过程控制系统
课程设计
题目: 基于组态王与PLC的单容水箱液位控制系统院系名称：电气工程学院
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摘要
本次设计是基于组态王与PLC的单容水箱液位控制系统，该系统以实现水箱液位的自动控制。通过计算机控制水箱，从计算机上给定PID参数从而进行水箱液位控制，本次设计主要以单容水箱作为研究对象，运用组态王中亚控仿真PLC 进行单容水箱对象特性的测试，并利用MATLAB软件进行了控制系统的仿真及分析，并确定出一组合适的PID参数对其进行控制。其次，采用组态王进行系统监控，通过对调节器PID参数的整定，实现了水箱液位的闭环控制，使水箱液位稳定在设定值，满足设计要求。该设计以基于计算机与PLC控制的单回路液位控制系统，通过安装在水箱底部的压力变送器测量液位，PLC接收来自压力变送器的测量信号，以电动调节阀为执行器，来改变阀门的开度，同时采用组态王进行系统监控，通过对调节器PID参数的整定，实现了水箱液位的闭环控制，使水箱液位稳定在设定值。
关键词：水箱液位控制组态王与PLC PID算法
目录
1 绪论 (3)
1.1 背景意义 (3)
1.2 国内外研究现状 (3)
1.3 本课题研究意义 (3)
2 设计方案与仪表选型 (4)
2.1 系统组成 (4)
2.2 水箱液位控制系统构成 (4)
2.3 水箱液位控制系统工作原理 (4)
2.4 仪表选型 (5)
2.4.1 变送器的选择 (5)
2.4.2 执行器的选择 (5)
2.4.3 水泵的选择 (6)
3 PID算法设计 (6)
3.1 PID控制器介绍 (6)
3.2 PID算法实现 (7)
3.2.1 PID算法程序设计 (7)
3.2.2 史密斯预估补偿方案 (9)
3.3 PLC控制程序流程 (10)
4 被控对象特性分析及MATLAB仿真 (11)
4.1 被控对象动态特性概述 (11)
4.2 被控对象数学模型的建立 (11)
4.2.1 阶跃响应曲线法建立单容水箱的数学模型 (11)
4.2.2 PID控制器校正单容水箱系统 (12)
5 系统组态设计 (14)
5.1 组态王软件简介 (14)
5.2 组态界面的设计 (14)
5.2.1项目的建立 (14)
5.2.2 图形画面的制作 (15)
5.2.3 PLC设备的定义 (16)
5.2.4 上位机与PLC的通讯设置 (16)
5.2.5 定义变量 (17)
5.2.6 动态连接 (17)
设计心得 (23)
参考文献 (24)
附录：PID程序算法程序 (25)
1 绪论
1.1 背景意义
过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；工矿企业的排水与进水，如果排水或进水控制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精流塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。
1.2 国内外研究现状
从50年代以来出现的方法有史密斯预估补偿控制、最优控制、自适应控制、动态矩阵预报控制、预测控制、滑膜变结构控制、鲁棒控制、模糊史密斯控制、模糊自适应控制、模糊PID控制、神经网络控制、专家控制等。其控制方法也已经由传统控制转向智能控制，或者是二者结合。PID控制是迄今应用最广泛的一种控制方法。目前针对纯滞后系统所采用的史密斯控制、模糊控制，以及预测函数控制等先进控制技术。分析表明，这些控制策略都能实现对时滞系统的有效控制，提高了此类液位控制系统的控制品质。而且，对于具有时间滞后特征的工业过程控制问题，多年来一直是控制理论和控制工程界广泛关注的热点之一。
1.3 本课题研究意义
当今时代，为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题，自然就引入了工业生产的自动化控制。在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理利用等一系列重要的问题。随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以本设计就又引入了可编程逻辑控制（又称PLC）与P 组态王相结合的控制手段。引入PLC可使控制方式更加的集中、有效、及时，引入组态王，可以实时监控系统运行状况，二者互补，完美实现稳定的工业自动化控制。
液位控制系统它使我们的生活、生产都带来了不可想象的变化。它使在控制中更加的安全，节约了更多的劳动力，更多的时间。在我国随着社会的发展，很早就实行了自动控制。而在我国液位控制系统也利用得相当的广泛，特别在锅炉液位控制，水箱液位控制。还在黄河治水中也的到了利用，通过液位控制系统检测黄河的水位的高低，以免由于黄河水位的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。
2 设计方案与仪表选型
2.1 系统组成
单容水箱液位控制系统组成结构如图2.1所示，控制器采用S7-200PLC, 被控对象为单容水箱，水箱的液位经液位传感器测量变送至PLC, PLC对数据进行处理，根据控制要求进行运算，结果经模拟量输出给执行器，执行器为电动调节阀。
上位机通过计算机PC/PPI电缆和下位机PLC串口通信，上位机安装有STEP7-MicroWin编程软件和组态王监控软件，可以进行控制算法编程，并为过程控制实验提供良好的人机界面，可以在实验时进行参数的设定修改以及响应曲线的在线显示，进行整个试验系统的监控。
图2.1单容水箱液位控制系统组成结构
2.2 水箱液位控制系统构成
单容水箱液位控制系统有四个基本组成部分，即控制器、执行器、被控过程和测量变送等，单容水箱液位控制系统示意图如图2.1所示。
阀一
图2.2 单容水箱液位控制系统示意图
2.3 水箱液位控制系统工作原理
在虚拟的水箱控制系统中当水箱液位实际值PV小于给定值SV时，通过组态王界面调大电动调节阀开度，使水箱液位上升；当水箱液位实际值PV大于给定值SV时，此时调小阀门开度，使水箱液位回到给定值上。数据采集原理框图如图2.3，数据采集是一个典型的简单负反馈控制回路, 通过传感器将实际的物理
量(即水箱液位)转换为电压信号传给PLC 的AD 功能模块，转换后可送入PC 中，与给定值进行比较得出偏差值，从而改变进水流量，以实现对水箱液位的控制。单容水箱液位控制系统方框图如2.3所示：
图2.3 单容水箱液位控制系统方框图
2.4 仪表选型
2.4.1 变送器的选择
测量变送环节的作用是将工业生产过程中的参数经过检测、变送单元转换成标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用4～20mADC 、1～5VDC 的电流（电压）信号，或
20～100kPa 的气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是指数字信号。因在水箱液位控制系统中测量的是水箱液位，所以实验室选用的是压力液位变送器。液位传感器用来对水箱的液位进行检测，对控制精度有直接的影响， DBYG 扩散硅压力变送器是一种新型的压力检测仪表。压力测量头的核心部件是扩散硅压力传感器，因此没有可动部件，抗震性能优良。仪表在工业测量和自动调节系统中作为检测环节用来测量液体、气体或蒸气的压力，并将被测参量转换成4～20mA DC 的标准电流信号输出，与其它仪表配合实现生产过程中的自动检测和控制。另外，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗的精密器件，稳定性、可靠性大大提高。
因此，本设计采用工业用的DBYG 扩散硅压力变送器，如图2.4所示。
图2.4 DBYG 扩散硅压力变送器
2.4.2 执行器的选择
执行器接受来自控制器输出的控制信号，进而实现对操纵变量的改变，从而使被控变量向设定值靠拢。控制阀接收来自控制器输出的控制信号，通过改变阀的开度达到控制流量的目的。控制阀包括执行机构和调节机构两部分。执行机构是控制信号产生推力或位移的装置；调节机构是根据执行机构的输出信号改变能量或物料输送量的装置。因此本设计的执行器选用电动调节阀。
电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国PS 公司进口的PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同
步电机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高、控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高、操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。有输入控制信号4－20mA及单相电源即可控制运转实现对压力流量温度液位等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量少的优点。采用PS电子式直行程执行机构，4－20mA阀位反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等特点。PSL202型智能电动调节阀如图2.5所示。
图2.5 PSL202型智能电动调节阀
2.4.3 水泵的选择
丹麦格兰富循环水泵特点：安装方便，功率强大、容易维护和广泛的适用性，噪音低，寿命长，功耗小，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。因此，本设计选择该型号为CM10-3的丹麦循环水泵。如图2.6所示。
图2.6 CM10-3型丹麦循环水泵
3 PID算法设计
3.1 PID控制器介绍
PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。通过Kp，Ti和Td三个参数进行设定。
PID参数对系统的影响：
（1）比例增益Kp 能及时地反映控制系统的偏差信号，系统一旦出现了偏差，比例环节立即产生调节作用，使系统偏差快速向减小的趋势变化。当比例增益Kp 越大，PID 控制器调节速度越快。但Kp 不能太大，过大的比例增益会加大调节过程的超调量，从而降低系统的稳定性，甚至可能造成系统的不稳定。（2）积分环节可以消除系统稳态误差。积分作用的强弱取决于积分时间常数的大小， Ti 越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。积分作用的引入会使系统稳定性下降，动态响应变慢。
（3）微分环节的引入，主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。微分作用具有超前的控制作用,因此，微分作用可以改善系统的动态性能。微分作用的
强弱取决于微分时间 Td 的大小，Td 越大，微分作用越强，反之则越弱。
数字PID 调节器就是将模拟信号( 包括电流、电压) 通过AD 转换变为数字信号, 微处理器（本设计采用单片机）再将数字信号通过一定的算法进行一定的处理。
3.2 PID 算法实现
3.2.1 PID 算法程序设计
我们知道，在模拟系统中，PID 算法的表达式为： ??
????????++=?dt t de Td dt t e t e kp t p T i )()(1)()( （3.1） 式中p(t)—调节器的输出信号；
e(t)—调节器的偏差信号，它等于给定值与测量值之差；
kp —调节器的比例系数；
Ti —调节器的积分时间；
Td —调节器的微分时间。
由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差来计算控制量。因此，在计算机控制系统中，必须首先对式（3.1）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示：
∑∑?===?=n j n
j n
j E T t j E dt t e 000)()()( （3.2） [][]T
k E k E t k E k E dt t de )1()()1()()(--=?--≈ （3.3） 将式（3.2）和式（3.3）代入式（3.1）得到离散化公式。 []0()()()()(1)k D j I T u k kp E k E j E k E k T T T =????=++--??????
∑ （3.4） △t=T —采样周期，必须使T 足够小，才能保证系统有一定的精度； E(k)—第k 次采样时的偏差值；
E(k-1)—第（k-1）次采样时的偏差值；
k —采样序号，k=0，1，2，…；
p(k)—第k 次采样时的调节器的输出。
由式(3.4)可以看出，要想计算p(k)，不仅需要本次与上次的偏差信号E(k)和E(k-1)，而且还要在积分项中把历次的偏差信号E(j)进行相加，即∑=k j 0E(j)。这样，不仅计算烦琐，而且为保存E(j)还要占用很多内存。因此，
用式(3.4)直接进行控制很不方便。为此，我们做如下改动
[]10(1)(1)()(1)(2)k d p j i T u k K E k E j E k E k T T T -=????-=-++---??????
∑ （3.5）
用式(3.4)减去式（3.5），可得：
[][]()(1)()(1)()()2(1)(2)p i d u k u k K E k E k K E k K E k E k E k =-+--++--+-（3.6）
式中，i i
T
K kp T =----积分系数； d d K kp T
T = ----微分系数。 由式（3.6）可知，要计算第k 次输出值p(k)，只需知道p(k-1)， E(k)， E(k-1)， E(k-2)即可。在很多控制系统中，由于执行机构式采用步进电机或多圈电位器进行控制的，所以，只要给一个增量信号即可。
()()(1)u k u k u k ?=--
=[][]()(1)()()2(1)(2)P I D k E k E k k E k k E k E k E k --++--+- (3.7) 式（3.7）表示第k 次输出的增量△p(k)，等于第k-1次调节器的输出值，即在第（k-1）次的基础上增加（或减少）的量，所以式（3.7）叫增量型PID 控制式。
由式（3.7）可知，增量型PID 算式为：
()()(1)u k u k u k ?=-- (3.8)
=[][]()(1)()()2(1)(2)P I D k E k E k k E k k E k E k E k --++--+-
设 []()()(1)p u k kp E k E k ?=--
()()i i u k K E k ?=
[]()()2(1)(2)d d u k k E k E k E k ?=--+-
所以，有
()()()()p i d u k u k u k u k ?=?+?+? (3.9)
上式为离散化的增量型PID 编程表达式。
PID 程序流程图如图3.1
如图3.1 PID 程序流程图
3.2.2 史密斯预估补偿方案
施密斯补偿原理是：在一般的传统控制回路中，与()D s 并接一补偿环节，用来补偿被控制对象中的纯滞后部分。这个补偿环节称为预估器，其传递函数为Gp(s)(1-)s e τ-，补偿后的系统框图如图3.2所示。由预估器和调节器()D s 组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为
，即 ()()1()()(1)
s P D s D s D s G s e ιιτ-=+- 经补偿后的系统闭环传递函数为
()()()()()1()()1()()
s s P P s P P D s G s e D s G s s e D s G s e D s G s ιττιτφ---==++ 由上式可以看出，经补偿后，系统闭环传递函数的s e τ-在闭环控制回路之外，消除了纯滞后部分对控制系统的影响，不影响系统的稳定性。由拉式变换的位移定理可以知道，s e τ-仅将控制作用在时间坐标上推移了一个时间τ，控制系统的过
渡过程及其他性能指标都与对象为无纯滞后环节的G (s)P 时完全相同。补偿器的控制参数并不是一成不变的，纯滞后环节通常又采用近似式表示，因而会出现预估补偿器不能实现完全补偿，使系统的稳定性变差。为提高系统的稳定性，应采取以下措施：
1）可适当减少调节器的增益，减弱调节作用。
2）使补偿器的参数与被控对象的参数一致，特别是预估补偿器的增益应与对象的增益一致
实际控制中调节器D(s)通常采用数字PID 控制器，其表达式为：
[][]()()(1)()()2(1)(2)P I D u k k E k E k k E k k E k E k E k ?=--++--+-
则施密斯预估控制算法步骤为：
1）
计算系统反馈回路偏差： ()()()e k r k y k =- 2）
计算预估器的输出()y k τ: ()(1)[(1)(1)]y k y k b u k u k N ττα=-+---- 3） 计算调节器()D s 的输入()e k ?: ()()()e k e k y k τ?=- 式中T
T e α?=，[1]T T b K e ??=-，N T τ=
，T 为采样时间 4） 计算调节器()D s 的输出()u k :
()(1)()u k u k u k =-+?
=(1)[()(1)]()[()2(1)(2)]P I D u k k e k e k k e k k e k e k e k ??????-+--++--+-
图3.2 带施密斯预估器的控制系统
3.3 PLC 控制程序流程
系统控制功能由S7-200PLC 实现，控制程序利用STEP7-MicroWin32软件编写调试，程序流程如图3.3所示。初始化程序对设定值、PID 控制参数、定时中断时间等进行初始化设定，并启动周期定时中断，中断(采样)时间到，则进入中断程序，进行采样滤波、量程转换，实现要求的控制算法。PID 控制算法利用S7-200的PID 指令实现。
图3.3 PLC控制程序流程图
4 被控对象特性分析及MATLAB仿真
4.1 被控对象动态特性概述
被控对象的动态特性是指被控对象的输入发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规律。控制系统的设计方案都是依据被控对象的动态特性进行的，所以要进行水箱的动态特性研究，调节器参数的整定也是依据对象的动态特性进行的。从控制观点看，被控对象本质上都有相同之处，分析被控对象的动态特性，可知被控对象控制的难易程度与调节过程的快慢。要评价一个系统的工作质量，只看稳态是不够的，还应看动态过程中被调量随时间的变化情况。因此，研究系统的动态特性就显得特别重要。
4.2 被控对象数学模型的建立
建立被控对象数学模型的方法主要有三种，分别是机理法、实验法、机理法与实验法相结合的混合法。机理法根据被控过程的内部机理，运用已知的静态或动态平衡关系，用数学解析的方法求取被控过程的数学模型。实验法是先给被控过程人为地施加一个输入作用，然后记录过程的输出变化量，得到一系列实验数据或曲线，最后再根据输入－输出实验数据确定其模型的结构（包括模型形式、阶次与纯滞后时间等）与模型的参数。混合法是机理演绎法与实验辩识法相互交替使用的一种方法。
4.2.1 阶跃响应曲线法建立单容水箱的数学模型
阶跃响应曲线法是实验法的一种，即对被控对象施加一阶跃信号,并且阶跃响应获取应注意以下的问题：（1）合理选择阶跃扰动的幅度(一般约为额定负荷的10%～20%)（2）实际阀门只能以有限速度移动（3）一般认为阶跃信号是在t1 /2时加入（4）试验前确保被控对象处于稳定工况（5）考虑过程的非线性特性，应进行多次测试。（6）若过程不允许同一方向扰动加入，则采用矩形脉冲扰动，可从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应。
由于是单容水箱，则其数学模型可以用一阶惯性环节加纯延迟的传递函数即
()s e T K s G τ-+=1s （式4-1） 来近似，确定参数k 、T 、τ有两种方法：作图法、参数两点法。
用作图法求参数时需注意：（1）t1/2处为扰动起点（2）在s 型响应曲线找拐点，并作切线。T 、τ值如下且
x y k ?=∞
t
Y
图4.1（a ）阶跃信号 图4.1（b ）一阶惯性环节加纯滞后 显然，用这种方法求直线效果是很差的。首先，与式（4-1）所对应的阶跃响应是一条向后平移了τ时刻的指数曲线，它不可能完美的拟合成S 型的曲线，再次，在做图中，切线的画法也有很大的随意性，这将直接关系到τ和T 的取值，因此，参数的确定排除用此方法，选用参数两点法，首先，将响应曲线标幺
)()(*∞=
y t y y （式4-2） （式4-3）
取y*(t1)=0.39，取y*(t2)=0.63，记t1和t2
则)(212t t T -= (式4-4) 212t t -=τ （式4-5） 取τ+=T t 8.03 τ+=T t 24 验证55.0)(3*=t y 87.0)(4*=t y
基于以上原理，可以用Matlab 编程,,并且在误差的范围之内，可以接受。为了仿真的必要，因此在本设计中选取一定合适的参数，选取的参数在保证接近实际的基础上，选择数学模型为：
s e s S G 58113720)(-+= （式4-6）
4.2.2 PID 控制器校正单容水箱系统
利用Simulink 仿真模块集在模型编辑窗口建立PID 控制器，如图4.2所示。 *0()1exp()t y t t t T τττ
图4.2 PID控制子模块
之后，点击Edit—Mask Subsystem，对其进行封装。其封装图如图4.3所示。
图4.3 PID控制器的封装
加入PID调节器后，系统方框图如下图4.4所示：
图4.4 系统方框图
此后，反复调试PID参数，得到如下较为理想的曲线。因为微分对纯延迟环节不起作用，则纯延迟部分始终无法消除，其参数设计如图4.5所示.
图4.5 PID参数
对应的阶跃响应曲线如下图4.6所示。
图4.6 理想PID参数下的阶跃响应曲线
5 系统组态设计
5.1 组态王软件简介
组态王软件是工业自动化软件的一种, 是北京亚控科技发展有限公司的产品。本设计用的是组态王 6.53版本,“组态王 6.53”软件包由工程浏览器(TouchExplorer)、工程管理器(ProjManager) 和画面运行系统(TouchVew)三部分组成。在工程浏览器中可以查看工程的各个组成部分, 也可以完成数据库的构造、定义外部设备等工作; 工程管理器内嵌画面管理系统, 用于新工程的创建和已有工程的管理。画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统TOUCHMAK和工程运行系统TOUCHVEW来完成的。
工程浏览器和画面运行系统是各自独立的Windows应用程序，均可单独使用 ; 两者又相互独立，在工程浏览器的画面开发系统中设计开发的画面应用程序必须在画面运行系统运行环境中才可能运行。信息窗口是一个独立的Windows 应用程序, 用来记录、显示组态王开发和运行系统在运行时的状态信息。
TOUCHMAK是应用工程的开发环境,需要在这个环境中完成画面设计、动画连接等工作。TOUCHMAK具有先进完善的图形生成功能; 数据库提供多种数据类型,能合理地提取控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简洁的操作方法。
PROJMANAGER是应用程序的管理系统。PROJMANAGER具有很强的管理功能,可用于新工程的创建及删除, 并能对已有工程进行搜索、备份及有效恢复，实现数据词典的导入和导出。
5.2 组态界面的设计
分析工程中设备的采集及输出通道与实时数据库中定义的变量的对应关系，然后建立工程，构建实时数据库。利用组态王进行组态建立一个应用工程一般包括以下几个过程：创建新工程；定义硬件设备并添加工程变量；制作图形画面并定义动画链接；编写命令语言；运行系统的配置，对运行系统、报警、历史数据记录、用户等进行设置；保存工程运行并调试。
5.2.1项目的建立
建立新工程项目：在运行组态王程序时，弹出组态王工程管理器画面，此时建立一个新工程，执行以下的操作步骤：
（1）在工程管理器中选择菜单“文件/新建工程”，弹出“新建工程向导一欢迎使用本向导”对话框。
（2）点击“下一步”，弹出“新建工程向导二选择工程所在路径”对话框。从对话框中选择或指定工程所在路径。
（3）点击“下一步”，弹出“新建工程向导三工程名称和描述”对话框。往对话框中输入工程名称：单容水箱液位监控系统。
（4）点击“完成”，再点击“是”，将新建的工程设为组态王当前工程，此时组态王工程管理器中出现新建的工程。
5.2.2 图形画面的制作
按照实际工程的要求绘制监控画面，并使静态画面随着过程控制对象产生动态效果。选择工程目录区的画面，双击新建后进入组态王开发系统，如图 5.1所示：
图5.1 组态王开发系统新画面
新建画面命名：单容水箱液位监控系统，选择画面风格“大小可变”和“覆盖式”。单击确定后进入开发系统新画面进行设计。点击工具栏中的“打开图库”，单击反应器，选择需要的图素。双击该图素到绘图区，在单击放下该图素。画面名称可根据目标自己随意定；从工具箱中找到图库，打开图库，在图形画面里添加一个仪表对象、一个“实时曲线”、一个“历史曲线”、一个“报表窗口”、一个“报警窗口”和一个“退出系统”。
对于已建立的实验主画面中的单容水箱可以在计算机监控界面上直接看到，单容水箱液位随控制信号变化而变化的图像。结合实验现场系统的实际单容水箱的液位, 可以将监控画面中的水箱液位动态变化与实际现场的水箱液位进行比较。打开“单容水箱液位监控系统”主画面, 如图5.2所示，双击“水箱”弹出动画连接对话框, 如这样建立连接后水箱液位的高度随变量“水箱液位”的值变化而变化。
图5.2水箱液位控制系统主画面
5.2.3 PLC设备的定义
在组态界面中选择新建的工程，双击进入组态王工程浏览器；在组态王工程浏览器的左侧选择“设备”中的“COM1”，在右侧双击“新建…”，运行“设备配置向导”。
①找到设备驱动\PLC\亚控\仿真PLC。（选择亚控的仿真PLC是为了实验仿真的需要）。如图5.3所示。
②点击“下一步”，则显示安装设备的所有信息。
③最后检查各项设置是否正确，确定无误后，点击“完成”。
图5.3 设备配置向导
5.2.4 上位机与PLC的通讯设置
双击组态软件界面的右侧“设备-COM1”进入图5.4的“设置串口-COM1”界
面，如图设置波特率为9600，偶校验，数据位为7，停止位为1，通信超时为3000
毫秒，通信方式为RS232，点击确定，完成上位机与PLC的通讯连接设备的设置。
如图5.4所示。
图5.4 通讯设置
5.2.5 定义变量
根据选择的系统分析被控对象涉及的各个变量，在组态王软件的数据词典中建立这些变量和所需的中间变量，已备动画连接和编程使用。从工程浏览器的左侧树形菜单中选择“数据库\数据词典”，在右侧双击“新建”，出现“定义变量”对话框。数据词典所有定义变量如图5.5所示。
图5.5 数据词典
（1）定义变量“给定值”、“测量值”、“输出值”。
“给定值”变量类型选I/O整数，因为给定值只需要写入PLC，故寄存器选择STATIC100；由于按输入液位范围0～100，所以变量的最小值为0，最大值为100。其中定义I/O整数变量时，关键是最小原始值和最大原始值的设置。数据类型为SHORT。“测量值”与“给定值”的不同之处为寄存器选择INCREA100，属性为读写。“输出值”与“测量值”的变量定义相同。
（2）定义变量“P”、“I”、“D”。
“P”、“I”、“D”三个变量的定义完全相同，在本课程设计中，处于仿真的需要，均将变量类型选为内存实型。
（3）定义变量“控制水流”、“阀门”。
变量“控制水流”是为了水流动画连接的需要，因此变量类型定义为内存整型。变量“阀门”只有两个状态，要么为“1”，要么为“0”，因此变量类型选为内存离散。
5.2.6 动态连接
（1）被控对象的动态连接。
双击画面中水箱对象，出现“水箱向导”对话框，通过点击变量名文本框右边的“？”号出现“选择变量名”对话框。选择变量名“测量值”，点击“确定”，文本框中出现“\\本站点\测量值”。如图5.6所示。
图5.6 被控对象动态连接画面
（2）建立当前液位值显示文本对象的动画连接
双击画面中当前电压值显示文本对象“000”，弹出“动画连接”对话框。把“模拟值输出”与变量“模拟量输入”连接，其中输出格式：整数1位，小数1位。
（3）建立水流的动画连接
变量闪烁0的隐含链接，表达式为真时，显示状态，变量闪烁1是闪烁链接，二者交替进行，产生水流动画效果。
控制水流中使用到的命令语言：
if(\\本站点\控制水流<5)
\\本站点\控制水流=\\本站点\控制水流+1;
else
\\本站点\控制水流=0;
控制水流命令语言窗口如图5.7所示。
图5.7 控制水流命令语言窗口
（4）建立实时趋势曲线对象的动态连接
趋势曲线用来反应数据变量随时间的变化情况。趋势曲线有两种：实时趋势曲线和历史趋势曲线。这两种曲线外形都类似于坐标纸，X轴代表时间，Y轴代表变量值。所不同的是，在你的画面程序运行时，实时趋势曲线随时间变化自动卷动，以快速反应变量的新变化，但是不能随时间轴“回卷”，不能查阅变量的历史数据；历史趋势曲线可以完成历史数据的查看工作，但它不会自动卷动，而需要通过命令语言来辅助实现查阅功能。
双击画面中实时曲线对象，在曲线定义选项中，点击“曲线1”文本框右边的“？”号，选择变量名“给定值”；点击“曲线2”文本框右边的“？”号，选择变量名“测量值”，设置其他参数的值，如图5.8所示。
图5.8 实时趋势曲线对象动画连接—曲线定义界面在“标识定义”选项卡中，设置时间轴长度为20秒，也可以根据实际情况设置时间轴长度，本实验选用水箱液位起始值为0cm，最大值为100cm，如图5.9所示。
图5.9 实时趋势曲线对象动画连接—标识定义界面
自动化应用软件实训
1 绪论 组态王Kingview是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作及工厂资源管理于一体，将一个企业部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现了最优化管理。适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。在日常生活中，我们最常见的就是对储水罐液位的控制，系统是根据用户使用水的情况自动向储水罐中注水，确保储水罐也为保持在一定围。在这里我们运用组态王对单容水箱液位控制系统进行自动控制。 2 系统需求分析 为了保证系统所需用水的供给，供水系统必须能够及时的对各种用水对象进行供水。这就要求水塔和储水箱的水位不能低于一定的下限以免断水对人们的正常生活所带来的影响，同时水塔和储水箱的水位又不能高于一定的上限，从而使得水资源可以合理的分配利用。如果使用组态王来实现软硬结合的控制，将会给系统的各性能带来良好的提升。 3 系统方案论证 整个供水系统可以抽象为原水箱和储水箱两个容器的液位控制。原水箱的水来自地下，储水箱的液位由水塔的水泵和储水箱的出水阀门综合决定。各种工业用水和生活用水可以用其对应的储水箱的出水管道代替。这样系统就组态好了。 单容水箱液位控制系统主要有以下几个基本环节组成：被控对象（水箱）、液位测量变送器、控制器（计算机）、执行机构（电动调节阀）、水泵、储水箱。 本文的设计原理：当注水阀和用户阀同时打开时，水箱液位以较小的速度增长，增到（60,80）围，水位达到动态平衡；当用户阀关闭时，水箱液位以较快速度增长，增到（80,90）围，注水阀自动关闭；当注水阀关闭，用户阀打开时，水位下降到30以下，注水阀自动打开。水位高于80和低于30时，报警指示灯开始闪烁，提醒工作人员系统是否正常工作。这样便实现了单容水箱液位的自动控制。 4 系统监控界面设计 设计的界面有：水箱水位监控界面，实时曲线界面，实时报表界面，报警记录界面、历史曲线界面。 水箱水位监控界面如图4.1所示，实时曲线界面如图4.2所示，实时报表界
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
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。
目录 1绪论 (1) 2系统需求分析 (1) 3系统方案论证 (1) 4系统监控界面设计 (1) 5数据字典设计 (4) 6动画连接 (5) 7储水箱液位控制程序 (7) 8心得体会 (9)
1绪论 组态王Kingview是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现了最优化管理。适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。在日常生活中，我们最常见的就是对储水罐液位的控制，系统是根据用户使用水的情况自动向储水罐中注水，确保储水罐也为保持在一定范围内。在这里我们运用组态王对单容水箱液位控制系统进行自动控制。 2系统需求分析 为了保证系统所需用水的供给，供水系统必须能够及时的对各种用水对象进行供水。这就要求水塔和储水箱的水位不能低于一定的下限以免断水对人们的正常生活所带来的影响，同时水塔和储水箱的水位又不能高于一定的上限，从而使得水资源可以合理的分配利用。如果使用组态王来实现软硬结合的控制，将会给系统的各性能带来良好的提升。 3系统方案论证 整个供水系统可以抽象为原水箱和储水箱两个容器的液位控制。原水箱的水来自地下，储水箱的液位由水塔的水泵和储水箱的出水阀门综合决定。各种工业用水和生活用水可以用其对应的储水箱的出水管道代替。这样系统就组态好了。 单容水箱液位控制系统主要有以下几个基本环节组成：被控对象（水箱）、液位测量变送器、控制器（计算机）、执行机构（电动调节阀）、水泵、储水箱。 本文的设计原理：当注水阀和用户阀同时打开时，水箱液位以较小的速度增长，增到（60,80）范围内，水位达到动态平衡；当用户阀关闭时，水箱液位以较快速度增长，增到（80,90）范围内，注水阀自动关闭；当注水阀关闭，用户阀打开时，水位下降到30以下，注水阀自动打开。水位高于80和低于30时，报警指示灯开始闪烁，提醒工作人员系统是否正常工作。这样便实现了单容水箱液位的自动控制。 4系统监控界面设计 设计的界面有：水箱水位监控界面，实时曲线界面，实时报表界面，报警记
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）
内蒙古科技大学信息工程学院测控专业毕业实习报告 题目：基于组态王的单容水箱液位控制系统 学生姓名： 学号： 专业：测控技术与仪器 班级：测控2009-1 指导教师：李文涛教授
前言 随着科学技术的发展，现代工业生产中的控制问题也日趋复杂。在人们的生活中以及某些化工和能源的生产过程中，常常涉及一些液位或流量控制的问题。比如，在石油、化工、轻工等工业生产过程中，有许多贮罐作为原料、半成品的贮液罐，前一道工序的成品或半成品不断地流入下一道工序的贮液罐进行加工和处理，为保证生产过程能连续进行，必须对贮罐的液位进行控制。此外，居民生活用水的供应，通常需要使用蓄水池，蓄水池中的液位需要维持合适的高度。还有一些水处理的过程也需要对蓄水池中的液位实施控制。这些实际问题都可以抽象为某种水箱的液位控制。因此，液位控制系统是过程控制的重要研究模型，对液位控制系统的研究具有显著的理论和实际意义。 本课题主要以单容水箱作为研究对象，运用研华PCI1710及1720板卡进行单容水箱对象特性的测试，从而求得其数学模型，并利用MATLAB软件进行了控制系统的仿真及分析，并确定出一组合适的PID参数对其进行控制。其次，采用组态王进行系统监控，通过对调节器PID参数的整定，实现了水箱液位的闭环控制，使水箱液位稳定在设定值，满足设计要求。
一、总体方案设计 该设计方案硬件部分由计算机，水泵，电磁阀，液位变送器，PCI-1710与1720板卡组成，软件部分以组态王来实现编程控制。组态王通过从 PCI-1710与1720板卡两个I/ O模块与外界硬件设备通讯,对采集的数据进行处理来实时监控。系统启动后，水泵由水源抽水，通过管道将水送到上水箱，液位变送器测得水箱液位通过板卡PCI-1710转换为数字信号输入计算机，组态监控中心对测得信号进行处理，通过PID运算，输出控制信号由板卡PCI-1720进行D/A转换，传送给电磁阀，进而控制水的流量实现对水箱液位控制。系统方框图如图1.1所示。 图1.1系统方框图
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.
汽包水位控制设计 1. 工艺流程： 除氧水通过给水泵进入给水调节阀，通过给水调节阀进入省煤器，冷水在经过省煤器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，为了保证有最大的蒸发面因此水位要保持在锅炉上汽包的中线位置，蒸汽通过主蒸汽阀输出。 空气经过鼓风机进入空气预热器，在经过空气预热器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成热空气进入炉膛。煤经过煤斗落在炉排上，在炉排的缓慢转动下煤进入炉膛被前面的火点燃，在燃烧过程中发出热量加热汽包中的水，同时产生热烟气。 在引风机的抽吸作用下经过省煤气和空气预热器，把预热传导给进入锅炉的水和空气。通过这种方式使锅炉的热能得到节约。降温后的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。 图2-1工业锅炉工艺流程 2. 系统设计任务 该系统通过PID控制调节电子调节阀的开度，以使锅炉汽包液位按给定值变化。且当系统干扰变化时，液位能最终稳定在给定值。
该液位监控系统由水箱控制对象系统、I/O 接口板、计算机和组态王软件组成。 根据题目要求，详细分析液位监控系统的设计要求，并进行软硬件的总体设计。在完成总体设计后，进行硬件的详细设计，利用组态王软件完成锅炉液位监控系统的设计工作。同时进行控制软件的流程设计和编制工作，并用仿真PLC 完成控制软件的仿真调试工作。 根据汽包锅炉给水系统动态特性，我们可以确定给水控制的一些基本思想。（1）由于对象的内扰动特性存在一定延迟和惯性，若采用以水位为被调量的单回路系统，则控制中水位会出现较大的偏差，所以我们设计采用串级控制方案。由于对象在蒸汽内负荷扰动时，有“虚假水位”的现象，若采用单回路系统，则在扰动的初始阶段，调节器将给水流量变化相反的方向，从而夸大了锅炉进、出流量的不平衡。 所以我们采用串级前馈控制，串级控制系统和单回路系统相比控制效果更稳定，响应速度更快，进度高，前馈控制可以改善给水控制系统的控制品质。 （2）锅炉的给水系统，汽包液位的动态特性似乎与单容水槽一样，但是实际情况却要复杂的多。其中最突出的一点就是水循环系统中充满了夹带着大量的蒸汽气泡的水，而蒸汽气泡的总体积是随着气泡压力和炉膛热负荷的变化而改变的。如果有某种原因使蒸汽泡的总体积改变了，即使水循环系统中的总水量没有变化，汽包水位也会随之发生改变。 于是，我们采用电厂锅炉汽包水位控制常用的单级三冲量给水控制系统。
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。
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
自动化应用软件实训 组态王Kingview就是一种通用的工业监控软件,它融过程控制设计、现场操作及工厂资源管理于一体,将一个企业内部的各种生产系统与应用以及信息交流汇集在一起,实现了最优化管理。适用于从单一设备的生产运营管理与故障诊断,到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。在日常生活中,我们最常见的就就是对储水罐液位的控制,系统就是根据用户使用水的情况自动向储水罐中注水,确保储水罐也为保持在一定范围内。在这里我们运用组态王对单容水箱液位控制系统进行自动控制。 2系统需求分析 为了保证系统所需用水的供给,供水系统必须能够及时的对各种用水对象进行供水。这就要求水塔与储水箱的水位不能低于一定的下限以免断水对人们的正常生活所带来的影响,同时水塔与储水箱的水位又不能高于一定的上限,从而使得水资源可以合理的分配利用。如果使用组态王来实现软硬结合的控制,将会给系统的各性能带来良好的提升。 3系统方案论证 整个供水系统可以抽象为原水箱与储水箱两个容器的液位控制。原水箱的水
来自地下,储水箱的液位由水塔的水泵与储水箱的出水阀门综合决定。各种工业用水与生活用水可以用其对应的储水箱的出水管道代替。这样系统就组态好了。 单容水箱液位控制系统主要有以下几个基本环节组成:被控对象(水箱)、液位测量变送器、控制器(计算机)、执行机构(电动调节阀)、水泵、储水箱。 本文的设计原理:当注水阀与用户阀同时打开时,水箱液位以较小的速度增长,增到(60,80)范围内,水位达到动态平衡;当用户阀关闭时,水箱液位以较快速度增长,增到(80,90)范围内,注水阀自动关闭;当注水阀关闭,用户阀打开时,水位下降到30以下,注水阀自动打开。水位高于80与低于30时,报警指示灯开始闪烁,提醒工作人员系统就是否正常工作。这样便实现了单容水箱液位的自动控制。 4系统监控界面设计 设计的界面有:水箱水位监控界面,实时曲线界面,实时报表界面,报警记录界面、历史曲线界面。 水箱水位监控界面如图4、1所示,实时曲线界面如图4、2所示,实时报表界面如图4、3所示。报警记录界面如图4、4所示,历史曲线界面如图4、5所示。 图4、1水箱水位监控界面
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)
目录 水箱水位控制 (1) 第一章绪论 (1) 第二章系统需求分析 (1) 第三章系统控制方案 (1) 第四章系统监控界面设计 (2) 第五章数据字典设计 (4) 第六章应用程序命令语言 (4) 反应中心监控车间的设计 (6) 第一章系统监控界面设计 (6) 第二章应用程序命令语言 (8) 心得体会 (9)
水箱水位控制 第一章绪论 在日常生活中，我们最常见的就是对储水罐液位的控制，系统是根据用户使用水的情况自动向储水罐中注水，确保储水罐也为保持在一定围。在这里我们运用组态王对单容水箱液位控制系统进行自动控制。在双容水箱中，我们需要实时检测和调节水箱水位，为为了最大程度上减轻了人们工作负担，需要设计一个组态王液位控制系统对水箱的水位进行实时检测。双位水箱串级控制系统是被测对象由两个不同容积的水箱串联组成，故称其为双容水箱，控制原理是通过水泵将储水箱中的水送上水箱，通过阀门对其控制，使其可以合理的进行储水，当然，如果进水量大于出水量，则自动通过溢水口排入储水箱。 第二章系统需求分析 为了保证系统所需用水的供给，供水系统必须能够及时的对各种用水对象进行供水。这就要求水塔和储水箱的水位不能低于一定的下限以免断水对人们的正常生活所带来的影响，同时水塔和储水箱的水位又不能高于一定的上限，从而使得水资源可以合理的分配利用。如果使用组态王来实现软硬结合的控制，将会给系统的各性能带来良好的提升。 第三章系统控制方案 整个供水系统可以抽象为主水箱和储水箱两个容器的液位控制。主水箱的水来自地下，储水箱的液位由水泵和储水箱的出水阀门综合决定。各种工业用水和生活用水可以用其对应的储水箱的出水管道代替。这样系统就组态好了。 单容水箱液位控制系统主要有以下几个基本环节组成：被控对象（水箱）、液位测量变送器、控制器（计算机）、执行机构（电动调节阀）、水泵、储水箱。 本文的设计原理：当主水箱进水阀打开时，水箱液位以较小的速度增长，增到90，水位达到高水位线，发出警报，水箱液位达到98时，主水箱进水阀自动关闭；此时，储水箱水泵打开，开始抽水，输送到储水箱中；当储水箱液位到达高水位时（90）报警，到达液位98时关闭水泵；储水箱出水阀打开；当储水箱
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 GK-07 图i-i 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3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 电帖泵2 04 上水箱
（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3, 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 二、单容水箱液位控制系统建模 2.1液位控制的实现 液位控制的实现除模拟PID调节器外，可以采用计算机PID算法控制。首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过单片机进行A/D转换,
创作编号： GB8878185555334563BT9125XW 创作者：凤呜大王* 《计算机控制系统》 组态王课程设计报告设计题目：水位控制系统设计 专业电子信息
班级092 学号200916022218 学生姓名保昆 2012年5月25日 目录 一、设计目的和要求 (4) 1.1课程设计目的 (4) 1.2课程要求 (4) 二、设计思路 (4) 三、设计过程 (5) 3.1新建工程 (5) 3.2新建画面 (5) 3.3建立仿真系统 (6) 3.4新建数据词典 (6) 3.5各项参数的设置 (7) 3.5.1按钮参数设置 (7) 3.5.2水位报警画面 (7) 3.5.3数据报表画面 (9) 3.5.4历史曲线画面 (13)
3.5.5总体命令语言设置 (13) 四、设计总结与体会 (15) 4.1设计结果 (15) 4.2心得体会 (17)
一、设计目的和要求 1.1课程设计目的 1、熟悉并熟练掌握组态王软件； 2、通过组态王软件的使用，进一步掌握了解过程控制理论基础知识； 3、培养自主查找资料、搜索信息的能力； 4、培养实践动手能力与合作精神。 1.2课程要求 “组态王”软件包括由工程浏览器和画面运行系统三大部分组成。在工程浏览中可以查看工程的各个组成部分，也可以完成数据库构造、定义外部设备等工作；工程管理器中内嵌了画面管理系统，用于新工程的创建和已有工程的管理。画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统和运行系统来完成。用组态王对一个简单控制过程进行组态，要求画出组态画面，能进行动画连接，可以模拟查询数据报表、历史数据曲线以及报警画面。 题目是水位控制系统，是对象为一储水罐，用水泵从水源抽水作为进水端，阀门控制出水端，中间有水位传感器。 二、设计思路 做一水位控制系统的组态，要求：动画显示水流运动。当水位高于或低于警戒水位时，报警界面出现，提示报警，并记录在报警事件中。设置登录权限，只有管理员才能启动系统，只有在此时水泵才可启动，其余权限中人员只能观看不能操作。组态中有历史曲线与数据报表，用来记录长时间过程中水位的变化情况，同时在主监控画面中也显示有即时报警与数据记录的功能。
基于组态王的水箱液位控制系统 1.引言 自动化软件在自动化产品的研发过程中有着举足重轻的地位，尤其在科学技术飞速发展的今天，自动化软件的应用越来越受到人们的重视。本文采用的自动化软件是北京亚控公司出品的组态王6.53，其软件包由工程浏览器（TouchExploer）、工程管理器（ProjMamager）和画面运行系统（TouchView）三部分组成。在工程浏览器中可以查看工程的各个组成部分，也可以完成数据库的构造、定义外部设备等工作；工程管理器内嵌画面管理系统，用于新工程的创建和已有工程的管理。画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统TOUCHMAKE和工程运行系统TOUCHVIEW来完成的。 本文利用组态王强大的组态功能和友好的人机界面实现了对供水系统中水塔和储水箱的实时监控，并且具有一定的工程应用价值。 2.系统需求分析及方案论证 2.1 系统需求分析 为了保证系统所需用水的供给，供水系统必须能够及时的对各种用水对象进行供水。这就要求水塔和储水箱的水位不能低于一定的下限以免断水对人们的正常生活所带来的影响，同时水塔和储水箱的水位又不能高于一定的上限，从而使得水资源可以合理的分配利用。如果使用组态王来实现软硬结合的控制，将会给系统的各性能带来良好的提升。
2.2 系统方案论证 整个供水系统可以抽象为水塔和主水箱两个容器的液位控制。水塔的水来自地下水，主水箱的液位由水塔的水泵和主水箱的出水阀门综合决定。各种工业用水和生活用水可以用其对应的储水箱的出水管道代替。这样系统就组态好了。 系统通过智能模块将液位的检测量采集到组态王对应变量中,由组态王统一管理给出系统各部分运行趋势、报表及报警事件,并通过与给定的液位设定比较来控制入水量，从而使液位保持在一定的范围之内。 本系统假定主水箱满液位为100，而水塔容量相对于主水箱来说应该大很多，为了明显起见，我们选水塔容量为500.当水塔液位低于100时水塔进水，主水箱液位低于20时水塔自动供水，高于90时供水关闭。由于工业用水和生活用水的需求相差比较大，所以给他们设定了不同的流速，并且它们的使用时随机的，顾没有对两储水罐的出水阀进行自动控制。应运程序代码如下: if(\\本站点\泵==1) {\\本站点\控制水流=8; \\本站点\水塔=\\本站点\水塔-8; \\本站点\主水箱= \\本站点\主水箱+8; } else {\\本站点\控制水流=0; \\本站点\水塔=\\本站点\水塔; \\本站点\主水箱= \\本站点\主水箱; } if(\\本站点\阀门1==1) {\\本站点\控制水流1=5; \\本站点\主水箱= \\本站点\主水箱-5; } else \\本站点\控制水流1=0; if(\\本站点\主水箱>90) \\\本站点\泵=0; if(\\本站点\主水箱<20)
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