节阀开度变化时氨气流量的动态特性为:

117(1536. 1 (G 8. 01s e s s s -++= (

氨气流量变化时氧化炉温度的动态特性为:

145( 129(9. 3 (G 122s e s s s -++=

负荷变化时氧化炉温度的动态特性为:

132(1196. 2 (G 73s e s s s -++= (

二、主要参数:

四、控制方案的设计

以炉温为主调节回路,氨空比值为副调节回路,构成变比值控制系统。串级比值调节

回路中, 当出现直接引起氨气, 空气流量变化的干扰时, 通过比值系统, 可以得到及时克服, 以保持炉温不变,对于其他干扰如氨气、温度压力变化,触媒活性变化等引起的炉温变化, 可通过主调节器对氨空比值进行修正, 以保证炉温恒定。串级比值调节系统, 快速而有效地克服各种干扰,可使温度控制精度达到恒定。故采用此种方案。

氧化炉中部温度与氨的转化率有一定的对应关系 , 选择氧化炉温度作为主控参数的间接指标既经济又合理。氧化炉温度取决于氨空比、混合器中的混合气预热温度、氨的氧化率、负荷等等。显然 , 氨空比是控制氧化炉温度的决定性因素。氨空比受气氨、空气的工作压力、温度与含湿量的影响 , 根据这些环境因素应进行气氨—空气分子数的动态修正。而保持氧化炉温度的平稳与随氧化炉温度的变化而改变氨空比为最佳变比值。

控制系统结构图如图 16 所示。

图 16 控制系统结构图

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；

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

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

双容水箱液位控制系统36371

内蒙古科技大学 控制系统仿真课程设计说明书 题目：双容水箱液位控制系统 仿真 学生姓名：任志江 学号：1067112104 专业：测控技术与仪器 班级：测控 10-1班 指导教师：梁丽

摘要 随着工业生产的飞速发展，人们对生产过程的自动化控制水平、工业产品和服务产品质量的要求也越来高。每一个先进、实用控制算法和监测算法的出现都对工业生产具有积极有效的推动作用。然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，通常情况下实际生产中大规模应用的算法要比理论方面的研究滞后几年，甚至有的时候这种滞后相差几十年。这是目前控制领域所面临的最大问题，究其根源主要在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用。本设计设计的课题是双容水箱的PID液位控制系统的仿真。在设计中，主要针对双容水箱进行了研究和仿真。本文的主要内容包括：对水箱的特性确定与实验曲线分析，通过实验法建立了液位控制系统的水箱数学模型，设计出了控制系统，针对所选液位控制系统选择合适的PID算法。用MATLAB/Simulink建立液位控制系统，调节器采用PID控制系统。通过仿真参数整定及各个参数的控制性能，对所得到的仿真曲线进行分析，总结了参数变化对系统性能的影响。 关键词：MATLAB；PID控制；液位系统仿真

目录 第一章控制系统仿真概述 (2) 1.1 控制系统计算机仿真 (2) 1.2 控制系统的MATLAB计算与仿真 (2) 第二章 PID控制简介及其整定方法 (6) 2.1 PID控制简介 (6) 2.1.1 PID控制原理 (6) 2.1.2 PID控制算法 (7) 2.2 PID 调节的各个环节及其调节过程 (8) 2.2.1 比例控制与其调节过程 (8) 2.2.2 比例积分调节 (9) 2.2.3 比例积分微分调节 (10) 2.3 PID控制的特点 (10) 2.4 PID参数整定方法 (11) 第三章双容水箱液位控制系统设计 (12) 3.1双容水箱结构 (12) 3.2系统分析 (12) 3.3双容水箱液位控制系统设计 (15) 3.3.1双容水箱液位控制系统的simulink仿真图 (15) 3.3.2双容水箱液位控制系统的simulink仿真波形 (16) 第四章课程设计总结 (17)

双容水箱液位控制系统毕业设计

本科生毕业论文（设计） 双容水箱液位控制系统 院－系：工学院 专业：电气工程及其自动化 年级： 学生姓名： 学号： 导师及职称：

Department: Major:Electrical engineering and automation Grade: Student’s Name: Student No: Tutor:

\毕业论文（设计）原创性声明 本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：日期： 毕业论文（设计）授权使用说明 本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名：指导教师签名： 日期：日期：

毕业论文（设计）答辩委员会(答辩小组)成员名单 姓名职称单位备注 主席（组长）

【摘要】 随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。在这种情况下，简单的单回路控制已经难以满足一些复杂的控制要求。串级控制系统是过程控制中的一种多回路控制系统，是为了提高单回路控制系统的控制效果而提出来的一种控制方案。串级控制系统把两个单回路控制系统以一定的结构形式串联在一起，它不仅具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。串级控制系统采用了两个调节器，因此它的调节器的参数整定更复杂一些。 本论文论述了一个液位——流量串级控制系统的设计方法和步骤，介绍了它的参数整定方法。在此过程中，介绍了对液位和流量进行检测和转换的常用元件，应用阶跃响应曲线推导了广义对象的传递函数，简单地论述了串级控制系统的优点，讨论了它对控制效果的改善作用，并使用仿真软件对该系统进行了仿真，最后用组态软件编制程序来实现控制。 关键词：串级控制系统，液位，流量，仿真

双容水箱液位串级控制系统设计(精)

双容水箱液位流量串级控制系统设计 ◆设计题目 双容水箱液位流量串级控制系统设计 ◆设计任务 如图1所示的两个大容量水箱。要求水箱2水位稳定在一定高度，水流量经常波动，作为扰动量存在。试针对该双容水箱系统设计一个液位流量串级控制方案。 水箱1 水箱2 图1 系统示意图◆设计要求 1）已知主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1, 副被控对象（流量）传递函数W2=1/(10s+1。 2）假设液位传感器传递函数为Gm1=1/(0.1s+1，针对该水箱工作过程设计单回路PID 调节器，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出PID 参数整定的方法与结果； 3）假设流量传感器传递函数为Gm2=1/(0.1s+1，针对该水箱工作过程设计液位/流量串级控制系统，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出主、副控制器的结构、参数整定方法及结果； 4）在进口水管流量出现阶跃扰动的情况下，分别对单回路PID 控制与串级控制进行仿真试验结果比较，并说明原因。 ◆设计任务分析

一、系统建模 系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种建模方法。 机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程，从中获得所需的数学模型 测试法一般只用于建立输入—输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。它的特点是把研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质。 对于本设计而言，由于双容水箱的各个环节的数学模型已知，故采用机理法建模。 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：水箱2液位； 主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1, 副被控对象（流量）传递函数W2=1/(10s+1。 控制对象特性： Gm1（S ）=1/（0.1S+1）（水箱1传递函数）； Gm2（S ）=1/（0.1S+1）（水箱2传递函数）。 控制器：PID ； 执行器：流量控制阀门；

双容水箱液位控制系统仿真

双容水箱液位控制系统仿真

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内蒙古科技大学 控制系统仿真课程设计说明书 题目：双容 水箱 液位 控制 系统 仿真 学生姓名：任志江 学号：1067112104 专业：测控技术与仪器 班级：测控 10-1班 指导教师：梁丽

课程名称 控制系统仿真 设计题目 双容水箱液位控制系统仿真 指导教师 梁丽 时间 2012.10.29~2012.11.02 一、教学要求 1、学会收集和查阅资料，学会针对指定控制系统建立数学模型的方法； 2、学会使用Matlab/Simulink 建模和仿真的方法； 3、掌握控制器的设计方法，以及控制器参数整定和优化的方法。 二、设计资料及参数 1、双容水箱逻辑结构上图所示。 水流入量Qi 由调节阀u （FV101）控制，流出量Qo 则由用户通过负载阀R 来改变，被调量为下水箱水位h ，分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。 2、对某种型号的水箱，在某一平衡点附近，建立其线性化模型，其中各参数分别为：T1=80s ，T2=80s ，K1=KuR1=1，K2=R2/R1=1，s s 22,81==ττ 。 三、设计要求及成果 1、分析系统，根据物料平衡原理（即液位平衡状态下，流出量必然等于流入量）和给出的参数推导系统的数学模型； 2、将数学模型转变为仿真模型，并用Matlab/Simulink 实现求其动态响应； 3、设计合理的控制器（控制算法）控制下水箱液位，使其尽量满足稳、准、快的要求； 4、针对大滞后系统，可以用Simulink 搭建带有Smith 预估器的PID 控制器，将该模块嵌入到控制系统中直接控制。并与第三步设计的控制器的控制效果进行比较； 定值 Q i LT 104 记Q o h 双容水箱结构图 FV101

双容水箱监控系统设计

河南工学院自动控制系 《组态软件及应用》课程设计报告题目：双容水箱监控系统设计 系部: 自动控制系 专业: 电气自动化 班级: 自1xx（实验） 姓名: xx 学号: xx 指导老师: 范峥 成绩: 二零一八年七月六日

摘要 组态软件是面向过程监控与数据采集的软件平台，当它运行于组态（开发）环境时，向用户提供丰富的设置项目，最后定制出符合用户需要的目标应用。 液位作为工业生产过程中重要的工艺参数之一，在各个领域中都有广泛的应用。而对于双容水箱液位的监控越来越有其实际的意义，我们可以在其上进行诸多的控制策略的试验，然后将成功的经验总结、应用到其他领域中去，这对节省能耗、工业安全性以及工业自动化的发展是很有推动意义的。 针对监控系统对组态软件的要求，本文详细讨论了力控组态软件的功能和特征，为开发组态软件需要解决的若干问题提供了解决方法，为液位控制系统的设计提供了一套可行的方案。文章阐述了力控组态软件的体系结构：具体描述图形界面系统、实时数据库系统、I/O系统、开放数据交换接口等内容；为本系统开发的几个组成部分规划了数据结构、基本算法。还介绍了OPC这一当前对组态软件很有影响的技术标准。 关键词：力控组态软件，液位监控系统，双容水箱，OPC，过程监控与数据采集

目录 1前言 (4) 1.1监控组态软件的发展及其历史背景 (4) 1.2监控组态软件的组成及原理 (4) 1.3监控组态软件的研究现状及发展趋势 (5) 2 FORCECONTROL监控组态软件 (6) 2.1监控组态软件家族成员简介 (6) 2.2F ORCE C ONTROL 组态软件的组成 (7) 3双容水箱液位监控系统设计 (7) 3.1双容水箱的重要性 (7) 3.2建立新工程 (8) 3.3双容水箱液位监控系统的组态画面 (8) 3.3.2依据工艺流程和控制方案建立流程图画面 (9) 3.4设备连接及数据库组态 (10) 3.4.1定义外部设备及数据连接项 (10) 3.4.2 数据库组态 (12) 3.4.3动画连接 (13) 3.5报警窗口的建立与设置 (14) 3.6参数整定 (15)

双容水箱液位串级控制系统设计

双容水箱液位串级控制系统设计 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()() 51 p 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()() () 201 p 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： 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），比较有无干扰两种情况下系统稳定性的变化。 然后，加入副回路、副控制器，再有干扰的情况下，比较单回路控制、串级控制系统性

双容水箱液位串级控制系统设计(精)

双容水箱液位流量串级控制系统设计 ?设计题目 双容水箱液位流量串级控制系统设计 ?设计任务 如图1所示的两个大容量水箱。要求水箱2水位稳定在一定高度，水流量经常 波动，作为扰动量存在。试针对该双容水箱系统设计一个液位流量串级控制方案。 水箱1水箱2 图1系统示意图?设计要求 1）已知主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1心00s+1,副被控对象（流量）传递函数W2=1/（10s+1o 2）假设液位传感器传递函数为Gm1=1/（0.1s+1，针对该水箱工作过程设计单回路PID调节器，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出PID参数整定的方法与结果； 3）假设流量传感器传递函数为Gm2=1/（0.1s+1，针对该水箱工作过程设计液位/流量串级控制系统，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出主、副控制器的结构、参数整定方法及结果； 4）在进口水管流量出现阶跃扰动的情况下，分别对单回路PID控制与串级控制进行仿真试验结果比较，并说明原因。 ?设计任务分析

一、系统建模系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种建模方法。机理法建 模就是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方 程，从中获得所需的数学模型 测试法一般只用于建立输入—输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实 测数据进行某种数学处理后得到的模型。它的特点是把研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质。 对于本设计而言，由于双容水箱的各个环节的数学模型已知，故采用机理法建模。 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：水箱2 液位； 主被控对象（水箱2 水位）传递函数W1=1/（100s+1, 副被控对象（流量）传递函数W2=1/（10s+1。 控制对象特性： Gm1（ S ）=1/ （0.1S+1）（水箱1 传递函数）； Gm2（S ）=1/（0.1S+1）（水箱2传递函数）。 控制器：PID ；执行器：流量控制阀门； 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。 为保持水箱2液位的稳定，设计中采用闭环系统，将水箱2液位信号经液位传感器送至控制器（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

基于组态王双容水箱控制

集散控制系统课程设计基于组态软件双容水箱过程控制系统 姓名： 学号： 班级： 专业： 指导教师：

目录 1 设计目的与要求 (1) 1.1 设计目的 (1) 1.2 设计要求 (1) 2 系统结构设计 (1) 2.1 控制方案 (1) 2.2 系统结构 (2) 3 过程仪表选择 (2) 3.1 液位传感器 (2) 3.2 电磁流量传感器............................... 错误！未定义书签。 3.3 电动调节阀 (3) 3.4 水泵 (3) 3.5 变频器 (3) 3.6 模块选择 (4) 4 系统组态设计 (4) 4.1工艺流程图与系统组态图设计 (5) 4.2 组态画面 (5) 4.3 数据字典 (6) 4.4 应用程序 (6) 4.5 动画连接..................................... 错误！未定义书签。总结. (11) 参考文献 (11) 附录A 单回路控制系统PID控制算法 (12) 附录B PID控制算法流程图 (12)

1. 设计目的与要求 1.1 设计目的 通过组态软件，结合实验已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用但闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制程序的液位单回路过程控制系统。 1.2 设计要求 (1) 根据液位回路过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。 (2) 根据液位回路过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用过程模块。 (3) 根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。 (4) 运用组态软件，正确设计液位但回路过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。 (5) 提交包括上述内容的课程设计报告。 2. 系统结构设计 2.1 控制方案 整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为PID控制规律（见附录A和附录B），调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。结构组成如下图2.2所示。 当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道将水送到上水箱，由HB返回信号，是否还需要抽水到水箱。若还需要（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。其整个流程图如图2.1所示。

双容水箱液位控制系统毕业设计

沈阳工程学院毕业设计(论文) 摘要 本设计以JBS-GK04型过程控制实验装置为基础，对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模，针对其对象特性，采用PID控制方式，构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位控制系统，有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题，从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态，对系统进行实时地操作、监控。在控制过程中不需要下位机，通过在组太王软件工程浏览器中的命令语言编辑对话框里面输入PID控制源程序，实现计算机直接控制的方式，实现计算机与现场设备之间的数据交换。利用变频器使抽水泵工作在恒压供水的状态下，通过电动调节阀来实现控制目标。在对双容水箱液位控制系统进行参数整定时，以使调节过程稳、准、快为原则，从而得到适合的调节器参数。实验结果表明，系统实现了对过程参数的无稳态误差控制，具有良好的稳态性能和动态性能。 关键词: 液位；PID 控制；组态软件；参数整定

Abstract The design is based on the JBS-GK04 type of process control device for the testing object properties and level control on the two-tank. Through analysis and modeling for the two-tank water level control system, use of cascade PID control for its object properties and constitute a water level control system ,its deputy adjustable parameter is previous water level and the main adjustable parameters is under the tank's liquid level cascade control system. It overcomes the problems effectively about the second two-tank and capacity lagged behind and reduces the adjustment time. Use Configuration software which is generated by Beijing Asia's PC to implement the interface configuration, operate water level real-time and monitor the system. In the control process does not require the next crew, edit dialog box to enter the PID control inside source through the software engineering group in the browser command language to achieve direct control of the computer, And use the drive to work in the constant pressure water supply pumps in the state, through the electric control valve to achieve the control objectives. In two-tank water level control system parameters adjustment, follow the principle of steady, accurate, fast in adjustment process to get appropriate parameters. The experimental results show that the system of process parameters to achieve steady-state error-free control, with good steady state performance and dynamic performance. Keywords: LevelPID control; configuration software; parameter tuning

双容水箱课程设计

题目一：基于三种PID控制算法的双容水箱液位控制系统设计 一、设计题目 选择三种PID控制算法编程或者建模实现双容水箱的液位控制 二、设计任务 根据《先进PID控制MTALAB仿真》中对PID算法的介绍，选择其中三种算法（比如常用PID控制、神经网络PID控制、模糊自适应PID控制）编程或者建模实现双容水箱液位控制。如下为双容水箱液位控制图： 图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、水泵2分别通过第一支路、第二支路向上水箱注水。在第一支路中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定；在第二支路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。 引入干扰 图1 双容水箱液位控制系统示意图 三、设计要求 （1）自己查阅资料选择双容水箱的传递函数； （2）选择编写M文件实现对双容水箱下水箱液位的控制（至少三种），要求画出动态响应曲线，进行比较说明，哪类算法效果最好。 （3）选择建立三种不同的模型实现双容水箱液位控制（不局限下水箱一个输入变量，可以选择上、下水箱两个输入变量），求画出动态响应曲线，进行比较说明，哪类算法效果最好。 题目二：基于组态王、Excel和matlab的PID整定 一、设计题目 基于组态王、Excel和matlab的PID整定

二、设计任务 通过Matlab完成PID整定算法，用组态王软件实现双容水箱界面，excel作为Matlab和组态王的数据库，三者之间可以通过DDE协议进行数据交换。 三、设计要求 （1）建立双容水箱PID模型； （2）通过Simulink中使用matlab语言编写S函数； （3）学习DDE通讯，实现组态王和matlab互联； （4）建立组态王人机界面，可以手动调整PID参数。

水箱液位控制课程设计_自动化

课程设计报告 设计题目：水箱液位控制系统 班级：自动化0901班 学号：20092400 姓名：弟文 指导教师：王姝梁岩 设计时间：2012年5月7日至5月25日

摘要 水箱液位控制系统是典型的自动控制系统，在工业应用上可以模拟水塔液位、炉成分等多种控制对象的自动控制系统。 本次课程设计通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度。首先通过测取被控液位高度过程的图像，建立了主回路的进水流量和主管道流量、进水流量和水箱（上）液位高度、副回路进水流量和水箱（上）液位、双容水箱的进水流量和水箱（下）液位之间的数学模型，从而加强了对液位控制系统的了解。然后，通过参数试凑法对PID参数的调试，实现了单容水箱液位（上）的单回路控制系统和双容水箱液位的单回路控制系统控制器的设计。最后通过MATLAB仿真实验，加深了对双容水箱滞后过程已经串级水箱液位过程和前馈控制系统的理解，对工业控制工程中对控制系统设计过程有了一定的认识。 关键词：水箱液位控制器PID参数整定串级控制前馈控制

目录 1 引言 (2) 2 课程设计任务及要求 (2) 2.1 实验系统熟悉及过程建模 (2) 2.2 实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计 (2) 2.3 实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计 (3) 2.4 实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计 (3) 2.5 实现副回路进水流量的前馈控制 (4) 3 实验系统熟悉及过程建模 (4) 3.1 系统结构 (4) 3.2 过程建模 (5) 3.2.1 进水流量和主管道流量模型 (5) 3.2.2 进水流量和上水箱液位模型 (7) 3.2.3 副回路流量与上水箱液位数学模型 (8) 3.2.4 双容水箱串联进水流量与下水箱液位模型 (10) 4 单容水箱液位的单回路控制系统设计 (11) 4.1 结构原理 (11) 4.2 单容水箱控制器PID参数整定 (12) 4.2.1 单容水箱比例系数Kp的整定 (12) 4.2.2 单容水箱积分时间参数整定 (13) 4.2.3 单容水箱微分时间参数整定 (13) 4.3 单容水箱旁路阶跃干扰响应曲线 (14) 4.4 单容水箱副回路进水阶跃干扰响应曲线 (14) 4.5 干扰频繁剧烈变化的解决办法 (15) 5 双容水箱液位的单回路控制系统设计 (15) 5.1 双容水箱单回路控制系统原理 (15) 5.2 双容水箱控制器PID参数整定仿真实验 (17) 5.2.1 比例参数的整定 (17) 5.2.2 积分常数参数的整定 (18)

控制系统设计与实现-双容水箱

控制系统设计与实现 ——水箱实验系统 实验者： 完成日期：2015.06.20

模块六综合设计实验模块 一．实验目的 1.掌握自动控制系统的分析与控制器设计方法 2.掌握基于MATLAB的系统仿真方法 3.掌握基于实验方法确定系数模型参数的方法 4.掌握基于物理对象的控制系统的调试方式 5.培养编制技术总结报告的能力 二．控制对象 课程设计提供了五个物理对象以进行系统设计，我们选择的是双容水箱系统。 三．指标要求 双容水箱性能指标要求： 衰减率4：1~10：1，超调量≤10%，调节时间≤150s，稳态误差=0 四．实验设计内容 1.系统分析 根据被控对象的数学模型，应用控制理论系统分析的方法，对被控对象的性能进行分析（时域，频域）。 2.系统设计 根据性能指标的要求，进行系统方案论证，进行相关控制器或控制算法的设计。 3.系统仿真

在MATLAB的Simulink仿真平台下，进行系统仿真，验证控制算法的可行性、抗干扰性以及参数变化对系统的影响。 4.系统实现 搭建相关控制器或编写相应的控制算法，对所选的物理对象进行实时控制，并进行相关控制器的调试，使系统正常工作时满足性能指标的要求。 5.系统模型参数的获取 设计相关实验，获取系统模型参数。 6.参数变化对系统性能的影响 设计实验，获取数据，分析控制参数对系统性能的影响 五．实验过程 1.双容水箱变送器的零点和增益调节 ①关闭水箱1出水阀，将水箱面板上的“输出-”与“水泵电源-” 连接；“输出+”与“水泵电源+”连接；将水箱面板上的“输入-”与试验台的“GND”相连，“输入+”与实验台的阶跃信号输出相连，按下阶跃信号，将水箱1的水打到一定高度。 ②打开水箱1出水阀，让水箱水放完，用万用表测“LT1+”和 “LT1-”，若电压不再1.0+0.1V左右，调整调零电位器，直到输出为1.0+0.1V左右为止。 ③关闭水箱1出水阀，按下阶跃按钮，将水打到10cm高度，测 量“LT1+”和“LT1-”，若电压不再1.8+0.1V左右，调整增益电位器，直到输出为1.8+0.1V左右为止。