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

目录

摘要 0

Abstract (1)

目录 (2)

第一章绪论 (3)

1.1课题研究背景及意义 (3)

1.2本文主要研究的内容 (3)

第二章JBS-GK04型过程控制实验装置 (4)

2.1系统组成 (4)

2.2系统特点 (4)

2.3.工艺流程 (5)

2.4技术规格 (6)

2.5、JBS-GK04过程控制实验装置上位机操作说明 (8)

第三章双容水箱液位控制系统方案设计 (12)

3.1双容水箱液位控制系统分析 (12)

3.2 双容水箱液位控制系统方案设计 (12)

3.2.1控制方案的选定 (12)

3.2.2串级控制系统的特点 (13)

3.2.3串级控制系统的设计 (13)

3.2.4计算机串级控制算法实施 (16)

3.2.5液位串级控制系统工作过程 (17)

3.3液位控制系统参数整定 (18)

3.3.1Kp、Ti、Td对控制质量的影响 (19)

3.3.2几种工程整定方法介绍 (19)

3.3.3串级控制系统的参数整定 (21)

第四章组态软件设计 (23)

4.1“组态王”简介 (23)

4.2组态画面的建立 (23)

4.2.1建立工程 (23)

4.2.2设备配置 (24)

4.2.3变量定义 (25)

4.2.4画面设计与动画连接 (27)

4.2.5实时曲线和历史曲线的建立 (29)

总结 (31)

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

随着科学技术的发展，现代工业生产工艺中的控制问题也日趋复杂。在人们的生活中以及某些化工和能源的生产过程中，常常涉及一些液位或流量控制的问题。在石油、化工、轻工和食品等工业生产过程中，有许多贮罐作为原料、半成品的贮液罐，前一道工序的成品或半成品不断地流入下一道工例如在核动力蒸汽发生器工作过程中以及乙烯工程污水处理厂的自动排水处理场等，因此，需要设计合适的控制器自动调整容器的出入液流量，使得容器内液位保持正常水平。特别地，在出入液流量较大的情况下，为了平抑液位的变化，实际生产中往往选用多个互相连通的蓄液容器。

上述不同背景的实际问题都可以抽象为某种水箱的液位控制问题。

由于工业生产的飞速发展，人们对生产过程的自动化控制水平的要求也越来越高。每一个先进、实现的控制算法的出现都对工业生产具有巨大的推动作用。最近几年，国内一些控制领域已接近甚至超越了国际水平，然而，就先进理论应用于工业生产等领域的状况来讲，与发达国家相比却存在较大差距。其原因固然是多方面的，但是，一个很明显的原因就是在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，理论的算法一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用前景。在目前尚不具有在实验室中复现真实工业过程条件的今天，开发经济实用的具有典型对象特性的使用装置无疑是一条探索将理论成果转化为应用技术的捷径。

在过程工业中，被控量通常有以下四种：液位、压力、流量、温度，而液位不仅是工业过程中的常见参数，且便于直接观察，也容易测量。以液位过程构成的实验系统，可灵活地进行过程组态，实施各种不同的控制方案，它不仅能够满足实际现场的应用要求，而且可以对新理论的研究论证提供强有力的平台。

因此，液位控制系统是过程控制的重要研究模型，对液位控制系统的研究具有显著的理论和实际意义。

1.2本文主要研究的内容

本课题主要以双容水箱液位过程控制实验系统作为研究对象，介绍了其硬件构成、系统建模并进行相关控制方案及控制算法的分析、研究。

利用JBS-GK04过程控制实验装置系统结合计算机控制技术，在组态软件下编程并且通过调整和改进控制算法，从而实现双容水箱液位控制系统的设计要求。通过利用调节器的工程整定方法，最后得到一组能稳定、准确、快速的达到控制要求的PID参数。

通过本设计掌握控制系统的基本概念最后对实验结果进行分析总结，针对实验过程中的存在的一些问题进行下一步的改进。

第二章 JBS-GK04型过程控制实验装置

2.1系统组成

JBS-GK04型过程控制实验装置包括被控对象和控制桌两部分。被控对象由执行器、变送器、上下水槽、水箱、管路有机地组成；控制桌装有控制器、数显表、液晶显示器等，控制器通过通讯电缆与上位机通讯。被控对象的变送器信号和执行器的供电分别通过屏蔽电缆线与控制桌连接的。示意图如下：

以上为系统的示意图。变送器信号包括2个液位变送器、2个流量变送器、1个温度变送器和1个压力变送器，这6个变送器均输出4-20mA标准信号；数显表一共6块，分别对6个变送器来的电流信号进行数值的实时显示；控制器包括PLC主机和3个扩展模块，实现对被控对象中变送器信号的采集和输出控制信号；执行器包括2台变频器、2台水泵、1个电动调节阀和1个加热器。具体见下面说明：

被控对象：两水槽液位、水槽2的温度、电机2出水压力、水泵1和水泵2出水流量。

检测装置：两个液位变送器，一个压力变送器和一个温度变送器，两个电远传玻璃转子流量计。

执行机构：一个电动调节阀，两个变频器及两台水泵, 一个固态继电器（控制加热器用）。控制系统：西门子小型PLC（S7-200 CPU224主机、模拟量输入模块EM231、模拟两输入输出模块EM235和模拟量输出模块EM232，一条编程通讯电缆），四个典型控制参数（液位、流量、压力、温度），可组成多种控制实验。

2.2系统特点

为了更好的模拟工业现场，本实验装置采用两台水泵, 在单输入单输出控制回路中一台

水泵供水，另一台水泵可通过变频器调节转速而产生有规律或无规律波动的干扰量。

3、实验操作简单、直观

人机界面良好，计算机用立体画面显示被控对象的流程、实时趋势曲线和数据1、设计巧妙，充分应用现有装置，实现多种实验

2、充分模拟工业控制现场，实验效果很好报表等。控制桌上装有变频器BOP 面板，六个智能显示仪表，PLC 控制单元和液晶显示器。实验者可以在面板上直接看到各参数变化情况，实验操作也更直观。

4、可组成非线性系统

本实验装置有四个水槽，分上下两组，上面一组水槽有三个，互相通过手调阀连接，其中的两个水槽横截面积随高度而变化（其中的一个上粗下细，另一个下粗上细）。这样可组成两组线性/非线性的液位控制系统，而且可以在控制过程中改变水槽之间的连接状态来改变被控对象的模型，可进行非线性系统的控制，也检验控制算法的鲁棒性。

2.3.工艺流程

上一节已经对装置做了简单的介绍，这一节将着重介绍装置的工作情况，请参考下图：

2 压力表1 2

被控对象示意图

注： * 带箭头的粗线表示实验时水流方向。

*“阀？”表示的是手动阀，也就是普通的球阀，其标号只为说明方便。

水泵1从水箱中抽水，经过电动阀、流量计1、阀1和阀7分别给水槽1和水槽2供水；水泵2也从水箱中抽水，通过阀12、流量计2、阀2和阀8分别给水槽1和水槽2供水 。水槽1通过阀6可自己走水，水槽2也可通过阀10自己走水，水槽1和水槽2通过阀5连接。

水槽1通过阀3和阀4各连接了一个非线性部分，其中左侧的下细上粗，右侧的下粗上细，通过调节阀3和阀4的开度，可实现液位的非线性控制。实际制作时，我们将这两部分非线性和在了一起做成一个水槽，其大小形状和水槽1一样，只是在里面加了一个倾斜的挡板。

两个水泵由控制桌（上节中一提过）上的两个变频器分别控制，控制器中的EM232的两个模拟输出（0-10V ）分别控制两台变频器；电动阀由控制器中EM235的模拟输出（4-20mA ）控制；加热器采用PWM 控制（PLC 主机的Q0.1）。

变送器安装如下：水槽1装有一个液位变送器（LT/01），水槽2装有一个温度变送器（TT/01）和一个液位变送器（LT/02），水泵2出水口处装有一个压力变送器（PT/01）和一个流量变送器（FT/02），水泵1出水口处装有一个流量变送器（FT/01）。这些信号通过屏蔽电缆被送到数显表和模拟量输入模块中（EM235和EM231），原理图如下：

注： * 24V 电源给变送器供电，AI 模块和数显表采集的是变送器输出的电流信号

加热器的控制原理图 ：

~220V

M

本节最后，我们为您提供详细的电气原理图 2.4技术规格

1、技术条件

供电电源：单相三线 220VAC±5%，50Hz

功耗：未加热时最大1KW，加热时最大2.5KW

环境温度： 0℃～+50℃

相对湿度： 95% 无结露

大气压： 86～106KPa

工艺介质：水

环境空气：不含腐蚀性气体

被控对象尺寸： 1100×600×1890（长*宽*高）

控制桌尺寸： 1000×620×1560（长*宽*高）

2、输入规格：

热电阻Pt100 ：0～100℃对应电流信号 4～20mA（精度±0.5%）

O 对应电流信号 4～20mA（精度±0.5%）液位变送器：0～400mmH

2

压力变送器：0～0.06MPa 对应电流信号 4～20mA（精度±0.5%）

流量变送器: 100～1000L/H 对应电流信号 4～20mA（精度±1.5%）3、输出规格

电动调节阀：电流输入 4～20mA 对应于阀开度0～100（死区≤±1.0%）

变频器： 0～50Hz 对应于水泵转速 0～3000r/min

4、接线要求

被控对象与控制桌之间由航空插头对应连接即可。

上位机按计算机系统要求接好电源即可。

被控对象供电时必须接地，220VAC的L，N相要接对。

2.5、JBS-GK04过程控制实验装置上位机操作说明

本套实验装置的上位机画面，我们采用组态王6.51编写，液位控制图如下：

在上位机画面中，有流程图、实时趋势曲线、参数设定、数据报表、历史趋势曲线、回路选择、实时趋势曲线2几种画面。下面分别对各个画面做详细介绍，进入程序运行环境后，出现的就是上图，点击“回路选择”按钮后，出现下图：

“回路选择”画面的功能就是选择要做的某个实验，每个实验都对应一个选择点，选中某个实验后，点击右侧的“确定”按钮，系统就自动弹出此实验的流程图。根据提供的流程图，熟悉此实验的原理和流程。了解了此实验的原理和流程后，再点击”参数设定“画面，如下图

“参数设定”画面的作用是设定PID 参数值、设定值、正反作用、和手动控制器的值、采样时间等。下面对“参数设定”画面中的一些符号进行说明：

调节PID 参数说明： 100 1 Mn = * e n + * en + MX + TD * en –e n-1

P T I

注： * 在上式中100/P = K C , 1/T I = K I , T D = K D 其中K C , K I , K D 相当于通常的PID

参数。因此，上位机“参数设定”画面中，P 值越大，比例作用越弱；T I 值越大，

积分作用越弱，TD 值越大，微分作用越强。

* 各参数范围：P ： 1～99999 ；TI ：1～99999；TD ：0～99999

符号说明：

ACT ：正反作用，N 为负反馈（默认），P 为正反馈。

AM ：手自动，A 为自动，M 为手动，Ｃ为串级位。

MV ：执行器的输出，范围为0至100。手动时可直接写数值，自动时显示PID 输

出值 P测量值 SV：设定值 TS：采样周期，每5秒采样一次。

各回路参数范围：LT01.PV=LT01、SV：0~400（单位为毫米）

LT02.PV=LT02、SV：0~400（单位为毫米）

PT01.PV=PT01、SV：0~600（对应0~0.06MPa）

TT01.PV=TT01、SV：0~100（单位为摄氏度）

FT01.PV=FT01、SV：100~1000（单位为L/h）

FT02.PV=FT02、SV：100~1000（单位为L/h）

MV：0~100（对应变频器是0~50Hz或电动阀0~100开度）

注：* 手动调节时，每个回路的SV值跟踪PV值，实现手动到自动切换的无扰动

S S

手动自动

手动时SV不跟踪PV

手动自动手动时SV跟踪PV

经过对以上两幅图的比较可以看出，带有无扰动的曲线看上去更加直观。

“实时趋势曲线”的功能就是对被控对象上的6个参数进行上位机的实时曲线显示。实时趋势曲线共有2个画面，每个画面包括4个显示控件，其中一个画面的4个控件分别显示

液位1、液位2、流量1和流量2，另一个显示液位1、液位2、压力和温度。下面是其中一个画面：

每个控件显示一个被控量的PV值、SV值和MV值。控件的横坐标是时间；纵坐标是PV 值、SV值和MV值的百分比，而且用不同的颜色表示：PV用红色线表示，SV用绿色线表示，MV用蓝色线表示。画面左上角有一个PV值显示，分别显示此画面中4个量的PV值。

“历史趋势曲线”的主要功能是可读取历史曲线（建议每次开始新的实验前删除旧的历史记录，这样便于记录查询）。历史趋势曲线不但能进行被控对象上6个参数PV值的实时显示，还可以对过去时间控制过的量的PV值进行读取。

“数据报表”的功能是对某段时间内的6个被控参数的PV值、SV值以及PID设定值进行读取，读取的时间间隔可任意设定。数据报表是一定时间内，按照一定的时间间隔对被控量有关参数的数值显示。记录好了相关参数，再结合历史趋势曲线。就可对做过的某个或多个实验进行合理的分析。

第三章双容水箱液位控制系统方案设计

3.1双容水箱液位控制系统分析

对被控系统的分析，是设计过程控制系统的基础资料或基本依据。要对现代日益复杂和庞大的被控过程进行研究分析、实施控制，尤其是进行最优设计时，必须了解其工作过程及其数学模型等。因此，数学模型对过程控制系统的分析设计、实现生产过程的优化校制具有极为重要的意义。

被控对象的数学模型，是反映被控过程的输出量与输入量关系的数学描述。或者说是描述被控过程因输人作用导致输出量(被控变量)变化的数学表达式。被控过程可能既受控制输人的作用，也受扰动量影响。控制输入总是力图使被控过程按照某种期望的规律变化，而扰动量一般总是影响被控过程偏离期望运行状态。但从系统角度来看，无论是控制输人还是扰动，都属于输入量，因为它们都会影响输出的变化。

工业过程动态数学模型的表达方式很多，其复杂程度相差悬殊。对于数学模型，应根据实际应用情况提出适当的要求。一般说来，用于控制的数学模型并不要求十分准确。闭环控制本身具有一定的鲁棒性，模型本身的误差可视为干扰，而闭环控制在某种程度上具有自动消除干扰的能力。

实际生产过程的动态特性非常复杂，往往需要作很多近似处理。有些近似处理需要作线性化处理、降阶处理等，但却能满足控制的要求。建立数学模型有两个基本方法，即机理法和测试法。测试法一般只用于建立输入输出模型。是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外部特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深入掌握其内部机理。

3.2 双容水箱液位控制系统方案设计

首先要确定整个系统的自动化水平，然后才能进行各个具体控制系统方案的讨论确定。对于比较大的控制系统工程，更要从实际情况出发，反复多方论证，以避免大的失误。控制系统的方案设计是整个设计的核心，是关键的第一步。要通过广泛的调研和反复的论证来确定控制方案，它包括被控变量的选择与确认、操纵变量的选择与确认、检测点的初步选择及系统组成、绘制出带控制点的工艺流程图和编写初步控制方案设计说明书等。

3.2.1控制方案的选定

从上面的模型可知，该系统是一个有时间延迟的二阶系统，自身不稳定。若按单回路方法设计控制系统，则因作用于系统的扰动要经过一个滞后时间才能使被控量有所反应，而调节器的控制作用又不能及时反映出来，因此将导致控制过头，产生振荡。理论分析表明，用单回路方法对上述过程进行控制是难以奏效的。该分析结果，也得到实验证实，经现场反复

调试得知，在有干扰作用或给定值变化的情形下，系统是无法稳定的。而且由于该串联式双容液位过程两贮槽串联而存在容量滞后，这些因素致使单回路控制方案难以实施。与单回路方案相比，串级控制系统具有明显优点，在克服容量滞后和纯滞后对控制质量的影响方面有其独到之处，据此设计了如图3.3所示的串级控制系统。该控制系统在结构上形成了两个闭环。一个闭环在里面，被称为副回路；一个闭环在外面，被称为主回路，以最终保证被调量满足工艺要求。这种由两个调节器串接在一起控制一个调节阀的系统就叫做串级控制系统。主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。

串级控制系统只比简单控制系统增加了一个测量变送元件和一个调节器，但是控制效果却有显著的提高，具有较好的控制性能，能够改善对象的动态特性，提高系统的工作频率，对负荷或操作条件的变化也有一定的自适应能力。

图3.3串级控制系统方框图

3.2.2串级控制系统的特点

串级控制系统适用于时间常数及纯滞后较大的对象．串级系统与单回路系统的区别在于前者可获得可测中间变量，并利用它构成副反馈回路，对影响中间变量的干扰进行预先调节，从而改善整个系统的动态品质．串级控制系统在提高系统控制质量方面主要表现在：1)对进人副回路的二次干扰有很强的克服能力；2)改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；3)串级控制系统减小了对象时间常数；4)对负荷或操作条件的变化有较强的适应能力．串级控制系统的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量都比单回路要好，一般应用在下列情况：1)控制通道纯延迟时间较长；2)对象容量滞后大；3)负荷变化大，被控对象又具有非线性；4)系统存在变化剧烈的干扰．

3.2.3串级控制系统的设计

相比单回路控制系统的设计过程，串级控制系统的设计也较为简单，其主要包括以下几项：

①主、副参数的选择及主、副回路设计；

②比例、积分及微分控制规律的选择；

③控制算法的确定。

1.主、副参数和主、副回路的选择

串级控制系统的设计主要是主、副参数的选择和主、副回路的设计以及主、副回路关系的考虑。

(1) 主参数的选择和主回路的设计

主回路是一个定值控制系统，对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。否则应选用一个与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性。所以在此选择下水箱液位高度为主参数，而由其所构成的回路也即为主回路，如图3.3中的外回路即为主回路。

(2) 副参数的选择和副回路的设计

串级控制系统副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强的特点。在副回路设计时，要充分发挥这一特点，把生产过程中的主要扰动(并可能多的把其它一些扰动)包括在副回路中，以尽量减少对主参数的影响，提高主参数的控制质量。在选择副参数进行副回路设计时，必须注意主、副过程时间常数的匹配问题。因为它是串级控制系统正常运行的主要条件，是保证安全生产、防止共振的根本措施。所以在此选择上水箱液位高度为副参数，而由其所构成的回路也即为副回路，如图3.3中的内回路即为副回路。

2．控制规律的选择

调节器控制规律通常指比例(P)、积分(I)、微分(D)控制规律。PID控制规律以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

以下就比例、积分、微分控制规律做简要介绍。

比例(P)控制：比例控制是一种最简单的控制方式。对偏差进行控制，偏差一旦产生，控制器立即就发生作用即调节控制输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数Kp，Kp越大偏差减小的越快，但是很容易引起振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下，Kp减小，发生振荡的可能性减小但是调节速度变慢。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

积分(I)控制：控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。实质上就是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。积分控制作用始终施加指向给定值的作用力，有利于消除静差，其效果不仅与偏差大小有关，而且还与偏差持续的时间有关。在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分(D)控制：控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，它能预测误差变化的趋势，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。它能敏感出误差的变化趋势，可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用，有利于提高输出响应的快速性，减小被控量的超调和增加系统的稳定性。但微分作用很容易放大高频噪声，降低系统的信噪比，从而使系统抑制干扰的能力下降。这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

而在实际应用时通常需要综合各方面的因素去考虑各种控制规律的选择，这样才可达到既经济又实用的效果。

虽然PID 控制规律综合了各种控制规律的优点，具有较好的控制性能，但这并不意味着它在任何情况下都是最合适的。只有根据被控对象的特性，合理选择比例度、积分时间和微分时间，才能获得较高的控制质量。各类生产过程常用的控制规律如下：

液位：一般要求不高，用P 或PI 控制规律；

流量：时间常数小，测量信息中杂有噪声，用PI 或加反微分控制规律；

压力：介质为液体的时间常数小，介质为气体的时间常数中等，用P 或则控制规律； 温度：容量滞后较大，用PID 控制规律。

在串级控制系统中，主、副控制器所起的作用是不同的，主控制器起定值控制作用，副控制器对主控制器输出起随动控制作用，而对扰动作用起定值控制作

用。因此，主被控变量要求无余差，副被控变量却允许在一定范围内变动。这是选择控制规律的基本出发点。一般主控制器可采用比例、积分两作用或比例、积分、微分3作用控制规律，副控制器采用单比例作用或比例积分作用控制规律即可。

而在双容水箱液位控制系统中，又存在着一定的容量滞后，所以综上所述在此系统中，主回路选择比例、积分、微分控制规律，而副回路只需单纯的比例控制即可。

3.控制算法的确定

(1)增量型PID 算法

增量型PID 算法中调节器输出的是一个变化量，是当前计算值和上一次计算值得差，当控制回路稳定即偏差为零时控制器的输出也为零，它一般被用于控制步进电机。其具体表达式如下：

)]2()1(2)([)()]1()([)

1()()(-+--++--=--=?k e k e k e K k e K k e k e K k u k u k u d i p 式(3-1)

式中，△u(k)对应于两次采样时间间隔内控制阀开度的变化量，可通过步进电动机等累积机构，将其转换成模拟量。

采用增量式PID 控制算法时，可以从手动时的u(k-1)出发，直接计算出投入自动运行时控制器应有的输出变化量△u(k)，从而方便了手动自动切换。另外，由于这种算法对偏差不加以累积，从而不会引起积分饱和现象。因此，在实际中较多使用该算法。

(2)位置型PID 算法

在过程控制中通常选用位置型PID 算法，其具体算法如下；

∑∑==--++=?--+?+=k

i D I c d k i c i

c

c k e k e K i e K k e K t k e k e T K t i e T K k e K k u 00)]

1()([)()()1()()()()( 式(3-2) 式中，I K 为积分系数，t T K K i c I ?=；D K 为微分系数，t

T K K d c D ?=；t ?为采样间隔时间(也常用Ts 表示)。 注意到，u(k)不是控制器的输出的变化量，而是其实际的输出，经过数模(D/A)转换后的模拟信号与阀门的位置一一对应，故有位置式之称；每次需计算阀的绝对位置；控制器输出需与数字式控制阀连接，否则需经D/A 转换成模拟量，并需保持电路将输出信号保持到下一采样时刻；需采用必要措施来防止积分饱和及进行手动或自动切换。

在此，可以利用增量的概念对位置型算式作些改进，即可得位置型PID 控制算式的递推算法。具体算法如下：

)]2()1(2)([)()]1()([)1()

()1()(-+--++--+-=?+-=k e k e k e K k e K k e k e K k u k u k u k u d i p

式(3-3)

此式即为最终所选定的PID 控制算法。

3.2.4计算机串级控制算法实施

在选定控制算法后，便可设计串级PID 控制算法，其计算顺序是先主回路后副回路，计算步骤为：

(1)计算主回路的偏差

)()()(111k y k r k e -= 式(3-4)

(2)计算主调节器的位置输出

)]

2()1(2)([)()]1()([)1()

()1()(1111111111111-+--++--+-=?+-=k e k e k e K k e K k e k e K k u k u k u k u d i p 式(3-5)

(3)计算副回路的偏差 )()()(212k y k u k e -= 式(3-6)

(4)计算副调节器的位置输出

)]2()1(2)([)()]1()([)1()

()1()(2222222222222-+--++--+-=?+-=k e k e k e K k e K k e k e K k u k u k u k u d i p

式(3-7)

(5) 在扰动大的场合，可能导致计算机的输出突然大范围跳动，超过执行机构的工作范围，不利于安全操作。此时要考虑输出限幅。在此将)(2k u 限制在0-1000的范围内。

每个采样周期计算一次，并将副调节器的输出送D/A 转换器，经D/A 转换成模拟信号驱动执行机构，去控制被控对象。当执行机构可接受数字信号时，则可不必进行D/A 转换，直接将限幅后的)(2k u 送往执行机构。串级PID 控制算法的具体流程如图3.4所示。

图3.4串级PID 控制算法流程图

3.2.5液位串级控制系统工作过程

经过对液位控制系统分析并确定了控制方案之后，可得到如图3.5所示的液位串级控制系统工艺流程图。

液位串级控制系统是以实验室的水箱作为工业被控过程，其基本工作过程为，当下水箱液位发生变化时，由液位变送器L 2T 检测到该信号，并输出1-5V 标准电压信号到主液位控

制器L 2C ，再和给定值sp 作比较，将比较后的偏差结果输出作为副控制器L 1C 的设定值，而

副液位变送器L 1T 将所检测的上水箱的液位值输出给副控制器，这样在L 1C 中按照预定的控

制规律运算，最后输出信号控制电动调节阀的开度，以实现水箱液位的控制控制。

图3.5液位控制系统工艺流程图

3.3液位控制系统参数整定

调节器参数的整定是过程控制系统设计的核心内容之一。它的目的是：根据被控过特性确定调节器的比例度δ、积分时间T I以及微分时间T D的大小。

在简单过程控制系统中、调节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为ψ＝0.75—0.9(对应衰减比为4：1—10：1)为主要指标，以保证系统具有一定的稳定裕量(对于大多数过程控制系统来说，系统过渡过程的瞬态响应曲线达到4：1的衰减比状态时，则为最佳的过程曲线)；此外，在满足4：1主要指标的条件下，还应尽量满足系统的稳态误差(又称静差、余差)、最大动态偏差(超调)和过渡过程时间等其它指标。由于不同的过程控制系统对控制品质的要求有不同的侧重点，也有用系统响应的平方误差积分(ISE)、绝对误差积分(IAE)、时间乘以绝对误差的积分(ITAE)分别取极小作为指标来整定调节器参数的。

调节器参数整定的方法很多，概括起来可以分为两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法，频率特性法等，经过理论计算确定调节器参数的数值。这种方法不仅计算繁琐，而且过分依赖数学模型，所得到的计算数据未必可直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。因此，理论计算整定法除了有理论指导意义外，工程实际中较少采用：二是工程整定方法，它主要依靠工程经验，直接在过程控制系统的实验中进行，量方法简单、易于掌握，相当实用，从而在工程实际中被广泛采用。调节器参数的工程整定方法，主要有临界比例度法、反应曲线法和衰减曲线法。

3.3.1Kp、Ti、Td对控制质量的影响

(1) 比例系数 K

P

增大比例系数K

P

能加快系统的响应速度，在有静差系统中有利于减小静差，但加大比例系数只能减小静差，却不能从根本上消除静差。而且过大的比例系数会使系统产生超调，并产生振荡或使振荡次数增多，使调节时间加长，并使系统稳定性变坏或使系统变得不稳定。比例系数太小，又会使系统的动作迟缓。

(2) 积分时间常数 T

I

积分控制通常与比例控制或比例微分控制联合使用，构成PI或 PID控制。增大积分时

间常数 T

I

(积分变弱)有利于减小超调，减小振荡，使系统更稳定，但同时要延长系统消除静差的时间。积分时间常数太小会降低系统的稳定性，增大系统的振荡次数。

(3) 微分时间常数T

D

微分控制也和比例控制和比例积分控制联合使用，组成 PD或 PID控制。微分控制可改善系统的动态特性，如减小超调量，缩短调节时间，允许加大比例控制，使稳态误差减小，

提高控制精度。但应当注意，微分时间常数T

D

偏大或偏小时，系统的超调量仍然较大，调节时间仍然较长，只有合适的微分时间常数，才能获得比较满意的过渡过程。此外，微分作用也使得系统对扰动变得敏感。

从PID控制器的三个参数的作用可以看出三个参数直接影响控制效果的好坏，所以要取得较好的控制效果，就必须对比例、积分、微分三种控制作用进行调节。总之，比例主要用于偏差的“粗调”，保证控制系统的“稳”；积分主要用于偏差的“细调”，保证控制系统的“准”；微分主要用于偏差的“细调”，保证控制系统的“快”。

3.3.2几种工程整定方法介绍

1．临界比例度法

这是一种闭环整定方法。由于该方法直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性，因而方法简单，使用方便，获得了广泛的应用。具体步骤如下：

(1)先将调节器的积分时间TI置于最大(TI=∞)，微分时间TD置零(TD＝0)，比例带 置为较大的数值，使系统投入闭环运行。

(2)待系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃扰动，并减小δ，直到系统出现如图5.1

所示的等幅振荡。记录下此时的δ

k (临界比例带)和等幅振荡周期T

k

。

(3)根据所记录的的δ

k 和T

k

，按表5.1给出的经验公式计算出调节器的P、T

I

及T

D

参数。

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

DCS课程设计 水箱液位串级控制解析

目录 1 题目背景与意义 (1) 1.1 题目背景 (1) 1.2 课题意义 (1) 2 设计题目介绍 (1) 2.1设计内容和要求 (1) 2.2 集散控制系统基本组成 (2) 2.3 设计原理及分析 (3) 3 系统设计方案 (6) 3.1双容水箱控制 (7) 3.2串级控制 (7) 4 系统硬件设计 (8) 4.1数据采集模块 (8) 4.1.1 模拟量输入模块 (8) 4.1.2 模拟量输出模块 (9) 4.2仪表和执行机构选型 (11) 4.3系统连线 (11) 4.3.1 模拟量输入模块FM148A接线 (11) 4.3.2模拟量输出模块FM151A接线 (12) 5 系统软件设计 (12) 5.1组态画面的设计 (13) 5.2通讯设置 (13) 6 系统仿真调试 (14) 7 结论 (16) 参考文献.......................................... 错误！未定义书签。7

1 题目背景与意义 1.1 题目背景 集散控制系统（Distributed control system），是以多个微处理机为基础利用现代网络技术、现代控制技术、图形显示技术和冗余技术等实现对分散控制对象的调节、监视管理的控制技术。其特点是以分散的控制适应分散的控制对象，以集中的监视和操作达到掌握全局的目的。系统具有较高的稳定性、可靠性和可扩展性。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。 DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。随着工业自动化水平的不断提高，计算机的广泛运用，人们对工业自动化的要求也越来越高。而DCS 又有延续性和可扩充性，易学易用性和通用性，使得DCS得到长足的发展。DCS，分散控制系统，采用控制功能分散，显示操作集中，兼顾分散而自治的集散控制系统。并随着科学技术发展迅猛，在工控自动化领域发展中也得到很快的提高。 1.2 课题意义 集散控制系统是当前先进工业控制系统主要的结构形式，在高校，集散控制系统是最接近实际生产过程的一门专业课。通过此方向的课程设计，能够联系学生几年来学习的网络知识，计算机知识，仪表传感器知识，控制系统知识，培养学生的控制工程设计能力。主要要求锻炼学生以下两种能力： 1.通过工业数据通信与控制网络课程设计的学习，了解工业数据通信与控制网络的技术貌。 2.从介绍的基础知识入手，较深入的了解多种现场总线各自的技术特点、规范、通信控制芯片、接口电路以及控制网络的设计与应用，熟悉工控组态软件下的组态设计，并能进行较复杂的工业控制系统设计分析。 2 设计题目介绍 2.1设计内容和要求 根据所提供的双容水箱工艺对象，通过分析其对象动态特性，设计和实施完整的控制方案，具体完成： ①根据提供的工艺对象，实验室的和利时公司集散控制系统，完成系统的网络

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

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。

双容水箱液位串级控制系统设计(精)教学总结

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

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)

基于组态王6.5的串级PID液位控制系统设计(双容水箱)

本科毕业论文(设计) 题目：基于组态王6.5的串级PID液位控制系统设计学院：自动化工程学院 专业：自动化 姓名： ### 指导教师： ### 2011年 6 月 5 日

Cascade level PID control system based on Kingview 6.5

摘要 开发经济实用的教学实验装置、开拓理论联系实际的实验容，对提高课程教学实验水平，具有重要的实际意义。 就高校学生的实验课程来讲，由于双容水箱液位控制系统本身具有的复杂性和对实时性的高要求，使得在该系统上实现基于不同控制策略的实验容，需要全面掌握自动控制理论及相关知识。 本文通过对当前国外液位控制系统现状的研究，选取了PID控制、串级PID控制等策略对实验系统进行实时控制；通过对实验系统结构的研究，建立了单容水箱和双容水箱实验系统的数学模型，并对系统的参数进行了辨识；利用工业控制软件组态王6.5，并可通用于ADAM模块及板卡等的实现方案，通过多种控制模块在该实验装置上实验实现，验证了实验系统具有良好的扩展性和开放性。 关键词：双容水箱液位控制系统串级PID控制算法组态王6.5 智能调节仪 Abstract It is significant to develop applied experiment device and experiment content which combines theory and practice to improve experimental level of teaching. Based on the current situation of domestic and international level control system, selected the PID control, cascade PID control strategies such as

过程控制―上水箱液位与进水流量串级控制系统.

目录 1 过程控制系统简介 (2) 1.1 系统组成 (2) 1.2 电源控制台 (3) 1.3 总线控制柜 (3) 2 实验原理 (4) 2.1 单容水箱设备工作原理 (4) 2.2 双容水箱设备工作原理 (7) 2.3 系统工作原理 (9) 2.4 控制系统流程图 (9) 3实验结果分析 (11) 3.1 实验过程 (11) 3.2实验分析 (12) 3.2.1单容水箱实验结果分析 . (12) 3.2.2双容水箱实验结果分析 . (14) 3.2.3单容双容水箱比较 . (16) 3.3实验结论 (17) 总结 . (18) 参考文献 (19)

1 过程控制系统简介 1.1 系统组成 本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相（380V 交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、PA 电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V 变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。 1、被控对象 水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。 管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。 2、检测装置 压力传感器、变送器：采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。 流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。 3、执行机构 调节阀：采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯协议的电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。

双容水箱液位控制系统

双容水箱液位控制系统 郭晨雨

目录 摘要 --------------------------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 一．PID控制原理、优越性，对系统性能的改善----------------- 错误!未定义书签。二．被控对象的分析与建模--------------------------------------------- 错误!未定义书签。 三．PID参数整定方法概述---------------------------------------------- 错误!未定义书签。 PID控制器中比例、积分和微分项对系统性能影响分析错误!未定义书签。 比例作用 --------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 积分作用 --------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 微分作用 --------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 PID参数的整定方法 ------------------------------------------------ 错误!未定义书签。 临界比例度法 ------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 PID参数的确定 ----------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 四．控制结构 ---------------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 利用根轨迹校正系统 ----------------------------------------------- 错误!未定义书签。 利用伯德图校正系统 ----------------------------------------------- 错误!未定义书签。 调整系统控制量的模糊PID控制方法------------------------- 错误!未定义书签。 模糊控制部分----------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 PID控制部分 ---------------------------------------------------- 错误!未定义书签。五．控制器的设计---------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 六.仿真结果与分析--------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 七.结束语---------------------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。参考文献 ---------------------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。

双容水箱液位流量串级控制系统设计

题目：双容水箱液位流量串级控制系统设计1.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2 图1 系统示意图 2.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。 3. 设计任务分析 （1）液位控制系统是以改变进水大小作为控制手段，目的是控制下水箱液位处于一个稳定值。 （2）单回路控制系统：对于此系统，若采用单回路控制系统控制液位，以液 位主控制信号反馈到控制器PID，直接去控制进水阀门开度，在无扰动情况下可以采用，但对于有扰动情况，由于控制过程的延迟，会导致控制不及时，造成超调量变大，稳定性下降，控制系统很难获得满意效果

（3）串级控制系统采用两套回路，其中内回路起粗调作用，外回路用来完成细调作用。对液位控制系统，内回路以流量作为前导信号控制进水阀开度，在有扰动情况下可以提早反应消除扰动引起的波动，从而使主控对象不受干扰，另外内回路的给定值受外回路控制器的影响，根据改变更改给定值，从而保证负荷扰动时，仍能使系统满足要求 1 ()T s G 2()T s G --主副控制器的传递函数 ()u s G --控制阀的传递函数 ()z s G --执行器的传递函数 1 2()()m m s s G G --主副变送器传递函数 01 ()s G 02()s G --主副对象的传递函数 4．单回路PID 控制的设计 （1）无干扰下的单回路PID 仿真方框图

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

水箱液位串级控制系统

水箱液位串级控制系统 一、实验目的 1．通过实验了解水箱液位串级控制系统组成原理。 2．掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。 3．了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。 4．掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验设备（同前） 三、实验原理 本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主控制量。副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，中水箱的液位为系统的副控制量。主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。副调节器的输出直接驱动电动调节阀，从而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，系统的主调节器应为PI或PID控制。由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P调节器。本实验系统结构图和方框图如图5-2所示。 图5-2 水箱液位串级控制系统 (a)结构图(b)方框图 四、实验内容与步骤 本实验选择中水箱和下水箱串联作为被控对象（也可选择上水箱和中水箱）。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全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度（40%～90%）、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（30%～80% 要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。 具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。 （一）、智能仪表控制 1．将两个SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“OFF”的位置，将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。

双容水箱液位定值控制系统实验报告

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。

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

上水箱液位与进水流量串级控制系统

上水箱液位与进水流量串级控制系统 摘要 随着现代工业生产过程向着大型、连续方向发展,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,传统的单回路液位控制已经难以满足一些复杂的控制要求，水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保持水箱液位最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。 本设计采用水箱液位和注水流量串级控制，设计系统主要由水箱、管道、三相磁力泵、水压传感器、涡轮流量计、变频器、可编程控制器及其输入输出通道电路等构成。系统中由液位PID控制器的设定值端口设置液位给定值，水压力传感器检测液位。涡轮流量计测流量，变频器调节水泵的转速，采用PID算法得出变频器输出值，实现流量的控制。流量控制是内环，液位控制是外环。 系统电源由接触器和按钮控制，系统电源接通后PLC进行必要的自检和初始化，控制器接收到系统启动按钮动作信号后，通过接触器接通电机电源，启动动力系统工作，开始两个闭环系统的调节控制。 关键词：PLC控制；变频器；PID控制；Wincc组件；上位机

目录 上水箱液位与进水流量串级控制系统 (1) 摘要 (1) 1.过程控制系统简介 (4) 1.1过程控制介绍 (4) 1.2 串级控制系统的组成 (4) 1.2.1 硬件介绍 (4) 1.2 电源控制台 (6) 1.3 总线控制柜 (6) 1.4 软件介绍 (7) 1．6系统总貌图 (7) 2．串级控制系统简介 (8) 2.1液位串级控制系统介绍 (8) 2.2 串级控制系统的概述 (8) 2.3串级控制系统的工作过程 (8) 2.4 系统特点及分析 (9) 2.5 串级控制系统的整定方法 (9) 2.6主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配 (10) 2.7 PID控制工作原理 (10) 3 上水箱液位与进水流量串级控制系统 (11) 3.1 实验设备： (11) 3.2 液位-流量串级控制系统的结构框图 (11) 3.3 系统工作原理 (11) 3.4 控制系统流程图 (12) 3.5 实验过程 (13) 3.6 实验结果分析 (15) 3.6.1 整定过程分析 (15) 3.6.2 扰动下的响应分析 (16) 3.6.3 主、副调节器采用不同调节器时对系统动态性能的影响 (16) 3.6.4 主、副调节器采用不同PID参数时对系统动态性能的影响 (19)

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

实验二 双容水箱液位定值控制系统(单回路)

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