过程控制系统
课程设计
题 目:基于组态软件的双容液位单回路控制系统设计 院系名称： 电气工程
专业班级： 自动化 1105 学生姓名： 李郡波 学
号： 201123910811 指导教师： 马利 冯肖亮 设计地点： 31520 设计时间： 6月26日-7月6日
过程控制课程设计任务书
摘要
过程控制就是对工业生产过程的自动控制，它采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具设计控制系统实现生产过程自动化。流量单回路控制系统就是采用计算机、传感器等设备对水箱的水位进行控制使其带到预期的状态。组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
关键词：过程控制工业流量组态王
目录
1 设计目的 (5)
2 控制要求 (5)
3 系统结构设计 (5)
3.1 控制方案 (5)
3.2 控制规律 (6)
3.3 过程仪表及过程模块 (6)
3.3.1 液位变送器 (3)
3.3.2 电动调节阀 (8)
3.3.3 变频器 (9)
3.3.4 水泵 (10)
3.3.5 模拟量采集模块 (11)
3.3.6 模拟量输出模块 (11)
3.3.7 通信转换模块 (11)
3.3.8 开关电源 (12)
3.4 硬件连接 (12)
4 系统组态设计 (14)
4.1 组态软件介绍 (14)
4.2 系统流程图 (15)
4.3 数据词典 (16)
4.4 组态画面 (16)
4.5 动画连接 (17)
4.6 PID 控制算法流程图 (18)
结论 (19)
参考文献 (20)
附录程序代码 (21)
1 设计目的
（1）加深对过程控制系统基本原理的理解和对过程仪表的实际应用能力。（2）培养运用组态软件和计算机设计过程控制系统的实际能力。
2 控制要求
（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。（4）能运用组态软件，正确设计过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。
3 系统结构设计
3.1 控制方案
串级控制系统是一种常见的复杂控制系统，它是根据系统结构命名的。一、基本原理：它是由两个或者两个以上的控制器串联而成的，一个控制器的输出是另一个控制器的的给定值。二、结构：整个系统包括两个控制回路，即主回路和副回路。主回路有主控制器、副回路、主对象和主变送器构成；而副回路由副控制器、控制阀、副对象和副变送器构成。三、特点：与简单控制系统相比，串级控制系统由于在结构上增加了一个副回路，所以有以下特点(1)、对于进入副回路的扰动具有较快、较强的克服能力。(2)、改善主控制器的广义对象的特性。
(3)、对符合和操作条件的变化有一定的自适应能力。(4)、副回路可以按照主回路的需要更精确地控制操纵变量的质量流和能量流。四、应用场合：(1)、用于
克服变化剧烈的和幅值大的干扰。(2)、用于时滞较大的对象。(3)、用于容量之后较大的对象。(4)、用于克服对象的非线性。
本控制系统中，被控参量有两个，上水箱的液位和下水箱的液位，这两个参量具有相关关系。上水箱的液位可以影响下水箱的液位，根据上下水箱的液位相关关系，故系统采用的串级控制。其中，内环控制上水箱的液位，外环控制下水箱的液位，系统远行使下水箱的液位跟随给定值，系统框图如下图3.1所示
图3.1双容液位单回路控制系统框图
3.2 控制规律
本设计采用的是工业控制中最常用的PID控制规律，内环与外环的控制算法采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环PID的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。
其主要特点是：(1)技术成熟；PID调节是连续系统理论中技术最成熟、应用最广泛的控制方法，它的结构灵活，不仅可实现常规的PID调节，而且还可根据系统的要求，采用PI、PD、带死区的PID控制等；(2)不需求出系统的数学模型；(3)控制效果好。虽然计算机控制是非连续的，但由于计算机的运算速度越来越快，因此用数字PID完全可代替模拟调节器，并且能得到比较满意的效果。
3.3 过程仪表及过程模块
本设计中共用到了以下过程仪表和过程模块：
3.3.1 液位变送器
液位传感器是用来上位水箱和下位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质，低功耗精密器件，稳定性和可靠性大大提高。可方便的与其他DDZ—IIIX型仪表互换配置，并能直接交换同类仪表。校验的方法是通电预热十五分钟后，分不在零压力和满程压力下检测输出电流值。在零压力下调整零电位器。使输出电流为4mA ，在满程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。本传感器精度为0.5级，因为二线制，故工作时需串联24V直流电源。液位传感器用来上水位箱和中水位箱的水位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，精度为0.5级，二线制4—20mA标准信号输出。
图3.2 液位传感器
图3.3压力传感器
3.3.2 电动调节阀
调节阀用于调节介质的流量、压力和液位。根据调节部位信号，自动控制阀门的开度，从而达到介质流量、压力和液位的调节。调节阀分电动调节阀、气动调节阀和液动调节阀等。调节阀由电动执行机构或气动执行机构和调节阀两部分组成。调节并通常分为直通单座式和直通双座式两种，后者具有流通能力大、不平衡办小和操作稳定的特点，所以通常特别适用于大流量、高压降和泄漏少的场合。德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀，PS系列电子式执行机构可以用于对管道的阀门和风门的调节及开与关的控制，其主要特点如下：一体化结构设计，位置变送器和伺服放大器作为两个独立部件均可直接装入执行机构内部，直接接受4—20mA的控制信号，输出4—20mA或者1—5VDC的阀位反馈信号，具有自诊断功能，使用和调校十分方便。功能模块式结构设计，通过不同可选择功能的组合，实现从简单到复杂的控制，满足不同的应用要求。结构简单，体积小巧，重量轻，便于安装和维护，机械零件全部采用CNC加工部件，工艺精湛。传动全部采用小齿隙密封齿轮，具有效率高，噪声低，寿命长和稳定可靠，无需再加油等特点。具有多种运行速度，可以满足各种控制系统的要求，以保证系统的快速响应及稳定性。
PSL系列同阀门的连接采用柔软盘黄连接，可避免阀杆与输出轴不同轴给阀门带来的影响，可预置阀门关断能力保证阀门的可靠关断，防止泄露。PSQ系列有转矩开关保护，可防止因阀门产生过大转矩而损坏阀杆。驱动电机采用高性能稀土磁性材料制作的高速度同步电机，运行平稳，具有体积小、转矩大、抗堵转、控制精度高等特点。可设置分段调节，即由一台调节器输出的双时间比例信号控制两台执行机构（4—12mA对应PSL1的全开全闭，12—20mA对应PSL2的全开全闭）阀位反馈元件全密封高精度多圈电位器，具有体积小、精度高、死区小、使用寿命长等特点。行程可调，便于与阀门连接。全部电器元件均采用世界名牌产品，质量可靠，使用时间长。
电器部件布线严谨并传动部件完全隔离，提高执行机构运行性的可靠。
图3.4 电动调节阀
3.3.3 变频器
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显，所以应用越来越广泛。
三菱FR-S520变频器，4-20控制输入信号，可对流量或者压力进行控制，该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定安全可靠，操作方便，寿命长，可外加电流控制，也可通过本身旋钮控制频率。可单相或者三相供电，频率
可高达200HZ。
图3.5 变频器
3.3.4 水泵
水泵是一种利用大气压强将低处的水汲往高处的机器,多半是以电动机作为动力。抽水的电动机泵通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力 , 即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。这里采用丹麦格兰富循环水泵。不会影响教师授课减少麻烦。功耗低，220V供电即可，在
水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。
图3.6 水泵
3.3.5 模拟量采集模块
模拟量输入模块可测量多通道交流电压、电流输入信号。测量精度：0.2级。16位A/D循环采样，采样速率：3000次/S；1.2倍量程可正确测量，过载2倍量程输入1S不损坏；隔离电压1000VDC。模拟量输出模块输出标准电流信号，可用于驱动继电器、开关等。这用A/D牛顿7017模块8路模拟电压（1-5V）
3.3.6 模拟量输出模块
D/A牛顿7024模块4路模拟输出，电流(4—20mA) 电压（1—5V）信号均可。
3.3.7 通信转换模块
485/232转换牛顿7520模块，转换速度极高（300—115KHz），232口可长距离传输。
图3.7 牛顿模块示意图
3.3.8 开关电源
DC24的开关电源，最大电流为2A，可以满足实验要求。
3.4 硬件连接
本系统中，D/A模块中的IO0接口为控制器调节阀开度的控制通道，IO1为可控硅的电压控制通道，IO2为变频器的控制通道。A/D模块中，IN0为上水箱液位的检测，IN1为下水箱液位的检测，IN2为主流量的检测，IN3误为副流量的检测，IN4为温度信号的检测，IN5为阀位反馈信号的检测，IN6为水泵出口压力信号的检测。在D/A模块中，由于模块本身不能提供电源，所以在控制时应串入24V直流电源，输出电流信号控制执行器，AGND为D/A模块公共地。由于变送器输出的都是电流信号，而A/D模块输出的都是电压信号，所以在A/D通道的正负端并联一个250欧姆的电阻，将电流信号转换成电压信号。
系统采用的液位变送器，压力变送器都是二线制的，在检测液位工作时要串入DC24V电源。连接图如图3.8所示：
图3.8 上水箱特性测试实验接线图
接线要求：（I/O对应关系表）
（1）上水箱液位的检测输出----A/D模块中，IN0通道输入（2）下水箱液位的检测输出----A/D模块中，IN1通道输入（3）主流量的检测输出----A/D模块中，IN2通道输入
（4）副流量的检测输出----A/D模块中，IN3通道输入
（5）温度信号的检测输出----A/D模块中，IN4通道输入
（6）阀位反馈信号的检测输出----A/D模块中，IN5通道输入（7）水泵出口压力信号检测输出----A/D模块中，IN6通道输入（8）主调节阀开度的控制输入----D/A模块中的IO0通道输出（9）可控硅的电压控制输入----D/A模块中的IO1通道输出
(10) 变频器的输入----D/A模块中的IO2通道输出
(11) 副调节阀开度的输入----D/A模块中的IO3通道输出
(12) 模块之间用RS485总线连接
(13) 模块与计算机通讯：RS232通讯总线。
4 系统组态设计
4.1 组态软件介绍
随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。
组态（Configuration）为模块化任意组合。通用组态软件主要特点有（1）延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。
最早开发的通用组态软件是DOS环境下的组态软件，其特点是具有简单的人机界面（MMI）、图库、绘图工具箱等基本功能。随着Windows的广泛应用，Windows 环境下的组态软件成为主流。与DOS环境下的组态软件成为主流。与DOS环境下的组态软件相比，其最突出的特点是图形功能有了很大的增强。国外许多优秀通
用组态软件是在英文状态下开发的，它具有应用时间长、用户界面不理想、不支持或不免费支持国内普遍使用的硬件设备、组态软件本身费用和组态软件培训费用高昂等因素，这些也正是国内通用组态软件在国内不能广泛应用的原因。随着国内计算机水平和工业自动化程度的不断提高，通用组态软件的市场需求日益增大。近年来，一些技术力量雄厚的高科技公司相继开发出了适合国内使用的通用组态软件。
4.2 系统流程图
系统流程图如图4.1所示：
V-13
图4.1 系统流程图
4.3 数据词典
数据词典如图4.3所示：
图4.3 数据词典
4.4 组态画面
在液位－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。
单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求，只有在单回路调节系统不能满足生产更高要求的情况下，才采用复杂的调节系统。
组态画面如图4.4所示，其设计原理可见图4.1系统流程图。
图4.4 组态画面
4.5 动画连接
首先根据系统流程图在系统开发界面画好组态图面，然后对各个器件逐一完成动画连接，最后在工程浏览界面中的命令语言中输入程序，即完成了动画。
如图4.5动画连接示例图1所示为，系统未起动时的动画效果，其中各参数均没有设定。图4.6动画连接示例图2与图4.7动画连接示例图3分别为系统运行时的动画连接图，由于参数不同时所显示不同的动画效果和曲线。
当系统运行时，首先设定PID调节参数，根据要求设定给定值，观察连接图，根据需要调节PID参数。最给达到所要的稳定的控制效果。
4.6 PID 控制算法流程图
图 PID控制算法流程图
结论
经过一个多星期的努力，终于结束了课程设计,学会了好多东西，尤其是对组态王软件的认识与了解及应用,又会了一种功能强大的软件，在此我非常感谢老师与同学们的支持与帮助。
并且学会了如何去设计一个过程控制系统，掌握了基本的设计步骤。了解到，一般情况下，它都要经过一下几个步骤：认知被控对象、设计控制方案、选择控制规律、选择过程仪表、选择过程模块、设计系统流程图和组态图、设计组态画面、设计数据词典等，直到最后的动画链接成功，并达到控制要求。经过以上步骤，我对整个过程控制系统的设计有了很深的体会，也学会了很多与设计相关的知识。
参考文献
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[6] 王爱广. 过程控制技术[M]. 化学工业出版社,2005
[7] 陈夕松. 过程控制系统[M]. 科学出版社,2005
过程控制系统实验报告 专业 ****** 班级 ****** 学生 ****** 学号 ******
锅炉汽包水位控制系统设计 一、控制要求 设计一个汽包水位控制系统，使汽包水位维持在120cm，稳态误差±0.4cm，满足生产要求。G(s)=1/(s^3+10s^2+29s+20),σ%<20%,Ts<10s,Ess=0. 二、完成的主要任务 1.掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程 2.对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图 3.选择被控参数和被控变量，说明其选择依据 4.设计控制系统方案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标 5.说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程 6.对控制进行PID控制说明其参数整定理论 7.对锅炉汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要满足动 态性能指标 8.总结实验课程设计的经验和收获
目录 第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理 1了解锅炉生产蒸汽工艺及其工作流程-------------------------------------------3 1.1锅炉汽包水位自动控制的意义--------------------------------------------------3 1.2了解锅炉生产蒸汽工艺及其工作流程-----------------------------------------3 第二章锅炉汽包水位控制系统方案的设计 2.1液位控制系统的方框图------------------------------------------------------------5 2.2液位控制系统的方案图------------------------------------------------------------5 2.3检测变送器的选择------------------------------------------------------------------6 2.4调节阀的选择------------------------------------------------------------------------6 2.5仪器性能指标的计算---------------------------------------------------------------6 2.6调节器的选择------------------------------------------------------------------------8 2.7调节器作用方向的选择------------------------------------------------------------8 第三章PID控制 3.1控制规律的比较--------------------------------------------------------------------9 3.2 PID参数的整定--------------------------------------------------------------------10 第四章仿真 4.1 simulink 仿真---------------------------------------------------------------------11 4.2 系统参数整定--------------------------------------------------------------------13 第五章心得体会-----------------------------------------------------------15
摘要 汽包水位是影响锅炉安全运行的一个重要参数，汽包水位过高或者过低的后果都非常严重，因此对汽包水位必须进行严格控制。PLC技术的快速发展使得PLC 广泛应用于过程控制领域并极提高了控制系统性能，PLC已经成为当今自动控制领域不可缺少的重要设备。 本文从分析影响汽包水位的各种因素出发，重点分析了锅炉汽包水位的“假水位现象”，提出了锅炉汽包水位控制系统的三冲量控制方案。按照工程整定的方法进行了PID参数整定，并进行了仿真研究。根据控制要求和所设计的控制方案进行硬件选型以及系统的硬件设计，利用PLC编程实现控制算法进行系统的软件设计，最终完成PLC在锅炉汽包水位控制系统中应用。 关键词：汽包水位、三冲量控制、PLC、PID控制
ABSTRACT The steam drum water level is a very important parameter for the boiler safe operation, both high and low steam drum water level may lead to extremely serious consequence; therefore it must be strictly to be controlled. With the rapid development of PLC technology, it can widely be applied to the process control domain and enhances the performance of control system enormously. PLC has already become the essential important equipment in automatic control domain. Based on the analysis of all kinds of factors which influence steam drum water level, “unreal water level phenomenon”is analyzed specially, and three impulses control plan for steam drum water level control system is proposed. PID parameters are regulated by engineering regulation method, and simulation study is done. According to the needs of control, the selection of control requirements hardware and system hardware design as well as system software design are carried out. Finally the application of PLC in boiler steam drum water control system is completed. Key words:Steam drum water level、Three impulses control、PLC、PID control
1.4.2 二阶水箱对象PID 控制 实验五 串接双容中水箱液位PID 整定 一、实验目的 （1）熟悉单回路双容液位控制系统的组成和工作原理。 （2）熟悉用P 、PI 和PID 控制规律时的过渡过程曲线。 （3）定性分析不同PID 控制器参数对双容系统控制性能的影响。 二、实验设备 CS2000型过程控制实验装置、计算机、DCS 控制系统与监控软件。 三、实验原理 二阶双容水箱液位PID 控制方框图 上图为双容水箱液位控制系统。这也是一个单回路控制系统，它与实验四不同的是有两个水箱相串联，控制的目的是使中水箱的液位高度等于给定值所期望的高度，具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响功能。显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于控制器（DCS ）的结构和参数的合理选择。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故系统的稳定性不如单容液位控制系统。 对于阶跃输入（包括阶跃干扰），这种系统用比例（P ）调节器去控制，系统有余差，且与比例度成正比。若用比例积分（PI ）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数δ和T I 调节的合理，也能使系统具有良好的动态性能。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 的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。 四、实验内容与步骤 (1)关闭出水阀，将CS2000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。 (2)打开以丹麦泵、电动调节阀、孔板流量计组成的动力支路至上水箱-中水箱的出水阀门；关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。注意调节上水箱进出水阀的开度和中水箱出水阀的开度，避免出现漏空和满出使其变为单容的现象发生。 (3)手动打开实验装置、检测仪表、丹麦泵、电动调节阀的电源开关：打开控制柜中水泵、电动调节阀的电源开关。 (4)启动DCS 上位机组态软件，进入主画面，然后进入实验五画面，熟悉本实验组态软件的启动、退出、界面和基本操作。 DCS 系统 电动阀 中水箱 液位变送器 + ─ 给定 液位 上水箱 干扰 干扰
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。
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
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；
重庆工程学院 课程设计总结报告 课程名称：工控网络与组态技术课程设计 学生姓名：李帅 学号： 179410114 所属学院：电子信息学院 专业：自动化 指导教师：葛国秋 日期： 2020年6月 教务处制
一、课程设计项目 双容水箱液位定值控制系统上位机设计。 二、课程设计目的 一.理解上位机软件在双容水箱液位定值控制系统的应用； 二.掌握WinCC基本的使用及编程方法； 三.掌握OPC通讯的基本知识和相关的设置方法。 三、课程设计时间 教学周十七周十八周 四、课程设计地点 实训楼114和六教101 五、课程设计过程 （1）实训前先仔细阅读设计内容： 1.双容水箱液位定值控制系统工艺流程图绘制； 2.对双容水箱液位定值控制系统参数、电气参数及设备状态进行监测； 3.实现各参数的报警功能，并可查询历史报警记录； 4.实现各参数的趋势显示功能，可以查询短期和长期归档； 5.实现对重要的参数的操作权限管理，对不同的用户设置不同的访问权限，共 分为工程师级、操作员级、浏览级等； 6.通过OPC方式采集双容水箱液位定值控制系统的各个参数。 （2） 阅读实训原理/流程 1.系统P&ID图 根据自动化实验室流程控制实验实际对象，绘制工艺流程图，参考流程图如图1所示。
图1 双容水箱液位定值控制系统工艺示意图 2.上海万讯单回路调节仪的相关参数设置，部分参数设置和接线图如下所示。
图2 智能仪表接线图 3.OPC通讯，通过OPC Server软件读取上海万讯仪表的参数，进行通讯，实现通过WinCC读取上述仪表的数据并动态显示的功能。 4.实现上位机程序的完整功能要求，包括报警，变量归档，用户管理，报表功能等并优化程序调试成功。 WINCC上的操作 一．登陆画面的设计
西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书 专业班级： 自动化1002 学生姓名： 马千云 指导教师（签名）： 一、课程设计（论文）题目 锅炉汽包液位控制 二、本次课程设计（论文）应达到的目的 本次课程设计是自动化专业学生在学习了《计算机控制技术与系统》和《过程控 制及仪表》两门专业必修课程及《单片机原理与应用》、《可编程控制器》等相关专业 选修课程之后进行的一次全面的综合训练，其主要目的是加深学生对计算机控制技术 相关理论和知识的理解，进一步熟悉计算机控制系统工程设计的基本理论、方法和技 能；掌握工程应用的基本内容和要求，整合各专业课程的理论知识和方法，做到理论 联系实际；培养学生分析问题、解决问题的能力和独立完成系统设计的能力，并按要 求编写相关的设计说明书、技术文档和总结报告等。 三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术 参数、设计要求等） 锅炉汽包液位的阶跃响应曲线数据如下表所示，控制量阶跃变化5u ?=。试根据 实验数据设计一个超调量 25%p δ≤的无差控制系统。 具体要求如下： （1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型； （2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）； （3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；
对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。 （4）撰写课程设计报告一份，要求字数3000～5000字。 四、应收集的资料及主要参考文献： 1．王再英等.过程控制系统与仪表.机械工业出版社,2006 2．潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术.高等教育出版社,2001 3．王锦标.计算机控制系统.清华大学出版社,2008 五、审核批准意见 教研室主任（签字） 摘要 锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十万台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。 锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生产来说尤其是这样。因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管。无论满水或缺水都会造成事故，因此，必须严格
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
成绩 课程设计报告 设计题目单回路双容水箱 液位控制系统 课程名称监控系统程序设计技术 姓名学号 班级自动化1104 导师韩晓霞 设计日期2015 年 1 月19 日
单回路双容水箱液位控制系统 摘要 随着科技的进步，自动化逐步走进千家万户。本学期在修完《监控系统程序设计技术》课程后，运用工业监控系统组态软件（MCGS），结合一个自动控制系统，学生自选题目进行工程设计。本次设计的工程系统是“单回路双容水箱液位控制系统”。 通过查阅相关资料，了解到单回路双容水箱的液位控制采用PID调节方法，设定水位与实际水位的偏差和水泵电压信号构成PID调节的输入与输出 单回路双容水箱液位控制系统充分体现着自动化技术的优越性，通过简单操作来实现水箱液位的自动控制。其主要目的是：根据用户的需求，按照用户所设定的水箱液位值，系统自动识别并给出相应的电压信号，控制进水流量，从而控制水箱液位达到设定液位。此外在操作方面，该系统紧密联系实际，可以进行手动控制和自动控制的自由切换。同时为了便于用户使用和实时监控，该系统设置了多项曲线和报表显示窗口，以及多个显示标签。在安全机制方面，在操作权限上根据实际情况进行人员分组管理设置，并设有密码，以便提高系统的安全性能。 通过本次课设学生不仅对课程内容更加了解，通过也提高了学生的动手实践和设计能力。 关键词：水位控制；PID；课程设计；自动化
Single loop and double tank water level control system Abstract With the progress of science and technology, automation and gradually into thethousands of households. This semester in completing the "program" monitoring system design technology course, the use of industrial monitoring system configuration software (MCGS), combined with an automatic control system,students choose the subject of Engineering design. Engineering system of this design is a "single loop and double tank water level control system". Through access to relevant information, understanding to the level of single loopcontrol of two tank using PID regulation method, set the water level and theactual water level deviation and the pump voltage signal to form the PID input and output regulation Single loop and double tank water level control system, fully embodies theadvantages of automation technology, through simple operation to realize the automatic control of tank level. Its main purpose is: according to the needs of users, according to the water level set by the user value, automatic identification system and the corresponding voltage signal, water flow control, so as to control the water level reaches a set level. In addition, in the operation of the system,close connection is actual, can be manually controlled and free switch automatic control. At the same time in order to facilitate the use of the user and the real-time monitoring, the system has set up a number of curves and report display window, and a plurality of display tag. In a safe mechanism, set in the personnelgrouping management operation authority based on the actual situation, and is provided with a password, so as to improve the safety performance of the system. Through this lesson student not only learn more about the content of the course,through hands-on practice and also improve the students' ability to design. Key Words：Water level control ;PID; Curriculum design; Automation
过程控制系统实验报告 专业 xxxxxx 班级 xxxxxxxxx 学生 xxxxxx 学号 xxxxxxxx
锅炉汽包水位控制系统设计 一、控制要求 设计一个汽包水位控制系统，使汽包水位维持在90CM，稳态误差±0,5CM，以满足生产要求。 二、完成的主要任务 1.掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程 2.对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图 3.选择被控参数和被控变量，说明其选择依据 4.设计控制系统方案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标 5.说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程 6.对控制进行PID控制说明其参数整定理论 7.对锅炉汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要满足动态性能 指标 8.总结实验课程设计的经验和收获
过程控制系统实验报告............................... - 0 -第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理............ - 3 - 1.1概述............................................ - 3 - 1.2锅炉生产蒸汽工艺简述 ............................ - 3 - 1.3锅炉生产蒸汽工作流程 ............................ - 4 - ............... - 5 - 2.1 对被控对象进行特性分析 ............................ - 5 - 2.2汽包水位控制系统方框图和流程图..................... - 5 - 2.2.1液位控制系统的方框图.................................. - 5 - 2.2.2液位控制系统的方案图.................................. - 6 - 2.3选择被控参数和被控变量............................. - 6 - 2.4选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标 ......... - 7 - 2.4.1传感器、变送器选择 ..................................... - 7 - 2.4.2执行器的选择........................................... - 8 - 2.4.3关于给水调节阀的气开气关的选择。 ....................... - 8 - 2.4.4 关于给水调节阀型号的选择。............................. - 8 - 2.4.5 给水流量蒸汽流量..................................... - 8 - 2.5 四个环节的工作形式对控制过程............................... - 8 - ................................... - 10 - 3.1对控制进行PID控制.......................................... - 10 - ........................................... - 11 -
/ 过程控制系统实验报告（ 专业 xxxxxx 班级 xxxxxxxxx 学生姓名 xxxxxx < 学号 xxxxxxxx
锅炉汽包水位控制系统设计 < 一、控制要求 设计一个汽包水位控制系统，使汽包水位维持在90CM，稳态误差±0,5CM，以满足生产要求。 二、完成的主要任务 1.掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程 2.对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图 3.选择被控参数和被控变量，说明其选择依据 4.】 5.设计控制系统方案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标 6.说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程 7.对控制进行PID控制说明其参数整定理论 8.对锅炉汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要满足动态性能 指标 9.总结实验课程设计的经验和收获 (
* 过程控制系统实验报告............................... - 0 -第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理............ - 3 -概述............................................ - 3 -！ 锅炉生产蒸汽工艺简述 ............................ - 3 - 锅炉生产蒸汽工作流程 ............................ - 4 - ............... - 5 -对被控对象进行特性分析 ............................... - 5 -汽包水位控制系统方框图和流程图......................... - 5 -液位控制系统的方框图.................................. - 5 - 液位控制系统的方案图.................................. - 6 -选择被控参数和被控变量 ................................ - 6 -; 选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标............. - 7 -传感器、变送器选择........................................... - 7 -执行器的选择................................................. - 8 -关于给水调节阀的气开气关的选择。............................. - 8 - 关于给水调节阀型号的选择。.................................. - 8 -
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
水箱液位单回路控制系统 一、控制目的 根据设定的控制对象和管道配置，运用计算机和INTOUCH组态软件，设计一套监控系统，并通过调试使得水箱液位维持恒定或保持在一定的误差范围内。 二、性能要求 1、要求水箱液位恒定，液位设定值SP自行给定。 2、无扰动时，水压基本恒定，由变频器控制水泵实现。 3、扰动因数：水箱出水流量允许波动。 4、预期性能：响应曲线为衰减震荡；允许存在一定误差。调整时间尽可能短。 三、方案设计、控制规律选择 简单控制系统一般是单回路控制系统。由于其结构简单并且能够满足大多数控制质量的要求，因此在生产过程控制中得到了广泛的应用，是生产过程控制中最基本的一种控制系统。一个单回路反馈系统是由测量变送器装置、控制器、和被控对象所组成，按其被控变量类型的不同可以分为温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液位控制系统等。 控制系统设计时针对某一特定生产对象进行的，当系统安装完成之后，控制效果主要取决于控制器的参数设定整定。选择合适的比例度、积分时间、微分时间是保证和提高系统控制质量的主要途径。 单回路水箱的原理，系统地输入变量为进水阀门、出水阀门的开度，输出变量为水箱液位。单回路PID控制的被控制量是水位，控制量是进水门、出水门开度。通过调节PID控制器的比例增益、积分时间、微分时间三个参数得到比较好的控制效果。 PID 调节器构成的闭环控制回路一般原理如图1 所示
图1 控制系统方框图 控制系统草稿图如图2 图2 控制规律选择：目前工业上常用的控制规律主要有：比例控制、比例积分控制和比例积分微分控制等。本方案采用比例积分微分控制。 比例控制——克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。是最基本的控制规律。但在终了时会存在余差，负荷变化越大余差越大。使用于滞后较小、负荷变化不大、允许被控变量存在余差的场合。 比例积分控制——在比例作用下引用积分作用，虽然会使系统的稳定性降低，但没有余差。适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、不允许被控变量存在余差的场合。 比例微分控制——引入了微分作用，具有超前控制作用，在被控对象具有较大滞后时，会有效的改善控制质量。但对于滞后小干扰作用频繁，含有高频噪声的系统，将可能使系统产生振荡，甚至失控。 比例积分微分控制——综合了比例、积分、微分控制规律的优点。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。 该方案的控制目标是使水位达到平衡状态，通过控制电动调节阀改变阀门开度，来控制流量的大小，从而来控制水位。选择阀门开度为控制量，水位为被控量。控制规律选择PID控制规律。 四、测要求试：
锅炉汽包水位控制系统的设计
过程控制系统实验报告 专业 xxxxxx 班级 xxxxxxxxx 学生姓名 xxxxxx 学号 xxxxxxxx 锅炉汽包水位控制系统设计
一、控制要求 设计一个汽包水位控制系统，使汽包水位维持在90CM，稳态误差±0,5CM，以满足生产要求。 二、完成的主要任务 1.掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程 2.对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图 3.选择被控参数和被控变量，说明其选择依据 4.设计控制系统方案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性 能指标 5.说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程 6.对控制进行PID控制说明其参数整定理论 7.对锅炉汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要 满足动态性能指标 8.总结实验课程设计的经验和收获
过程控制系统实验报告................................................ 错误!未定义书签。第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理 ........ 错误!未定义书签。 1.1 概述.............................................................. 错误!未定义书签。 1.2 锅炉生产蒸汽工艺简述 ............................... 错误!未定义书签。 1.3 锅炉生产蒸汽工作流程 ............................... 错误!未定义书签。第二章锅炉汽包水位控制系统的方案设计 ................. 错误!未定义书签。 2.1 对被控对象进行特性分析 ................................ 错误!未定义书签。 2.2汽包水位控制系统方框图和流程图................. 错误!未定义书签。 2.2.1 液位控制系统的方框图.......................... 错误!未定义书签。 2.2.2 液位控制系统的方案图.......................... 错误!未定义书签。 2.3选择被控参数和被控变量................................ 错误!未定义书签。 2.4选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标错误!未定义书 签。 2.4.1传感器、变送器选择 .............................. 错误!未定义书签。 2.4.2执行器的选择.......................................... 错误!未定义书签。