辽宁工业大学
工业生产过程控制课程设计（论文）题目：水箱液位串级控制系统
院（系）：
专业班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：（签字）
起止时间： 2011、06、27 — 07、08
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院 教研室：
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号
学生姓名 专业班级
课程设计
（论文）
题目
水箱液位串级控制系统 课程设计
（
论
文
）
任务
设计任务：利用“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”，并采用PLC 作为控制器的硬件，设计一个液位闭环反馈控制系统，使液位能够保持在设定的范围。 进度
计划
1．根据设计任务首先进行系统方案设计，要求绘制出控制系统的结构图
及控制系统框图；
2．确定方案后，设计控制系统的电气原理图；
3．根据设计的原理图，进行硬件连接；
4．编制PLC 的控制程序并设计一套简单的上位机监控画面； 5．调试PLC 程序直至满足控制要求为止； 6．对控制系统设计的过程进行总结，认真书写课程设计报告并按时上交。 指
导
教
师
评
语
及
成
绩
平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日
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更高的要求。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过程控制特性呈现大滞后、外界环境扰动较大，要达到水箱液位最后都保持在设定值，用简单的闭环反馈控制系统不能实现很好的控制效果，相比之下，采用液位串级闭环反馈控制系统可以改善系统的控制品质。
双容水槽是工业生产过程的常见被控对象,本文采用了西门子S7-200系列PL C结合液位传感器实现双容液位串级控制系统。该系统能有效克服对象的容量滞后,提高控制精度,减小系统超调。本文阐述了PLC实现双容液位串级控制系统的的工作原理,并从系统硬件组成、PLC工作流程、I/O口分配、控制方式以及工控组态人机监控界面设计等方面进行了详细论述，具有较强的实用性
关键词：西门子S7-200；串级控制；液位；
目录
第1章绪论 (1)
第2章液位串级控制系统组成结构 (2)
2.1系统工作原理 (2)
2.2串级控制系统的组成 (2)
2.2.1 硬件介绍 (2)
2.2.2 软件介绍 (3)
2.3系统总貌图 (5)
第3章控制系统方案设计 (6)
3.1水箱串级控制系统工艺流程图 (6)
3.1.1水箱液位串级控制系统框图的设计 (7)
3.2硬件设计 (7)
3.2.1检测单元 (8)
3.2.2 执行单元 (8)
3.2.3控制单元 (9)
3.3控制系统的控制要求及实现 (9)
3.3.1 控制系统设计技术要求 (9)
3.3.2 控制系统的结构及实现 (10)
3.4控制系统的调试及PID参数整定 (10)
3.4.1 串级控制系统的调试 (10)
3.4.2 控制器PID参数整定 (10)
第4章结论 (12)
参考文献 (14)
第1章绪论
在化学工业生产中双容甚至多容的液位控制是一项非常重要的环节。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,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，要保持上水箱下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。
第2章液位串级控制系统组成结构
2.1 系统工作原理
水箱液位串级控制系统，它是由主控、副控两会路组成，主控回路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，副控制回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，中水箱的液位为副控制量，主调节器的输出作为副调节器的给定，副调节器的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制水箱液位的目的；在串联双容水箱水位的控制中，进水首先进人第一个水箱，然后通过第二个水箱流出，与一个水箱相比，由于增加了一个水箱，使得被控量的响应在时间上更落后一步，即存在容积延迟，从而导致该过程的难以控制。串级控制是改善调节过程动态性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大克服系统的容积延迟。通过MCGS组态软件对整定过程及液位的平衡过程进行实时监控，直至达到主、副回路的最佳整定参数。
2.2 串级控制系统的组成
本实验装置对象主要是水箱；供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮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变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成；控制器为西门子S7-200PLC；用到的实验平台控制屏挂件有：“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”SA-12挂件2个、串口线1根；软件为西门子S7系列PLC编程软件，上位机MCGS监控组态软件。
2.2.1 硬件介绍
被控对象
水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，满足上、中、下水箱的供水需要。
检测装置
压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为0～5KP，精度为0.5级。输出：4～20mADC。
流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。输出：4～20mADC。
执行结构
电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号；水泵：本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动：电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。
控制器
S7-200PLC控制系统：S7-200是一种叠装式结构的小型PLC，包括一个CPU224主机模块、一个EM235模拟量输入模块和一个EM235模拟量输出模块，以及一根PC/PPI连接线。
SA-01电源控制屏面板：图2.1为电源控制屏示意图。合上总电源空气开关及钥匙开关，此时三只电压表均指示380V左右，定时器兼报警记录仪数显亮，停止按钮灯亮。此时打开照明开关、变频器开关及24V开关电源即可提供照明灯，变频器和24V电。按下启动按钮，停止按钮灯熄，启动按钮灯亮，此时合上三相电源、单相Ⅰ、单相Ⅱ、单相Ⅲ空气开关即可提供相应电源输出，作为其他设备的供电电源。
SA-11交流变频控制挂件采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH(R)型变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。
2.2.2 软件介绍
西门子S7系列PLC编程软件：本装置中PLC控制方案采用了德国西门子公司的S7-200PLC，而西门子S7-200PLC采用的是Step 7编程软件。利用这个软件可
以对相应的PLC进行编程、调试、下装、诊断。
图2.1 电源控制屏示意图
2.3系统总貌图
第3章控制系统方案设计
3.1水箱串级控制系统工艺流程图
图3.1液位串级控制系统结构图
如图3.1所示，本实验为水箱液位串级控制系统，它是由主、副两个回路组成，每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量；副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，它的输出是一个辅助的控制变量。主调节器的输出作为副调节器的给定，副调节器的输出直接驱动电动调节阀，从而良好控制水箱液位。
本系统控制的目的不仅是系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值，实现无差调节。当有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当被控制量（下水箱的液位）为作出反映时，副回路已经快速响应，及时地消除了扰动对被控制量的影响。此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，
从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。
3.1.1水箱液位串级控制系统框图的设计
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，要保持上水箱下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。
水箱液位控制系统图如图3.1所示，该系统中，中水箱液位作为副调节器调节对象，下水箱液位作为主调节器调节对象。控制框图如图3.2所示。这里的扰动主要是水箱的出水阀的扰动，有时是人为的因素，有时是机械的因素，扰动总是不可避免的。主回路和副回路结合有效地抑制环境的扰动。
图3.2 串级控制系统方框图
在这里，执行机构仍然是电动调节阀，依旧由PLC经过PID算法后控制它的开度以控制水管里的水流量，控制两个水箱的水位。它有两个PID回路，一个控制下水箱的液位，它的输出值作为另一个的设定值，控制上水箱的液位。
3.2硬件设计
硬件部分主要有变频器、电动调节阀、流量计、中水箱、下水箱、各种传感器、以及数据采集、转换装置；系统硬件的设计包括检测单元、执行单元和控制单元的设计，他们互相联系，组成一个完整的系统。
3.2.1检测单元
在过程控制系统中，检测环节是比较重要的一个环节。液位是指密封容器或开口容器中液位的高低，通过液位测量可知道容器中的原料、半成品或成品的数量，以便调节流入流出容器的物料，使之达到物料的平衡，从而保证生产过程顺利进行。设计中涉及到液位的检测和变送，以便系统根据检测到的数据来调节通道中的水流量，控制水箱的液位。
液位变送器分为浮力式、静压力式、电容式、应变式、超声波式、激光式、放射性式等。系统中用到的液位变送器是浙江浙大中控自动化仪表有限公司生产的中控仪表SP0018G压力变送器，属于静压力式液位变送器，量程为0~10KPa，精度为，由24V直流电源供电，可以从PLC的电源中获得，输出为4~20mA直流。
3.2.2 执行单元
执行单元是构成自动控制系统不可缺少的重要组成环节，它接受来自调节单元的输出信号，并转换成直角位移或转角位移，以改变调节阀的流通面积，从而控制流入或流出被控过程的物料或能量实现过程参数的自动控制。
执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。执行机构首先将来自调节器的信号转变成推力或位移，对调节机构（调节阀）根据执行机构的推力或位移，改变调节阀的阀芯或阀座间的流通面积，以达到最终调节被控介质的目的，来自调节器的信号经信号转换单元转换信号制式后，与来自执行机构的位置反馈信号比较，其信号差值输入到执行机构，以确定执行机构作用的方向和大小，其输出的力或位移控制调节阀的动作，改变调节阀的流通面积，从而改变被控介质的流量。当位置反馈信号与输入信号相等时，系统处于平衡状态，调节阀处于某一开度。
系统中用到的调节阀是QS智能型调节阀，所用到的执行机构为电动执行机构，输出为角行程，控制轴转动。电动执行机构的组成框图。
来自PLC的模拟量输出DC4~20mA信号Ii与位置反馈信号If进行比较，其差值经放大后，控制伺服电动机正转或反转，再经减速器后，改变调节器的开度，同时输出轴的位移，经位置发生器转换成电流信号If。当Ii=If时，电动机停止转动，调节阀处于某一开度，即Q=KIi，式中Q为输出轴的转角，K为比例常数。
电动调节阀还提供手动操作，它的上部有个手柄，和轴连接在一起，在系统掉电时可进行手动控制，保证系统的调节作用。
控制单元
3.2.3控制单元
控制单元是整个系统的心脏。在系统中，PLC是控制的中心元件，它的选择是控制单元设计的重要部分。系统采用的是西门子S7-300系列的PLC，其结构简单，使用灵活且易于维护。它采用模块化设计，本系统主要包括CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和电源模块。
3.3 控制系统的控制要求及实现
3.3.1 控制系统设计技术要求
水箱液位和流量串级控制系统主要由水箱、管道、水泵、异步电动机、电机控制电器、水压传感器、变频器、电动调节阀、可编程控制器及其输入输出通道电路等构成。系统中由电位器设置液位给定值，水压力传感器检测液位，采用PID 算法得出流量给定值。涡轮流量计测流量，电动调节阀控制流量，采用PID算法得出电动调节阀度控制值，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起动信号后过接触器接通电机电源，启动动力系统工作，开始两闭环系统的调节工作。
根据工艺要求，为了保证控制精度，系统以低位水箱液位为主调节参数，高位水箱液位为副调节参数，构成串联双容水箱串级控制系统。低位水箱的液位传感器检测的液位信号与给定液位值进行比较后送人主调节器，经PID运算后，其输出作为副调节器的给定值，与高位水箱的液位传感器检测到的液位信号进行比较后送人副调节器，经PID运算后，其输出控制电动调节阀的开度，控制进水流量的大小，从而控制水箱的液位口。系统的结构如图3.2所示。
3.3.2 控制系统的结构及实现
根据工艺要求，考虑到系统中处理的主要是液位、流量等模拟量信号，所以采用西门子S7-200实现对信号的处理和整个系统的控制；采用组态软件WINCC 对系统进行显示和监控。
本系统采用西门子MCGS工业控制组态软件，通过适配器、MPI通讯电缆使PC机与PLC进行通信。MCGS组态软件能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、安全机制、工艺过程实时监控、PID参数的调整、工业图形显示等功能，非常方便。
3.4控制系统的调试及PID参数整定
3.4.1 串级控制系统的调试
该系统中以串级控制系统来控制下水箱液位，以第二支路流量为副对象，右边水泵直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。下水箱为主对象，流量的改变需要经过一定时间才能反应到液位，时间常数比较大，时延大。如图3.1所示，设计好下水箱和流量串级控制系统。将主调节器的输出送到副调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。由上分析副调节器选PID控制，自动。主调节器选用PID控制，自动。反复调试，使第二支路的流量快速稳定在给定值上，这时给定值应与副反馈值相同。待流量稳定后，通过变频器快速改变流量或人为加入扰动。若参数比较理想，且扰动较小，经过副回路的及时控制校正，不影响下水箱的液位。如果扰动比较大或参数并不理想，则经过副回路的校正，还将影响主回路的流量，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使液位调回到给定值上。当使用第一动力支路把扰动加在下水箱时，扰动使液位发生变化，主回路产生校正作用，克服扰动对液位的影响。由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对主回路的液位影响较小，从而使系统自动达到平衡调节，以保持水箱液位高度。
3.4.2 控制器PID参数整定
主回路是一个定值控制系统。对于主参数的选择，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏
度，并符合工艺过程的合理性；串级控制系统副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强的特点，因而在选择副参数进行副回路设计时，必须注意主、副过程时间常数的匹配问题，以尽量减少对主参数的影响，提高主参数的控制质量。即，如果副过程的时间常数比主过程小得多，这时副回路反应灵敏，控制作用快，但此时副回路包含的扰动少，对于过程特性的改善也就少了；相反，如果副过程的时间常数大于或接近于主过程的时间常数，这时副回路对于改善过程特性的效果较明显。但是，副回路反应较迟钝，不能及时有效地克服扰动，并将明显地影响参数。如果主、副过程的时间常数较接近，这时主副回路间的动态联系十分密切，当一个参数发生振荡时，会使另一个参数也发生振荡，这就是所谓的“共振”，它不利于生产的正常进行。串级控制系统主、副过程时间常数的匹配是一个比较复杂的问题。原则上，主副过程时间常数之比应是3到10范围内。本次液位控制系统中设置串级控制系统主要是利用副回路能迅速克服主要扰动，所以副回路的时间常数以小一点为好，只要将主要扰动包括在副回路中即可。针对本次的液位串级控制系统可用以下步骤对PID 参数整定：1）根据副变量的类型，按经验数据选择好副控制器的比例度（可参照图 3.3）；2）将副控制器参数置于经验值，然后按单回路控制系统中任一整定方法整定主控制器参数；3）观察控制过程，根据主、副控制器放大系数匹配的原理，适当调整主、副控制器的参数，使主变量控制质量最好；4）若出现振荡，可加大主（或副）控制器的比例度，即可消除。如出现剧烈振荡，可先转入遥控，待产生稳定之后，重新投运和整定。
图3.3 副控制器比例度
副变量类型 副控制器放大系
数K C2
副控制器比例度δ（%） 温度 5～1.7
20～60 压力 3～1.4
30～70 流量 2.5～1.25
40～80 液位
5～1.25 20～80
第4章结论
1 液位流量控制系统的控制效果如图4.1所示，在系统稳定后，副回路增加的扰动，从图上可见这个扰动对系统影响很小。
图4.1 加扰动后控制效果图
2通过本次水箱液位串级控制系统的设计不看出所采用的串级控制方案很好地克服了双容对象的容量延迟对液位控制的不利影响，取得了较好的控制效果。通过上位机监控组态界面的设计，使整个系统的运行和控制状态更直观。目前，3我们还可以明确单回路控制技术并非适用一切，对于时间常数较大、存在时间滞后、系统有较大干扰的情况，单回路控制系统的调节质量难于保证。必须改进控制方式，而串级控制系统能较大的解决这一问题，串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象的特性，使等效对象的时间常数减小，系统的工作频率提高，改善了系统的动态性能，使系统的响应加快，控制及时。同时，由于串级系统具有主副两只控制器，总放大倍数增大，系统的扰干扰能力增强。因此，它的控制质量要比单回路控制系统高。
4和单回路控制系统相比较，串级控制系统有以下特点：1）改善了对象的特性—在串级控制系统中，如把副回路视为一等效副对象，那么，它的时间常数和放大系数都比原副对象的小。对象时间常数减小，系统的响应速度将加快，这对及时克服干扰，提高控制质量是有利的；2）提高了系统的工作频率—在串级控制系统中，由于等效副对象时间常数比原副对象的小。因此，在采用串级控制时系统的工作频率就比采用单回路控制时为高（在相同衰减比下）。这对及时克服干扰、消除偏差、提高控制质量是有利的；3）提高了系统的抗干扰能力—和单回路控制系统相比，串级控制系统中有两台控制器，这就提高了控制器的总放大系数，系
统中控制器的放大系数越大，克服干扰就越有力，特别当干扰落在副回路内时，由于响应快、控制及时，大大提高了系统的抗干扰能力；4）具有一定的自适应能力—在串级控制系统中，主回路是一个定值系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随主控制器的输出而变化的。主控制器可以根据操作条件和负荷的变化，不断地调整副控制器的给定值，从而保证在负荷和操作条件变化时，控制系统仍然具有较好的品质，这就提高了系统对负荷和操作条件变化的适应能力。
参考文献
[1] 何衍庆，黎冰，黄海燕.工业生产过程控制.第二版. 北京:化学工业出版社2009.
[2] 王树青，戴连奎，于玲.过程控制工程.第2版.北京:电子工业出版社，2007.
[3] 翁维勤，孙洪程.过程控制系统及工程.第2版.北京:化学工业出版社，2002.
[4] F G Shinskey.过程控制系统.方崇智译.北京:化学工业出版社，1982.
[5] 俞金寿.工业过程先进控制.北京:中国石化出版社，2002.
注意：中文用小四宋体，英文用小四Times New Roman。参考文献不少于五篇
实验三上中水箱液位串级控制系统实验 一、实验目的 1、了解复杂过程控制系统的构成。 2、掌握复杂过程控制一—串级控制方法。 3．掌握串级控制参数整定方法。 二、实验类型 综合型 三、实验装置 1、过程控制实验装置见图3－1，其中使用：电磁阀、上下水箱及液位变送器、水泵系统等。 2、控制仪表一套，以及通信线路。 3、计算机一台。 图3－1 系统示意图 四、实验原理 上下水箱双容液位串级控制的方块原理图如图3－2，本实验将下水箱液位控制在设定高度。串级回路是由内反馈组成的双环控制系统，属于复杂控制范畴。
在实验中使用了两个调节器作为主副调节器。将上水箱的液位信号输出作为主调节器输入，主调节器的输出作为副调节器的输入，在串级控制系统中，两个调节器任务不同，因此要选择调节器的不同调节规律进行控制，副调节器主要任务是快速动作，迅速抵制进入副回路的扰动，至于副回路的调节不要求一定是无静差。主调节器的任务是准确保持下水箱液位在设定值，因此，主调节器采用PI 调节器也可考虑采用PID 调节器。 图3－2 串级控制框图 PID 算法的两种类型 ①、位置型控制 []00 )1()()()()(u n e n e T T i e T T n e K n u n i D I P +? ??? ??--+ + =∑= ②、增量型控制 [][])2()1(2)()()1()()1()()(-+--++--=--=?n e n e n e T T K n e T T K n e n e K n u n u n u D P I P P 串级控制系统的参数整定 ①、两步整定法 第一步整定副回路的副控制器；第二步整定主回路的主控制器。
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
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。
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。
南阳理工学院 毕业设计（论文）任务书 电子与电气工程系自动化专业079611班学生学号 指导教师殷华文职称副教授 一、毕业设计（论文）题目：基于S7-300 PLC的Simulink在线上下水箱液位串级控制——Simulink 在线控制程序设计 二、毕业设计（论文）工作规定进行的日期：2010.12.06—2011.04.29 三、毕业设计（论文）进行地点：4521 四、任务书的内容： 选题的目的、意义： 用西门子S7-300 PLC实现对液位信号的检测和调节阀控制信号的输出，在上位计算机上实现WinCC监控，MATLAB软件通过OPC 技术实现对控制系统的参数传递，在Simulink中进行在线控制,对模拟工业对象的上下水箱液位进行串级控制，而后将Simulink中实现的算法在PLC中实现最终的控制。 通过本题目的设计，提高学生对自动化工程的设计与调试能力，使学生有能力进入自动化行业发展。 主要内容及技术要求： 利用自制的过程控制实验装置作为控制对象，由恒压供水环节为水箱供水，对上下水箱组成的串级对象进行控制，上水箱为副对象，下水箱为主对象。对上下水箱容积相同、容积不同的情况进行研究，总结出串级控制的控制规律。 以WinCC作为OPC Server,以MATLAB/Simulink作为OPC Client，设置它们之间的OPC 通讯。通过OPC技术实现控制参数传递。 （1）在MATLAB/Simulink中设计在线控制算法。 （2）下水箱液位设定在100—400mm可调，稳态误差≤±5%。 （3）绘制控制系统图纸不少于4张。 （4）毕业论文字数8000-10000字。
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）
第六节水箱液位串级控制实验 一、实验目的 1. 熟悉串级控制系统的结构与特点 2. 掌握串级控制系统的投运与参数的整定方法 3. 研究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 二、实验设备 1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置 2. 计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根 3. 万用表1只 三、实验原理 图6-1 液位串级控制系统的结构图 图6-2 液位串级控制系统的方框图 本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主、副两个回路组成。
每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量。副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，它的输出是一个辅助的控制变量。 本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值，实现无差调节。当有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当被控制量（下水箱的液位）未作出反映时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对被控制量的影响。此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。图6-1为实验系统的结构图，图6-2为相应控制系统的方框图。 四、实验容与步骤 1.按图6-1要求，完成实验系统的接线。 2.接通总电源和相关仪表的电源。 3.打开阀F1-1、F1-2、F1-7、F1-10、F1-11，且使阀F1-10的开度略大于F1-11。 4.按经验数据预先设置好副调节器的比例度。 5.调节主调节器的比例度，使系统的输出响应出现4：1的衰减度，记下此时的比例度δS和周期TS。据此，按经验表查得PI的参数对主调节器进行参数整定。 6.手动操作主调节器的输出，以控制电动调节阀支路给中水箱送水的大小，等中、下水箱的液位相对稳定，且下水箱的液位趋于给定值时，把主调节器切换为自动。
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.
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 1 过程控制系统简介 (1) 1.1 过程控制介绍 (1) 1.2 串级控制系统的组成 (1) 1.2.1 硬件介绍 (1) 1.3 电源控制台 (3) 1.4 总线控制柜 (3) 1.5 软件介绍 (4) 1.6 系统总貌图 (4) 2 串级控制系统简介 (5) 2.1 液位串级控制系统介绍 (5) 2.2 串级控制系统的概述 (5) 2.3 串级控制系统的工作过程 (5) 2.4 系统特点及分析 (6) 2.5 串级控制系统的整定方法 (6) 2.6 主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配 (7) 2.7 PID控制工作原理 (7) 3 上水箱液位与进水流量串级控制系统 (9) 3.1 实验设备 (9) 3.2 液位-流量串级控制系统的结构框图 (9) 3.3 系统工作原理 (9) 3.4 控制系统流程图 (10) 3.5 实验过程 (11) 3.6 实验结果分析 (13)
摘要 本文根据液位系统过程机理，建立了单容水箱的数学模型。在设计中用到的PID算法提到得较多，PLC方面的知识较少。并根据算法的比较选择了增量式PID算法。建立了PID 液位控制模拟界面和算法程序，进行了系统仿真，并通过整定PID参数，同时得出了整定后的仿真曲线和实际曲线。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。PLC在工业自动化中应用的十分广泛。PID控制经过很长时间的发展，已经成为工业中重要的控制手段。本设计就是基于PLC的PID算法对液位进行控制。PLC经传感电路进行液位高度的采集，然后经过自动调节方式来确定完PID参数后，通过控制直流泵的工作时间来实现液位的控制。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。本次设计主要内容是利用提供的被控对象单容水槽和相关仪器仪表，设计液位控制系统，利用组态王软件编写控制算法实现控制系统的上位机监控。 关键词：组态王，液位控制，PID算法，过程控制
一、设计任务 (3) 二、实验目的 (3) 三、实验方案 (4) 四、实验过程 (5) 实验总结 (17) 参考文献 (18) 附录 (19)
一、设计任务： （1）液位监控：完成一个液位监控系统，要有流程图画面，报警画面，历史曲线、实时曲线、报表等个画面键可以灵活切换。 （2）通过组态软件，结合实验已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用但闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制程序的液位单回路过程控制系统。 设计要求 (1)根据液位单回路过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。 (2)运用组态软件，正确设计液位但回路过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。 二、实验目的： （1）能根据具体对象及控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。 （2）能够根据过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用模块。 （3）能根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。
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。
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)
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。
实验3 液位流量串级控制实验 一、实验目的 通过实验掌握串级控制系统的基本概念，掌握串级控制系统的组成结构，即主被控参数、副被控参数、主调节器、副调节器、主回路、副回路。 通过实验掌握串级控制系统的特点、串级控制系统的设计，掌握串级控制主、副控制回路的选择。掌握串级控制系统参数整定方法，并将串级控制系统参数投运到实验中。 二、实验设备 过程控制实验系统，计算机 三、实验原理 单回路控制系统解决了工艺生产过程自动化中大量的参数定值问题。但是，随着现代工业生产的迅速发展，工艺操作条件的要求更加严格，对安全运行和经济性及对控制质量的要求也更高。但回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求，在这样的情况下，串级控制系统就应运而生。 1、串级控制系统的结构 串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到广泛地应用，串级控制系统是指不止采用一个控制器，而是将两个或几个控制器相串级，是将一个控制器的输入作为下一个控制器设定值的控制系统。 2、串级控制系统的名词术语 主被控参数：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。 副被控参数：在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引入的中间辅助变量。 主被控过程：由主参数表征其特性的生产过程，主回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。 副被控过程：由副被控参数为输出的生产过程，副回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为控制参数。
主调节器：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。 副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制调节阀动作。 副回路：由副调节器、副被控过程、副测量变送器等组成的闭合回路。 主回路：由主调节器、副回路、主被控过程及主测量变送器等组成的闭合回路。 一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。 二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。 当生产过程处于稳定状态时，它的控制量与被控量都稳定在某一定值。当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同扰动，分为三种情况： (1)在副对象上的扰动 副对象加上扰动后，副调节就立即发出校正信号，控制执行对象(工程上一般是调节阀的开度，而本实验装置中是泵电机的转速)动作，以克服扰动对主被控参数的影响。如果扰动量不大，经过副回路的及时控制一般不影响被控量，如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正，但还将影响被控量；此时再有主回路的进一步调节，从而使被控量回到平衡时的值。 (2)主对象上的扰动 主对象加上扰动后，主回路产生校正作用，由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对被控量的影响比单回路系统时要小。 (3)一次扰动和二次扰动同时存在 如果一、二次扰动的作用使主，副被控参数同时增大或减少时，主、副调节器对调节阀(或泵电机转速)的控制方向一致的，即大幅度关小或开大阀门(或大幅度地使泵电机加速或减速)，加强控制作用，使主被控量很快地回到给定值上。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大，另一个减少，此时主、副调节器控制调节阀的方向是相反的，调节阀的开度只要作较小变动即满足控制要求。 3、串级控制系统的特点
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 .
第六节 水箱液位串级控制实验 一、实验目的 1. 熟悉串级控制系统的结构与特点 2. 掌握串级控制系统的投运与参数的整定方法 3. 研究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 二、实验设备 1. THJ-2 型高级过程控制系统实验装置 2. 计算机、上位机 MCG 组S 态软件、 RS232-485转换器 1 只、串口 线1根 3. 万用表 1 只 三、实验原理 图6-2 液位串级控制系统的方框图 图 6-1 液位串级控制系统的结构
本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主、副两个回路组成。每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量。副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，它的输出是一个辅助的控制变量。 本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值，实现无差调节。当有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数， 因而当被控制量（下水箱的液位）未作出反映时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对被控制量的影响。此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。图6-1 为实验系统的结构图，图6-2为相应控制系统的方框图。 四、实验内容与步骤 1.按图6-1 要求，完成实验系统的接线。 2.接通总电源和相关仪表的电源。 3.打开阀F1-1、F1-2、F1-7、F1-10、F1-11，且使阀F1-10的开度略大于F1-11。 4.按经验数据预先设置好副调节器的比例度。 5.调节主调节器的比例度，使系统的输出响应出现4：1的衰减度，记下此时的比例度δS和周期TS。据此，按经验表查得PI 的参数对主调节器进行参数整定。 6.手动操作主调节器的输出，以控制电动调节阀支路给中水箱送
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。
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
摘要 在过程工业中被控制量通常有以下四种: 液位、压力、流量、温度。而液位不仅是工业过程中常见的参数，且便于直接观察，也容易测量。过程时间常数一般比较小。以液位过程构成实验系统,可灵活地进行组态，实施各种不同的控制方案。液位控制装置也是过程控制最常用的实验装置。国外很多实验室有此类装置，如瑞典LUND大学等。很多重要的研究报告、模拟仿真均出自此类装置! 本次设计也是基于这套水箱液位控制装置来实现的。这套系统由多个水箱，液位检测变送器，电磁流量计，涡轮流量计，自动调节阀，控制面板等喝多器件构成。 液位控制的发展从七十年代到九十年代经历了几个阶段，控制理论由经典控制理论到现代控制理论，再到多学科交叉；控制工具由模拟仪表到DCS，再到计算机网络控制；控制要求与控制水平也由原来的简单、安全、平稳到先进、优质、低耗、高产甚至市场预测、柔性生产。而其中应用最广泛的就是PID 控制器。 这次首先是用一天半的时间让我们熟悉各种建模的方法。学会建立了最初的四种模型。接着后几天就是开始熟悉各种控制系统，以及运用它们去控制水箱的液位，从而更加深刻的理解控制的概念。并且在过程中，要熟练学会调整PID的参数，学会使用MATLAB等。 关键词：水箱液位；PID控制；串级控制；前馈控制；经验凑试法
目录 1引言 (1) 2 实验设备 (2) 2.1 THJ-FCS型或THJ-3型高级过程控制系统实验装置 (2) 2.2计算机及相关软件。 (6) 2.2.1 SIMATIC WinCC简介 (6) 2.2.2 监控界面 (7) 3 设备工作原理及运行过程 (8) 3.1 设备工作原理 (8) 3.2 控制系统流程图 (9) 3.3系统投运及步骤 (10) 4 参数整定与结果分析 (12) 4.1 参数整定 (12) 4.1.1 比例（P）调节 (12) 4.1.2 比例积分（PI）调节 (14) 4.1.3 比例积分微分（PID）调节 (17) 4.2 结果分析 (19) 总结 (20) 参考文献 (21)