《控制系统设计与试验》
——课程设计与报告
成员：
专业：自动化
任课教师：于建均
完成日期：2015年6月20日
目录
1、绪论 (3)
2、课程设计任务 (4)
3、被控对象的模型及分析 (4)
4、系统控制方案论证 (6)
5、控制结构与控制器设计步骤 (7)
6、实验过程论述 (8)
7、实验结果及分析 (11)
8、总结 (12)
9、附录 (13)
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。
一、课程设计任务
一、课程设计目的
（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统模型参数的方法
(4) 掌握基于物理对象的控制系统的调试方法
（5）培养编制技术总结报告的能力。
2、被控对象:
双容水箱系统
3、 性能指标要求
衰减率4:1～10:1,超调量Mp<10%，调节时间Ts<45s ，稳态误差0 ss e
二、被控对象的模型及分析
1双容水箱的数学模型
双容水箱液位控制结构图如下图所示：
图2-3 双容水箱液位控制结构图
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
式中 K=R 4，T 1=R 2C 1，T 2=R 4C 2，R 2、R 4分别为阀V 3和V 4的液阻，C 1 和
C 2分别为左水箱和右水箱的容量系数。式中的K 、T 1和T 2可由实验求得的阶跃
响应曲线求出。具体的做法是在下图所示的阶跃响应曲线上取：
1）、h 2（t ）稳态值的渐近线h 2(∞)；
图2-4 阶跃响应曲线
2）、h 2（t ）|t=t1=0.4 h 2(∞)时曲线上的点A 和对应的时间t 1；
3）、h 2（t ）|t=t2=0.8 h 2(∞)时曲线上的点B 和对应的时间t 2。
然后，利用下面的近似公式计算式1-6中的参数K 、T1和T2。其中：
对于式（1-6）所示的二阶过程，0.32 节；当t 1/t 2=0.46时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2（此时 T 1=T 2=T=(t 1+t 2)/2*2.18 ） 过曲线的拐点做一条切线，它与横轴交于A 点，OA 即为滞后时间常数て。 实际测得的阶跃响应曲线 2.16 t t T T )4)(K 21212+≈+=∞=、阶跃输入量 输入稳态值O R h )55.074.1() T (T T T )52122121-≈+t t 、 *) 1*)(1*()()()(2112e s S T S T K S G S Q S H τ-++== h 0.4 0.8 2h h h 22 2、双容水箱系统数学模型的分析 双容水箱系统的等效传函是个二阶惯性环节，从图上可以看出水箱系统的滞后包括两个部分，一部分是由于传输延时造成的纯滞后，另一部分是有水箱自身的容量滞后。由于系统是二阶惯性环节，所以开环曲线呈“s”型。 三、系统控制方案论证 1、选用的控制方法：PID控制方法 2、控制方法简介 PID控制器各控制规律的作用如下： （1）比例控制（P）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差 （2）积分控制（I）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。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。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 （3）微分控制（D）：在微分控制中，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环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的 变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 四、控制结构与控制器设计步骤 1、控制结构：PID 控制系统 PID 控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r(t)与实际值y(t)构成控制偏 差： 式（4.1） 控制规律为： 式（4.2） 或以传递函数形式表示： 式（4.3） )()()(t y t r t e -=()()()()01t de t U t Kp e t e i Td Ti dt ??=++?????)11()()()(Tds Tis kp s E s U s G ++== KP:比例系数TI:积分时间常数TD:微分时间常数。 2、控制器的设计：经验凑试法 整定方法：采用实验凑试法：它是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID控制参数。 整定步骤：实验凑试法的整定步骤为"先比例，再积分，最后微分"。a)整定比例控制：将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。b)整定积分环节：若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。c）可以先将选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。d）整定微分环节：经过积分整定，PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。可先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID 控制参数。 最终PID结构及参数： 五、实验过程论述 在课设的开始阶段，我们先熟悉了一下实验所用到的仪器及软件，并对实验过程和目的进行了一番学习及了解。 接下来我们便进入到了对单/双容水箱的特性测试，也就是对变送器的调试，由于主副回路变送器的滑变总是自动跳数，所以导致我们组花了很长的时间去确定零点电压及线性关系。最后主副回路零点电压基本分别稳定在了1.04v和1.1v。 然后便是对水箱数学模型的建立以及控制结构与控制器的设计与仿真。（也就是我前面所陈述的传函的测试与建立，以及我们组所选择的串级控制系统和PID 整定方法）此阶段我们组完成的还算比较顺利，虽然不能保证所得传函一定百分百准确，但PID参数的调试及仿真结果还算比较令人满意。 最后便进入到了实时控制阶段。当我们天真的以为仿真调参过后已经接近成功的时候，实时控制的结果告诉我们，理想和现实果然还有一定的差距。当我们搭好模型并采用我们仿真所调试的参数进行测试后惊奇并失望的发现，不仅响应曲线不对，连液位都无法稳定。一阵挫败感过后，实验依然得继续，我们便进入了新一轮的调参活动中，最终我们确定的方案是副回路用比例控制，主回路用比例积分控制。当我们随意给定系统几个液位值并加入各种形式扰动后，系统依然能恢复稳态，虽然调节时间略长，但其它性能指标要求已基本满足。至此实验基本告以段落。 实时控制结构图： 实验设计中的添加部分： 在结构设计中，PID环节后面加了一个1.8V的偏置电压，原因是调节阀在接收到1.8V 电压时才会做出出水的响应，加了1.8v的好处是在后面计算流量与电压中可以直接对输出的水量与电压做一个接近于线性的比例关系，这个关系就是后面接的那个1.17的放大环节，此环节实现了流量与电压的直接对应关系。最后面我又加了一个-1.15V的直流偏置电压，此环节是为了在水位高度为零的时候，电压输出正好为0V，在原始调节的环节中，我们按照要求，设定的为1V，在后续实验中，由于其他人改变了调节阀的调节电阻，以及其他的干扰因素，都使得0高度水位时输出的电压为1.15V，在这里减去这个电压，是的最终输出高度与电压的比例关系，正好为1:10，方便观察及计算。 另外，在计算PID环节，其中积分环节，我加入了一个+-0.5V的限位，这使得积分环节被限制在了一个小的范围内，使得在PID响应过程更加迅速准确，相当于把原有积分环节修改成了在某一区间内的积分环节，这一点对系统性能有较大的提高。 1 系统阶跃响应【PID环节加入限位的前后对比】 加入前:Ts明显超过150s，加入后可见Ts为130s左右，满足实验要求技术指标：Mp=9%<10% Ts=130s Ess=0 2 给定10cm 330s突加给定7cm 可见不仅超调很小而且高度改正迅速，并能实现无差 技术指标：Mp= 5% Ts=140s 加扰动后：Mp= 7.3% Ts=140s 3、给定10cm 180s时突然加大阀门调价干扰， 33s突然加大放水阀门，400s时给定为9cm 300s有一个小的拐点，原因是阀门开度实在太大，使得水位回升太慢，因此稍微调小一点点放水的阀门，因此出现了一个小拐点，对于实验来说没有影响。可以看出，超调进不超过10%，并且加干扰后系统响应迅速无静差。 3、加水干扰测试 120s突然加大放水阀门，320s突然向水箱中加入300ml水 原有系统超调不超过8%，在突然放水时相应迅速，快速实现无差，在后面突然加水环节，更是响应十分迅速，超调接近9%，并能够快速实现无差。 六、实验结果及分析 实验结果：从图中可以看出，在我们随意给定7cm和9cm以及加入适当扰 动后，系统依然能恢复稳定并保证无静差且响应曲线较好，但由于更正系统参数 后时间紧迫使得在选择PID参数时不够精确，导致调节时间虽然满足要求，但是调节时间较长。 分析：纵观我们组整个实验过程以及最后响应曲线的呈现，我总结出以下几个问题： （1）仿真的阶跃响应曲线与实际曲线之间存在一定的差别。 仿真处于理想状态，而实际是不可能处于理想状态的，系统受到了个个方面的干扰，其次，我组在计算系统参数的时候采用了大量的近似计算，所以这也有可能造成了仿真与实际系统之间的误差。 （2）实际液位与示波器显示的差别 这个问题是我们组在进行实时控制时遇到的。这一点十分恼人，因为有很多组人一起做实验，不同组别有不同的数据，调节阀的开度也总会改变，因此其比例很难掌握，不过在姐家来的阶段中，我们找到了更好的方法，就是在PID环节之后加的1.17倍的比例，原因之前已经论述。 （3）系统调节时间过长 虽然P I D三部分各有各自的特点，但在调节过程中他们的作用毕竟还是相互的，正所谓牵一发而动全身。调节时间被限定在150s，虽然都满足实验要求，但是我发现在积分环节加入+—0.5V的限位以后有较大改观，原因之前已经论述。 （4）流量与高度的关系 虽然我们实际控制的量为流量不是高度，而实验最终目的是为了实现控制高度，但是我们找到了一个关系，使得流量和高度有了对应关系，就是先加入1.8V的偏置，后面在添加一个1.15V的比例关系，即可实现，原因之前已经论述。 七、总结 本次双容水箱控制实验收获颇丰。 这次实验让我们有了一次将理论与实践相结合的机会。虽然相关的知识在理论课上都有涉及，但到了实际应用中又是另一回事儿。从参数的测量，系统控制方法的选择，控制器的设计以及最后在实物上进行测试，让我们对工业控制的过程有了更清晰的了解。 在实际调试过程中遇到的参数调节问题，是我们收获最大的部分，其中为了达到目的而不停地尝试修改系统结构，添加有效调节环节，都是的我们收获很大。 其次，这次课设让我们更加熟悉了仿真软件MATLAB的使用以及“实时控制”这个我们以前完全没有接触过的东西。同时，这次试验也让我们对自控及过控书上的知识进行了复习以及应用。 其中这次课设对我们组而言也应吸取一些经验和教训。比如我们的实时控制一直出不来，直到周五下午才在老师的帮助下发现，原来我们所用的万用表一直是坏的，导致我们要在三个小时之内重新调零调参测曲线，可见一个小小的疏忽不仅浪费了时间还对实验结果的质量产生了一定的影响。还好比较幸运的是我们基本顺利的完成了此次课设，实验结果也较为满意。最后特别感谢老师的指导以及其它组同学在忙碌之余对我们组伸出的橄榄枝，我们以后会再接再厉，多参加一些这样的实习，提高自己的实践经验，为以后工作打下坚实的基础。 7、附录 附件1：THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台 硬件的组成及使用 一、直流稳压电源 直流稳压电源主要用于给实验平台提供电源。有±5V/0.5A、±15V/0.5A及+24V/1.0A 五路，每路均有短路保护自恢复功能。它们的开关分别由相应的钮子开关控制，并由相应发光二极管指示。其中+24V主用于温度控制单元和直流电机单元。 实验前，启动实验平台左侧的空气开关和实验台上的电源总开关。并根据需要将±5V、±15V、+24V钮子开关拔到“开”的位置。 实验时，通过2号连接导线将直流电压接到需要的位置。 二、低频函数信号发生器及锁零按钮 低频函数信号发生器由单片集成函数信号发生器专用芯片及外围电路组合而成，主要输出有正弦波信号、三角波信号、方波信号、斜波信号和抛物波信号。输出频率分为T1、T2、T3、T4四档。其中正弦信号的频率范围分别为0.1Hz～3.3Hz、2.5Hz～86.4Hz、49.8Hz～1.7kHz、700Hz～10kHz三档，V p-p值为16V。 使用时先将信号发生器单元的钮子开关拔到“开”的位置，并根据需要选择合适的波形及频率的档位，然后调节“频率调节”和“幅度调节”微调电位器，以得到所需要的频率和幅值，并通过2号连接导线将其接到需要的位置。 另外本单元还有一个锁零按钮，用于实验前运放单元中电容器的放电。当按下按钮时，通用单元中的场效应管处于短路状态，电容器放电，让电容器两端的初始电压为0V；当按钮复位时，单元中的场效应管处于开路状态，此时可以开始实验。 三、阶跃信号发生器 阶跃信号发生器主要提供实验时的阶跃给定信号，其输出电压范围为-5～+5V，正负档连续可调。使用时根据需要可选择正输出或负输出，具体通过“阶跃信号发生器”单元的拔动开关来实现。当按下自锁按钮时，单元的输出端输出一个连续可调(选择正输出时，调RP1电位器；选择负输出时，调RP2电位器)的阶跃信号(当输出电压为1V时，即为单位阶跃信号)，实验开始；当按钮复位时，单元的输出端输出电压为0V。 注：单元的输出电压可通过实验台上的直流数字电压表来进行测量。 四、低频频率计 低频频率计是由单片机89C2051和六位共阴极LED数码管设计而成的，具有输入阻抗大和灵敏度高的优点。其测频范围为：0.1Hz～10.0kHz。 低频频率计主要用来测量函数信号发生器或外来周期信号的频率。使用时先将低频频率计的电源钮子开关拔到“开”的位置，然后根据需要将测量钮子开关拔到“外测”(此时通过“输入”或“地”输入端输入外来周期信号)或“内测”(此时测量低频函数信号发生器输出信号的频率)。 另外本单元还有一个复位按钮，以对低频频率计进行复位操作。 注：将“内测/外测”开关置于“外测”时，而输入接口没接被测信号时，频率计有时会显示一定数据的频率，这是由于频率计的输入阻抗大，灵敏度高，从而感应到一定数值的频率。此现象并不影响内外测频。 五、交/直流数字电压表 交/直流数字电压表有三个量程，分别为200mV、2V、20V。当自锁开关不按下时，它作直流电压表使用，这时可用于测量直流电压；当自锁开关按下时，作交流毫伏表使用，它具有频带宽（10Hz～400kHz）、精度高（±5?）和真有效值测量的特点，即使测量窄脉冲信号，也能测得其精确的有效值，其适用的波峰因数范围可达到10。 六、通用单元电路 通用单元电路具体见实验平台的U1、U2、U4～U18单元。这些单元主要由运放、电容、电阻、电位器和一些自由布线区等组成。通过接线和短路帽的选择，可以模拟各种受控对象的数学模型。 其中U1为能控性与能观性单元，U2为无源器件单元，U4为电压转换单元，U5为非线性单元，U6为反相器单元。U7～U18为通用运放单元，主要用于比例、积分、微分、惯性等电路环节的构造。 七、零阶保持器 零阶保持器为实验主面板上U3单元。它采用“采样-保持器”组件LF398，具有将连续信号离散后的零阶保持器输出信号的功能，其采样频率由外接的方波信号频率决定。使用时只要接入外部的方波信号及输入信号即可。 八、数据采集接口单元 数据采集卡采用研华PCI1711卡，它可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机内，其采样频率为350k；有16路单端A/D模拟量输入，转换精度均为14位；4路D/A模拟量输出，转换精度均为12位；16路开关量输入，16路开关量输出。接口单元则放于实验平台内，用于实验平台与PC上位机的连接与通讯。 数据采集卡接口部分包含模拟量输入输出(AI/AO)与开关量输入输出(DI/DO)两部分。其中列出AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。 上位机软件安装及使用说明 一、上位机控制工程 1 2．上位机程序适用于MATLAB6.5版本 MATLAB控制产品集支持控制设计过程的每一个环节，可以用于不同的领域，如过程仿真与控制、汽车、航空航天、计算机和通讯等领域。使用MATLAB高级编程语言，能使控制系统的设计和分析更加方便，编程者只需花很短的时间就可以开发出控制算法复杂、绘 图功能强大的程序，以实现对数据、方程和结果的显示。 注：实验程序处于运行状态时，不能强制对界面进行最小化操作，否则将出现错误。 二、上位机软件的使用说明 1、仿真部分使用说明 1.1双击任何一个模块，都可以修改其参数。仿真过程中，只需按照实验指导书的内容，修改仿真窗口中相应模块的参数。建议不要随意改动，如有改动，关闭窗口时，不要选择存盘。 1.2当达到仿真结束时间，而示波器不能完整地显示仿真波形时，可通过同时修改仿真参数和示波器参数实现。仿真参数的修改方法：按住Ctrl+E键，在弹出的窗口中修改Stop time 的值。示波器参数的修改方法：在打开的示波器窗口中点击Parameters图标，在弹出的窗口中修改Time range的参数。修改完成后，示波器的Time range值必须大于或等于仿真参数的Stop time值。 1.3示波器的Y轴显示范围的修改可通过右击示波器窗口，选择Axes Properties项，在弹出的窗口中修改Y-min和Y-max的值。 1.4每次参数更新后，需点击Start Simulation图标进行仿真，这样才能看到新的结果（“典型环节和系统频率特性的测量”仿真除外）。 2、实验部分使用说明 2.1双击任何一个模块，都可以修改其参数。实验过程中，只需按照实验指导书的内容，修改实验窗口中相应模块的参数。建议不要随意改动，如有改动，关闭窗口时，不要选择存盘。 2.2 示波器的Y轴显示范围的修改可通过右击示波器窗口，选择Axes Properties项，在弹出的窗口中修改Y-min和Y-max的值。 2.3实验过程中，有时会弹出一个提示为“Incomplete message in communication buffer”的窗口，这是由MATLAB R2007a以下的版本存在bug而引起，此时只需关闭弹出窗口，再次点击Conect to targer图标即可继续实验。 2.4 基于simulink的仿真属于伪实时仿真，其仿真时间并不与实际时间同步，而与机器执行速度和模型复杂度有关。在完成实时控制实验时，界面中所显示的时间约为实际时间的两倍。 3、实时控制实验软件初始化 MATLAB软件提供了一个实时开发环境，可用于实时系统仿真和产品的快速原型化，这一点是通过特殊应用工具箱——Real-Time Workshop(RTW)实现的。RTW是MA TLAB图形建模和仿真环境Simulink的一个重要的补充功能模块，它是一个基于Simulink的代码自动生成环境，能直接从Simulink模型中产生优化的、可移植的和个性化的代码，并根据目标配置自动生成多种环境下的程序。 3.1 在进行控制理论的MA TLAB仿真与控制实验时，系统运行需要MA TLAB6.5的支持。用户在实验前应安装好该软件并对其工作环境及相关编程工作较为熟悉。 3.2 打开MATLAB6.5软件，查看MA TLAB的当前工作路径（即Current Directory所显示的路径），并将提供给用户的光盘控制程序（不是文件夹）拷贝到MATLAB当前工作路径中。 3.3 利用产品所附带的采集卡驱动光盘，安装相应的驱动程序。 3.4 打开研华PCI-1711数据采集卡自带的测试程序，测试采集卡的模拟量输入、输出通道是否正常。 注：每次实验前都需进行此项操作。 3.5 打开MA TLAB6.5软件，为了配置好MA TLAB编译器，则在命令窗口中进行如下操作： 3.5.1 输入“rtwintgt -setup”并按回车键，然后输入“y”； 3.5.2 输入“mex -setup”并按回车键，然后输入“y”，接着在编译器的选择中选择“Microsoft Visual C/C++ version 6.0”项，最后输入“y”。 3.6 在MATLAB命令行窗口中输入klsyxm，按回车键，这时弹出如图1所示界面。 图1 实验主菜单 3.7 当完成实时控制实验时，必须对Analog Input模块和Analog Output模块进行配置，下面将以Analog Input模块为例进行说明。双击Analog Input模块， 图2 数据采集卡安装界面 选择Install new board\Advantech\PCI1711，安装数据采集卡，如图2所示。 安装完毕后，进行检测。单击Board setup弹出上一步安装的数据采集卡测试对话框Advanctech PCI-1711，复选Auto-detect选项，然后点击Test按钮，将出现测试成功对话框，如图3所示。 图3 采集卡测试流程图 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 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 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； 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) 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 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 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。 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 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 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。 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 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 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 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双容水箱实验报告(采用PID+模糊控制)
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