基于组态软件的双容水箱液位控制系统设
计
摘要：液位控制问题是人民生活以及工业生产过程中的一类常见的问题，在污水处理，溶液过滤，化工生产等多种行业在生产加工过程之中都需要对液位进行控制，如果液位控制得当就能够提高生产效率以及产品的质量。这些不同背景的液位控制都可以简化为双容水箱的水位控制问题。
本文基于MCGS组态软件，使用AE2000B型过程控制实验装置，运用PLC技术，自动控制技术，通信技术设计了一个双容水箱串级控制系统，该系统能够完成对下水箱水位的精确控制并且具有易于操作、运行可靠、抗干扰能力强的特点。
关键词：MCGS；PLC；液位控制；双容水箱；PID；串级控制
Control System of Double Capacity Water Tank
Based on Configuration Software
Abstract: It is a kind of common problem that in the process of industrial and people met in life. In the most production process need to control the liquid level including In sewage treatment, filter solution, chemical production and other industries etc.if the lituid level be controled properly that can improve efficiency of production and quality. All of above problems that with different background can be simplified to double capacity water tank water level control problem.
This essay is based on MCGS configuration software,he use of AE2000B process control experimental device, PLC technology, automatic control technology，in addition,we designed a Double Capacity Water Tank Cascade Control System,the system can be precisely controlled under the water tank level and easy operation, reliable operation, strong anti-interference ability.
Key words: MCGS, PLC, Level control, Double Capacity Water Tank, PID, cascade control
目录
第1章绪论 (1)
1.1 课题的背景和意义 (1)
1.2 MCGS组态软件简介 (2)
1.3可编程逻辑控制器简介 (4)
第2章控制系统硬件部分 (7)
2.1控制系统的组成 (7)
2.2器件型号 (8)
第3章被控对象建模 (9)
3.1单容过程建模 (9)
3.2双容过程建模 (11)
第4章实验法求取水箱参数 (13)
4.1修正实验装置误差 (13)
4.1.1电动调节阀的特性 (13)
4.1.2上水箱水位特性 (14)
4.1.3下水箱水位特性 (15)
4.2测定水箱阶跃数据 (15)
4.3双容水箱阶跃响应参数 (17)
4.3.1求取上水箱传递函数 (17)
4.3.2求取下水箱传递函数 (19)
第5章系统控制方案设计 (20)
5.1 PID控制原理 (20)
5.2方案设计 (22)
5.3调节器参数整定 (24)
5.3.1 MATLAB软件简介 (24)
5.3.2副回路参数整定 (25)
5.3.3主回路参数整定 (26)
5.3.4抗干扰能力验证 (27)
第6章组态界面设计 (29)
6.1总体设计 (29)
6.2 具体组态过程 (30)
6.2.1水箱动画界面 (30)
6.2.2定义数据变量 (30)
6.2.3动画连接 (31)
6.2.4水位数据及曲线 (32)
6.2.5报警设置 (33)
6.2.6运行策略 (34)
第7章联机调试 (36)
7.1 PLC程序设计 (36)
7.1.1程序流程图 (36)
7.1.2 PLC资源分配 (37)
7.2连接实验装置 (37)
7.2.1连接PLC与双容水箱 (37)
7.2.2连接MCGS与PLC (38)
7.3运行和调试 (39)
7.3.1 MCGS的监控功能 (39)
7.3.2调试结果 (41)
总结 (43)
致谢 (44)
参考文献 (45)
附录1 数据采集程序 (47)
附录2 串级控制程序 (49)
第1章绪论
1.1 课题的背景和意义
液位控制问题与人民的生产以及生活有着密切的联系。在生活之中如居民生活用水的供应，热水器、洗衣机等电器的使用等都离不开液位控制；在生产加工过程中如饮料、食品加工，污水处理，化工生产，炼铁炼钢等都需要对蓄液池中的液位进行控制。在工业生产中通过对液位的检测可以了解容器中的原料与成品之间的比例关系，通过对液位的控制可以调节容器之中各种成分的比例，保持容器中的物料平衡。如果对容器之中的液位控制的得当则能够提高生产效率以及产品的质量，如果控制不当则增大产品的不合格率]1[。因此液位是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态情况下，采用合适的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果。蓄液池中的液位需要维持在适当的高度，就需要要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量。
目前国内外的用于液位控制的控制器有很多，控制的原理与方式也是各不相同，控制要求不高的情况下常用的有：
（1）液压式水位控制阀原理：当液位下降时，阀内的弹簧受力减小，进水阀芯打开，自动加水；随着水箱内的水位逐渐上升，阀门内所受的压力逐渐增大，当水位上升到预设的液位时弹簧所受的力与阀内所承受的压力达到平衡，阀门自动停止加水。该控制方法适用于工矿企业、民用建筑中的各种水箱、太阳能水箱的自动供水系统]2[。并可用作常压锅炉循环供水水箱的进水控制阀。
（2）浮球水位控制器利用浮球在液体中的上升或下降，接通球体内部的重力开关，再由浮球内部的触点开关去控制相关电器设备]3[。浮球水位控制器分为管式浮球与缆浮球，管式浮球适合清水及粘度不大的液体，缆浮球适合污水。
但是液位控制系统是一个非线性系统，采用上述控制方式存在溶积延迟时间长、抗干扰能力差、控制精度低等问题，不能满足高精度的控制要求。采用组态软件编制上位机控制界面和通过PLC算法程序，组建接近于实际的控制系统。通过在线运行，具有控制自适应能力强，动态、静态品质优良等优点，有效地解决了类似系统难于控制的问题]4[。对液位控制系统，一般是在工作点附近线性化后再加以控制的，控制方法有PID控制、基于线性模型的模糊控制]5[、人工神经网络]6[等。
这些不同背景的液位控制都可以简化为水箱的液位控制问题]7[。水箱液位控制系统的设计应用非常广泛，可以把一个复杂的液位控制系统简化成水箱液位控制系统来
实现。本文基于组态软件，使用AE2000B型过程控制实验装置，以PLC作为控制器，设计了一个双容水箱串级控制系统，该控制系统以下水箱为主控对象，通过控制上水箱进水量达到控制水箱液位的目的，双容水箱模型见图1-1。
图1-1 双容水箱模型
1.2 MCGS组态软件简介
MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows 98/Me/NT/2000等操作系统。目前MCGS有通用版、网络版以及嵌入版这三个版本]8[。
总体来说，MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。用户在组态系统设计和构造自己的应用系统建立组态工程，在设计完成之后用户可以在运行环境之中运行组态工程，进行各种处理包括“动画显示”、“现场控制”、“报警”等功能，完成用户组态设计的目标和功能。“MCGS组态环境”与“MCGS运行环境”相互独立，又紧密联系，如图1-2所示。
图1-2 组态环境与运行环境
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，各个窗口具有不同的功能，如图1-3所示。要完成一个工程就需要对五个窗口进行合理的设计。
图1-3MCGS软件的五大组成部分
五大窗口的具体功能：
（1）主控窗口主控窗口是工程的主窗口，用于构造系统的主框架，在MCGS 单机版中只能有一个主控窗口。主控窗口可以进行工程的菜单设计，用于在运行环境中打开、关闭相应的功能窗口。
（2）设备窗口MCGS与外部设备（如：PLC）之间的连接是通过设备窗口完成的，在MCGS单机版中只能有一个设备窗口。设备窗口还提供了虚拟设备，可以为动态数据库中的数据对象提供波形数据，用于验证组态工程是否存在错误。
（3）用户窗口用户通过该窗口生成动画显示、参数设定、曲线显示、报警等人机交互界面，实现数据和流程的“可视化”。
（4）实时数据库实时数据库是MCGS系统的核心，工程中的数据交换都要经过实时数据库。在建立工程之时要在实时数据库之中新建数据变量，这些变量将在运行环境下接受并储存从外界采集来的数据以及在运行过程中产生的数据。系统的其它部分通过对这些数据的处理来实现各种功能。
（5）运行策略运行策略是对系统运行流程实现有效控制的手段。这些控制功能是由通过编写控制程序，选用功能构建实现的。
1.3可编程逻辑控制器简介
可编程逻辑控制器，简称PLC，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
在制造业和过程工业中，存在着大量以数字量为主的逻辑控制，这些逻辑控制要求控制系统能够按照一定的逻辑顺序对开关量进行控制，并能够对生产现场大量的脉冲、计时、计数、开关量、报警等信息进行监控和处理，在早期的控制中这些工作是通过继电-接触器控制系统来实现的。由于继电-接触器逻辑部分是有继电器、接触器来实现的具有一定的复杂性，在控制逻辑十分复杂的情况下，就需要使用大量的继电器、接触器，电路十分复杂，因此继电-接触器控制系统具有设计复杂、安装不方便、体积庞大、故障率高、功耗大、不易维护、不以改造等缺点。这些缺点基本上都是由其复杂的逻辑电路引起的，由软件来实现控制系统的逻辑部分，便能很好的克服这些缺点，可编程逻辑控制器便因运而生了。
PLC是计算机技术与继电-接触控制电路相结合的产物，是一种用于工业控制的专用计算机。以西门S7-200PLC为例PLC有以下五个部分组成]9[：（1）中央处理单元（CPU）
目前大中型PLC多采用16位或者32位的微处理器作为CPU，CPU是PLC的核心部分，PLC的控制功能是通过CPU运算功能实现的。CPU在运行时主要完成以下任务：①接受编程软件输入的程序和数据并储存在相应的位置。②诊断电源电压是否正常、I/O单元的连接是否正常、用户程序是否存在语法错误。③扫描每个输入端口，把得到的信息存入输入映像寄存器。④扫描用户程序，对输入映像寄存器中的数据进行处理，把得到输出数据存入输出印象寄存器。⑤把输出映象寄存器中的数据送至输出单元。
（2）存储器单元
存储器单元由系统程序存储器和用户程序存储器两个部分组成。
系统程序存储器：用于存放生产厂家编写的系统程序（操作系统），PLC的功能都是在系统程序的管理之下实现的。
用户程序存储器：是用户可以使用的存储区域，用于存放用户程序以及各种数据。
（3）电源单元
将外界提供的电源转化成PLC的工作电源，为PLC供电的部分叫做电源单元。电源可以通过PLC的接口为负载提供24V的直流电源，但是其供电能力有限，不能
无限制的使用。
（4）输入/输出单元（I/O）
输入/输出单元是PLC与工业现场的接口，PLC对工业现场的信息交换是通过输入/输出单元完成的，可以说输入单元是PLC的“眼睛”与“耳朵”，输出单元是PLC 的“手”与“足”。
输入单元将置于工业现场中的传感器等传来的数字/模拟信号转换格式之后供给CPU处理；输出单元则是把CPU提供的控制信号转换成相应的控制电平输送到现场，对现场中的设备进行控制。
（5）接口单元
接口单元包括扩展接口、通信接口、编程器接口和存储器接口等。
扩展接口：用于连接扩展模块，为PLC提供更多的I/O接口，连接智能模块，使PLC具有更强大控制能力。
通信接口：以前很多控制器都是单独进行控制的，控制器之间没有信息交换，控制系统中的控制器之间的协调工作便成为了一大难题，这样很大程度上限制控制技术的发展。网络技术与控制技术相结合便打破了这一禁锢。PLC上集成有RS-232口或者RS-485通信接口，可以实现PLC与其它PLC、上位机、监视器等设备相连，实现数据交换，形成一个控制网络。
PLC具有以下特点：
（1）体积小，能耗低，性价比高，可靠性高，抗干扰能力强。用软件代替传统继电-接触器控制系统的逻辑电路部分，大大简化了控制系统硬件连接，减少了继电器、接触器的使用，从而减少了机械触点和连线的数目，减小了系统体积与功耗提高了系统的可靠性。
在生产现场噪声干扰、电波干扰等干扰是控制器最大的敌人。PLC的主要器件和部件都使用了良好的屏蔽材料进行屏蔽，PLC与外界信息的交换采用了光电耦合隔离，同时进行了多种形式滤波，以及系统软件具有故障检测、信息保护和恢复、等功能，因此具有很强的抗干扰能力。
（2）编程简单。梯形图语言是使用最为广泛的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电-接触器电路原理图相似，熟悉继电-接触器电路原理图的人能够很快的掌握梯形图语言。
（3）灵活性强，控制系统易于实现。当被控系统发生改变之时，不用像继电-接
触器控制系统需要进行很大的改动，甚至要重新设计控制系统。只需要对PLC的程序进行改动，以及外围电路的局部调整便可以实现对控制系统的改造。
（4）维修方便。由于PLC的体积小，并且有些采用模块化结构，当出现故障之时之时只需要更换出现故障的模块就能排除故障。对于PLC主机则可以通过软件提供的故障信息以及装置上的指示灯，方便的查出故障源。
第2章控制系统硬件部分
2.1控制系统的组成
双容水箱控制系统由双容水箱、传感器、变送器、调节器、执行器、计算机等组成]10[，主要构件包括：
（1）PLC：运用PLC中的PID模块作为系统中的主、副控制器，并通过PLC 的通信接口实现与上位机的通信，实现实时监控。
（2）计算机
（3）双容水箱：被控对象。
（4）电动调节阀：接受来自PLC的控制信号，调节上水箱的进水量。
（5）压力传感器、液位变送器：压力传感器位于水箱中的底部，把水的压力转换为电流或电压信号；电流、压信号经液位变送器标准化处理之后送入PLC。
（6）通信电缆：使用PC/PPI电缆连接PLC与上位机。
（7）水泵：为水箱供水。
图2-1 控制系统硬件结构图
工作原理：上、下水箱压力传感器测量到水箱液位信号送入EM235模块经过A/D 转换后供PLC读取，PLC读取下水箱液位后与主回路的设定值比较得出偏差，然后进行PID运算；主调节器的输出值作为副调节器的给定，并将其与上水箱的水位数据比较的到偏差后再进行运算，获得4--20 mA的电流输出信号，电动调节阀接收到该信号后改变阀门开度，从而调节上水箱的流入量最终达到控制下水箱液位的目的。
PLC与上位机之间通过RS485—RS232串口实现通信，通过MCGS监控软件实现过程监控。
2.2器件型号
（1）控制器
该系统的控制装置选用的的是西门子的S7-200PLC，因为系统只需要两个控制器，S7—200PLC（8个PID模块）在内存、扫描通信等方面都能满足控制的要求。S7-200PLC硬件系统采用整体式加积木式，由于主机CPU224部分没有模拟量输入、输出接口，故使用了模拟量输入输出模块EM235与水箱进行数据交换，该模块有4个模拟量输入接口与1个模拟量输出接口]11[。
（2）执行机构
该系统的执行器使用的是QS智能型电动调节阀，其型号为：QSTP-16K，所需的控制信号为4～20mA的电信号。
（3）检测装置
压力变送器将水箱之中的压力信号转换为4～20mA的电流信号，电流信号再经过接入阻值50 的电阻值后转换成1～5V的电压信号送入PLC的EM235模块。该系统中的变送器的型号为：KYB18G01MIPXC2，该变送器测量的范围为0～10KPa，电源为24V DC（由PLC主机提供）。
第3章 被控对象建模
3.1单容过程建模
单容水箱建模是指只有一个储蓄容量过程的建模。单容过程分为自衡过程和非自衡过程，自衡过程是指在系统达到平衡之后，其输入量发生变化，原平衡状态被打破，在无任何外界因素的干预下，系统能通过自身的调整达到新的平衡状态；非自衡过程则不能通过自身的调整达到新的平衡状态]12[。
图3-1所示的是一个有自衡能力的单容过程，该过程的输入量为1q ，输出量为2q ，改变阀门1的开度便能改变1q 。2q 的大小则是取决于阀门2的开度以及水箱液位h ，液位h 越高，水箱底部的压力越大，2q 就越大。当阀门2的开度固定时，水箱液位h 的变化反映了由于1q 和2q 不等而引起水箱蓄水或排水的过程。
图3-1 单容过程
假设h 为被控过程的输出量，则该过程的数学模型就是h 与1q 之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系，其微分方程：
dt
dh
A q q =-21 （3-1-1）
其增量式为：
dt
h
d C
dt h d A
q q ?=?=?-?21 （3-1-2） 式中1q ?、2q ?、h ?分别表示偏移原平衡状态的1q 、2q 、h 的增量；A=C 表示水箱截面积。
2q 与h 的关系经过线性化处理之后，在工作区域内，2q 与h 成比列关系，而与阀门2的阻力2R 成反比，即：
2
2R h
q ?=
? （3-1-3） 将式（2-1-2）、式（2-1-3）经过拉氏变换后得：
???
???=??=?-?22
21)()()()()(R
s H s Q S
s H A s Q s Q （3-1-4）
由式（2-1-4）可得单容过程的传递函数为： 1
1)()()(2210+=+==
Ts K Cs R R s Q s H s W （3-1-5） 式中T 为单容水箱的时间常数，C R T 2=；K 为放大系数，2R K =；C 为水箱的容量系数。
当水箱受到阶跃扰动时，设扰动为
s
x 0
，代入式（2-1-5）得： )11
1(1)(00T
s s Kx s x Ts K s H +-=?+=
（3-1-6） 上式经过拉氏反变换得：
)1()(/0T t e Kx t h --= （3-1-7）
式中阶跃量0x 为常数，一般为10%。
当∞→t 时，0)(Kx h =∞。所以K 的值便可以由下公式求得：
)
(x h K ∞=
（3-1-8）
当T t =时，则有
)(632
.0)1()(10∞=-=-k e Kx T h （3-1-9） 所以在曲线上找到一个值为稳态值的0.632倍的点便可以得到水箱的时间常数T ，其具体做法见图3-2。单容水箱的阶跃响应曲线在原点的斜率最大，在该点做切线，切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T ，由此便能求出单容水箱的传递函数。
图3-2 阶跃响应曲线
3.2双容过程建模
双容过程的示意图见图1-1。
设该过程的被控量为下水箱的液位2h ，输入量为1q ，当阀门2、3的开度一定时，可求得该过程的数学模型]12[。
根据物料平衡关系可得：
????????=???=?-??=???=?-?3
232232
2
121121R h q dt h d C q q R h q dt h d C q q （2-2-1）
上式经过拉氏变换再整理之后可得双容水箱的数学模型： )
1)(1()()()(21120++==
s T s T K
s Q s H s W （2-2-2） 式中K 为过程放大系数；1T 、2T 分别为上、下水箱的时间常数。
式（2-2-2）中的特性参数K 、1T 、2T 可通过两点法求得，首先放大系数K 可以通过式（2-1-8）求出，其次1T 、2T 可以通过阶跃响应曲线上的两个点的位置求出，如图3-4所示。
图3-4 双容过程的阶跃响应曲线
按图中的方法求取曲线上A 、B 两点对应的时间1t 、2t ，运用下面公式计算1T 、2T ，便可求得双容水箱的传递函数。
????
???
-≈+?+≈+55.074.1)
(16.2212
21212121t t T T T T t t T T （2-2-3）
第4章 实验法求取水箱参数
由上一章可知双容水箱的传递函数是在其阶跃响应曲线的基础上计算出来的。通过实验的方法可以得到双容水箱的阶跃响应数据，从而得到阶跃响应曲线。
4.1修正实验装置误差
由于各种原因实验装置中的传感器、电动调节阀等都会存在一定的误差。在实验之前应该测得误差值，并在程序中做适当的处理以消除误差。 4.1.1电动调节阀的特性
电动调节阀的实际开度与设定的开度不相等，采用手动控制的方法设定调节阀的
开度，同时记录调节阀的实际开度。记录数据见表4-1。
表4-1 调节阀开度特性
设定开度（%） 实际开度 （%） 设定开度 （%） 实际开度 （%） 设定开度 （%） 实际开度 （%） 0 0 35 32.83 70 68.66 5 4.9 40 37.83 75 73.77 10 9.81 45 43.04 80 77.08 15 14.81 50 48.15 85 77.98 20 19.72 55 53.35 90 78.68 25 24.12 60 58.36 95 80.38 30
27.83
65
63.46
100
82.78
调节阀开度特性曲线见图4-1。
0102030
405060708090100
102030405060
708090设定开度（%）
实际开度（%）
图4-1 调节阀开度特性曲线
由图可知，调节阀开度特性共有两个转折点，在第一个转折点“30%”之前调节
阀的误差很小可以忽略；在第一个转折点“30%”于第二个转折点“80%”之间则有存在一个较大的静态误差；第二个转折点之后存在很大的误差。
在实验室之中对调节阀做出以下修正： ① 开度在“0～30%”之间：不修正。
② 开度在“30%～80%”之间：调节阀的设定开度与实际开度之间成线性 关系，所以只需要对设定开度加上一个适当的值“2%”，便能够减小误差。
③开度在“80%～100%”之间：由于误差受到调节阀自身的限制，此处不予修正。
4.1.2上水箱水位特性
由于传感器存在误差，水箱的实际水位置与测量值之间存在误差。上水箱的特性
参数见表4-2。
表4-2 上水箱水位特性参数
实际值（cm ） 显示值（cm ）
实际值 显示值 实际值 显示值 0 0.23 10 10.32 20 20.29 2 2.29 12 12.26 22 22.25 4 4.25 14 14.22 24 26.27 6 6.30 16 16.30 26 26.23 8
8.31
18
18.27
28
28.31
上水箱水位特性曲线见图4-2。
0510
1520
2530
5
10
15
20
25
30
实际水位（cm ）
显示水位（c m ）
图4-2 上水箱水位特性曲线
由图可知，在总体上来说上水箱水位的实际值与显示值成线性关系，显示值比实际值大0.25左右，所以在在程序之中应对采样得到的水位值减去0.25作为实际值。 4.1.3下水箱水位特性
下水箱水位特性参数见表4-3。
表4-3 下水箱水位特性参数
实际值（cm ） 显示值（cm ）
实际值 显示值 实际值 显示值 0 -2.31 10 7.60 20 17.84 2 -0.49 12 9.61 22 19.71 4 1.40 14 11.50 24 21.71 6 3.45 16 13.81 26 24.05 8
5.61
18
15.5
28
25.29
下水箱水位特性曲线见图4-3。
0510
1520
2530
-5
5
10
15
20
25
30
实际水位（cm ）
显示水位（c m ）
图4-3 下水箱水位特性曲线
由图可知，在总体上来说上水箱水位的实际值与显示值成线性关系，显示值比实际值小2.5左右，所以在在程序之中应对采样得到的水位值加上2.5作为实际值。
4.2测定水箱阶跃数据
实验原理图见图4-4。
图4-4 水箱模型测定原理图
在实验中通过调节电动调节阀的开度（40→50）改变上水箱的进水量，从而对被控对象施加阶跃输入信号。实验时各手动阀门的开度不能改变。
试验台的压力变送器的输出值为4～20mA，在经过接入阻值50Ω的电阻值后转换成1～5V的电压信号，具有20%的偏移量。因此在编写PLC程序之时要把通过EM235模块采集来的数据减去6400（消除偏移）之后再除以256便得到水箱的水位数据。同样电动调节阀的控制也要考虑到偏移的问题。
利用MCGS软件的“存盘数据策略”记录双容水箱的阶跃响应数据，采集数据的时间间隔为20秒。
(1)上水箱阶跃响应参数：
表4-4 上水箱阶跃响应参数
水位/cm 水位/cm 水位/cm
1 12.48
2 13.54
3 14.34
4 15.04
5 15.80
6 16.16
7 16.59 8 16.97 9 17.25
10 17.50 11 17.70 12 17.93
13 18.05 14 18.14 15 18.32
16 18.40 17 18.46 18 18.55
19 18.61 20 18.67 21 18.75
22 18.80 23 18.82 24 18.84
25 18.86 26 18.87 27 18.86
28 18.86 29 18.89 30 18.88
31 18.88 32 18.77 33 18.87
34 18.81 35 18.94 36 18.76
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- (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。
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。
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；
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。
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)
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
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
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。
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)
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
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。
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
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
双容水箱液位模糊控制 一、实验目的 熟悉双容液位控制系统的组成原理。 通过实验进一步掌握模糊控制原理及模糊控制规则的生成。了解量化因子和比例因子对控 制效果的影响。 掌握解模糊方法及实现。 二、实验设备 实验对双象为TKGK-1双容液位系统 TKGK-1 型实验装置：GK-06、GK-07-2 万用表一只 计算机系统 三、实验原理 图1双容水箱液位模糊控制系统方框图 图1为双容水箱液位控制系统。控制 的目的是使下水箱的液位等于给定值，并能克服来 自系统内部和外部扰动的影响。双容水箱液位系统 如图2,该被控对象具有非线性和时滞性，建立精确的 数学模型比较困难；模糊控制不 仅可以避开复杂的数学模型，通常还能得到比较好性 能指标。模糊控制器的结构图如图3。 模糊控制器的输入为误差和误差变化率：误差e=r- y，误差变化率ec=de/dt ,其
糊语言集合，然后由E和EC模糊语言的的子集和模糊控制规则R （模糊关系矩阵）根据合成推理规则进行模糊决策，这样就可以得到模糊控制向量U,最后再把模糊量解模糊转换为精确量u ,再经D/A转换为模拟量去控制 执行机构动作。 图3模糊控制器组成原理图 模糊量化：根据精确量实际变化范围[a,b],合理选择模糊变量的论域为[-n,n],通过量化因 子k=&-企，将其转换成若干等级的离散论域，如七个等级为｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝，简写为｛NB,NM,NS,O,PS,PM,PB｝确定模糊子集的隶属函数曲线。一般常采用三角形、梯形和正态分布等几种曲线。然后由隶属函数曲线得出模糊变量E、EG U的赋值表。 根据经验，E模糊子集的隶数度函数取正态分布曲线，则赋值表见表 模糊控制规则：模糊控制规则是操作经验和专家知识的总结，是进行模糊推理的依据。在设 计模糊控制规则时，必须考虑控制规则的完备性、交叉性和一致性。既保证对于任意给定的 输入，均有相应的控制规则起作用；控制器的输出值总是由数条控制规则来决定；控制规则 中不存在相互矛盾的规则。在总结专家经验和过程知识的基础上，可以得到如表二的控制规 则表： 模糊推理：模糊推理是模糊控制器的核心，模糊控制系统目前常采用的有：CRI推理的查表法、CRI推理的解析法、Mamdani直接推理法、后件函数法等。本实验可采用Mamdani直接推理法。Mamdani推理法是先求出模糊关系R,再根据输入求出控制量，把 控制量清晰化，可得控制查询表.
《过程控制系统设计》课程实验报告 2018年5月9日
实验二双容水箱液位PID控制实验 一、实验目的 1、学习双容水箱液位PID 控制系统的组成和原理； 2、进一步熟悉PID 的调节规律； 3、进一步熟悉PID 控制器参数的整定方法。 二、实验设备 1、四水箱实验系统DDC 实验软件； 2、PC 机（Window XP 操作系统）； 3、CS4000型过程控制实验装置。 三、实验原理 1、控制系统的组成及原理 单回路调节系统，一般是指用一个控制器来控制一个被控对象，其中控制器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。双容水箱液位PID 控制系统也是一种单回路调节系统，典型的双容水箱液位控制系统如图 1 所示： 图 1 双容水箱液位PID 控制系统的方框图 在双容水箱液位PID 控制系统中，以液位为被控量。其中，测量电路主要功能是测量对象的液位并对其进行归一化等处理；PID 控制器是整个控制系统的核心，它根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节，从而控制双容水箱的液位达到期望的设定值。 3、PID 控制器参数的实验整定方法 双容水箱液位PID 控制器参数整定，是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，即在阶跃扰动作用下，先满足需要的衰减率，然后尽量协调准确性和快速性要求。 四、实验内容 在手动情况下进入初始稳态（如图3），然后根据水箱的实际液位情况进行了一次下水箱阶跃响应测试，最终达到平衡状态，如图4所示。根据两点法求K、T、τ参数，并用响应曲线法整定出对应的控制器参数。将整定好的参数投入设备，进行闭环自动控制，并微调参数，记录分析控制系统的响应曲线。
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
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)