下水箱液位前馈反馈控制系统

下水箱液位前馈反馈控制系统实验一、实验目的1、学习前馈-反馈控制的原理。

2、了解前馈-反馈控制的特点。

3、掌握前馈-反馈控制的设计。

二、实验设备A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。

三、实验原理1、控制原理前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。

在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现而能测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者抵消与被调量发生偏差之前。

因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。

但是前馈控制是开环控制。

其控制效果需要通过反馈加以检验。

前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。

如果没有反馈控制，则这种校正作用只能在稳态下补偿扰动作用。

如图6-12所示。

设法保持下水箱液位，是用两个水泵注水。

图6-12 前馈－反馈控制系统原理图如果支路一出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰的大小，然后在第二个支路通过调整调节阀开度，直接进行补偿。

而不需要经过调节器。

如果没有反馈，就是开环控制，这个控制是有余差的。

增加反馈通道，使用PI 进行控制，如图6-12所示。

我们按照参考书上的内容，进行了部分简化。

前馈控制不考虑控制通道与对象通道延迟，则根据物料平衡关系，简单的前馈控制方程为：Qu=dF 。

也就是两个流量的和保持稳定。

但是有两个条件，一是准确知道第一个支路的流量，二是准确知道调节阀开度与流量对应关系1K ，如图6-13所示：图6-13 调节阀开度与流量比例关系2、测量与控制端连接表40806020调节阀FV101 AO03、实验方案被调量为调节阀，控制量是支路2流量，控制目标是下水箱液位。

首先实现前馈控制，通过测量支路1、2流量，控制调节阀，使得支路2流量变化跟踪支路1流量变化。

然后实现反馈控制，通过测量水箱液位，控制调节阀，从而把前馈控制不能修正的误差进行修正。

4、参考结果在前馈-反馈控制下的加法器系数K取不同值时的控制曲线如图6-14—6-17所示：图6-14 K=0时前馈－反馈控制曲线图6-15 K=1时前馈－反馈控制曲线图6-16 K=2时前馈－反馈控制曲线图6-17 K=3时前馈－反馈控制曲线四、实验要求1、设计前馈－反馈控制系统。

摘要液位控制是常见的工业过程控制之一，它广泛运用于水塔、锅炉、高层建筑水箱、罐、工业化工槽等受压容器的液位测量。

随着科技的进步，人们对生产的控制精度要求越来越高，所以提高液位控制系统的性能显得十分重要。

本文介绍了一种基于组态软件WinCC和西门子STEP 7的下水箱液位控制系统的设计过程。

控制对象为实验室的水箱液位设备，采用以太网进行通讯，用软件完成了系统硬件配置，实现了任意液位高度的手动/自动调节。

在系统远程监控方面，利用WinCC软件进行了远程监控界面的设计，通过对液位数据的采集、处理、输出处理，实现了对液位高度的实时监控、自动/手动的无扰切换、报警显示等功能。

关键词：液位控制；实时监控；以太网；WinCC软件AbstractThe level control is one of the common industrial process control, it is widely used in cooling towers, boilers, high-rise buildings, water tanks, tanks, industrial chemical tank level measurement of the pressure vessel. With the advances in technology, production control accuracy requirements are high, so to improve the performance of the liquid level control system is very important.This paper introduces a kind of based on Wincc configuration software and Siemens STEP 7 under the tank liquid level control system of the design process. This design uses the Ethernet communication, the software system hardware configuration, design and debugging of various modules of the ladder to achieve a any level of a high degree of manual / automatic adjustment. Wincc software system RMON RMON interface design, the level of data collection, processing, output processing, the liquid level in the real-time monitoring, automatic / manual bumpless switching, alarm display and other functions.Keywords: evel control;data collection;Siemens STEP 7;Wincc software目录1绪论 (1)1.1过程控制 (1)1.2 液位控制系统的组成 (1)1.3液位控制系统的功能 (2)1.4本论文的主要内容与方法 (3)2 系统软件介绍 (4)2.1PLC的发展及过程控制简介 (4)2.2STEP7简介 (4)2.3组态软件WinCC (5)3 下水箱液位控制系统设计 (6)3.1单回路过程控制系统概述 (6)3.2被控对象的选择 (7)3.3 仪表选择 (7)3.3.1检测变送仪表的选择 (7)3.3.2 执行器的选择 (7)3.3.3 控制器的选择 (8)4 系统调试 (9)4.1 系统模型 (9)4.2 控制规律 (10)4.3 调试过程 (10)5 结论分析 (17)总结 (18)参考文献 (19)1绪论1.1过程控制液位自动控制是通过控制投料阀来控制液位的高低，当传感器检测到液位设定值时，阀门关闭，防止物料溢出；当检测液位低于设定值时，阀门打开，使液位上升，从而达到控制液位的目的。

题目12 下水箱液位前馈-反馈控制一、课程设计目的1、通过本实验进一步了解液位前馈-反馈控制系统的结构与原理。

2、掌握前馈补偿器的设计与调试方法。

3、掌握前馈-反馈控制系统参数的整定与投运方法。

二、课程设计使用的实验设备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、实验工作原理本实验的被控制量为下水箱的液位，主扰动量为变频器支路的流量。

本实验要求下水箱液位稳定至给定值，将压力传感器LT3检测到的下水箱液位信号作为反馈信号，它与给定量比较后产生的差值为调节器的输入，其输出控制电动调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。

而扰动量经过前馈补偿器后直接叠加在调节器的输出，以抵消扰动对被控对象的影响。

本实验系统的结构图和方框图如图12-1所示。

图12-1 下水箱液位前馈-反馈控制系统(a)结构图 (b)方框图由图可知，扰动F （s ）得到全补偿的条件为F(s)G f (s)+F(s)G F (s)G 0(s)=0G F (s)=-)()(0s G s G f (12-1)上式给出的条件由于受到物理实现条件的限制，显然只能近似地得到满足，即前馈控制不能全部消除扰动对被控制量的影响，但如果它能去掉扰动对被控制量的大部分影响，则认为前馈控制已起到了应有的作用。

为使补偿器简单起见，G F (s)用比例器来实现，如图其值按本章式(12-1)来计算。

四、静态放大系数K F 的整定方法（一）开环整定法开环整定法是在系统断开反馈回路的情况下，仅采用静态前馈作用，来克服对被控参数影响的一种整定法。

整定时，K F 由小到大缓慢调节，观察前馈补偿的作用，直至被控参数基本回到给定值上，即实现完全补偿。

此时的静态参数即为最佳的整定参数值K F ，实际上K F 值符合下式关系，即K F ＝f K K (12-2)式中：K f 、K 0分别为扰动通道、控制通道的静态放大系数。

开环整定法适用于在系统中其他扰动不占主要地位的场合，不然有较大偏差。

水箱反馈系统实例及其传递函数
水箱反馈系统是一种利用控制理论来调节水箱液位的系统。

该系统由水箱、水泵、控制器和传感器组成。

传感器用于测量水箱的液位，并将数据反馈给控制器。

控制器根据传感器的反馈信号来调节水泵的运行状态，以维持水箱液位在设定的范围内。

水箱反馈系统的传递函数描述了输入和输出之间的关系。

传递函数是一个数学模型，它将输入信号转换为输出信号。

对于水箱反馈系统，传递函数可以表示为：
G(s) = K / (Ts + 1)
其中，G(s)是传递函数，s是复变量，K是系统的增益，T是系统的时间常数。

传递函数的分子代表输出信号的增益，分母代表输入信号的影响因素。

增益K决定了输出信号与输入信号之间的比例关系，时间常数T反映了系统的响应速度。

通过调节传递函数的参数，可以改变水箱反馈系统的性能。

增大增益K可以增加系统的输出灵敏度，但可能导致系统不稳定。

减小时间常数T可以提高系统的响应速度，但可能会引入过度调节。

举例来说，假设水箱反馈系统的传递函数为G(s) = 2 / (0.5s + 1)。

这意味着输出信号是输入信号的两倍，并且系统的时间常数为0.5秒。

如果输入信号是单位阶跃函数，系统的输出将在0.5秒内上升到2。

这个例子说明了如何使用传递函数来预测系统的响应。

总之，水箱反馈系统是一种常见的控制系统，通过传感器和控制器来调节水箱的液位。

传递函数是描述系统输入和输出之间关系的数学模型，可以用来预测系统的响应。

通过调节传递函数的参数，可以改变系统的性能。

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，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、F2-1、F2-5全开，将阀门F1-10、F1-11开至适当开度(阀F1-10>F1-11)，其余阀门都关闭。

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SA-11挂件、SA-12挂件、SA-14挂件挂到屏上，并将SA-12挂件的通讯线接头插入屏内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2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。

将“FT2变频器支路流量”、“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。

SA-14上比值器的调节旋钮放在最小的位置。

图7-4 仪表控制下水箱液位前馈-反馈控制实验接线图2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器及涡轮流量计上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。

3．打开上位机MCGS组态环境，打开“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“实验二十一、下水箱液位前馈反馈控制系统”，进入实验二十一的监控界面。

4．设定工作点（u0，h0）。

在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”输出，并将输出值设置为一个中间合适的值（例u0=50%），此操作也可通过调节仪表实现。

5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，通过调节F1-10、F1-11的开度，使下水箱的液位平衡于一个中间合适的值（例h0=8）。

6．设置智能仪表的输出值为100%，观察下水箱液位的稳态值hmax，则在以下实验中，设定值不能超过hmax。

若hmax>18，则重新设定u0=50%，转5重新调整。

7、在工作点（u0，h0）处，用开环整定法整定静态前馈放大系数K F。

目录第一章绪论 (3)第二章课程设计主要仪器的介绍 (4)1.1 PLC的简介 (4)1.1.1 PLC的组成 (4)1.1.2 CPU的构成 (6)1.2 PLC的工作原理 (6)1.3PLC的外围接线 (8)2.1变频器的介绍 (8)2.1.1变频器的选择 (8)2.2 控制面板图 (9)2.4变频器的快速设置 (11)3.1电机的介绍 (12)3.1.1三项异步电动机调速 (12)第三章 PLC变频调速系统的设计与调试 (14)1 系统的接线 (14)1.1主回路接线 (14)1.2 控制回路接线 (14)2 外部接线图 (14)3 系统方案设计 (15)3.1 I/O地址分配表 (15)3.2梯形图程序 (16)4 软件系统的调试 (17)5 实验结果分析 (17)第四章控制系统的组成 (18)1系统简介 (18)2系统组成 (19)3电源控制台 (22)4总线控制柜 (22)5系统特点 (22)6装置的安全保护体系 (23)第五章下位机软件中的硬件配置和程序结构 (24)1 STEP 7简介 (24)2 STEP 7的硬件配置和程序结构 (24)第六章上位机组态软件简介 (28)1 WINCC 概述 (28)2 WINCC的通讯连接和画面组态方法 (28)第七章 PROFIBUS功能简介 (32)第八章下水箱液位前馈反馈控制 (33)实验内容与步骤 (35)第九章下水箱液位前馈反馈控制实验程序 (37)第十章实验结果和分析 (44)10.1实验图 (44)10．2分析 (46)第十一章结束语 (49)11.1 基于PLC控制的变频调速设置 (49)11.2下水箱前馈-反馈控制 (49)第十二章参考文献 (50)12.1基于PLC控制的变频调速设置 (50)12.2下水箱前馈-反馈控制 (50)第一章绪论随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有效结合，可进行模拟量控制，具有远程通信功能等。

第一章控制系统的组成1、系统简介本现场总线控制系统是基于PROFIBUS和工业以太网通讯协议、在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统。

整个实验装置分为上位控制系统和控制对象两部分，上位控制系统流程图如图1-1所示：图1-1 上位控制系统流程图控制对象总貌图如图1-2所示。

图1-2 控制对象总貌图2、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.被控对象被控对象由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接圆筒形有机玻璃水箱、4.5Kw 电加热锅炉(由不锈钢锅和锅炉夹套构成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管路组成。

水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。

上、中、下水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直能接观察到液位的变化和记录结果。

上、中水箱尺寸均为：d=25cm,h=20 cm；下水箱尺寸为：d=35cm,h=20 cm。

每个水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。

储水箱尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝。

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。

在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间。

盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。

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。

一种双容水箱液位系统的状态反馈控制方法双容水箱液位系统是一种常见的控制系统，用于控制水箱中的液位。

系统由两个水箱和一根连接两个水箱的管道组成。

该系统的目标是通过控制水流进入和流出水箱来维持水箱的液位在设定值附近。

一种常用的控制方法是状态反馈控制。

状态反馈控制是基于系统的状态变量（如液位）进行控制的方法。

该方法通过测量系统的状态变量，计算出控制输入，并将其作为反馈信号输入到系统中。

这样，系统就可以根据测量到的状态变量来调节控制输入，以使系统的状态达到设定值。

1. 系统建模：需要建立双容水箱液位系统的数学模型。

这个模型描述了系统的动态行为，可以根据系统的物理特性和控制需求进行建立。

常用的建模方法包括基于物理原理的动力学方程和基于经验数据的系统辨识方法。

2. 设计状态反馈控制器：基于系统的模型，可以设计状态反馈控制器。

控制器可以根据系统的状态变量进行调节，并产生控制输入。

在设计过程中，可以使用控制理论中的方法，如线性二次调节器（LQR）或H∞控制来设计控制器的增益矩阵。

3. 系统仿真：使用建立的数学模型，可以进行系统的仿真来评估控制器的性能。

在仿真中，可以考虑不同的初始条件和控制输入，并观察系统的响应。

如果系统的响应满足控制需求，可以进一步优化控制器的参数。

4. 控制器实现：将设计好的控制器实现到实际的控制系统中。

这需要选择合适的控制器实现方式，如模拟电路、数字控制器或嵌入式系统。

控制器实现后，可以进行系统的实时控制实验。

5. 控制器调试和优化：在实际的控制实验中，可能会出现一些问题，如控制器调节不准确、系统不稳定等。

在这种情况下，需要对控制器进行调试和优化，如调整控制器的增益或改变控制策略等。

双容水箱液位系统的状态反馈控制方法包括系统建模、状态反馈控制器设计、系统仿真、控制器实现以及控制器调试和优化等步骤。

通过这个方法，可以设计出满足控制需求的控制器，并将其应用到实际的控制系统中。

水箱液位控制系统原理水箱液位控制系统是一种通过控制水箱内水位的液位控制系统。

该系统可以自动控制水箱内的水位，在水位过高或过低的时候进行相应的调节，以保持水箱内的水位在设定范围内。

水箱液位控制系统的原理主要涉及水位传感器、控制阀门和控制器等几个关键部件。

水位传感器用于感知水箱内的液位变化，将信号传递给控制器；控制阀门则根据控制器的指令，对水箱的进水或排水进行调节；控制器作为系统的核心部件，接收水位传感器的信号，并根据设定的水位值进行分析和计算，最后控制阀门的开启或关闭。

具体来说，水箱液位控制系统的工作过程如下：1. 水位传感器感知水箱内的液位变化，并将信号传给控制器。

水位传感器可以使用浮子式、电容式或超声波等不同类型的传感器。

2. 控制器接收水位传感器的信号，并根据设定的水位值进行计算和判断。

如果当前水位低于设定值，控制器会发送指令给控制阀门开启进水通道；如果当前水位高于设定值，控制器会发送指令给控制阀门开启排水通道。

3. 控制阀门根据控制器发送的指令，调节水箱的进水或排水量。

当水位低于设定值时，控制阀门会开启进水通道，允许水从供水管道流入水箱；当水位高于设定值时，控制阀门会开启排水通道，将多余的水排出水箱。

4. 控制器不断接收水位传感器的信号，并实时更新水位值。

如果水位达到设定值，控制器会发送指令给控制阀门关闭进水或排水通道。

5. 在水箱液位控制系统中，还可以设置报警机制。

当水位超出设定的正常范围时，控制器会发出警报信号，提醒操作人员采取相应的处理措施。

总之，水箱液位控制系统通过水位传感器感知水箱内的液位变化，控制器根据设定值进行判断和计算，控制阀门调节进水或排水量，从而实现对水箱内水位的自动控制。

这样的系统在水箱应用中具有重要的作用，可以保持水箱内水位稳定，满足不同场景的需求。