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20115026
组员：姜悦20115024
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。
二、问题的提出
现代污水处理过程将检测技术，自动控制理论，通信技术和计算机技术结合在一起组成一套完整的过程控制系统，将一级、二级和三级这三个环节独立出来可以组成一个三容水箱模型的具体体现。大致示意简图 1所示：
图1工业三级污水处理模拟图
进料口的压强为定值，即只要控制V1的开度即可控制流进三容箱系统的物料量，有如下关系：μK Q in =；其中in Q 为污水进水量，K 为比例系数，μ为阀门的开度。
现要设计控制系统控制处理罐E3内液位高度保持与设定值一致，对处理罐E1和处理罐E2中的液位高度无特殊要求，可将泵都保持为全开状态。
污水处理罐体为圆柱体，是罐的主体部分。由于罐直径大、耐压低，一般锥形罐的直径不超过6m 。罐体的加工比罐顶要容易，罐体外部用于安装测温、测压元件。
罐的直径与高度比通常为1：2～1：4，总高度最好不要超过16m ，以免引起强烈对流，影响水中杂质和凝固物的沉降。罐容量越大，需要处理的时间越长，加入的净化物质就越多，可能会产生一定的气体，由于二氧化碳的释放和泡沫的产生，罐有效容积一般为罐总量的80%左右。
考虑上述约束，先将建模需要的主要参数列举如下：
1）三个罐大小容积相等均为8m 高，底面直径为2m ；
2）罐体之间连接用管直径为100mm ；
3) 连接用管上接的电磁阀控制电压为0-5v
4) 电磁阀的开度u 的取值范围为0-1，对应控制电压的0-5v 。
5) 各罐体的初始液体高度为6m 。
污水入口
V1V2V3处理后水出口
三、模型的建立
我们的设计方案是从单容水箱的模型入手，得出其数学模型。再考虑双容水箱，同样得出其模型。再根据三容水箱是有三级水箱串联而成，得出三容水箱的数学模型。从而得出其传递函数。
图2 单容水箱模型
3.1 单容水箱的数学模型
图2所示为单容水箱对象，图中不断有液体流入水箱，同时也有液体不断由水箱流出。被控参数为水箱水位h ，流入量1Q 由改变阀1的开度μ加以控制，流出量2Q 则由用户根据需要改变阀2开度来改变。
现在分析阀门开度μ改变时水位h 的变化关系，即建立控制通道的数学模型。 初始时刻0=t 以前对象处于平衡状态，即
00102h h Q Q ==， (1) t=0时刻控制阀开度阶跃增大μ?，流入量将成比例的改变（增大），即
u k Q u ?=?1 (2) 使21Q Q > ，液位h 开始上升。随着h 上升，阀2两侧差压变大，流出量2Q 也增大，流量差21Q Q - 逐渐缩小，水位h 上升的速度愈来愈慢，使21Q Q =水位h 稳定在某一高度。在dt 时间内，液位变化量为dV ，由质量守恒定律可得：
Ddh dt Q Q dV =-=)(21 (3) 其中D 是水箱截面积，V 为罐中液体体积，h 为罐中液面高度
将其为增量的形式： 21Q Q dt
h d D ?-?=? (4) 水位变化引起流出量2Q 改变，h k Q =2是一个非线性关系，在一定条件下（小偏差条件）下可以线性化为： 21Q Q dt dh D -= (5) 2
2022R h Q k
h R ?=?=， (6)
Q1Q2
式中，k 是开度不变时流出侧阀门2的阻力系数（流阻），这里取其为0.016。
图3 单容水箱微分模型
图3所示，液位h 变化时，设流出单容水箱的夜体的质量为m ，流出单容水箱的液体流速为v ，则有 22
1mv mgh = (7) 可得流出单容水箱的液体流速为：gh v 2=
则流出口的液体流速为： gh C Cv Q 22== 或 h k Q =2 (8) 其中g C k 2=，C 为管道了截面积则，将u k Q u ?=?1和2
2R h Q ?=
? 代入式(4)中有： h R u k dt h d D u ?-?=?21 (9) 经过拉氏变换后，得到单容水箱控制通道的传递函数： 1
1/1/11/1)()()(002220+=+=?+?==s T K Ds R R K R Ds Ds K s s H s W μμμ (10) 式中：对象的放大系数对象的时间常数，--=--=2020R K K D R T μ
由此可见，有自平衡能力的水箱是一个惯性环节。单容水箱水位对象的方框图如图4所示。
图4 水位对象方框图
Q1
3.2 双容水箱的数学模型
图5所示两只串联工作的水箱，被控制量为第二水箱的水位2h ，流入量
1Q 仍由改变阀1的开度μ加以控制。流出量3Q 由用户根据需要改变阀门3的开度而变化。与单容水箱的分析相类似，可以根据物质平衡关系，列出下列方程： ?????
???????-?=??=??-?=??=?322221221111Q Q dt h d D R h Q Q Q dt h d D u k Q u (11) 式中，21D D 、分别为两个水箱截面积，即容量系数；32R R 、为线性化
阀阻，1Q ??、μ和h ?均以各量的初始平衡值为起点计。同样的，经拉氏变换可作出双容对象的方框图如图7所示，由此可求得该对象的传递函数，即 )
1)(1()()(2102++=s T s T K s s H μ (12)式中：;2111R D T T =--，第一个水箱的时间常数
;3222R D T T =--，第二个水箱的时间常数
。双容对象的放大系数，30R K K K μ=--
Q1
图5 双容水箱模型
U
图6 双容水箱控制方框图
3.3三容水箱模型
三容水箱是液位控制系统中的被控对象，若流入量和流出量相同，水箱的液位不变，平衡后当流入侧阀门开大时，流入量大于流出量导致液位上升。同时由于出水压力的增大使流出量逐渐增大，其趋势是重新建立起流入量与流出量之间的平衡关系，即液位上升到一定高度使流出量增大到与流入量相等而重新建立起平衡关系，液位最后稳定在某一高度上；反之，液位会下降，并最终稳定在另一高度上。由于水箱的流入量可以调节，流出量随液位高度的变化而变化，所以只需建立流入量与液位高度之间的数学关系就可以建立该水箱对象的数学模型。其数学模型如图7所示。
图7 三容水箱对象的数学模型
通过三水槽物料平衡可得的公式：
????
?????-=-=-=)(13)(12)(1132332122111Q Q A dt dh Q Q A dt dh Q Q A dt dh in ：水罐：水罐：水罐 (13)其中in Q 是入水量，被控量为下水箱水位 ；321A A A 、、 分别为左、中、右三个水箱截面积， 在这里设i
i i R h Q = ，其中 )321(、、=i h i 为左中右三个水箱的液位：
??
???-=-=-=A Q Q h A Q Q h A Q Q h in /)(3/)(2/)(132321211：水罐：水罐：水罐 (14)
其中：
?????===333
222111///R h Q R h Q R h Q (15) 对上面的公式经过一系列的微分和积分计算和整理后得到一个复杂的三阶微分方程得： 33212133212133221133
21213232313121113321211''''''1h R R R A A h R R R A A R A R A R A h R R R A A R R A A R R A A R R A A h A Q R R A A in ++++
+++= (16)
由上面的模型及传递函数可得到下面的控制框图如图8：
Q )(s H )(s Q )
(s H
)(s Q )(s Q 图8 三容水箱对象的控制框图
按照流体力学原理，水箱流出量与出口静压有关，同时还与调节阀门的阻力R 有关，假设三者之间的变化关系为：
R
h Q ?=0 (17) 流体在一般流动条件下，液位h 和流量0Q 之间的关系是非线性的。为了简化问题，通常将其线性化。线性化方法如下图9所示。
图9 线性化原理图
通常在特性曲线工作点a 附近不大的范围内，用切于a 点的一段切线代替原曲线上的一段曲线，进行线性化处理。经过线性化后，水阻R 是常数。由上式可知，只要确定了三个水箱的水阻，这个三阶微分方程的参数就定下来了，进而可以确定三容水箱系统的传递函数。
假设通过阶跃曲线响应方法测得：232221/469,/182,/301m s R m s R m s R === 代入上式得到传递函数为： 6
23310795.30236.012.00285.0)()()(-?+++==S S S S Q S H s G in (18) 四、算法的描述
4.1对原始模型的仿真
根据我们选取的三容水箱模型，再根据实际情况得出我们模型的具体参数，再使用MATLAB 中的Simulink 对三容水箱进行仿真。
由我们最初提出的问题，根据生产模型设定的初值和上述分析可计算模型参数。如下：
管子截面积2200785.005.0*14.3m s == 最大流量s m gh s Q /0983.08*8.9*2*00785.023max === 放大系数0197.050983.0050max ==--=??=V V Q u Q K μ
又3.3已知232221/469,/182,/301m s R m s R m s R ===
由图8，代入数据后我们可以得出Simulink 仿真图如图10。
图10 三容水箱模型Simulink 仿真图
三个水箱各自的水位在阶跃输入下的响应如图11：
图11 三容水箱模型Simulink仿真后的阶跃响应可以看到一级水箱的响应速度较快，然后各级逐渐减小。三个水箱都无超调，而且稳态误差很大。所以必须通过添加控制器的方法来达到调节三级水箱液位的要求。
4.2添加P控制并对其仿真
图12 三容水箱模型simulink仿真加P调节器
图13 三容水箱模型simulink仿真加P调节器后的阶跃响应加了一个简单的P 控制器，但是这只是简单改变了阶跃响应的稳态值，对控制作用并没有很好的作用。
由于要考虑到把第三级水箱的水位控制在一定的高度，我们可以采用单回路控制，再结合PID控制器的设计来实现。
4.3添加单回路控制并对其仿真
图14 三容水箱模型Simulink仿真加单回路控制
图15 三容水箱模型Simulink 仿真加单回路控制后的阶跃响应
增加了一个反馈过后，震荡加剧，整体效果不好，已经出现不稳定的现象了。因此只用单回路控制是不可取的，我们还是要添加PID 控制器。控制器PID 添加的方法参照process control 中6-8中Ziegler-Nichols ultimate-gain method 的经验整定值，对控制器进行第一次调试的设定。
4.4添加PID 控制和单回路控制并对其仿真
首先根据我们的模型框图，作出传递函数。使用MATLAB 画出根轨迹图，找出系统的临界增益和频率，从而求出控制器的比例增益c K 、积分时间常1τ和微分时间常数D τ。
作出根轨迹图
num=0.0019;
den=[1 0.08 0.0017 0.00000248];
sys=tf(num,den);
rlocus(num,den)
图16 原系统根轨迹图
取临界增益CU K =0.077，频率F=0.04.那么157.079632/2==F T u π
图17 Ziegler-Nichols 方法
由于水箱最好是不要溢出。所以我首先选择了No overshoot
所以
0.01542.0==CU C K K
78.53985.0==U I T τ
52.3075
333.0==U D T τ
由PID 控制器的公式??
????+++=111)(s s s K s G D D I C ατττ，其中）（2.01.0-=
α 由此可以设置控制器如下：
图18 三容水箱模型Simulink 仿真加上PID 调节器
阶跃响应图如下：
图19 三容水箱模型Simulink 仿真加上PID 调节器后的阶跃响应
可以明显看出系统不稳定，还需要进一步调试。
从我们的多次修改参数调试后，得到如下的PID 控制参数，基本上可以达到控制要求。
图20 经调试后得出的PID参数
最后的结果为：
图21 经最后调试的PID控制器得出的三容水箱水位阶跃响应曲线
可以看到第三级水箱超调很小，可以达到稳态，只是时间稍微长一点，而第一二级水箱有超调，但在我们设定的初值范围内还是可以接受，不会产生溢出。
五、结果及分析
在由Ziegler-Nichols ultimate-gain method 设置的初始参数调节后，系统仍然不稳定。但在此基础上，结果适当的选取积分时间和微分时间，以及比例增益，最后得出一组符合要求的参数。
在选取的时候，微分时间增大会加重系统的震荡，加快了系统反应时间，超调增加。加大积分时间可以减小震荡，但是会延长系统到达稳态的时间。而比例增益也同样会增加超调，同时稍微会改变系统的快速性。所以，选取参数是一个矛盾的过程。
最后我们得出的PID的参数为：
0.01542.0==CU C K K
78.53985.0==U I
T τ 52.3075333.0==U D
T τ H1的超调是60%，调节时间是1000s
H2的超调是20%，调节时间是1400s
H3的超调是03%，调节时间是1700s
由此可见，各水箱达到稳态的时间都很长，这是因为作为process control ，调节时间都是比较长的，再加上是三级串联，自然是一级比一级时间长。
六、总结与体会
6.1 组长孙健的总结
本次过程控制课程设计我学会了利用matlab 中的simnulink 仿真平台实现了三容水箱控制系统的计算机仿真。通过这次课程设计，使我对控制系统的设计进一步熟悉，同时对过程控制系统的参数整定积累了一定的经验。当然在设计的过程中也遇到了不少的困难。如：在刚开始设计时一直采用自动方式，这样整个曲线不仅上升慢，而且有很大的超调量。后面学会了采用先手动再自动的方式，解决了上述两个问题。而且了解到了在过程控制装置的设计中都应该具有手动 /自动切换的功能。
在本次设计中，刚开始时，由于对simunlik 自带的PID 控制器内部原理不太了解，导致整个控制系统的设计中进入了一段艰难阶段，后台通过查阅matlab 的帮助文档，终于了解了matlab 中PID 控制器的内部原理，这使得后面的设计过程能够很顺利的进行，使我收获不小。
6.2 组员姜悦的总结
在这次过程控制课程设计中，我面临最大的问题在于对控制算法中参数的整定。在做第一个PID 算法参数整定，由于系统响应曲线的衰减比都接近4：1，让我很困惑是自己的调节方法有问题还是本来就有可能出现两种结果。而后，通过书上介绍的衰减曲线法进行计算的结果，控制出的效果很差，可以明显的看出微分环节过大，导致平衡时间严重变长。通过后面的调试，才逐步整定到符合要求，但参数与计算出来的参数相差较大。在后来控制的参数整定中，也遇到了类似的问题。另一个面临的是问题是MATLAB 中的SIMULINK 使用熟练度不够，常常出现报错情况，但是不知道具体错误原因，让我在调试时很困惑，但最终通过努力克服这些困难。在这次课程设计中，学到了很多在课堂上学不到东西，也让自己以前知识的积累有了合理的运用。
6.3 组员黄潇的总结
本次过控的课程设计，是综合上学期所学的自动控制原理、过程控制系统及相关学科的一次实际应用设计。本次设计的课题是三容水箱的建模与仿真，而且，
为贴近实际应用，需要将参数具体化，元器件具体化。这样，使得这次课程实际的应用价值增加，使得理论直接应用于实际，也使得我们能更好的把所学的专业知识应用于理论实践。
这次课程设计中我们遇到的问题主要有如何选取一个好的数学模型；如何将参数及元件具体化；如何整定参数；如何进行PID控制及仿真。我们通过团队的共同努力，最终将其一一解决。首先选取了一个合理的数学模型，而后进行参数及元器件的赋值具体化，最后进行PID控制及用MATLAB进行仿真。
在收获一个充实的课程设计的同时，我们也体会到了作为一个自动化人在设计一个系统时的艰辛和责任，体会到了团队合作的重要性，使我们成长了很多。
七、参考文献
1、重庆大学出版社《过程控制与装置》何离庆主编
2、重庆大学出版社《自动控制原理》（第二版）涂植英陈今润主编
3、Chemical Process Control Pao C.Chau University of California, San Diego
八、附录
图1 工业三级污水处理模拟图
图2 单容水箱模型
图3 单容水箱微分模型
图4 水位对象方框图
图5 双容水箱模型
图6 双容水箱控制方框图
图7三容水箱对象的数学模型
图8 三容水箱对象的控制框图
图9 线性化原理图
图10 三容水箱模型Simulink仿真图
图11 三容水箱模型Simulink仿真后的阶跃响应
图12 三容水箱模型Simulink仿真加P调节器
图13 三容水箱模型Simulink仿真加P调节器后的阶跃响应
图14 三容水箱模型Simulink仿真加单回路控制
图15 三容水箱模型Simulink仿真加单回路控制后的阶跃响应
图16 原系统根轨迹图
图17Ziegler-Nichols方法
图18 三容水箱模型Simulink仿真加上PID调节器
图19 三容水箱模型Simulink仿真加上PID调节器后的阶跃响应图20 经调试后得出的PID参数
图21 经最后调试的PID控制器得出的三容水箱水位阶跃响应曲线
过程控制综合训练 课程报告 16 —17 学年第二学期课题名称基于PLC和组态王的 系统 姓名 学号 班级 成绩
水箱液位控制系统 [摘要] 在工业生产过程中，液位贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲器、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡。因此，工艺要求贮槽的液位需维持在给定值上下，或在某一小围变化，并保证物料不产生溢出。例如，锅炉系统汽包的液位控制，自流水生产系统过滤池、澄清池水位的控制等等。根据课题要求，设计一个单容水箱的液位过程控制系统，该系统能对一个单容水箱液位的进行恒高度控制。 关键词：过程控制液位控制PID控制 Abstract: In the process of industrial production, liquid storage tank such as product cans, buffer, tanks and other equipments are widely used. In order to ensure the normal production,material supply and demand must be balanced to guarantee the process of the production. So, the process requires that the liquid level in the tank should be maintained at a given value, or change in a small range,and ensure that the material does not overflow,for instance,system of boiler drum level control, level control of filter pool and clarification pool of self-flowing water production
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。
课程：创新与综合课程设计 电子与电气工程学院实践教学环节说明书 题目名称水箱水位自动控制装置 学院电子与电气工程学院 专业电子信息工程 班级 学号 学生姓名 起止日期13周周一~14周周五
水箱液位控制系统是典型的自动控制系统，在工业应用上可以模拟水塔液位、炉内成分等多种控制对象的自动控制系统。 本次课程设计思路是以单片机为控制中心，对水位传感器、电机驱动模块、按键及显示进行控制。通过按键设置水位传感器的位置，在水龙头及阀门的各种开度下，通过控制水泵工作或不工作来维持水箱二的液面高度基本维持不变。 一、设计题及即要求 1、设计并制作一个水箱水位自动控制装置，原理示意图如下： 2、基本要求：设计并制作一个水箱水位自动控制装置。 （1）水箱1 的长×宽×高为50 ×40 ×40 cm；水箱2 的长
×宽×高为40×30 × 40 cm（相同容积亦可）；水箱1 的放在地面，水箱2 放置高度距地0.8-1.2m。 （2）在出水龙头各种开度状态下装置能够自动控制水箱 2 中水位的高度不变， 误差≤1cm。 （3）水箱 2 中要求的水位高度及上下限可以通过键盘任意设置； （4）实时显示水箱2 中水位的实际高度和水泵、阀门的工作状态。 3、发挥部分： （1）在出水龙头各种开度状态下装置能够自动控制水箱 2 中水位的高度不变， 误差≤0.3 cm。 （2）由无线远程控制器实现基本要求，无线通讯距离不小于10 米。远程控 制器上能够同步实现超限报警显示。 （3）其他创新。 二、设计思路： 以单片机为控制中心，对水位传感器、电机驱动模块、按键及显示进行控制。通过按键设置水位传感器的位置，在水龙头及阀门的各种开度下，通过控制水泵工作或不工作来维持水箱二的液面高度基本
湖南工程学院 系统综合训练报告 目录 概述 二硬件介绍说明 (4)
2.1电动调节阀 (4) 2.2扩散硅压力液位变送器 (5) 2.2扩散硅压力液位变送器 (5) 2.4远程数据采集模块ICP-7017、ICP-7024面板 (5) 三.软件介绍说明 (7) 3.1工艺流程 (7) 3.2制作总体回路 (8) 3.2制作总体回路 (9) 四.调试结果与调试说明 (11) 4.1调试说明： (11) 4.2调试结果 (12) 五．实训心得12
第1 章系统总体方案 在工业生产过程中，液位贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲器、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡。因此，工艺要求贮槽内的液位需维持在给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出。例如，锅炉系统汽包的液位控制，自流水生产系统过滤池、澄清池水位的控制等等。根据课题要求，设计一个单容水箱的液位过程控制系统，该系统能对一个单容水箱液位的进行恒高度控制。单容水箱是个比较简单的控制系统，因为在该设计中，只要控制一个液位的高度，初步设计采用水泵恒定抽水，改变电动调节阀的开度来控制水的流量从而控制水箱液位的高度。本设计选用压力传感器对液位高度进行测量，将测量的值与系统的给定值进行比较，来确定阀的开度。 1.1被控参数的选择 根据设计要求可知，水箱的液位要求保持在一恒定值。所以，可以直接选取水箱的液位作为被控参数。 1.2控制参数的选择 影响水箱液位有两个量，一是流入水箱的流量。二是流出水箱的流量。调节这两个流量的大小都可以改变液位高低，这样构成液位控制系统就有两种控制方案。 对两种控制方案进行比较，假如系统在停电或者失去控制作用时，第一种通过控制水箱的流入量的方案将出现的情况是：水箱的水将流干；第二种通过控制水箱的流出量的方案则会形成水长流或者水溢出的情况，因此，选择流入量作为控制参数更加合理。 1.3调节阀的选择 在工程中，当系统的控制作用消失时，如果调节阀没有关闭则会造成水的浪费甚至出现事故，因此，需要关闭调节阀。故选择电动气开式调节阀。
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。
过程控制课程设计 三容水箱液位控制系统建模和仿真 ---------- 专业：自动化 班级：---------- 组员：---------- 指导老师：---------- 重庆大学自动化学院 20XX年10月
目录 摘要 (1) 1 两种三容水箱工作原理 (1) 1.1 三容水箱结构 (1) 1.2 三容水箱系统特点 (2) 2 两种三容水箱理论建模 (3) 2.1 假设及相关参数定义 (3) 2.2 实施器（阀门）数学模型 (4) 2.3 阶梯式三容水箱数学模型 (4) 2.4 水平式三容水箱数学模型 (6) 3两种三容水箱模型控制和仿真 (7) 3.1 阶梯式三容水箱简单PID控制 (8) 3.2 阶梯式三容水箱串级PID控制 (9) 3.3 水平式三容水箱简单PID控制 (11) 3.4 水平式三容水箱串级PID控制 (12) 4 总结 (14) 5 心得体会 (14) 5.1 顾振博心得体会 (14) 5.2 陈冶心得体会 (15) 5.3 谢海龙心得体会 (15) 参考文件 (16) 附录 (16) 所用参数及其数值 (16)
摘要 三容水箱是工业过程中很多被控对象经典抽象模型，在非线性、大惯性过程控制研究应用中含有广泛代表性。多年来中国外很多学者对三容水箱系统建模方法、控制算法及故障诊疗等方面进行了探讨。深入研究三容水箱系统控制算法并构建现在试验教学系统，在工业控制领域和工程控制论教学中全部含有较为关键理论和实际应用价值。 本设计经过对阶梯式、水平式这两种经典水平式三容水箱系统分别进行理论建模，再分别加入了简单PID和串级PID控制器，而且在MATLABSimulink仿真平台上搭建了对应控制系统框图，对阶跃响应下输出信号进行了仿真，实现了对两种三容水箱液位控制系统控制。 1 两种三容水箱工作原理 1.1 三容水箱结构 三容水箱主体由3个圆柱型玻璃容器(Tankl(T1)、Tank2(T2)、Tank3(T3))、4个阀门(VT0、VT1、VT2、VT3、VT4)、一个增压泵、一个蓄水池和响应连接部件组成。试验台工作时，增压泵抽出储水箱内水，经过百分比电磁阀VT0注入容器T1，T1内水再经过VT1、VT3依次流入T2和T3中，最终经过VT3流回蓄水池中，组成了一个封闭回路。经过各个阀门（VT0--VT3)开关状态不一样组合，可组成各阶控制对象和不一样控制系统。 下图是两种不一样形式三容水箱结构简图，其中图1为阶梯式三容水箱，图2为水平式三容水箱。
实验上水箱液位定值控制系统 一. 实验目的 1．了解闭环控制系统的结构与组成。 2．了解单闭环液位控制系统调节器参数的整定。 3．观察阶跃扰动对系统动态性能的影响。 二. 实验设备 1. THJ-2型高级过程控制系统装置 2. 计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根 三. 实验原理 单回路控制系统的结构/方框图: 它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。 本实验系统的被控对象为上水箱，其液位高度作为系统的被控制量。系统的给定信号为一定值，它要求被控制量上水箱液位在稳定时等于给定值。由反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感检测作为反馈信号。其实验图如下：
过程：储水箱的水被抽出后经过电动调节阀调节进水量送给上水箱，经过LT1的测量变送使上水箱的液位反馈给LC1，LC1控制电动调节阀的开度进而控制入水流量，达到所需要的液位并保持稳定。 四．实验接线 其接线图为：图中LT2改接为LT1 五．实验内容及步骤 1．按图要求，完成系统的接线。 2．接通总电源和相关仪表的电源。 3．打开阀F1-1、F1-2、F1-6和F1-9，且把F1-9控制在适当的开度。 4．设置好系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，使电动调节阀给上水箱打水，待其液位达到给定量所要求的值，且基本稳定不变时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。 5．启动计算机，运行MCGS组态软件软件，并进行下列实验： 设定其智能调节仪的参考参数为：SV=8cm；P=20；I=40；D=0；CF=0；ADDR=1；Sn=33；diH=50;dil=0;上水箱出水阀开度：45%。运行MCGS组态软件软件，并进行实验当实验数据稳定的同时记录的实验曲线如下图：
2.水箱水位控制系统 系统有3个贮水箱，每个水箱有2个液位传感器，UH1，UH2，UH3为高液位传感器，“1”有效；UL1，UL2，UL3为低液位传感器，“0”有效。Y1、Y3、Y5分别为3个贮水水箱进水电磁阀；Y2、Y4、Y6分别为3个贮水水箱放水电磁阀。SB1、SB3、SB5分别为3个贮水水箱放水电磁阀手动开启按钮；SB2、SB4、SB6分别为3个贮水箱放水电磁阀手动关闭按钮。 （二）控制要求 1.上电运行时系统处于停止状态。 2.SB1、SB3、SB5在PLC外部操作设定，通过人为的方式，按随机的顺序将水箱放空。 3.只要检测到水箱“空”的信号，系统就自动地向水箱注水，直到检测到水箱“满”信号为止。水箱注水的顺序要与水箱放空的顺序相同，每次只能对一个水箱进行注水操作。 4.为减少外部控制器件，现将每个水箱的放水控制按钮改为一个（即只有SB1、SB3、SB5），分别控制每个水箱的放水开启和关闭。也即，按一下SB1，水箱1放水，再按一下SB1，水箱1停止放水；按一下SB2，水箱2放水，再按一下SB2，水箱2停止放水；按一下SB3，水箱3放水，再按一下SB3，水箱3停止放水。系统其它控制要求保持不变。 （三）I/O配置表
（四）PLC控制系统原理图（硬件电路图） （五）调试指南 1.上电时候系统处于停止状态，所有灯不亮。 2.按动SB1、SB3、SB5按钮，可随机将三个水箱放空，对应Y2、Y4、Y6的亮。 3.只要检测到水箱“空”（即低液位传感器UL1-UL3亮），系统能自动地向水箱注水，对应Y1、Y3、Y5亮，直到检测到水箱“满”信号为止（即高液位传感器UH1-UH3亮）。 4.4.水箱注水的顺序与水箱放空的顺序相同，每次只对一个水箱进行注水操作（Y1、Y3、Y5互锁）。 5.5.按一下SB1，水箱1放水（Y2亮），再按一下SB1，水箱1停止放水（Y2灭）； 6.6.按一下SB2，水箱2放水（Y4亮），再按一下SB2，水箱2停止放水（Y4灭）； 7.7.按一下SB3，水箱3放水（Y6亮），再按一下SB3，水箱3停止放水（Y6灭）。 8.8.先放空的水箱先进水，已通过梯形图实现。（参见梯形图步骤8）
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；
基于MATLAB三容水箱液位控制系统 计算机技术+沈瑞清+12011112262 本文通过对三容水箱的液位定值控制来说明SIMULINK在自动控制系统中 的应用。 三容水箱是由上、中、下三只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。要求下水箱的液位稳定至给定量。完成系统的建模；分为以下几步： 1)建立单容水箱的数学模型： 图1 单容水箱模型 先从下水箱着手建立模型，并对偏离某一平衡状态设置：设下水箱进水量变化：^Q1，出水量变化：^Q2，水位变化为：^h，水箱截面积：A，存在以下关系式：^Q1—^Q2=A (dh /dt) (1) 由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位与流量成非线性关系。为简化起见，经线性化处理，可近似认为与h成正比，与阻力R成反比，即：^Q2=^h/R （2）将（1）（2）两式经拉氏变换并消去中间变量Q2，可得到单容水箱的数学模型为H（s）/Q1（s）=K/（TS+1） 式中T为水箱时间常数，T=RC,C为水箱容量系数，K=R，为放大系数。 2)建立三容水箱的数学模型 根据要求，分别设T1=0.6,K1=1,T2=0.6,K2=1.5T3=1,K3=2 建立模型如
图2 三容水箱模型 3)分别运用P、PI、PID三种控制方案对系统进行SIMULINK仿真 图3，图4和图5分别是对系统进行P、PI、PID三种控制的三种SIMULINK 仿真图，具体的参数如图所示，我们学生可以根据控制的需要对上述参数进行修改。最后，利用示波器进行仿真。 控制器的类型Kp Ki Kd P 2.85*0.5 0 0 PI 2.85*0.45 1.2*2.85*0.45/2.5 0 PID 2.85*0.6 2.85*0.6/（0.5*2.5）0.125*2.5*2.85*0.6 图3 P控制SIMULINK仿真
单容水箱液位控制系统辨识 一、单容水箱液位控制系统原理 单容水箱液位控制系统是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。图1-1为单容水箱液位控制系统方块图。 当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。图1-2是单容液位控制系统结构图。 图1-1 单容水箱液位控制系统的方块图系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定
值无偏差存在。图1-2 是单容水箱液位控制系统结构图。 一般言之，具有比例（P ）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI ）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti 选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。 图1-2 单容液位控制系统结构图 比例积分微分（PID ）调节器是在PI 调节器的基础上再引入微分D 的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，P 、PI 、PID 调节系统的阶跃响应分别如图1-3中的曲线①、②、③所示。 图1-3 P 、PI 和PID 调节的阶跃响应曲线 二、单容水箱液位控制系统建模 t(s) T( c) . 1 e ss 2 3 1
摘要 本次毕业设计的课题是基于PLC的液位控制系统的设计。在设计中，笔者主要负责的是数学模型的建立和控制算法的设计，因此在论文中设计用到的PID算法提到得较多，PLC方面的知识较少。 本文的主要内容包括：PLC的产生和定义、过程控制的发展、水箱的特性确定与实验曲线分析， FX2系列可编程控制器的硬件掌握，PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用PID控制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和讲解PLC的过程控制指令PID指令来控制水箱水位。 关键词：FX2系列PLC，控制对象特性，PID控制算法，扩充临界比例法，PID指令，实验。 The liquid level control system based on PLC ABSTRACT The subject of graduation design is based on PLC, liquid level control system design. In the design, the author is mainly responsible for the mathematical model and control algorithm design, so the design used in the paper referred to was more PID algorithm, PLC in less knowledge. Main contents of this article: PLC creation and definition, process control, development, and water tanks and experiment to determine the characteristics curve analysis, FX2 series PLC hardware control, PID tuning parameters and various parameters of the control performance comparison, the application PID control algorithm obtained experimental curve analysis, the entire system, introduce and explain the various parts of the PLC process control commands to control the tank level PID instruction. Keywords：FX2 series PLC, the control object characteristics, PID control algorithm, to expand the critical proportion method, PID instruction, experimental.
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 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
单容液位定值控制系统 一、实验目的 1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。 2．掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。 3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。 4．了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。 5．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验设备 THPCAT-2型现场总线过程控制对象系统实验装置、AT-1智能仪表挂件一个、RS485/232转换器一个、RS485通讯线一根、计算机一台、万用表一个、软管若干。 三、实验原理 图3-6 中水箱单容液位定值控制系统 (a)结构图 (b)方框图 本实验系统结构图和方框图如图3-6所示。被控量为上小水箱（也可采用上大水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到的上小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。 四、实验内容与步骤 本实验选择上小水箱作为被测对象（也可选择上大水箱或下水箱）。以上小水箱为例叙述实验步骤如下： 1. 实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-3、F1-4、F1-6全开，将上小水箱出水阀门F1-10开至适当开度（30%～80%），其余阀门均关闭。 2. 管路连接：将工频泵出水口和支路1进水口连接起来；将支路1出水口和上小水箱
进水口连接起来；将上小水箱出水口和储水箱进水口连接起来。 3. 采用智能仪表控制： 1）将“AT-1智能调节仪控制”挂件挂到网孔板上，并将挂件的通讯线插头通过RS485通讯线与RS485/232转换器连接到计算机串口1。 2）强电连线：单相I电源L、N端对应接到AT-1挂件电源输入L、N端。 3）弱电连线：上小水箱液位LT1的1-5V+、-端对应接到智能调节仪I的1-5V电压输入1、2端；智能调节I输出7、5对应接到电动调节阀控控制输入+ 、-端。 4）管路、阀门、接线检查无误后接通总电源开关，打开24V电源开关、电动调节阀开关、单相I开关。 5）检查智能调节仪基本参数设置：ctrl=1, dip=1,Sn=33, DIL=0，DIH=50，OPL=0,OPH=100,run=0。 6）打开上位机MCGS组态环境，打开“THPCAT-2智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验六、单容水箱液位定值控制实验”，进入“实验六”的监控界面。 7）先将仪表设置为手动状态，将磁力泵开关打到“手动”位置，磁力驱动泵上电打水，适当增加或减小仪表输出值，使水箱液位平衡在设定值。 8）按本章第一节中的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。 9）待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰： a.突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面两种仅供参考）。 b.将电动调节阀的旁路F1-5（同电磁阀）开至适当开度，将电磁阀开关打至“手动”位置。 c.适当改变上小水箱出水阀F1-10开度（改变负载）。 以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面两种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图3-7所示。 图3-7 单容水箱液位的阶跃响应曲线 10)分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤9，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。
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。
自动控制系统课程设计 1、设计题目：水箱液位控制系统的设计及实物调试 2、设计目的 1、加强对自动控制原理这门课程的认识，初步认识工程设计方法。 2、通过对水箱液位控制系统的设计，进一步理解书本知识，提高实践能力，增强分析问题，解决问题的能力。 3、学习并掌握Matlab的使用方法，学会用Matlab仿真。 4、学会对仿真结果进行分析，计算，并应用到实践设计中去。 3、设计设备 1、ACCC—Ⅰ型自动控制理论及计算机控制技术实验装置 2、数字式万用表 3、示波器 4、MATLAB软件 4、设计任务 （1）复习有关教材、到图书馆查找有关资料，了解水箱液位控制系统的工作原理。 （2）总体方案的构思 根据设计的要求和条件进行认真分析与研究，找出关键问题。广开思路，利用已有的各种理论知识，提出尽可能多的方案，作出合理的选择。画出其原理框图。 （3）总体方案的确定 可从频域法、跟轨迹法分析系统，并确定采用何种控制策略，调整控制参数。（4）系统实现 搭建系统上的硬件电路，实现开环控制，记录实验数据。引入闭环控制，将设计好的控制策略实现其中，根据实际响应效果调整参数直至最优，并记录数据
5、设计要求 1．分析系统的工作原理，进行系统总体设计。 2．选择系统主电路各元部件，进行主电路设计，并完成系统调试。 3．构成开环系统，并测其动态特性。 4．测出各环节的放大倍数及其时间常数。 5．分析单闭环无差系统的动态性能。 6．比较开环时和闭环时的动态响应。 7．构成水箱液位闭环无静差系统，并测其动态性能指标和提出改善系统动态性能的方法，使得系统动态性能指标满足s t s t s r 5.0,2.0%,5%<<≤σ。 6、MATLAB 软件仿真 6．1 软件仿真部分设计要求 1、参考文献【1】完成对电机的数学建模，拉普拉斯变换后得到系统的传递函数； 2、带入表中的水箱液位系统参数，求出系统的开环传递函数； 3、绘制出系统的开环传递函数的单位阶跃响应，分析系统的单位阶跃响应，得到相关性能指标； 4、分步骤实现系统的PID 校正，分别进行比例控制（P ）校正，比例微分控制（PD ）校正，比例积分控制（PI ）校正和比例积分微分控制（PID ）校正； 5、运用《自动控制原理》知识分析系统的性能特征，从阶跃响应性能指标，频域特性等角度分析系统校正前和校正后的性能； 6、设计后的系统满足如下性能指标：s t s t s r 5.0,2.0%,5%<<≤σ； 7、改变输入信号，将阶跃信号分别换成方波信号，信号的周期设置为4s ，幅值为5V 。 6．2 模型建立 1． “水箱系统”的液位控制工艺过程原理图 参考文献【1】，可以得到水箱液位控制系统的工艺过程原理图如图6.2.1所示
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)