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。

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课程设计报告设计题目：水箱液位控制系统班级：自动化0901班学号：20092395姓名:郝万福指导教师:王姝梁岩设计时间：2012年5月7号----5月25号摘要在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题, 例如居民生活用水的供应，饮料、食品加工等多种行业的生产加工过程，通常需要使用蓄液池，蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。

因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。

在这次课程设计中，我们主要是设计一个水箱液位控制系统，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID 参数整定、传感器和调节阀等一系列的知识。

通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度.首先测取被控液位高度过程的图像，建立了主回路的进水流量和主管道流量、进水流量和水箱(上)液位高度、副回路进水流量和水箱（上）液位、双容水箱的进水流量和水箱（下)液位之间的数学模型，从而加强了对液位控制系统的了解。

然后,通过参数试凑法对PID参数的调试，使上述的模型能快速的达到稳定并且超调量和余差等满足设计要求。

最后通过MATLAB仿真实验，加深了对双容水箱滞后过程以及串级水箱液位过程和前馈控制系统的理解，对工业控制工程中对控制系统设计过程有了一定的认识。

工业过程控制课程设计任务书设计目的与要求1.1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。

1.2 设计要求（1）根据液位-流量串级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）根据液位-流量串级过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用过程模块。

（3）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）运用组态软件，正确设计液位-流量串级过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。

2 系统结构设计2.1 控制方案在本系统中被控参量有两个，上水箱液位和管道流量，这两个参量具有相关联系，流量的大小可以影响上水箱液位，根据流量与液位的关系，故系统采用串级控制，内环为流量控制，外环为液位控制。

内环与外环的控制算法均采用PID 算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好。

外环液位控制器的输出作为内环流量控制器的设定值，流量控制器的输出来控制调节阀的大小，来控制管道流量的大小，进而控制上水箱液位。

2.2 系统结构系统框图如图2.1所示。

图2.1 计算机控制上水箱液位和流量串级系统控制框图3 过程仪表的选择3.1 液位传感器液位传感器用来对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、可靠性大大提高。

可方便地与其它DDZ—X型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表。

效验的方法时通电预热15分钟后，分别在零压力和满量程压力下检查输出电流。

在零压力下调整零电位器，使输出电流为4mA，在满量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，因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。

液位传感器用来对上水箱和中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，0.5级精度，二线制4-20mA标准信号输出。

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。

实验四下水箱液位和进口流量串级控制实验一、实验目的1、学习闭环串级控制的原理。

2、了解闭环串级控制的特点。

3、掌握闭环串级控制的设计。

4、初步掌握闭环串级控制器参数调整。

二、实验设备A3000-FBS现场系统，百特控制系统。

三、实验要求1、设计串级控制器。

2、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。

四、实验内容与步骤1、在现场系统A3000-FBS，将回路2手动调节阀JV201、JV206完全打开，使下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。

2、在控制系统A3000-CS上，将百特内给定仪表4~20mA输出端连到百特外给定仪表4~20mA外给定端，百特外给定仪表4~20mA输出端连到调节阀输入端，下水箱液位输出端连到百特内给定仪表4~20mA输入端，支路2流量计输出端连到百特外给定仪表4~20mA输入端。

3、打开A3000-CS电源，百特仪表通电。

打开A3000-FBS电源，调节阀通电。

4、启动计算机组态王软件，运行百特仪表组态程序，登陆进入下水箱液位和进口流量串级控制试验。

首先进行副回路比例调节。

主回路设为手动，副回路设为自动。

SP设为60%，主回路调节器输出设为40%，I为1800，调节P值，使调节阀控制量输出即PV1输出平衡。

获得P值。

5、在A3000-FBS上，启动右边水泵2#开关，给下水箱注水。

6、切换至单主回路控制即把手动改为自动，调节主回路的P、I值待系统稳定后，对系统加扰动信号。

通过反复对副调节器和主调节器参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的控制精度。

画下最终的曲线。

7、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。

关闭全部电源设备，拆下实验连接线。

六、实验结果提交1、画出液位流量串级控制实验系统的框图和最终获得的满意响应曲线，以及最佳串级控制参数。

2、阐述实现液位流量串级控制的原理。

液位和进口流量串级控制一：系统简介本系统是以V103水箱的液位作为主变量，水的进口流量作为副变量的串级控制系统。

该串级控制系统的结构是双闭环的，由流量计、流量控制器、液位测量变送器、液位控制器和被控对象组成。

副回路中，流量计测量进口水流量，并转换成便于利用的信号形式，比较装置将反映流量大小的信号与液位控制器输出流量值比较，产生偏差信号。

偏差信号通过液位控制器作用到调节阀上，按照消除偏差的方向来改变进口水的流量，将其调节到给定的希望值。

主回路中，液位测量变送器检测液位，并转换成便于利用的信号形式，比较装置将反映液位大小的信号与液位控制器给定流量值比较，产生偏差信号。

偏差信号通过液位控制器和流量控制器作用到调节阀上，按照消除偏差的方向来改变水箱的液位，将其调节到给定的希望值。

二：流程图二：方框图四、仪表选型（1）数显控制仪型号 KSC5技术参数：输入信号热电阻：Pt100、Cu100、Cu50、BA1、BA2、G可通过设置选择。

热电偶：K、S、R、B、N、E、J、T 可通过设置选择。

直流电流信号：4～20mA、0～10mA、0～20mA可通过设置选择。

直流电压信号：1～5V、0～5V 可通过设置选择。

mV直流信号：需在订货时注明信号范围精度测量周期：0.3s控制周期：0.3s～75.0s可设置测量精度：±0.2%F·S ±1个字，自动对温漂、时漂进行补偿测量分辨率：1/16000、14位A/D转换器显示范围：-1999～9999热电阻输入导线电阻：小于20Ω热电偶输入冷端补偿范围：0～60℃，精度±1℃设定精度：与显示值一致无相对误差调节方式自整定PID连续控制或ON/OFF控制比例带：0.2%～999.9% 积分时间：0s～9999s 微分时间：0s～3999s操作输出限幅范围：-6.3～106.3%报警报警方式，报警灵敏度可设置报警输出接点容量：220V AC，3A（阻性负载）传感器故障继电器输出（扩展功能）控制输出：4～20mA、0～10mA、0～20mA可通过设置选择，精度：±0.3%F·S 位式控制输出：继电器接点输出或控固态输出外供电源：大于30mA电源电压：V0：187～242V AC 耗电量5V A以下 V1：20～28V DC 耗电量4V A 以下工作环境：温度：0～50℃湿度：低于90％R·H（2）电磁流量计型号：LDB型技术参数：可测管径：管道式四氟衬里：DN10～DN600管道式橡胶衬里：DN40～DN1200 注：特殊规格可定制精度等级：管道式：0.5级，1.0级被测介质温度：普通橡胶衬里：-20—+60℃；高温橡胶衬里：-20—+90℃聚四氟乙稀衬里：-30—+100℃；高温型四氟衬里：-30—+180℃额定工作压力：DN10—DN65：2.5MPaDN80—DN150：1.6MPaDN200—DN1200：1.0MPa输出信号及负载电阻：4-20mADC,0-500Ω电极材质：含钼不锈钢、钛（Ti）、钽（Ta）哈氏合金（HB）等防护等级：潜水型：IP68，其他：IP65供电电源：220VAC 直管段长度：管道式：上游≥5DN，下游≥2DN连接方式：电磁流量计为管道式安装方式，其与配管之间均采用法兰连接，法立连接尺寸应符合GB9119-88的规定（3）电磁阀型号：ZCS使用流体：空气、水、油、热水、瓦斯动作方式：直动式型式：常闭式流量孔径： mm 2.5 4 16 20 25 35 40 50CV 值：0.23 0.6 4.8 7.6 12 24 29 48接管口径：1/8” 1/4” 3/8” 1/2” 3/4” 1” 1-1/4” 1-1/2” 2”使用流体粘度：20CST以下使用压力：水(热水) :0～10 空气 :0～10 油:0～5 Kgf/cm2最大耐压力：16kgf/cm2介质温度：-5～120 ℃使用电压范围：± 10% 电压:AC220V AC110V DC24V 其它电压和工厂接洽本体材质：SUS304不锈钢 (SUS316可定制)油封材质：NBR或VITON（4）压力变送器型号：HR-K电源：24V·DC；无负载时变送器可工作在12V·DC，最大为40V·DC。

XXX科技大学电子信息工程学院专业硕士学位研究生综合实验报告实验名称：水箱液位串级控制系统专业：控制工程姓名：XXX学号：******指导教师：***完成时间：20**年6月*日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所示。

水箱液位串级控制系统(a)结构图(b)方框图方案设计及参数计算：串级控制系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。

串级控制系统方框图R-主参数的给定值；C1-被控的主参数；C2-副参数；2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给智能采集模块及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给电动调节阀上电。

3．打开上位机MCGS组态环境，打开“远程数据采集系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验十、水箱液位串级控制”，进入实验十的监控界面。

实验数据及结果：实验中，首先下水箱定值控制的给定为30，由实验数据可知系统表现出比较好的跟总特性。

待系统稳定后将给定突变为40，系统依旧可以快速稳定的跟踪给定，表现出很好的动态特性和稳态特性。

结果分析：主调节器采用PID控制器可以使下水箱液位等于给定值，并且没有误差。

由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参THANKS !!!致力为企业和个人提供合同协议，策划案计划书，学习课件等等打造全网一站式需求欢迎您的下载，资料仅供参考。

《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-。

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2所示。

图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、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（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2，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。

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。

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。

双容水箱液位流量串级控制系统设计要点双容水箱液位流量串级控制系统是一种在液位和流量之间进行联动控制的系统。

该系统通常由两个水箱、两个阀门和两个流量计组成。

其中，一个水箱用于控制液位，另一个水箱用于控制流量。

双容水箱液位流量串级控制系统的设计要点包括以下几个方面：1.系统结构设计：双容水箱液位流量串级控制系统的结构应该合理、紧凑，方便安装和维护。

系统中的各个组件应该布局合理，阀门、流量计与水箱的位置应该便于操作和读取数据。

2.控制策略设计：双容水箱液位流量串级控制系统的控制策略应该能够实现液位和流量之间的联动控制。

一般采用控制阀门的开度来调节流量，通过调节水泵的转速或者阀门的开度来调节液位。

控制策略应该具有良好的稳定性和鲁棒性，能够快速而准确地响应输入信号的变化。

3.传感器选择与布置：双容水箱液位流量串级控制系统中的传感器用于检测液位和流量。

液位传感器的选择应该考虑到水箱的工作范围和要求，以及精度和可靠性的要求。

流量传感器的选择应该根据流量范围和要求，以及精度和可靠性的要求。

传感器的布置应该能够准确地测量液位和流量，避免干扰和误差。

4.控制器选择与配置：双容水箱液位流量串级控制系统的控制器是实现控制策略的核心部件。

控制器应该具有良好的性能，包括计算能力、通信能力和抗干扰能力。

控制器的配置应该考虑到系统的需求和性能要求，以及可靠性和可扩展性的要求。

5.阀门和流量计选择与定位：双容水箱液位流量串级控制系统中的阀门和流量计是实现液位和流量调节的关键装置。

阀门的选择应该考虑到流量范围和要求，以及可靠性和响应速度的要求。

流量计的选择应该根据流量范围和要求，以及精度和可靠性的要求。

阀门和流量计的定位应该根据液位和流量的控制策略，使其能够和其他组件紧密配合，实现精确的调节和测量。

通过以上要点的设计，可以有效实现双容水箱液位流量串级控制系统的运行稳定和精确控制。

同时，设计过程中还需要考虑到系统的安全性和可靠性，以及经济性和可维护性的要求。

实验四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．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。

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。

本实验系统结构图和方框图如图所示。

图1 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1、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。

2、按照实验图接线，将主、副控仪表设置为自动，主控制器Sn=33,addrss=1，CF=0 ，DF=0；副控制器Sn=32,addrss=2，CF=8，DF=0；合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，上位机的主控制器，下水箱的液位设定值8—15cm。

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。