第一章液位自动控制系统原理
液位自动控制是通过控制投料阀来控制液位的高低，当传感器检测到液位设定值时，阀门关闭，防止物料溢出；当检测液位低于设定值时，阀门打开，使液位上升，从而达到控制液位的目的。在制浆造纸工厂常见有两种方式的液位控制：常压容器和压力容器的液位控制，例如浆池和蒸汽闪蒸罐。液位自动控制系统由液位变送器（或差压变送器）、电动执行机构和液位自动控制器构成。根据用户需要也可采用控制泵启停或改变电机频率方式来进行液位控制。结构简单，安装方便，操作简便直观，可以长期连续稳定在无人监控状态下运行。
应用范围
在制浆造纸过程中涉及的所有池、罐、槽体液位自动控制。
图1.1
中，是控制器的传递函数，是执行机构的传递函数，是测量变送器的传递函数，是被控对象的传递函数。图5.1中，控制器，执行机构、测量变送器都属
于自动化仪表，他们都是围绕被控对象工作的。也就是说，一个过程控制的控制系统，是围绕被控现象而组成的，被控对象是控制系统的主体。因此，对被控对象的动态特性进行深入了解是过程控制的一个重要任务。只有深入了解被控对象的动态特性，了解他的内在规律，了解被控辩量在各种扰动下变化的情况，才能根据生产工艺的要求，为控制系统制定一个合理的动态性能指标，为控制系统的设计提供一个标准。性能指标顶的偏低，可能会对产品的质量、产量造成影响。性能指标顶的过高，可能会成不必要的投资和运行费用，甚至会影响到设备的寿命。性能指标确定后，设计出合理的控制方案，也离不开对被控动态特性的了解。不顾被控对象的特点，盲目进行设计，往往会导致设计的失败。尤其是一些复杂控制方案的设计，不清楚被控对象的特点根本就无法进行设计。有了正确的控制方案，控制系统中控制器，测量变送器、执行器等仪表的选择，必须已被控对象的特性为依据。在控制系统组成后，合适的控制参数的确定及控制系统的调整，也完全依赖与对被控对象动态特性的了解。由此可见，在控制工程中，了解被控制的对象是必须首先做好的一项工作。
过程控制的被控对象设计的范围很广。被控对象不一定是指一个具体的设备，不少情况下被控对象是指一个过程。有些过程可能涉及好几种设备，而在有些设备内部可能包括了几个过程。
过程控制被控对象的内在机理较为复杂，由简单过程，又存在严重非线性的过程，有多变量过程，有些被控对象的特性随时间或工作条件而变化。对被控对象动态特性的了解，一种方法是通过分析被控对象的工作机理，建立被控对象的数学模型。但由于连续生产过程的复杂性，完全从机理上揭示其内在规律，获得精确的数学模型还有较大的困难。另一种方法是工程上经常使用的方法，它采用实验法来获得被控对象的数学模型。这种方法通过测量被控对象的阶跃相应曲线（称为飞升曲线），近似确定被控对象的数学模型，研究被控对象的动态特性。
第二章系统元件的选择
2.1 有自平衡能力的单容元件
如果被控对象在扰动作用下偏离了原来的平衡状态，在没有外部干预的情况下（指没有自动控制或人工控制参与），被控变量依靠被控对象内部的反馈机理，能自发达到新的平衡状态，我们称这类对象是有自平衡能力的被控对象。
具有自平衡能力的单容对象的传递函数为
(2.1)
这是个一阶惯性环节。描述这类对象的参数是时间常数T和放大系数K。
图2.1 单容水箱
图2.1是单容水箱的示意图。我们已经推导过水箱的传递函数为
其中T=RC，C为水箱的横截面积，R为输出管道阀门的阻力。T称为水箱的时间常数。K称为水箱的放大系数。一阶系统的特性我们已经在时域分析中进行了详细的讨论，所有结论都适用于单容对象。作为过程控制的被控对象，单容对象的时间常数比较大。2.2 无自平衡能力的单容元件
图2.2单容积分水箱
图2.2也是一个单容水箱。不同的是水箱的出口侧安装了一台水泵，这样一来，水箱的流
出水量就与水位无关，而是保持不变，即流出量的变化量。在静态下，流入水箱的流量与水泵的排水量相同都为Q，水箱的水位H保持不变。在流入量有一个增量时，静态平衡被破坏，但流出量并不变化，水箱的水位变化规律为
式中C为水箱的横截面积。对上式两端求取拉普拉斯变换，可得水箱的传递函数：
(2.2)
这是一个积分环节。它的单位阶跃响应为
图2.3 两种水箱变化的比较
（a）单容积分水箱（b）有自平衡能力的单容水箱
图2.3（a）是水位变化的曲线。为了比较，我们把具有惯性环节特性的水箱在单位阶跃输入下的水位响应曲线也画出来，如图2.3（b）所示。很明显，具有惯性环节特性的单容水箱，在输入作用下，水位经过一个动态过程后，可以重新达到一个新的稳定状态。而具有积分环节的水箱在受到同样的扰动之后，水位则无限地上升，永远不会达到一个新的稳定状态。我们称这种水箱为单容水箱。
具有积分环节特性的单容对象的传递函数可以表示为
(2.3)
式中称为飞升速度。其单位阶跃响应为
(2.4)
这是一条直线方程，如图2.3（a）所示。是直线的斜率。式（2-4）说明，当被控对象原来的平衡状态被扰动作用破坏后，如果不依靠自动控制或人工控制的外来作用，被控变量将一直变化下去，不可能达到新的平衡状态。我们称这类对象为无自平衡能力的对象。
2.3单容对象的特性参数
被控对象有无自平衡能力，是被控对象本身固有的特性。图5—5给出了两类水箱的方框图。图5-5（a）是有自平衡能力的单容水箱，从方框图中可以看出，水箱的水位既与流入
量有关，也受流出量的制约，在被控对象内部形成了一个负反馈机制。当流入量增大
时，将引起水位的上升。水位上升的结果，流出量就会增加。流出量的增大又限制了水位的进一步上升。经过一个动态过程后，总能重新找到一个平衡点，使流入量与流出量相等，水位不再变化。图5-5（b）是无自平衡能力的单容水箱，在其内部不存在负反馈机制，水位只与流量有关。具有自平衡能力的被控对象，本身对扰动有一定的克服能力，控制性能较好。而无自平衡能力的被控对象，其传递函数的极点位于虚轴上，是不稳定的。被控变量若要按要求的规律变化，必须完全依赖于对象外部的控制系统。
图5.5 两种类型的单容水箱
（a）有自平衡能力（b）无自平衡能力
我们曾经提到，一阶系统是含有一个存贮元件的系统。本节中我们看到，有自平衡能力无自平衡能力的对象都含有存贮元件，为什么表现出不同的特性呢？上面，我们就其内部机理进行分析。现在我们来看表征其特性的参数的异同
描述存贮元件存贮能力的参数称为对象的容量系数。容量系数可定义为
C=被控对象储存的物质或能量的变化量/输出的变化量
容量系数对不同的被控对象有不同的物理意义，如水箱的横截面积，电容器的电容量。热力系统得热容量等。在我们推导系统或环节的传递函数时，经常遇到
T 称为系统或环节的时间常数，它是系统或环节惯性大小的量度。式中的R称为阻力系数。如电路的电阻，流体流动的液阻，传热过程的热阻等。被控对象的容量系数，表示了被控对象抵抗扰动的能力，如水箱的横截面积大，同样流入量下，水位上升得就慢。电路的电容量大，在同样充电电流下，电压上升得就慢。惯性环节的惯性，其根本原因就是因为它具有存贮能力。但这并不是决定惯性大小的唯一因素。还有另一个因素就是阻力系数。阻力系数是对流入存贮元件净流入量的制约。在R-C充电电路里，它限制了流入电容器的电流，在单容水箱中，它限制了水箱的净进水量。惯性环节因为其具备了自平衡能力，在其
动态参数上，用时间常数来表示，而单容积分环节则不存在阻力系数，只用容量系数就可以表征其特性。
描述有自平衡能力单容被控对象的参数有两个：放大系数K和时间常数T，称为被控对象的特性参数。放大系数K表示输入信号通过被控对象后稳态输出是输入的K倍。对于同样的输入信号，放大系数大，对应的输出信号就大。K表示了被控对象的稳态放大能力，是被控对象的稳态参数。T是描述被控对象惯性大小的参数，时间常数T越大，被控对象在输入作用下的输出变化得越慢。T是单容被控对象的动态参数。无自平衡能力的被控对象在输入作用下不会达到新的稳定状态，描述其性能的参数只有一个动态参数：飞升速度。
第三章控制器参数的整定
3.1 参数的确定
控制器参数的整定，对PID控制规律来说，就是恰当选择比例度（或比例放大系数）、
积分时间常数和微分时间常数的值。控制器参数整定的方法有两类，一类是理论计算法，一类是工程整定法.
已知被控对象较准确的数学模型，可以应用理论计算法。用传统的时域法、频率法、根轨迹法都可以进行整定，利用计算机进行参数整定和优化的方法也很多。往往由于数学模型的原因，理论计算得到的数据精度不高，但它却可以为工程整定法提供指导。
工程整定法易于掌握，是比较实用的方法。常用的工程整定法有稳定边界法、衰减曲线法、响应曲线法等。
稳定边界法又称为临界比例度法。具体过程是，先将控制器变为比例控制器
，逐渐减小比例带，直到出现等幅振荡。这是的比例度称为临界比例
度，记为。记下两个波峰相距的时间（临界振荡周期），根据和，按表3.1 进行计算。
稳定边界法计算公式表（衰减率
比例度积分时间
衰减曲线法。衰减曲线法是使系统产生衰减振荡，根据衰减振荡参数来确定控制器参数。
工程上认为，衰减率(衰减比为4：1）时，系统的动态过程较适宜。因此，一般
都采用4：1衰减曲线来进行整定。具体过程是：先将控制器变成比例控制器，比例度取较大的值，给定值为阶跃函数，观察曲线的衰减情况。然后逐渐减小比例度，直到衰减比
为 4：1，此时的比例度为，衰减周期为，如图5.34所示
图3.1 4:1衰减曲线
根据和，按表 3.1进行计算。
比例度积分时间
响应曲线法与以上两种方法不同。以上两种方法都是在闭环系统下进行的，而响应曲线法则要测出系统的开环阶跃响应。把控制系统从控制器输出点断开。在调节阀上加一个阶跃输入，测量变送器的输出作为响应曲线。响应曲线一般的形式如图 3.2所示。根据响应曲线可近似求出如下传递函数
图3.2 系统的开环阶跃响应
根据求出的 K,T和值，按表3.3计算。
响应曲线计算表（衰减率
3.2 电动机的数学模型
直流电动机的数学模型。直流电动机可以在较宽的速度范围和负载范围内得到连续和准确地控制，因此在控制工程中应用非常广泛。直流电动机产生的力矩与磁通和电枢电流成正比，通过改变电枢电流或改变激磁电流都可以对电流电机的力矩和转速进行控制。在这种控制方式中，激磁电流恒定，控制电压加在电枢上，这是一种普遍采用的控制方式。设 为输入的控制电压 电枢电流 为电机产生的主动力矩
为电机轴的角速度 为电机的电感 为电枢导数的电阻
为电枢转动中产生的反电势 为电机和负载的转动惯量
根据电路的克希霍夫定理
整理后
式中：称为直流电动机的电气时间常数；称为直流电动机的机电时间常数；
,为比例系数。直流电动机电枢绕组的电感比较小，一般情况下可以忽略不计，式（2.4）可简化为
3.3 控制系统的数学模型
图3.3 过程控制系统结构图
传递函数为
控制器参数的确定
测的该控制系统开环阶跃响应的参数后得到的近似传递函数为
3.4 PID控制器的参数计算
根据查表5.4
min
min
工程整定法由于采用的是经验公式，所以对同一系统应用不同方法整定出的参数不可能一致。它们的实际控制性能指标将会有差别。
第四章控制系统的校正
在工业生产过程中，被控对象的特性并不是不变的。当被控对象特性发生变化后，原定整定的 PID控制参数就不是最合适的参数了，必须重新整定。这将给连续化的生产带来不利的影响。有一种控制系统，能根据被控对象特性的变化或其他条件的变化，自动调整控制系统的控制规律和控制器的控制参数，使控制系统始终处于最佳状态，我们称这种控制系统为自适应控制系统。能对控制器参数进行自动整定的自适应控制系统成为自校正系统或自整定系统。
图4.1 自校正系统的工作原理
图 4.1时自校整系统的工作原理图。自校正系统与一般控制系统相比，增加了两种功能：一是根据控制器输出和被控对象输出分析对象的特性，即对对象进行识别；二是根据识别结果计算并改变控制器参数，称为决策。例如假定被控对象的模型为 :
对象识别环节就会根据测量的值对K,T和进行估计。决策环节则根据求出的对象参数按规定的整定规则计算出控制器参数并对控制器参数进行修改。
4.1 控制器的正反作用
控制系统要能正常工作，必须有一个负反馈控制系统。为了保证这一点，必须正确选择各环节的正反作用。控制器的正反作用是根据被控变量的测量值和控制器输出之间的关系确定的。被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，则控制器为正作用控制器，并
规定其稳态放大系数为负。被控对象的测量值增加时，控制器的输出值减小，则控制
器为反作用控制器，并规定器稳态放大系数为正。
被控对象的输出与调节阀内的介质流量变化决定了被控对象的正反作用。介质流量增加，
被控对象的输出也增加，则被控对象为正作用，规定其放大系数为正。介质流量增加
时，被控对象输出减小，则被控对象为反作用，规定其放大系数为负。
执行器气开式为正作用，气关式为反作用，并规定正作用调节阀的放大系数为正，反
作用的为负。
变送器的作用一般都是正作用，其放大系数为正。
要保证系统是负反馈系统，组成系统的各环节的正反作用的乘积必须为正。这可用各环节
的放大系数来表示。即为正。这里相乘只取正符号计算，不必计算放大系数
的具体数值。
选择控制器的正反作用的步骤是先根据工艺及安全要求确定调节阀正反作用，被控对象的正反作用是固有的特性，测量变送器一般是正作用，所以往往可以排除在外，最后再选择
控制器的正反作用，使的乘积为正。
4.2 串级控制系统
串级控制系统是在单回路控制系统的基础上发展起来的，对改善控制系统的控制品质非常有效，在过程控制中应用相当广泛，是一种典型的复杂控制系统。
图4.2夹套反应器的温度控制
（a）单回路控制（b）串级控制
我们通过一个实例来说明串级控制原理。图4.3是夹套式反应釜温度控制的例子。反应釜中的放热化学反应所产生的热量必须被传输出去，以保证化学反应的温度条件。冷却水通过夹套把反映热带走。图4.2（a）是一个单回路控制系统。TT表示温度测量变送器，TC 表示温度控制器。这个控制系统的结构图见图4.2。影响反应釜反应温度的因素来自反应
物料和冷却水两个方面，用表示物料方面的扰动，用表示冷却水方面的扰动。因
为这两个扰动的作用点不同，对反应釜温度的影响也不一样。若冷却水发生扰动，如冷却水入口水温度突然升高或冷却水流量突然减小，这个扰动经过夹套、反应釜的槽壁、反应釜（反应槽）才能对发生影响，由于被控对象热容量大，热传递过程的惯性很大。在
发生变化后，控制器才能开大冷却水进水调节阀，加大流量，但影响到又要经过一个
热传递过程。这将使反应釜的温度发生较大的偏差。可见单回路系统不能满足控制的要求。
由于冷却水方面的扰动会很快影响到夹套温度，如果把单回路控制系统改变成图4.2（b）
的形式，即增加一个夹套温度控制系统，当冷却水扰动发生时，这个控制回路会立即产生
控制作用，稳定由于这个控制回路惯性小，反应快，很快会被稳定下来，基本上
不受扰动的影响，控制质量就大大得到改善。图4.4是这个系统的结构图。
图4.3 夹套反映器单回路温度控制系统
图4.4 夹套反应器串级温度控制系统
图4.4所示的控制系统为串级控制系统。当被控对象具有较大的惯性和容量延迟时，
图4.5 被控对象
若被控对象可以分为两部分，称为过程Ⅰ，过程Ⅱ，如图4.5 所示。过程Ⅱ的输出是过程Ⅰ的输入,会对被控变量产生重大影响.一般情况下,过程Ⅱ的惯性较小,过程Ⅰ的惯性较大.对于这种情况,采用单回路控制方案,对发生在过程Ⅱ上的扰动,控制效果很差,采用串级控制方式,则能收到较为满意的控制效果。
图4.6 串级控制系统的原理图
串级控制系统的结构图见图4.6。串级控制系统共有2个控制回路.内部的反馈回路称为副回路。副回路包括副控制器(副调节器),调节阀,副对象(即过程Ⅱ )和副变送器.发生在副回路内的扰动称为二次扰动。外部的控制回路称为主回路.主回路包括主控制器(主调节器),整个副回路,主对象(过程Ⅰ )和变送器。发生在主对象上的扰动称为一次扰动。如果把整个副回路当成一个等效环节,它串联在主回路的前向通道上。这就是串级控制名称的由来。串级控制在结构上有两个特点:一个特点是串级控制虽然有两个控制器,两个变送器和两个测量参数,但仍然是一个单输入单输出系统,系统只有一个需人为设定的给定值,只有一个控制变量(即副控制器输出),只有一个执行机构,因而也只能有一个被控变量,这一点和单回路控制系统极其相似;串级控制的另一个结构的特点是主控制器和副控制器串联在回路中.主控制器的输出是副控制器的给定值.主控制器接受设定的给定值,所以整个串级控制系统是一个定值调节系统.副控制器的给定值是主控制器的输出,因为这个输出要随着扰动而变化,所以副回路是一个随动系统.过程控制中还会经常遇到具有两个回路的控制系统,只要不符合以上两个特征,就不是串级控制系统.
串级控制在控制品质上也有两个最显著的特点.图4.7是某个串级控制系统的结构图,图中标明了各环节的传递函数.为了比较控制效果,图4.8给出了同一被控对象的单回路控制结构图.
图 4.7 串级控制系统
当二次扰动进入副回路后,二次扰动至控制系统输出(称为主参数)的传递函数为
而单回路系统, 至主参数的传递函数为:
图4.8 单回路控制系统
图 4.9
比较两式，串级系统的传递函数分母比单回路系统大的多。这说明，串级控制系统使二次扰动对主参数的增益明显减小，与单回路相比，二次扰动的影响可以减小10-100倍。从作用原理上看，二次扰动首先影响副对象的输出（称为副参数），副控制器立即产生控制作用，由于副对象（或副过程）惯性较小，所以扰动的影响很快得到克服，不会对被控变量产生大的影响。串级控制的副回路对进入副回路的干扰有很强的克服能力。这是串级控制的一个显著的特点。在设计串级控制系统时，一定要把被控对象的主要扰动包括在副回路内。这是设计串级控制系统的根本原则。
对于一次扰动，是不经过副回路的。但副回路的存在却可以使副回路的等效传递函数的惯性大大减小，改善了系统的动态特性，加快了系统的响应速度。这是串级控制的另一个显著特点。在串级控制中，副回路主要是为了抑制二次扰动，并不要将二次扰动完全消除，所以精度要求并不高，副控制器选比例控制就可以了。主回路的任务是保证系统输出与给定值一致，控制精度要求高，所以主控制器应选择比例积分（PI）或(PID)控制器。副回路起“粗调”作用，要求响应快，主回路起“细调”作用，要求精度高。这是选用主副控制器的原则。串级控制系统主副控制器参数定有多种方法。当主副对象惯性相差不大，主副回路相互影响时，可采用逐步逼近法。即先断开主回路整定副控制器参数，然后再整定主回路参数，接着再次在闭环下整定副回路参数。先副后主，逐步逼近，直到控制性能指标满意。二步整定法适用于主副对象时间常数相差较大的情况。在系统闭合时先整定副回路，然后把副回路当成一个环节，整定主回路。这种方法应用较广。现在，生产过程的新技术、新工艺以及新型的生产设备都对自动控制提出了更高的要求。在新的控制理论指导下的许多高级、先进的控制方式正在逐步获得应用。例如最优控制系统，自适应控制系统，预测控制系统，智能控制系统等。
第五章系统的稳定性分析
5.1 系统的稳定性分析
已知系统的特征方程为
用劳斯判据分析系统的稳定性如下
1 1
2 10
6 15 2
2
显然，劳斯表第一列系数符号相同，故系统是稳定的。
5.2 控制系统的稳态误差
开环传递函数表示为
式中K表示系统的开环放大系数。N表示开环传递函数所包含的积分环节数。在分析控制系统的稳态误差时，我们根据系统开环传递函数所含的积分环节数来对系统进行分类。若N=0，即控制系统开环传递函数不含积分环节，称为0型系统。若N=I,则称为I型系统。N= Ⅱ,称为Ⅱ型系统。现在，我们来讨论不同类型的控制系统在典型输入信号作用下的稳态误差。单位斜坡函数输入的稳态误差
单位斜坡函数输入下控制系统的稳态误差为
定义
则系统的稳态误差为
式中，称为速度误差系数。对于0型系统
稳态误差为
电气工程学院 设计题目：水塔水位PLC自动控制系统 系别： 年级专业： 学号： 学生姓名： 指导教师：
电气工程学院《课程设计》任务书课程名称：电气控制与PLC课程设计 基层教学单位：电气工程及自动化系指导教师：
摘要 目前，大量的高位生活用水和工作用水逐渐增多。因此，不少单位自建水塔储水来解决高层楼房的用水问题。最初，大多用人工进行控制，由于人工无法每时每刻对水位进行准确的定位监测，很难准确控制水泵的起停。要么水泵关停过早，造成水塔缺水；要么关停过晚，造成水塔溢出，浪费水资源，给用户造成不便。利用人工控制水位会造成供水时有时无的不稳定供水情况。后来，使用水位控制装置使供水状况有了改变，但常使用浮标或机械水位控制装置，由于机械装置的故障多，可靠性差，给维修带来很大的麻烦。因此为更好的保证供水的稳定性和可靠性，传统的供水控制方法已难以满足现在的要求。 本文采用的是三菱FXZN型PLC可编程控制器作为水塔水位自动控制系统核心，对水塔水位自动控制系统的功能性进行了需求分析。主要实现方法是通过传感器检测水塔的实际水位，将水位具体信息传至PLC 构成的控制模块，来控制水泵电机的动作，同时显示水位具体信息，若水位低于或高于某个设定值时，就会发出危险报警的信号，最终实现对水塔水位的自动。 关键词：水位自动控制、三菱FX2N、水泵、传感器
目录 摘要 ............................................................................................................................................................................ I 目录 ........................................................................................................................................................................... I I 第一章绪论 (1) 1.1本课题的选题背景与意义 (1) 1.2可编程逻辑控制器简述 (1) 第二章水塔水位控制系统硬件设计 (2) 2.1基于PLC的水塔水位控制系统基本原理 (2) 2.2水塔水位控制系统要求 (3) 2.3水塔水位控制系统主电路设计 (4) 2.4 系统硬件元器件选择 (5) 2.5 I/O口的分配及PLC外围接线 (6) 第三章水塔水位系统的PLC软件设计 (10) 3.1 水位控制系统的流程图 (11) 3.2 PLC 控制梯形图 (12) 3.3 水位控制系统的具体工作过程 (20) 第四章总结 (21) 参考文献 (22)
一种简单实用的水位自动控制系统设计 发表时间：2010-03-10T16:21:22.827Z 来源：《中小企业管理与科技》2010年2月上旬刊供稿作者：周玲钟义广[导读] 近年来对城市供水提出了更高的要求，水塔水位控制自动化系统被不断地改造，以适应社会的发展和人民生活水平的提高周玲钟义广（广西机电职业技术学院） 摘要：本文介绍一种简单实用的水箱水位自动控制系统的基本组成及工作原理，通过对该系统组装测试，达到预期效果，正式应用于乡镇供水系统中。实践证明，该水位控制系统设计方案合理，运行效果好，具有低成本、高使用价值的优点。关键词：水位自动控制系统 0 引言 近年来对城市供水提出了更高的要求，水塔水位控制自动化系统被不断地改造，以适应社会的发展和人民生活水平的提高，满足及时、准确、安全和保证充足供水。目前水位自动控制系统有很多成熟的产品，控制手段主要有单片机监控、比较电路监控、利用PLC和传感器构成水塔水位恒定的控制系统等，运行可靠，可实现远程监控和无人值守。在许多偏远地区，特别是居住相对分散的农村地区，供水问题也待解决。如果仍然沿用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障。本文针对乡镇和偏远农村家庭供水的特点，设计一款简单实用、符合要求的水位自动控制系统。 1 水箱水位自动控制系统的组成 针对偏远农村分散居住，取水不方便（包括从水井取水）的特点，考虑到农民生活消费水平不高，设计的供水系统必须是既方便农民的生活，又经济实惠等特点的水箱水位自动控制系统。水箱水位自动控制系统的组成。 由图中可知，水位自动控制系统电路主要由主电路和控制电路两大部分组成。主电路是一台抽水水泵，由220V交流电源电压供电。控制电路由包括整流、滤波、稳压电路、感应电路及限流限压电路组成。 2 水箱水位自动控制系统的设备 水位自动控制系统的设备只需选用价格低廉、安全可靠的设备。 由设备表可知，所有的设备都是简单而常用的小型设备，价格低廉，控制和维护简单易于掌握，对远离城市的偏远地区非常适用。传统的水位控制系统通常使用传感器进行上、下限控制，以保证水位在上、下限之间。此设计中只用三根导线来代替传感器放置在上、下限水位之间，利用水的导电特性完成上、下限水位的自动控制，节省了购买传感器的费用，也不必考虑传感器的故障，进一步降低成本，提高系统的可靠性。 常见的生活用水供应系统工作形式是由外来补充水源（一次水源）向一个高位水塔和一个低位水池补水，再由高位水塔和低位水池（二次水源）向各用户供水。此设计主要考虑针对家庭供水系统（或者某些单独取用水之处），因此只需用（储）水箱而非水塔供水。系统供水是由水箱直接供应，不用考虑由位置高度所形成的压力来进行供水，不用气压供水，不必在屋顶上设置水箱，也不用单独建筑水塔，仅在厨房或需用水的地方放置一足够大的（储）水箱即可满足供水要求。 3 水箱水位自动控制系统的控制原理 该水箱水位自动控制系统结构简单，控制原理如下：系统上电后，交流电源经整流、滤波、稳压后，由电位器调节获得12V直流工作电压。当水箱水位低于下限时，接触器线圈失电，其常闭触头使水泵接通工作，抽水到水箱中；当水位上升到上限时，接触器线圈得电，常闭触头断开，常开触头闭合，水泵停止抽水。 V1、V2用来保护LM317输出端电压为安全电压，使其免受短路电流的影响；V3用来保护三极管，同时避免触电事故的发生。水位的上、下限可通过调整三根导线的位置设定。 4 测试应用 该设计经安装调试，结合实验室给排水系统进行测试，效果良好。正式应用于某乡镇几个家庭的日常用水装置中已将近两年，至今未发生故障。该系统在运行期间稳定性高，完全符合预先规定的标准，只需将控制电路稳压输出调整在10V-12V之间，可投入使用。可用交流变压器供电，也可以用直流供电。 5 结束语 设计的水箱水位控制系统因价格便宜，结构简单，使用方便，不易发生故障，可用于要求不高的给排水系统中，特别适用于城镇及偏远山区取水装置。 参考文献： [1]布挺，王帆.基于西门子PLC的水塔水位自动控制系统[J].科技信息，2009年第12期. [2]曹琦.一种节能的变压变频供水系统[J].变频器世界，2006（7）：133-137. [3]朱晓青主编.过程检测控制技术与应用.北京，冶金工业出版社，2002年.
控制类系统设计 ——液位自动控制系统 摘要 随着电子技术、计算机技术和信息技术的发展，工业生产中传统的检测和控制技术发生了根本性的变化。液位作为化工等许多工业生产中的一个重要参数，其测量和控制效果直接影响到产品的质量，因此液位控制成为过程控制领域中的一个重要的研究方向。 液位控制是工业中常见的过程控制，它对生产的影响不容忽视。该系统利用了常见的芯片，设计并实现了液位控制系统的智能性及显示功能。电路组成简单，调试方便，性价比高，抗干扰性好等优点，能较好的实现水位监测与控制的功能。能够广泛的应用于工业场所。 液位控制有很多方法，如，非接触传感。只需要将传感器紧贴在非金属容器的外壁，就可以侦测到容器里面液位高度变化，从而及时准确地发出报警信号，有效防止液体外溢或防止机器干烧。由于不需要与液体接触且安装简便，避免了水垢的腐蚀，可取代传统的浮球传感和金属探针传感，延长寿命。而本设计是基于纯电路的设计，低成本且抗干扰性好。在本设计中较好的实现了水位监测与控制的功能。 液位控制系统是以液位为被控参数的系统，液位控制一般是指对某控制对象的液位进行控制调节，以达到所要求的液位进行调节，以达到所要求的控制精度。
1 概述 液位控制系统是以液位为被控参数的系统,是现代工业生产中的一类常见的、重要的控制过程。而传统的液位控制多采用单回路控制,并采用传统的指针式仪表来显示液位值,使液位控制的精度和显示的直观性受到限制,而随着生产线的更新及生产过程控制要求的提高,要求液位系统有高的控制性能。基于此，本系统就设计了一种电路简单，调试方便且性价比高的系统，来完成液位的自动调控。本系统主要由四部分组成：显示模块、振荡模块、传感器模块和声光报警模块，系统简单易行。 系统框图如下： 2 硬结构与功能 2.1 该设计的总体结构 该设计是一块集多种电子芯片于一体的多功能实验板，实现了液位系统的控制及显示。主要功能器件包括：电源部分的7808，定时部分的555定时器，数字分段的LM3914等。 电路原理图如下图所示：
过程控制课程设计 设计题目：贮槽液位控制系统设计 学院：电气工程学院 专业：自动化 班级：091班 2012年6月4日
小组成员： 序号学号姓名设计分工 16 0902100138 姚航程总方案的确定及原理、控制参数的整定、 simulink仿真 17 0902100140 韦寿德测量变送器的选型、控制参数的整定、查阅 资料 18 0902100141 张印测量变送器的选型、控制参数的整定 19 0902100142 邓世杰调节阀的选型、水箱的建模 20 0902100147 杨奉志总方案的确定及原理、控制参数的整定、 simulink仿真 21 0902100148 钟昌帅simulink仿真、调节阀的选型 22 0902100149 李晓明控制器的选型、控制参数的整定、设计总结、 整理报告 23 0902100202 张凯强simulink仿真、水箱的建模、查阅资料 24 0902100203 农志兴调节阀的选型、水箱的建模 25 0902100204 袁剑波控制器的选型、查阅资料 26 0902100206 李季调节阀的选型、控制器的选型 27 0902100208 黄灵浩测量变送器的选型、水箱的建模、查阅资料 28 0902100209 谭雷调节阀的选型、水箱的建模 29 0902100213 吴高阳控制参数的整定、水箱的建模、查阅资料 30 0902100216 潘敏调节阀的选型、测量变送器的选型
目录 一、设计目的 (4) 二、设计任务及要求 (4) 三、工艺过程及要求 (5) 四、系统总体方案的选择及说明 (6) 五、系统结构框图与工作原理 (7) 1.系统结构框图 (7) 2.工作原理 (8) 3.水箱建模 (8) 六、各单元软硬件 (10) 1.控制对象 (10) 2.控制器 (10) 3.调节阀 (11) 4.差压变送器 (12) 七、参数的整定及仿真结果 (13) 1.经验法（现场实验整定法） (13) 2.常见被控量的PID参数选择范围 (13) 3.控制器各校正环节的作用 (13) 4.仿真结果 (14) 八、分析总结 (16) 设备清单 (17) 参考文献 (18)
北京理工大学珠海学院 课程设计 课程设计（C） 学院：信息学院 专业班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 201 年月日 北京理工大学珠海学院
北京理工大学珠海学院 课程设计任务书 2011 ～2012 学年第 1 学期 学生姓名：专业班级：自动化 指导教师：工作部门：信息学院 一、课程设计题目水塔水位控制系统 二、课程设计内容： 1、硬件设计 （1）用80C51设计一个单片机最小控制系统。其中P1.0接水位下限传感器，P1.1接水位上限传感器，P1.2输出经反相器后接光电耦合器，通过继电器控制水泵工作，P1.3输出经反相器后接LED，当出现故障时LED闪烁；P1.4输出经反相器后接蜂鸣器，当出现故障时报警。 （2）用塑料尺、导线等设计一个水塔水位传感器。其中A电级置于水位10CM处，接5V电源的正极，B级置于水位15CM处，经4.7K下拉电阻接单片机的P1.0口，C 电级置于水位的20CM处，经4.7K下拉电阻接单片机的P1.1口。 （3）设计一个单片机至水泵的控制电路。要求单片机与水泵之间用反相器、光电耦合器和继电器控制，计算出LED限流电阻，接好继电器的续流二极管。 2、软件设计 （1）根据功能要求画出控制程序流程图。 （2）根据控制程序流程图编写80C51汇编语言或C51程序。 三、功能要求： 1、水塔水位下降至下限水位时，启动水泵,水塔水位上升至上限水位则关闭水泵。 2、水塔水位在上、下限水位之间时，水泵保持原状态。 3、供水系统出现故障时，自动报警。 四、调试 1、在Kerl-uvision上单步调试，观察累加器寄存器存储器的运行之间是否正常。 2、将程序下载到仿真仪上，进行模拟仿真，检查程序工作是否正常。 3、将模拟水塔、传感器、控制电路和水泵联成一个完整的系统，进行整机调试，观察系统工作是否正常。 撰搞人教研室主任院长 签名 日期2010.10.6
等级: 课程设计 2016年6月17日
电气信息学院 课程设计任务书 课题名称液位自动控制系统设计与调试 姓名专业班级学号 指导老师沈细群 课程设计时间2016年6月6日～2016年6月17日（第15～16周） 教研室意见同意开题。审核人：汪超林国汉 一.课程设计的性质与目的 本课程设计是自动化专业教学计划中不可缺少的一个综合性教学环节，是实现理论与实践相结合的重要手段。它的主要目的是培养学生综合运用本课程所学知识和技能去分析和解决本课程范围内的一般工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。通过课程设计使学生得到工程知识和工程技能的综合训练，获得应用本课程的知识和技术去解决工程实际问题的能力。 二. 课程设计的内容 1.根据控制对象的用途、基本结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制要求，确定控制方案。 2.绘制水箱液位系统的PLC I/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。 3.选择电器元件，列出电器元件明细表。 4.上机调试程序。 5.编写设计说明书。 三. 课程设计的要求 1.所选控制方案应合理，所设计的控制系统应能够满足控制对象的工艺要求，并且技术先进，安全可靠，操作方便。 2.所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的GB4728－84《电气图用图形符号》、GB6988－87《电气制图》和GB7159－87《电气技术中的文字符号制定通则》的有关规定。 3.所编写的设计说明书应语句通顺，用词准确，层次清楚，条理分明，重点突出，篇幅不少于7000字。
四.进度安排 1.第一周星期一：布置课程设计任务，讲解设计思路和要求，查阅设计资料。 2.第一周星期二～星期四：详细了解搬运机械手的基本组成结构、工艺过程和控制要求。确定控制方案。配置电器元件，选择PLC型号。绘制传送带A、B的拖动电机的控制线路原理图和搬运机械手控制系统的PLC I/O接线图。设计PLC梯形图程序，列出指令程序清单。 3.第一周星期五：上机调试程序。 4.第二周星期一：指导编写设计说明书。 5.第二周星期二～星期四：编写设计说明书。 6.第二周星期五：答辩。 附录：课题简介及控制要求 （1）课题简介 某化工厂水箱的排水量根据工业生产的需要而不断地变化，为了保持水箱压力恒定，就要保持水位恒定，因此就必须自动调整进水量。 本系统要求有手动和自动两种工作方式。手动控制方式用于水泵的调试，即当按下按钮时水泵运转，松开按钮时水泵停止，目的是为了调试水泵是否能正常工作；当系统切换为自动控制方式并启动后，控制系统自动调整水泵的进水量达到给定水位恒定。水位设定高限和低限，当水位超过设定的限位时要进行超限报警。 （2）控制要求 控制系统技术参数表
目录 摘要 (1) 关键词 (1) 引言 (2) 1设计任务目的及要求 (2) 1.1 设计目的 (2) 1.2 设计要求 (2) 2系统元件的选择 (3) 2.1有自平衡能力的单容元件 (3) 2.2 无自平衡能力的单容元件 (4) 2.3单容对象的特性参数 (6) 3控制器参数的整定 (7) 3.1 参数的确定 (7) 3.2 电动机的数学模型 (9) 3.3 控制系统的数学模型 (10) 3.4 PID控制器的参数计算 (10) 4控制系统的校正 (11) 4.1 控制器的正反作用 (12) 4.2 串级控制系统 (12) 5系统的稳定性分析 (16) 5.1 系统的稳定性分析 (16)
5.2 控制系统的稳态误差 (17) 结束语 (19) 参考文献 (20) 致 (21)
水箱液位自动控制系统原理 摘要：水箱液位自动控制系统就是利用自身的水位变化进行调节和改变的系统，它自身具平衡能力，并由电动机带动下自动完成水位恢复的功能。水箱液位是由传感器检测水位变化并达到设定值时，水箱自己的阀门关闭，防止溢出，当检测液位低于设定值时，阀门打开，使液位上升，从而达到控制液位的目的。 关键词：有自平衡能力、无自平衡能力、电动机、单容对象、系统稳定 引言 液位自动控制是通过控制投料阀来控制液位的高低，当传感器检测到液位设定值时，阀门关闭，防止物料溢出；当检测液位低于设定值时，阀门打开，使液位上升，从而达到控制液位的目的。在制浆造纸工厂常见有两种方式的液位控制：常压容器和压力容器的液位控制，例如浆池和蒸汽闪蒸罐。液位自动控制系统由液位变送器（或差压变送器）、电动执行机构和液位自动控制器构成。根据用户需要也可采用控制泵启停或改变电机频率方式来进行液位控制。结构简单，安装方便，操作简便直观，可以长期连续稳定在无人监控状态下运行。 1 设计任务目的及要求 1.1 设计目的 通过课程设计，对自动控制原理的基本内容有进一步的了解，特别是水箱液位系统的设计。能把本学期学到的自动控制理论知识进行实践，操作。在提高动手能力的同时对常
课程设计(论文) 题目名称： 课程名称： 学生姓名： 学号： 学院： 指导教师：
课程设计任务书
目录 摘要 (4) 引言 (5) 1几种方案的比较 (6) 1.1 简单的机械式控制方式 (6) 1.2 复杂控制器控制方案 (6) 1.3通过水位变化上下限的控制方式 (6) 2水塔水位控制原理 (8) 3电路设计 (9) 3.1原件的介绍 (9) 3.2引脚功能 (10) 3.3 水位检测接口电路 (13) 3.4报警接口电路 (14) 3.5 存储器扩展接口电路.................. .. (14) 4系统软件设计 (15) 4.1 流程图 (15) 4.2程序 (16) 5实验仿真 (18) 6结语 (19)
7参考文献 (19) 摘要 随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择了由单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目，通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外，水位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。设计一种基于单片机水塔水位检测控制系统。该系统能实现水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能，实现超高、低警戒水位报警，超高警戒水位处理。介绍电路接口原理图，给出相应的软件设计流程图和汇编程序，并用Proteus软件仿真。实验结果表明，该系统具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性强。 关键词：单片机；水位检测；控制系统；仿真
一、水塔水位 1、系统描述及控制要求 1.1 国内外发展现状调查 1.1.1 PLC及西门子S7-200系列PLC介绍 20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。 20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。 20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。 西门子S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。 西门子S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。
一、课程设计(综合实验）的目的与要求 锅炉是工业生产及人民生活的主要的动力及能源。汽包水位是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标,水位过高会导致蒸汽带水进入过热器，并在过热管内结垢,影响传热效率，严重的将引起过热器爆管；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环引起水冷壁局部过热而爆管。高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大，而汽包的体积相对来说较小，水位的时间常数很小。大容量锅炉若给水不及时，数秒之内就可能达到危险水位，所以锅炉汽包水位的控制显得非常重要。因此,必须采取有效、精确的自动调节,严格控制汽包水位在规定范围内。 影响汽包水位变化的因素很多，如燃煤量、给水量和蒸汽流量。燃煤量对水位变化的影响是比较缓慢的,容易克服。因此,主要考虑给水量和蒸汽流量对水位的影响。水位过高会影响汽包内汽水分离,饱和水蒸汽温度急剧下降,该过热蒸汽作为汽轮机动力的话,将会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全性和经济性。水位过低，则由于汽包内的水量转少，而负荷很大时，如不及时调节就会使汽包内的水全部液化,导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。因此,锅炉汽包水位必须严加控制。 二、设计（实验）正文 1控制系统的整体分析： 1.1影响汽包水位的主要因素 1)给水流量W 2)主蒸汽流量D 3)燃料量B 1.2控制指标 保证给水流量W和主蒸汽流量D保持平衡,维持汽包水位Ｈ在较小范围内波动。１.３汽包水位控制对象的动态特性分析 做各种主要影响因素的阶跃扰动,记录并分析汽包水位的响应曲线 1)给水扰动: Maｔlab仿真如图1:
图1：给水扰动Ｍatlab仿真 运行结果如图2： 图2:给水扰动下的水位响应曲线 由被控对象在给水量扰动下的水位阶跃响应曲线，可以看出该被控对象无自平衡能力,且有较大的迟延，因此应采用串级控制，将给水流量的扰动消除在采用带比例作用的副调节回路中，以保证系统的稳定性。 2)蒸汽扰动： Mａtｌａb仿真如图３： 图3:蒸汽扰动Maｔlaｂ仿真 运行结果如图4:
淮安嘉可自动化仪表有限公司 液位控制系统的特点及应用范围 概述 液位控制系统由液位传感器、中间电缆、液位控制显示器构成，可以实时显示当前液位值，配合控制箱实现对水泵、电磁阀、电动阀、声光报警器、接触器、电动调节阀、启动柜等的控制。适用于水池、水罐、水箱水塔、集水坑、集水井等场合的液位控制，可选自动补水功能。 系统特点 1、精确可靠，品质稳定，全天候工作，使用寿命长； 2、红色发光柱模拟实际水位，上下升降直观生动； 3、安装简便，主机可装在值班室、控制室、中控机房消防中心等易于观察的地方； 4、设置数据保存在EEPROM存储器中（断电不丢失）； 5、独特抗干扰设计，信号传输距离长达5公里（传感器离信号接收主机的距离）； 6、测量量程可选可定做； 7、多种传感器可供选择，全面适应卫生要求、腐蚀性、高温、结晶结垢、高压、带搅拌、粘稠、挥发性液体浆体等； 8、全开放式菜单，所有控制点均可连续地、自由地调节设置，产品内置PLC控制系统，使用者无需具备任何PLC知识就能轻松实现显
淮安嘉可自动化仪表有限公司 示、控制、报警等目标的设置。 系统技术参数 ●测量对象：浆体、液体 ●测量范围：0-0.3~60米（量程可选可指定） ●环境湿度：0~100％RH ●测量精度：0.2％ ●响应灵敏：0.01s~16s连续可调 ●稳定性能：长期工作稳定性优于0.1％ ●供电电源：220VAC/24VDC ●输出信号：继电器、4-20mA、RS485等可选 ●环境温度：-30~65℃ ●介质温度：-40~200℃ ●防护等级：传感器防护等级IP68 ●主机馈电：主机自带24VDC稳压馈电 ●主机尺寸：160*80*100mm ●显示方式：高亮度LED数字显示，发光柱模拟液位上下升降显示●报警设置：在量程范围内可任意设定 ●控制设置：在量程范围内可任意设定 ●使用寿命：设备正常使用寿命8~10年 ●接液膜片材质：316L不锈钢、哈氏合金、聚四氟乙烯、PTFE、 钛、钽、铂金等
摘要 水塔水位控制系统，根据水位传感器得知水塔内水位情况，水位传感器分为上限位传感器和下限位传感器，还有一个直接接上5V的传感器。当水塔上限位和下限位传感器电位为0时，电机运转，期间电机状态不变，直到下限位传感器和上限位传感器的电位不为0时，电机停转。当发生下限位传感器电位为0而上限位传感器电位不为0时，电机停转并报警。水塔水位控制电路设有光耦合器，通过光耦合器的通断控制电机运转与停转。同时设有LED 灯和蜂鸣器，报警时LED灯闪烁和蜂鸣器响。水塔水位控制器系统有四种状态，分别为电机运转状态、电机停转状态、保持状态和报警状态。各种状态皆由水位传感器传来的信号来判定并由单片机输出信号来执行，由此使得水位控制在上限位和下限位之间。 水塔水位控制系统的原理 1、功能要求 1）水塔水位下降至下线水位时，启动水泵上水。 2）水塔水位上升至上线水位时，关闭水泵。 3）水塔水位在上、下限水位之间时，水泵保持原状态。 4）供水系统出现故障时，自动报警。 2、基本原理 图1 水塔水位检测原理图 水塔水位控制原理图见图(1)，图中两条虚线表示正常工作情况下水位升降的上下限，在正常供水时，水位应控制在两条虚线代表的水位之间。B测量水位下限，C测量水位上限，A接+5V，B、C接地。 在水塔无水或水位低于下限水位时，B、C为断开，B、C两点电位为零(低电平“0” )，需要水泵供水，单片机输出低电平，控制电机工作供水。水位上升到B点，B接通，B点电位变为高电平“1”，C开关仍断开，C点仍为低电平，维持现状水泵继续供水。当水位上升到C点时，C接通。这时B、C均接通，B、C两点都为高电平，表示水塔水位已满，需水泵停止供水，单片机输出高电平，电机断电停止供水。水塔水位开始下降，水位在降到B点之前，B点电位为高、C点电位为低，单片机输出控制电平维持不变，仍为高。当水位降到B 点以下，B、C两点电平都为低时，单片机输出控制电平又变低．水泵供水。 B和p1.0、C和P1.1之间接4.7k 的电阻（下拉电阻），目的是为了保护单片机。单片机9
单容液位控制系统设计 Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT
目录1系统设计认识 (1) 前言 (1) 2系统方案确定、系统建模和原理介绍 (1) 控制方案确定 (1) 控制系统建模 (1) (1) (2) 3系统构成 (4) 控制系统结构 (4) 控制系统方框图 (4) 4系统各环节分析 (5) 调节器PID控制 (5) 执行器分析 (6) 检测变送环节分析 (6) 被控对象分析 (6) 5系统仿真 (7) 系统结构图以及参数整定 (7) 6仪器仪表选型 (10)
PID调节器选择 (10) 执行器选择 (11) (11) (11) (12) 差压变送器的选择 (12) 7课程设计结束语 (14) 参考文献 (15)
一、系统设计认识 前言 过程控制早已在矿业、冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。在液位控制方面，比如:水塔供水、工矿企业排给水、锅炉汽包液位控制、精馏塔液位控制等更是发挥着重要作用。在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作，极易出现操作失误引起事故，造成厂家的经济损失。可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响着工厂的生产成本、经济效益以及设备的安全系数。所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。 本设计以单容水箱的液位控制系统为研究对象。由于单回路反馈控制系统结构简单、投资少、操作方便，且能满足一般的生产过程要求，在液位控制中得到了广泛的应用，所以本设计单容水箱的液位控制系统采用的就是单回路反馈控制。它的控制任务就是使水箱液位保持在给定值所要求的高度，并且减少或消除来自系统内部和外部扰动的影响。通过系统方案的选择，完成系统的工艺流程图设计和方框图的确定，各环节仪表仪器的选型，控制算法的选取，系统的仿真以及控制参数的整定等工作。 二、系统方案确定、系统建模和原理介绍 控制方案确定 如前言所介绍，由于单回路反馈控制系统结构简单、投资少、操作方便，且能满足一般的生产过程要求，在液位控制中得到了广泛的应用，故采用单回路反馈控制。 液位控制的实现除模拟PID调节器外，还可以采用计算机PID算法控制。由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过单片机进行A/D转换，变成数字信号后输入计算机中；在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值传送到单片机中，由单片机将数字信号转换成模拟信号；最后，由单片
《过程控制与集散系统》 课程设计 题目：液位升降过程控制系统设计 学院信息科学与工程学院 班级 学号 学生姓名 指导教师周红军
一、设计题目、任务及要求 1.设计题目： 液位升降过程控制系统设计 2.设计任务： 图1所示为某工业生产中的液位控制设备，设计任务是通过控制系统向水箱注入工业用水，经过液位调节后，使其满足下道工序要求。水箱注水工艺过程为：工业用水由水泵驱动，经送水管道注入水箱内；水箱具有出水口，向下道工序送水；由于工艺对水箱内水压有要求，水箱内液位高度必须达到一定的液位高度；水箱底板具有液位传感器，输水管道上具有流量传感器；输水管道上装有一个调节阀，用以控制向水箱注水的流量，已达到控制水箱液位的目的。 水泵 工业水箱 给定值 输出值 变频器 流量 输出值 去下一 工序 传感器调节 器传感 器调节器水源 电动调节阀 图1 工业水箱液位控制系统 由于水箱时间常数大，且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对水箱液位的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用输水管流量副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。 3.设计要求 (1) 绘制水箱液位单回路反馈控制系统结构框图。 (2) 以水箱液位为主变量，选择滞后较小的管道流量作为副变量，构成水箱液位串级控制系统，要求绘制该串级控制系统结构图。
(3) 假设主对象的传递函数为01()(1)(2) G s s s = ++学号后两位 ，副对象的传递函数为 02()(1) G s s = +学号后两位 ，主、副控制器的传递函数分别为s K s G c c 21)(11+=， 22)(c c K s G =，1)()(21==s G s G m m ，请确定主、副控制器的参数（要求写出详细的参数估算过程）。 (4) 利用simulink 实现单回路系统仿真和串级系统仿真，分别给出系统输出响应曲线。 二、设计任务分析 （一）系统采用单回路反馈控制系统结构框图 （二）串级控制系统 在送水管道中有一个电动调节阀，根据反馈情况用来控制调节水流量，但由于水流量干扰较多，如水流量不稳定，管道不通畅等众多干扰，因此单回路反馈控制系统不能满足对水箱液位的控制要求。为提高控制质量，采用串级反馈控制系统，以水箱液位为主变量，选择滞后较小的管道流量作为副变量，构成水箱液位串级控制系统，提高控制质量，满足工艺要求。 串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
基于PID的上水箱液位控制系统设计 过程控制系统课程设计 基于PID的上水箱液位控制系 统设计
一、课程设计任务书 1.设计内容 针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池，实现对高液位池液位高度的自动控制。具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器，实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。 2.设计要求 1、以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。 2、PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超调量20%，稳态误差≤±0.1；调节时间ts≤120s； 3、组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线； 4、选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数； 5、通过S7-200PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试； 6、分析系统基本控制特性，并得出相应的结论； 7、设计完成后，提交打印设计报告。
3.参考资料 1.邵裕森,戴先中主编.过程控制工程(第2版).北京:机械工业出版社.2003 2.崔亚嵩主编.过程控制实验指导书（校内） 3.廖常初主编.PLC编程及应用(第2版).北京:机械工业出版社.2007 4.吴作明主编.工业组态软件与PLC应用技术.北京:北京航空航天大学出版社.2007 4.设计进度（2010年12月27日至2011年1月9日） 时间设计内容 2010年12月27日布置设计任务、查阅资料、进行硬 件系统设计 2010年12月28日～ 2010年12月29日 编制PLC控制程序，并上机调试； 2010年12月30日～2010年12月31日利用MCGS组态软件建立该系统的工 程文件 2011年1月2日～2011年1月4日进行MCGS与PLC的连接与调试进行PID参数整定 2011年1月5日～2011年1月6日系统运行调试，实现单容水箱液体 定值控制 2011年1月7日～ 2011年1月9日 写设计报告书 5.设计时间及地点 设计时间：周一～周五，上午：8：00～11：00 下午：1：00～4：00 设计地点：新实验楼，过程控制实验室（310） 电气工程学院机房（320）
水池水位自动控制系统设计与制作 摘要 根据物体在水中漂浮的性质，可以用一个浮球来感知水塔里水位的升降，用来控制水泵，使水泵能自动对水池上水，水满时能自动断电停止，真正做到了水池的全自动控制功能，解决了人们日常用水的诸多不便。 本毕业论文范文写的是水池水位自动控制电路的作用是根据水位的高低，自动地控制水泵的启动与停止。水泵和水位的高低是相互反馈的。这样就可以实现水位自动控制的目的。我所设计的水位制动控制装置是有以下几部分组成：水位自动控制电路，高低水位报警器，数码显示。水位自动控制在一定范围内（如 2 -6 米），当水位低至2米时使水泵启动上水；当水位升至6米时，使水泵停止工作。因特殊情况水位超限（如高至7米、低于2米）报警器报警。设有手动按键，便于随机控制。由数码管直观显示当前水位。本系统可以随时的控制水位的高低，防止过量放水或来水无人打开关。 关键词：水池；浮子开关；自动上
Abstract According to the nature of an object floating in the water, you can use a float to sense the water level in the lift tower to control the pump, the pump automatically to the water tower, Sheung Shui, water, power off automatically when full stop pumping water tower, and truly automatic control tower to solve the inconvenience of daily water. Pham Van of the thesis is written in the role of water level automatic control circuit is based on the level of the water level, automatic control of pump start and stop. Pumps and water level is the level of mutual feedback. This level can automatically control. I designed the brake control device is the water level has the following components: automatic water level control circuit, high and low water level alarm, digital display. Automatic water level control within a certain range (eg. 2-6 meters), when the water level as low as 2 meters, the Sheung Shui to start the pump; when the water level to 6 meters, the pump stopped working. Water level gauge due to special circumstances (such as up to 7 meters, as low as 2 meter) alarm to the police. With manual buttons, easy to stochastic control. Visual display by the LED current level. The system can control the water level at any level, to prevent excessive drainage or runoff and no open relations Keywords:water tower; float switch; automatic pumpin
课 程 设 计 2016年6月17日
电气信息学院 课程设计任务书 课题名称液位自动控制系统设计与调试 姓名专业班级学号 指导老师沈细群 课程设计时间2016年6月6日～2016年6月17日（第15～16周） 教研室意见同意开题。审核人：汪超林国汉 一.课程设计的性质与目的 本课程设计是自动化专业教学计划中不可缺少的一个综合性教学环节，是实现理论与实践相结合的重要手段。它的主要目的是培养学生综合运用本课程所学知识和技能去分析和解决本课程范围内的一般工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。通过课程设计使学生得到工程知识和工程技能的综合训练，获得应用本课程的知识和技术去解决工程实际问题的能力。 二. 课程设计的内容 1.根据控制对象的用途、基本结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制要求，确定控制方案。 2.绘制水箱液位系统的PLC I/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。 3.选择电器元件，列出电器元件明细表。 4.上机调试程序。 5.编写设计说明书。 三. 课程设计的要求 1.所选控制方案应合理，所设计的控制系统应能够满足控制对象的工艺要求，并且技术先进，安全可靠，操作方便。 2.所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的GB4728－84《电气图用图形符号》、GB6988－87《电气制图》和GB7159－87《电气技术中的文字符号制定通则》的有关规定。 3.所编写的设计说明书应语句通顺，用词准确，层次清楚，条理分明，重点突出，篇幅不少于7000字。
四.进度安排 1.第一周星期一：布置课程设计任务，讲解设计思路和要求，查阅设计资料。 2.第一周星期二～星期四：详细了解搬运机械手的基本组成结构、工艺过程和控制要求。确定控制方案。配置电器元件，选择PLC型号。绘制传送带A、B的拖动电机的控制线路原理图和搬运机械手控制系统的PLC I/O接线图。设计PLC梯形图程序，列出指令程序清单。 3.第一周星期五：上机调试程序。 4.第二周星期一：指导编写设计说明书。 5.第二周星期二～星期四：编写设计说明书。 6.第二周星期五：答辩。 附录：课题简介及控制要求 （1）课题简介 某化工厂水箱的排水量根据工业生产的需要而不断地变化，为了保持水箱压力恒定，就要保持水位恒定，因此就必须自动调整进水量。 本系统要求有手动和自动两种工作方式。手动控制方式用于水泵的调试，即当按下按钮时水泵运转，松开按钮时水泵停止，目的是为了调试水泵是否能正常工作；当系统切换为自动控制方式并启动后，控制系统自动调整水泵的进水量达到给定水位恒定。水位设定高限和低限，当水位超过设定的限位时要进行超限报警。 （2）控制要求 控制系统技术参数表