过程控制―上水箱液位与进水流量串级控制系统.

（实验三）水箱液位串级控制系统实验报告班级测控四班学号0800201428 姓名王常玥一、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，控制对象为锅炉汽包，其液位为系统的主控制量。

副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为上水箱，又称副对象，其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。

副调节器的的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制液位的目的。

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4-2所示。

图4-2 水箱液位串级控制系统(a)结构图(b)方框图三、实验设备DDD-Z05-I实验对象及DDD-Z05-IK控制屏、DDD-Z05-III 电源控制柜一台、SA-12挂件一个、SA-13A挂件一个、计算机一台、万用表一个、实验连接线若干。

四、实验内容与步骤本实验选择上水箱和锅炉汽包，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F2-14全开，F1-9 、F2-15开适当开度（F1-9﹥F2-15），其余阀门均关闭。

1．按照第一章1-6用网线和交换机连接操作员站和服务器，以及服务器和主控单元，“SA31 FM148现场总线远程I/O模块”、“SA31 FWM158现场总线远程I/O模块”挂件挂到屏幕上，并将挂件的通讯线街头插入屏内Profibus-DP总线接口上，将控制屏左侧Profibus-DP总线连接到主控单元DP口，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。

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。

课程设计任务书摘要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。

用WinCC组件制作相对应的控制画面，让画面的个按钮与变量相对应，对系统的个参数进行整定，通过不断的调试，使系统尽可能的保持在要求的位置。

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：串级控制；PLC控制；PID控制；WinCC组件目录一、概述 (1)1.1 串级控制系统简介 (1)1.2 串级控制系统的特点 (1)1.3 主、副调节器控制规律的选择 (1)1.4 串级控制系统的整定方法 (2)二、课程设计使用的实验设备 (3)2.1 高级过程控制系统实验装置 (3)2.1.1 电源控制台 (3)2.1.2 总线控制柜 (3)2.2 计算机及相关软件 (3)2.2.1 STEP 7简介 (3)2.2.2 WINCC简介 (4)三、基本原理 (5)3.1 系统组成 (5)3.1.1 被控对象 (5)3.1.2 检测装置 (5)3.1.3 执行机构 (6)3.1.4 控制器 (6)3.2 系统工作原理 (6)3.3 控制系统流程图 (7)3.4 系统投入运行步骤 (8)四、串级控制系统PID参数整定 (11)4.1 调节器参数整定过程 (11)4.1.1 主调节器为PID (11)4.1.2 主调节器为PI (13)4.2 系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能 (15)4.3 主、副调节器采用不同PID参数时对系统动态性能的影响 (16)结束语 (17)参考文献 (18)一、概述1.1 串级控制系统简介图2.1是串级控制系统的方框图。

水箱水位与水泵供水流量串级控制系统
简介
本文档将介绍一种水箱水位与水泵供水流量串级控制系统，该系统可以根据水箱的水位变化自动调整水泵的供水流量，确保水箱的水位处于合适的范围内。

系统原理
该系统由水箱、水位传感器、水泵和控制器组成。

水位传感器安装在水箱中，用于测量水位的变化。

控制器根据传感器测量到的水位信息，通过调整水泵的供水流量来控制水箱的水位。

系统工作流程
1. 当水箱的水位低于设定的最低水位时，控制器将开启水泵，并将供水流量调至最大。

2. 当水箱的水位达到设定的最高水位时，控制器将关闭水泵。

3. 当水箱的水位处于最低水位和最高水位之间时，控制器将根据水位的变化调整水泵的供水流量。

水位上升时，供水流量逐渐减小；水位下降时，供水流量逐渐增大。

通过这种方式，系统可以稳定地控制水箱的水位。

优点与应用
该系统具有以下优点：
- 系统简单可靠，易于实现和维护。

- 可根据实际需求设定水位范围，确保水箱的水位在合适的范围内。

- 可自动调整供水流量，避免过度供水或供水不足的情况。

该系统适用于以下场景：
- 水箱供水系统，如楼宇供水系统、农田灌溉系统等。

- 需要稳定控制水位的场合，如水池、水塔等。

总结
水箱水位与水泵供水流量串级控制系统是一种简单可靠的系统，可根据水箱的水位变化自动调整水泵的供水流量。

通过该系统，可
以确保水箱的水位在合适的范围内，避免供水过度或不足的情况发生。

该系统适用于各种水箱供水系统的场合。

过程控制工程实训报告学号：班别：姓名：实验一上水箱特性测试实验一、实验目的：了解调节器的功能和操作方法，学会使用调节器。

通过实验，了解对象特性曲线的测量的思路和方法，掌握对象模型参数的求取方法。

二、实验设备：水泵Ⅰ、变频器、压力变送器、调节器、主回路调节阀、上水箱、上水箱液位变送器、调节器、电流表。

图1.1实验接线图三、实验步骤：1、认识实验系统，了解本实验系统中的各个对象。

了解本实验系统中各仪表的名称、基本原理以及功能，掌握其正确的接线与使用方法，以便于在实验中正确、熟练地操作仪表读取数据。

熟悉实验装置面板图，做到根据面板上仪表的图形、文字符号找到该仪表。

熟悉系统构成和管道的结构，认清电磁阀和手动阀的位置及其作用。

本实验采用调节器手动输出控制调节阀，计算机采集并记录数据。

图1.2 上水箱特性测试（调节器控制）系统框图图1.3 恒压供水（调节器控制）系统框图2、将上水箱特性测试（调节器控制）实验所用的设备，参照流程图和系统框图接线。

3、确认接线无误后，接通总电源、各仪表的电源，打开上水箱进水阀和下水箱排水阀。

4、设置调节器参数，使用手动输出功能。

（注意：更改调节器参数时，严禁用指甲按调节器面板，为防止损坏面板上的按钮，应用手指均匀用力）按调节器的增/减键改变输出值，使上水箱的液位处于某一平衡位置，记下此时手动输出值。

5、按调节器的增/减键增加调节器手动输出，给系统输入幅值适宜的阶跃信号(阶跃信号不要太大)，使系统的输出产生变化，在液位较高处达到新的平衡状态。

6、观察计算机采集的上水箱液位的阶跃响应和历史曲线。

7、调节器的手动输出回到原来的输出值，记录液位下降的曲线。

8、曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理，处理结果记录于表格1。

四、试验报告：根据试验结果编写实验报告，并计算出K、T、τ的平均值，写出系统的广义传递函数（等效成惯性环节，K为静态增益，T为时间常数，τ为延迟时间）。

实验二压力单闭环实验一、实验目的：通过实验掌握单回路控制系统的构成。

实用文档文案大全目录第一章概述 (4)1.1本课程设计的研究意义 (4)1.2本课程设计的目的和内容 (4)第二章系统结构的控制方案 (5)2.1控制系统在世界应用中的重要意义 (5)2.2系统结构设计 (5)2.3控制系统的总体方框图及工作过程 (6)2.3.1被控对象的分析 (6)第三章 PID参数整定 (7)3.1控制规律的比较与选择 (8)3.1.1常见控制规律的类型及优缺点的比较 (8)第四章设备的选型 (11)4.1液位传感器 (11)4.2电磁流量传感器 (11)4.3电动调节阀 (11)4.5变频器 (12)4.6模块选择 (12)4.7适合本系统的检测转换元件 (12)4.8液位检测转换元件 (13)4.9执行元件的选择性能参数 (13)第五章系统仿真和结果分析 (14)第六章实际控制系统的运行与调试 (15)6.1实际控制系统的组成的动态运行图 (15)6.2实际控制系统的运行调试方法 (15)6.3实际控制系统的调试步骤 (17)6.4运行调试中的问题及解决方法 (18)实用文档文案大全第一章概述1.1 本课程设计课题研究的意义随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。

在这种情况下，简单的单回路控制已经难以满足一些复杂的控制要求。

在单回路控制方案基础上提出的串级控制方案，则对提高过程控制的品质有极为明显的效果。

串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。

因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好，而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现，所以，串级控制是一种易于实现且效果又较好的控制方法。

本课程设计课题讨论了一个简单的液位流量串级控制系统的设计方法及步骤。

液位和流量是工业生产过程中最常用的两个测控参数，因此本课程设计课题具有较大的现实意义。

1.2 本论文的目的和内容1.2.1 目的通过课程设计，加深对所学传感器技术、转换技术、电子技术、自动控制原理以及过程控制的基本原理、基本知识的理解和应用，掌握串级控制系统的设计步骤和方法，掌握工程整定参数方法，培养创新意识，增强动手能力，为今后工作打下一定的理论和实践基础。

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、气动调节阀、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。

模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。

做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。

冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。

盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。

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。

温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。

六个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外五路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成4～20mADC电流信号。

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通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。

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。

《控制工程实验》实验报告实验题目：上水箱液位与进水口流量串级控制实验课程名称：《控制工程实验》姓名：学号：专业：年级：院、所：日期： 2019.04.18实验三上水箱液位与进水口流量串级控制实验一、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的实现过程。

二、实验设备1. 实验装置对象及控制柜 1套2. 装有Step7、WinCC等软件的计算机 1台3. CP5621专用网卡及MPI通讯线各1个三、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1所示。

四、实验内容与步骤本实验选择选择上水箱和中水箱串联作为被控对象。

实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10开度开到70%左右、下水箱出水阀门F1-11开度50%左右（要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。

图1 双容水箱液位串级控制系统(a)结构图 (b)方框图1．用 MPI 通讯电缆线将 S7-300PLC 连接到计算机 CP5621 专用网卡，并按照控制柜接线图连接实验系统。

实验三上水箱下水箱液位串级控制实验一.实验目的1.掌握串级控制系统的基本概念和组成。

2.掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。

3.研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。

二.实验原理上水箱液位作为副调节器调节对象，下水箱液位做为主调节器调节对象。

控制框图如图3-1所示：3-1、上水箱下水箱液位串级控制框图三.实验设备AE2000A型过程控制实验装置：上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、万用表一只四.实验内容和步骤1、设备的连接和检查：（1）、关闭阀1、阀22将AE2000A 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、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门：阀1、阀4、阀6，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门:阀2、阀10、阀17、阀20。

（3）、打开上水箱的出水阀：阀8至适当开度。

（4）、检查电源开关是否关闭2、系统连线图：图3-2、实验接线1）、如图5-2所示：将I/O信号接口板上的下水箱液位的钮子开关打到OFF位置，上水箱液位的钮子开关打到ON位置。

2）、将下水箱液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV的+极），下水箱液位-（负端）接到智能调节仪的2端（即RSV的-极）。

智能仪表的地址设为1，软件定义调节仪地址为1的调节器为主调节器，调节仪地址为2的调节器为副调节器。

3）、将主调节仪的4~20mA输出接至I/O信号面板的温度变送器转换电阻上转换成1~5V 电压信号，再将此转换信号接至另一调节仪（副调节器）的1端和2端作为外部给定，上水箱液位信号转换为0.2~1V的信号后接入副调节器的3、2两端。

调节器输出的4~20mA接电动调节阀的4~20mA控制信号两端。

4）、电源控制板上的三相电源、单相Ⅰ的空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。

5）、电动调节阀的~220V电源开关打在关的位置。

6）、智能调节仪的~220V电源开关打在关的位置。

过程控制实验报告5(上水箱液位和流量串
级系统)
班级：082班座号：姓名成绩：
课程名称：过程控制工程实验项目：上水箱液位和流量串级系统
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、
三、实验步骤：
1、打开计算机组态王软件的工程管理器，选中“串级实验”，点击运行，进入串级实验界面。

2、点击“自动/手动”按钮，使系统在自动状态，点击“PID设定按钮”，调出PID设定界面。

PID设定1框图是副回路流量参数，PID设定2框图是主回路液位参数。

3、投入参数，观察液位和流量的曲线，调整参数观察计算机控制的效果。

待系统稳定后，给定加个阶跃信号，观察其液位的变化曲线。

4、再等系统稳定后，给系统下水箱加干扰信号，观察下水箱液位变化的曲线。

四、计算机控制的参数设置:
五、实验报告：
1、根据试验结果编写实验报告。

2、按5-2衰减曲线调节器参数计算表填写表格中的数据
3、整理并附上记录仪的下列过渡过程曲线：
（1）整定副调节器时得到的4:1衰减曲线。

（2）整定主调节器时得到的4:1衰减曲线。

（3）主副调节器参数整定后，干扰作用于上水箱中，主变量H1的过渡过程曲线。

（4）主副调节器参数整定后，干扰作用于流量中，主变量H1的过渡过程曲线。

4、列表比较控制质量：
-全文完-。

目录1、设计目的*************************************************2、设计任务和技术要求*************************************** 2.1、设计任务*********************************************2.2、技术要求*********************************************3、设计正文************************************************* 3.1硬件设计************************************************3.1.1 S7-200 PLC简介************************************3.1.2 方案设计****************************************** 3.2 软件设计**********************************************3.2.1 系统分析******************************************3.2.2 系统实施及程序************************************3.3监控组态设计******************************************4、设计心得************************************************5、参考文献*************************************************6、指导老师评语*********************************************1.设计目的1．加深学生对计算机控制技术理论知识的理解和对这些理论的实际应用能力；2．PLC可编程序控制器广泛地应用于工业生产过程的自动控制领域, 使得工业自动化程度和生产效率得到极大的提高，通过PLC应用系统的设计，提高学生对实际问题的分析和解决能力；3．培养学生根据系统要求,编制相应的控制程序,再在设备上进行调试和检验的能力, 由于整个过程相当于在工程现场完成一个小型的工程项目,这对于加深理解计算机控制技术的理论,熟练掌握可编程序控制器的使用和操作方法,加快学习梯形图语言的速度,以及建立工业控制系统概念、积累工程现场经验、培养动手能力等方面都有较大的帮助；4．培养分析问题、解决问题的独立工作能力，学会实验数据的分析与处理、编写设计说明书和技术总结报告。

题目（二）:水箱液位与进水流量串级控制系统设计一、初始条件1.课程设计辅导资料：“过程控制系统和应用”、“过程控制系统与仪表”、“过程控制仪表及控制系统”、“过程控制系统”等；2.先修课程：测量仪表与自动化等。

3.主要涉及的知识点：过程控制仪表、控制系统、被控过程等二、要求完成的主要任务1.课程设计时间：4周；2.课程设计内容：本课程设计统一技术要求：研读辅导资料对应章节，对选定的设计题目所涉及的生产工艺和控制原理进行介绍，针对具体设计选择相应的控制参数、被控参数以及过程检测控制仪表，并画出控制流程图及控制系统方框图。

3.课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，具体包括：1)目录；2)摘要；3)生产工艺和控制原理介绍；4)控制参数和被控参数选择；5)控制仪表及技术参数；6)控制流程图及控制系统方框图；7)总结与展望；（设计过程的总结，还有没有改进和完善的地方）；8)课程设计的心得体会（至少500字）；9)参考文献（不少于5篇）；10)其它必要内容等。

三、时间安排：具体时间设计内容11月10日指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍。

学生确定选题，明确设计要求11月11日——11月14日查阅与设计有关的资料。

11月17日~11月19日根据查阅的资料，进行方案设计11月20日~11月21日确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数；画控制流程图及控制系统方框图。

11月24日——11月29日撰写课程设计说明书。

12月1日——12月3日课程设计初稿的修订12月4日上交课程设计说明书。

12月5日课程设计进行答辩I。

上、中水箱液位串级PID控制实验一、实验目的1、掌握串级控制系统的基本概念和组成。

2、掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。

3、研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。

二、实验设备AE2000型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。

三、实验原理上水箱液位作为副调节器调节对象，中水箱液位做为主调节器调节对象。

控制框图如图9-1所示：图9-1上水箱下水箱液位串级控制框图四、实验内容和步骤1、设备的连接和检查1).打开以丹麦泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。

2).打开上水箱出水阀和中水箱的出水阀开至适当的开度。

3).检查电源开关是否关闭2、系统连线图图9-2实验接线图1).将上水箱液位信号接至8017的AI0通道，将中水箱液位信号接至8017的AO0通道。

2).将8024的AO1通道接至气动调节阀的控制信号输入端。

3).电源控制板上的三相电源空气开关、丹麦泵电源开关打在关的位置。

3、启动实验装置：1).打开电源带漏电保护空气开关。

打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。

打开单相泵电源。

2).启动计算机DDC组态软件，进入实验系统相应的实验3).建立工作点将副回路的PID控制器设成手动单击实验界面中的副回路PID控制器标签打开副回路PID控制器界面，然后单击副回路PID控制器的“手动”按钮a、设定工作点单击副回路PID控制器界面中MV柱体旁的增/减键，设置MV（U1）的值c、进行对象动态特性测试（参见已做过的实验）给MV一个阶跃，将1号和3号水箱的液位变化数据记录在表1中：根据实验数据用两点法建立3号和1号水箱的传递函数，作为PID初始参数计算的依据。

4)调节串级的后级a、设置PID参数根据对象特性，查表计算PID初始参数，P＝I＝D＝，并将参数输入到控制器中，并进行微调，使内回路控制效果达到最佳。

科信学院课程设计说明书（2011 /2012 学年第二学期）课程名称：PLC应用课程设计题目：水箱液位和注水流量串级控制PLC系统设计专业班级：学生姓名：学号：指导教师：刘增环、岑毅南、王艳芬等设计周数：2周设计成绩：2012年6月21日目录1.课程设计目的 (2)2.设计正文 (2)2.1 技术要求 (2)2.2 方案设计 (2)2.3 I/O口分配表 (2)2.4 系统分析 (2)2.5 PLC程序 (2)主程序 (3)子程序 (4)中断子程序0 (6)2.4 电路设计 (8)3、课程设计总结 (8)4、参考文献 (9)1、课程设计目的通过本次课程设计,加深对PLC知识的理解；了解力基于PLC的过程控制工程设计流程及方法；重点掌握PLC的I/O地址分配、信号采集、PID控制算法、程序编辑以及调试运行方法。

结合课程设计的内容，熟悉过程控制工程中需要编写的技术文档；加强对PLC编程能力；培养全面、周到的考虑实际问题的习惯；学会查阅有关专业技术资料及设计手册，提高进行独立设计的能力并完成课程设计相关任务。

（1）了解水箱液位控制系统的物理结构、闭环调节系统的数学结构和PID控制算法。

（2）逐一明确各路检测信号到PLC的输入通道，包括传感器的原理、连接方法、信号种类、信号调节电路、引入PLC的接线以及PLC中的编址。

（3）逐一明确PLC到各执行机构的输入通道，包括各执行机构的种类和工作原理，驱动电路的构成，PLC输出信号的种类和地址。

（4）绘制水箱液位控制系统的电路原理图，编制I/O口地址分配表。

（5）编制PLC的程序，结合实验室现有设备进行调试，要求尽可能多地在实验设备上演示控制过程。

2、课程设计正文2.1技术要求水箱液位和注水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、水压力传感器、涡轮流量计、电动调节阀、可编程控制器及其输入（检测）输出（控制）通道电路构成。

其中电动机和水泵作为动力系统。

题目11 上水箱液位与进水流量串级控制系统一、课程设计主要任务及要求1、了解液位-流量串级控制系统的结构组成与原理。

2、掌握液位—流量串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。

3、进行串级控制系统PID参数整定。

4、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.二、实验设备1. THJ-FCS型高级过程控制系统实验装置。

2。

计算机及相关软件。

三、实验原理本实验系统的主控量为上水箱的液位高度H，副控量为气动调节阀支路流量Q，它是一个辅助的控制变量。

系统由主、副两个回路所组成。

主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控制量H等于给定值，因而系统的主调节器应为PI或PID控制。

副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量H的控制目的，因而副调节器可采用P控制。

但选择流量作副控参数时,为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用，即采用PI控制规律。

引入积分作用的目的不是消除静差，而是增强控制作用。

显然，由于副对象管道的时间常数小于主对象上水箱的时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，通过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响。

本实验系统结构图和方框图如图5-15所示。

图5-15上水箱液位与进水流量串级控制系统(a）结构图(b)方框图四、实验控制系统流程图本实验控制系统流程图如图5—16所示.图5-16 实验控制系统流程图本实验主要涉及三路信号,其中两路是现场测量信号上水箱液位和管道流量，另外一路是控制阀门定位器的控制信号。

本实验中的上水箱液位信号是标准的模拟信号，与SIEMENS的模拟量输入模块SM331相连，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上,PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315—2 DP（CPU315-2 DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站）,这样就完成了现场测量信号向控制器CPU315-2 DP的传送。

目录前言 (3)第一章对象特性测试实验 (4)第一节测试对象特性的方法 (4)实验一上水箱特性测试实验 (14)实验二下水箱特性测试实验 (15)实验三二阶液位特性测试实验 (16)实验四温度加热器特性测试实验 (17)实验五调节阀特性测试实验 (18)第二章单闭环控制系统实验 (19)实验一压力单闭环控制系统实验 (22)实验二温度单闭环控制系统实验 (23)实验三液位单闭环控制系统实验 (24)实验四流量单闭环控制系统实验 (25)实验五二阶液位控制系统实验 (26)第三章串级控制系统实验 (27)串级控制系统的设计与整定 (27)实验一上水箱液位和流量串级控制系统实验 (30)实验二上、下水箱液位串级控制系统实验 (32)第四章前馈控制系统实验 (34)前馈控制系统的原理 (34)实验一前馈反馈控制系统实验 (35)前言过程控制模拟仿真系统是通过计算机仿真技术，将各种过程物理对象转换成数学模型，开发出对象的一阶和二阶过程的动态特性数学模型，计算机动态模拟，达到和真实的控制系统相一致的仿真目的，在教学实验应用方面具有很好的效果。

在仿真系统界面中，设置有各种过程控制器件，包括变频器、水泵、电动调节阀、压力变送器、温度变送器、液位变送器、流量变送器、加热器等。

管道设置为两条回路，主回路用红色管道表示，副回路用白色管道表示，管道为动态流水显示。

在系统运行状态下，只要打开流水管道，就会观察到动态流水过程，比较形象直观。

同时，在各个器件上方的动态文本里显示的是当前的实际值，水箱上标有液位刻度，可以直观的观察液位高度。

系统最右上方一栏显示的是各器件变送的电流值，变送输出电流为标准电流4~20mA，右下方的为输入控制电流，是用来控制调节阀，加热器，变频器，输入电流为标准4~20mA。

该仿真系统将计算机内部变送电流数值通过牛顿模块输出为实际的电流值，而实际控制模拟输入电流又可通过牛顿模块转换为数字信号输入到计算机内。

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 Tn e K n u ni DI P +⎭⎬⎫⎩⎨⎧--++=∑= ②、增量型控制[][])2()1(2)()()1()()1()()(-+--++--=--=∆n e n e n e TT K n e T TK n e n e K n u n u n u D P I PP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。

a. 在系统工作状况稳定，主、副回路主控制器在纯比例作用的条件下，将主控制器的比例带δ取100％，再逐渐降低副控制器的比例带，用整定单回路的方法来整定副回路。

如用4：1衰减法来整定副回路，则求出副参数在4：1衰减时的副控制器比例带δ2S 和操作周期T2S。

b.使副控制比例带置于δ1S 的数值上，逐渐降低主控制器的比例带δ1S，求出同样衰减比时主回路的过渡过程曲线，记录此时主控制器的比例带δ1S和操作周期T1S。

实验3 上、中水箱液位串级控制系统实验一、实验目的1、掌握串级控制系统的基本概念和组成；2、掌握串级控制系统的投运与参数整定方法；3、研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。

二、实验设备AE2000B型过程控制实验装置、万用表一只三、实验原理上水箱液位作为副调节器调节对象，中水箱液位作为主调节器调节对象。

控制框图如图1所示：图1 上水箱中水箱液位串级控制框图四、实验内容与步骤1、设备的连接和检查：1）将AE2000B 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、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀；3）打开上水箱和下水箱的出水阀至适当开度；4）检查电源开关是否关闭。

2、系统连线图：1）将I/O信号接口板上的下水箱液位的钮子开关打到OFF位置，上水箱液位的钮子开关打到ON位置；2）按图2所示连线；3）将主调节仪的4~20mA输出接至I/O信号面板的温度变送器转换电阻上转换成1~5V 电压信号，再将此转换信号接至另一调节仪（副调节器）的1端和2端作为外部给定，上水箱液位信号转换为1~5V的信号后接入副调节器的1~5V和地两端。

调节器输出的4~20mA接电动调节阀的4~20mA控制信号两端。

3、启动实验装置：1）将实验装置电源插头接到220V的单相电源上；2）打开电源单带漏电保护空气开关，电压表指示220V；3）打开总电源开关，即可开启电源。

4、实验步骤1）开启电动调节阀电源、24V电源、智能调节仪电源，调整好仪表各项参数；图2、实验接线2）设定主控参数和副控参数。

主调节器的参数与单回路闭环控制设定方法一样；3）启动动力支路，待系统稳定后，在上水箱给一个阶跃信号，观察实时曲线的变化，并记录此曲线；4）系统稳定后，在副回路上加干扰信号，观察主回路和副回路上的实时曲线的变化。

记录并保存曲线。

五、实验报告要求分析串级控制和单回路PID控制不同之处？六、注意事项1、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源；2、系统连接好以后，在老师的指导下，运行串级控制实验；3、为保护仪表及用电设备的使用寿命实验完毕，先关闭所有电源开关，再关电源总开关。

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