水箱液位自动控制系统设计2讲解

双容水箱液位控制系统设计首先，双容水箱液位控制系统的基本原理是根据水位信号的反馈来控制水泵的启停。

当水箱液位低于设定值时，水泵启动，开始抽水；当液位达到设定值时，水泵停止运行。

这样就可以实现水箱液位的自动控制。

第一，确定水箱的容积和设计液位。

容积和设计液位的确定需要根据实际应用情况来选择，一般要考虑水泵的流量和工作时间等因素。

容积大的水箱可以减少水泵启停的频率，但其建设和维护成本也较高。

第二，确定水位传感器的选择和安装。

水位传感器是检测水箱液位的关键部件，可以选择浮子式传感器、超声波传感器等。

选择合适的传感器需要考虑其精度、可靠性、成本和使用环境等因素。

安装传感器时要确保其与水箱的接触良好，避免信号干扰。

第三，确定控制器的选择和编程。

控制器是实现水位控制的核心部件，可以选择PLC、单片机等。

控制器的选择要考虑其处理能力、输入输出接口和编程灵活性等因素。

编程时需要设置液位设定值和控制逻辑，使得系统能够准确地控制水泵的启停。

第四，确定水泵的选择和安装。

水泵是水箱液位控制系统的关键设备，可以选择离心泵、自吸泵等。

选择合适的水泵需要考虑其流量、扬程、功率和效率等因素。

水泵的安装要确保其与水箱的连接可靠，并考虑水泵的防护和维护问题。

第五，确定报警和保护措施。

对于水箱液位控制系统，需要设置相应的报警和保护机制，以及应急措施。

例如，当水泵故障或水箱液位异常时，系统应该能够及时发出报警，并采取相应的措施避免设备损坏或事故发生。

最后，测试和调试系统。

在系统设计和安装完成后，需要进行全面的测试和调试工作。

首先测试传感器和控制器的工作是否正常，然后测试水泵的启停控制是否准确。

同时，还需要进行系统的稳定性和灵敏度测试，确保系统能够稳定运行和满足实际需求。

总之，双容水箱液位控制系统的设计需要综合考虑容积、液位传感器、控制器、水泵、报警保护和测试调试等方面的因素。

只有设计合理并正确配置这些部件，才能实现高效、稳定的液位控制。

水箱液位控制系统(二)正文部分前言自古以来，水就在人们的日常生活中扮演了重要的角色。

水是生命的源泉、农业的命脉、工业的血液！一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。

因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。

任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。

就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。

因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课题。

在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）进行自动控制。

比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。

虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同。

但其原理都大同小异。

特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。

因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。

水箱液位控制系统是进行控制理论与控制工程教学、实验和研究的平台，可以方便地构成一阶系统对象（双容水箱）和两阶系统对象（三容水箱）。

用户可通过经典的PID控制器设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。

各种控制器的控制效果通过水位的变化直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬态响应指标，准确评估控制性能。

开放的控制器平台，便于用户进行自己的控制器设计，满足创新研究的需要。

这种系统不仅适用于工业用水的控制，也适用于日常生活和农业生产上的液位控制。

1 系统结构原理1.1自动控制系统的组成（1）自动控制系统是由被控对象和控制装置组成的一个有机总体。

被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理组成的反馈控制系统。

基于S7-1200PLC的水箱液位控制系统的设计重庆科技学院摘要水箱液位控制系统是一种用于监测、控制水箱液位的自动化设备。

它通过搭载传感器、控制器和执行机构等组件，实现对水箱液位的实时监控和自动控制。

通常，水箱液位控制系统由传感器，控制器，执行机构。

水箱液位控制系统的使用范围广泛，包括建筑物、工业生产、农业灌溉、城市给排水和环保等领域。

它具有结构简单、安装方便、实时性强等特点，该系统能够提高水资源的利用效率、减少用水浪费和防止水源的污染。

本文基于S7-1200 PLC实现水箱液位控制系统设计。

该系统由硬件和软件两部分组成，硬件包括PLC、人机界面触摸屏、传感器、执行器等；软件实现传感器数据处理、PID稳态控制、安全等功能；关键词：液位控制 PLC PID 传感器重庆科技学院本科生毕业设计 3水箱液位控制系统硬件设计1绪论在工业领域，几乎在各个行业都会或多或少的涉及到液位的检测等问题，然而液位变量具有延迟滞后性，参数不稳定，复杂多变等问题，因此，这就需要本文采取更为精确的控制器去实现液位变量的检测。

传统控制具有很多缺陷：比如精度低、速度慢、灵敏度低等。

一个稳定的液位系统，可以保证安全可靠的工业生产、高效的生产效率、充分合理的利用能源等，大大提高了工业生产的经济价值。

日益激烈的市场竞争，要求本文的控制技术必须更加先进，此前的控制技术已落伍，显然无法满足需求，这种对先进技术的需求加速了可编程逻辑控制器的问世。

引入PLC控制器后，能够使控制系统变得更集中、有效、及时。

2水箱液位控制总体方案设计2.1水箱液位控制系统实际应用特征水箱液位控制系统是一种广泛应用于水箱的自动化控制系统，常见于民用和工业领域。

实际应用中，水箱液位控制系统具有以下特征：①实时性强：系统能够实时检测水箱内的液位信息，并根据液位变化及时控制水泵的启停，保证水位稳定。

②可靠性高：系统通过各类安全措施确保水泵的正常启停，不会出现过量或不足的水位情况，避免因为水位变化带来的安全隐患。

水箱液位自动控制系统工作原理
1水箱液位自动控制系统
水箱液位自动控制系统是一种控制水箱液位的自动化控制系统，它包括一个液位探测器、一个液位计算机、水箱液位控制装置和一个加水控制装置。

1.1液位探测器
液位探测器是系统的最重要的组成部分，它可以实时测量水箱中液位和水温，并将其实时数据发送到液位计算机。

1.2液位计算机
液位计算机负责接收液位探测器发送过来的实时温度和液位数据，并对其进行分析，计算出水箱当前的液位状态和液位变化趋势，并将运算结果发送给控制装置。

1.3水箱液位控制装置
水箱液位控制装置接收到液位计算机发送过来的水箱当前液位状态和液位变化趋势，根据实际情况确定是否需要加水，并根据设定的液位变化趋势来决定加水的次数和加水量。

1.4加水控制装置
加水控制装置接收来自水箱液位控制装置发送过来的控制信号，根据设定次数和加水量，控制加水泵启动停止，最终实现自动控制水箱液位，保持水箱液位的稳定。

水箱液位自动控制系统通过液位探测器实时测量水箱液位和温度，液位计算机对测量数据进行分析，水箱液位控制装置根据设定液位趋势确定是否需要加水，加水控制装置根据设定次数和加水量控制加水泵启动停止，实现了水箱液位的稳定控制。

目录摘要 (1)关键词 (1)引言 (2)1设计任务目的及要求 (2)1.1 设计目的 (2)1.2 设计要求 (2)2系统元件的选择 (3)2.1有自平衡能力的单容元件 (3)2.2 无自平衡能力的单容元件 (4)2.3单容对象的特性参数 (6)3控制器参数的整定 (7)3.1 参数的确定 (7)3.2 电动机的数学模型 (9)3.3 控制系统的数学模型 (10)3.4 PID控制器的参数计算 (10)4控制系统的校正 (11)4.1 控制器的正反作用 (12)4.2 串级控制系统 (12)5系统的稳定性分析 (16)5.1 系统的稳定性分析 (16)5.2 控制系统的稳态误差 (17)结束语 (19)参考文献 (20)致谢 (21)水箱液位自动控制系统原理摘要：水箱液位自动控制系统就是利用自身的水位变化进行调节和改变的系统，它自身具平衡能力，并由电动机带动下自动完成水位恢复的功能。

水箱液位是由传感器检测水位变化并达到设定值时，水箱自己的阀门关闭，防止溢出，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。

关键词：有自平衡能力、无自平衡能力、电动机、单容对象、系统稳定引言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。

在制浆造纸工厂常见有两种方式的液位控制：常压容器和压力容器的液位控制，例如浆池和蒸汽闪蒸罐。

液位自动控制系统由液位变送器（或差压变送器）、电动执行机构和液位自动控制器构成。

根据用户需要也可采用控制泵启停或改变电机频率方式来进行液位控制。

结构简单，安装方便，操作简便直观，可以长期连续稳定在无人监控状态下运行。

1 设计任务目的及要求1.1 设计目的通过课程设计，对自动控制原理的基本内容有进一步的了解，特别是水箱液位系统的设计。

能把本学期学到的自动控制理论知识进行实践，操作。

二．系统分析2.1系统工作原理浮球杠杆式液位自动控制系统原理示意图工作原理：当电位器电刷位于中点位置时，电动机不动，控制阀门有一定的开度，使水箱中流入水量与流出水量相等，从而液面保持在希望高度上。

一旦流入水量或流出水量发生变化，水箱液面高度便相应变化。

例如，当液面升高时，浮子位置亦相应升高，通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使进入水箱的流量减少。

此时，水箱液面下降，浮子位置相应下降，知道电位器电刷回到中点位置，系统重新处于平衡状态，液面恢复给定高度，反之，若水箱液面下降，则系统会自动增大阀门开度，加大流入的水量，使液面升到给定的高度。

2.2系统分解水位自动控制系统由浮子，杠杆，直流电动机，阀门及水箱控制部分构成。

根据不同的需要可以对各部分进行不同的设计。

该系统结构简单，安装方便，操作简便直观，可以长期连续稳定在无人监控状态下运行。

液位控制系统原理方框图如下所示：图22.3．数学模型2.3.1浮子、杠杆、电位计（比例环节）浮球杠杆测量液位高度的原理式U o=U总b∆ℎal式中Uo为电位计的输出电压，U总为电位计两端的总电势，b a⁄为杠杆的长度比，∆ℎ为高度的变化，l为电位计电阻丝的中点位置到电阻丝边缘的长度。

则：G1(s)=K12.3.2微分调理电路（微分环节）由于水面震荡，导致浮子不稳定，在电位计的输出电压与电动机的输入端之间接一个微分调理电路，对输入的电压进行调理传递函数为G2(s)=K2s2.3.3电动机（惯性环节）查资料知电动机的传递函数：G3(s)=K3Ts+12.3.4减速器（比例环节）这是一个比例环节，增益为减速器的减速比。

故，传递函数为G4(s)=K42.3.5控制阀（积分环节）这是一个积分环节，故，传递函数为G5(s)=K5s2.3.6水箱（积分环节）这是一个积分环节，实际液位Y是流入量Q in与流出量Q out的差值∆Q对时间t的积分。

目次摘要1症结词1引言21设计义务目标及请求21.1 设计目标21.2 设计请求22体系元件的选择3有自均衡才能的单容元件32.2 无自均衡才能的单容元件4单容对象的特点参数63控制器参数的整定73.1 参数的肯定73.2 电念头的数学模子93.3 控制体系的数学模子103.4 PID控制器的参数盘算104控制体系的校订114.1 控制器的正反感化124.2 串级控制体系125体系的稳固性剖析165.1 体系的稳固性剖析165.2 控制体系的稳态误差17停止语19参考文献20申谢21水箱液位主动控制体系道理摘要：水箱液位主动控制体系就是应用自身的水位变更进行调节和转变的体系,它自身具均衡才能,并由电念头带动下主动完成水位恢复的功效.水箱液位是由传感器检测水位变更并达到设定值时,水箱本身的阀门封闭,防止溢出,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标.症结词：有自均衡才能.无自均衡才能.电念头.单容对象.体系稳固引言液位主动控制是经由过程控制投料阀来控制液位的高下,当传感器检测到液位设定值时,阀门封闭,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标.在制浆造纸工场罕有有两种方法的液位控制：常压容器和压力容器的液位控制,例如浆池和蒸汽闪蒸罐.液位主动控制体系由液位变送器（或差压变送器）.电动履行机构和液位主动控制器构成.依据用户须要也可采取控制泵启停或转变电机频率方法来进行液位控制.构造简略,装配便利,操纵轻便直不雅,可以长期持续稳固在无人监控状况下运行.1 设计义务目标及请求1.1 设计目标经由过程课程设计,对主动控制道理的根本内容有进一步的懂得,特殊是水箱液位体系的设计.能把本学期学到的主动控制理论常识进行实践,操纵.在进步着手才能的同时对经常应用的开闭环控制有必定的懂得,在体系设计方面有感性的熟悉.并且在进行体系设计的时刻碰到问题,经由过程自力的思虑有利于进步解决问题的才能.在经由课程设计后,更明确主动控制道理设计的一般办法,以及在碰到艰苦怎么清除问题.1.2 设计请求我选择的课程义务是设计一个水箱液位主动控制体系. 设计请求包含：1有自均衡才能的单元原件以及无自均衡才能的单元原件;2控制器具有正反感化;3体系具有自校订体系.2体系元件的选择有自均衡才能的单容元件假如被控对象在扰动感化下偏离了本来的均衡状况,在没有外部干涉的情形下（指没有主动控制某人工控制介入）,被控变量依附被控对象内部的反馈机理,能自蓬勃到新的均衡状况,我们称这类对象是有自均衡才能的被控对象.具有自均衡才能的单容对象的传递函数为这是个一阶惯性环节.描写这类对象的参数是时光常数T和放大系数K.图1单容水箱图1是单容水箱的示意图.我们已经推导过水箱的传递函数为个中T=RC,T称为水箱的时光常数.K称为水箱的放大系数.一阶体系的特点我们已经在时域剖析中进行了具体的评论辩论,所有结论都实用于单容对象.作为进程控制的被控对象,单容对象的时光常数比较大.2.2 无自均衡才能的单容元件图2单容积分水箱图2也是一个单容水箱.不合的是水箱的出口侧装配了一台水泵,如许一来,水箱的流出水量就与水位无关,而是保持不变,即流出量的变更量.在静态下,流入水箱的流量与水泵的排水量雷同都为Q,水箱的水位H保持不变.在流入量有一个增量时,静态均衡被损坏,但流出量其实不变更,水箱的水位变更纪律为式中C为水箱的横截面积.对上式两头求取拉普拉斯变换,可得水箱的传递函数：这是一个积分环节.它的单位阶跃响应为图3两种水箱变更的比较（a）单容积分水箱（b）有自均衡才能的单容水箱图3（a）是水位变更的曲线.为了比较,我们把具有惯性环节特点的水箱在单位阶跃输入下的水位响应曲线也画出来,如图3（b）所示.很明显,具有惯性环节特点的单容水箱,在输入感化下,水位经由一个动态进程后,可以从新达到一个新的稳固状况.而具有积分环节的水箱在受到同样的扰动之后,水位则无穷地上升,永久不会达到一个新的稳固状况.我们称这种水箱为单容水箱.具有积分环节特点的单容对象的传递函数可以暗示为式中称为飞升速度.其单位阶跃响应为这是一条直线方程,如图3（a）所示.是直线的斜率.当被控对象本来的均衡状况被扰动感化损坏后,假如不依附主动控制某人工控制的外来感化,被控变量将一向变更下去,不成能达到新的均衡状况.我们称这类对象为无自均衡才能的对象.被控对象有无自均衡才能,是被控对象本身固有的特点.图4给出了两类水箱的方框图.图4（a）是有自均衡才能的单容水箱,从方框图中可以看出,水箱的水位既与流入量有关,也受流出量的制约,在被控对象内部形成了一个负反馈机制.当流入量增大时,将引起水位的上升.水位上升的成果,流出量就会增长.流出量的增大又限制了水位的进一步上升.经由一个动态进程后,总能从新找到一个均衡点,使流入量与流出量相等,水位不再变更.图4（b）是无自均衡才能的单容水箱,在其内部不消失负反馈机制,水位只与流量有关.具有自均衡才能的被控对象,本身对扰动有必定的战胜才能,控制机能较好.而无自均衡才能的被控对象,其传递函数的顶点位于虚轴上,是不稳固的.被控变量若要按请求的纪律变更,必须完整依附于对象外部的控制体系.图4 两种类型的单容水箱（a）有自均衡才能（b）无自均衡才能容量系数可界说为C=被控对象储存的物资或能量的变更量/输出的变更量.容量系数对不合的被控对象有不合的物理意义,如水箱的横截面积,电容器的电容量.热力体系得热容量等.在我们推导体系或环节的传递函数时,经常碰到T 称为体系或环节的时光常数,它是体系或环节惯性大小的量度.式中的R称为阻力系数.如电路的电阻,流体流淌的液阻,传热进程的热阻等.被控对象的容量系数,暗示了被控对象抵抗扰动的才能,如水箱的横截面积大,同样流入量下,水位上升得就慢.电路的电容量大,在同样充电电流下,电压上升得就慢.惯性环节的惯性,其根起源基本因就是因为它具有存贮才能.但这其实不是决议惯性大小的独一身分.还有另一个身分就是阻力系数.阻力系数是对流入存贮元件净流入量的制约.在R-C充电电路里,它限制了流入电容器的电流,在单容水箱中,它限制了水箱的净进水量.惯性环节因为其具备了自均衡才能,在其动态参数上,用时光常数来暗示,而单容积分环节则不消失阻力系数,只用容量系数就可以表征其特点.描写有自均衡才能单容被控对象的参数有两个：放大系数K和时光常数T,称为被控对象的特点参数.放大系数K暗示输入旌旗灯号经由过程被控对象后稳态输出是输入的K倍.对于同样的输入旌旗灯号,放大系数大,对应的输出旌旗灯号就大.K暗示了被控对象的稳态放大才能,是被控对象的稳态参数.T是描写被控对象惯性大小的参数,时光常数T越大,被控对象在输入感化下的输出变更得越慢.T是单容被控对象的动态参数.无自均衡才能的被控对象在输入感化下不会达到新的稳固状况,描写其机能的参数只有一个动态参数：飞升速度.3控制器参数的整定3.1 参数的肯定控制器参数的整定,对PID控制纪律来说,就是适当选择比例度（或比例放大系数）.积分时光常数和微分时光常数的值.控制器参数整定的办法有两类,一类是理论盘算法,一类是工程整定法.已知被控对象较精确的数学模子,可以应用理论盘算法.用传统的时域法.频率法.根轨迹法都可以进行整定,应用盘算机进行参数整定和优化的办法也很多.往往因为数学模子的原因,理论盘算得到的数据精度不高,但它却可认为工程整定法供给指点.工程整定法易于控制,是比较实用的办法.经常应用的工程整定法有稳固鸿沟法.衰减曲线法.响应曲线法等.稳固鸿沟法又称为临界比例度法.具体进程是,先将控制器变成比例控制器,逐渐减小比例带,直到消失等幅振荡.这是的比例度称为临界比例度,记为.记下两个波峰相距的时光（临界振荡周期）,依据和,按表一进行盘算.表一稳固鸿沟法盘算公式表（衰减率）控制纪律比例度（%）积分时光(min) 微分时光(min)衰减曲线法.衰减曲线法是使体系产生衰减振荡,依据衰减振荡参数来肯定控制器参数.工程上认为,衰减率(衰减比为4：1）时,体系的动态进程较合适.是以,一般都采取4：1衰减曲线来进行整定.具体进程是：先将控制器变成比例控制器,比例度取较大的值,给定值为阶跃函数,不雅察曲线的衰减情形.然后逐渐减小比例度,直到衰减比为 4：1,此时的比例度为,衰减周期为,如图5所示图5 4:1衰减曲线依据和,按表二进行盘算.表二衰减曲线法盘算表控制纪律比例度（%）积分时光(min) 微分时光(min)响应曲线法与以上两种办法不合.以上两种办法都是在闭环体系下进行的,而响应曲线轨则要测出体系的开环阶跃响应.把控制体系从控制器输出点断开.在调节阀上加一个阶跃输入,测量变送器的输出作为响应曲线.响应曲线一般的情势如图6所示.依据响应曲线可近似求出如下传递函数图6 体系的开环阶跃响应依据求出的K,T 和值 ,按表三盘算.表三响应曲线盘算表（衰减率）被控对象控制纪律3.2 电念头的数学模子直流电念头的数学模子.直流电念头可以在较宽的速度规模和负载规模内得到持续和精确地控制,是以在控制工程中应用异常广泛.直流电念头产生的力矩与磁通和电枢电流成正比,经由过程转变电枢电流或转变激磁电流都可以对电流电机的力矩和转速进行控制.在这种控制方法中,激磁电流恒定,控制电压加在电枢上,这是一种广泛采取的控制方法.设为输入的控制电压电枢电流为电机产生的主动力矩为电机轴的角速度为电机的电感为电枢导数的电阻为电枢迁移转变中产生的反电势为电机和负载的迁移转变惯量依据电路的克希霍夫定理整顿后式中：称为直流电念头的电气时光常数; 称为直流电念头的机电时光常数; ,为比例系数.直流电念头电枢绕组的电感比较小,一般情形下可以疏忽不计,可简化为3.3 控制体系的数学模子图7 进程控制体系构造图传递函数为控制器参数的肯定测的该控制体系开环阶跃响应的参数后得到的近似传递函数为3.4 PID控制器的参数盘算minmin4 控制体系的校订在工业临盆进程中,被控对象的特点其实不是不变的.当被控对象特点产生变更后,原定整定的 PID控制参数就不是最适合的参数了,必须从新整定.这将给持续化的临盆带来晦气的影响.有一种控制体系,能依据被控对象特点的变更或其他前提的变更,主动调剂控制体系的控制纪律和控制器的控制参数,使控制体系始终处于最佳状况,我们称这种控制体系为自顺应控制体系.能对控制器参数进行主动整定的自顺应控制体系成为自校订体系或自整定体系.图8 自校订体系的工作道理图8是自校整体系的工作道理图.自校订体系与一般控制体系比拟,增长了两种功效：一是依据控制器输出和被控对象输出剖析对象的特点,即对对象进行辨认;二是依据辨认成果盘算并转变控制器参数,称为决议计划.例如假定被控对象的模子为:对象辨认环节就会依据测量的值对K,T和进行估量.决议计划环节则依据求出的对象参数按划定的整定例则盘算出控制器参数并对控制器参数进行修正.4.1 控制器的正反感化控制体系要能正常工作,必须有一个负反馈控制体系.为了包管这一点,必须精确选择各环节的正反感化.控制器的正反感化是依据被控变量的测量值和控制器输出之间的关系肯定的.被控变量测量值增长时,控制器的输出也增长,则控制器为正感化控制器,并划定其稳态放大系数为负.被控对象的测量值增长时,控制器的输出值减小,则控制器为反感化控制器,并划定器稳态放大系数为正.被控对象的输出与调节阀内的介质流量变更决议了被控对象的正反感化.介质流量增长,被控对象的输出也增长,则被控对象为正感化,划定其放大系数为正.介质流量增长时,被控对象输出减小,则被控对象为反感化,划定其放大系数为负.履行器气开式为正感化,气关式为反感化,并划定正感化调节阀的放大系数为正,反感化的为负.变送器的感化一般都是正感化,其放大系数为正.要包管体系是负反馈体系,构成体系的各环节的正反感化的乘积必须为正.这可用各环节的放大系数来暗示.即为正.这里相乘只取正符号盘算,不必盘算放大系数的具体数值.选择控制器的正反感化的步调是先依据工艺及安然请求肯定调节阀正反感化,被控对象的正反感化是固有的特点,测量变送器一般是正感化,所以往往可以清除在外,最后再选择控制器的正反感化,使的乘积为正.4.2 串级控制体系串级控制体系是在单回路控制体系的基本上成长起来的,对改良控制体系的控成品德异常有用,在进程控制中应用相当广泛,是一种典范的庞杂控制体系.图9夹套反响器的温度控制我们经由过程一个实例来解释串级控制道理.图九是夹套式反响釜温度控制的例子.反响釜中的放热化学反响所产生的热量必须被传输出去,以包管化学反响的温度前提.冷却水经由过程夹套把反应热带走.图9（a）是一个单回路控制体系.TT暗示温度测量变送器,TC暗示温度控制器.这个控制体系的构造图见图10.影响反响釜反响温度的身分来自反响物料和冷却水两个方面,用暗示物料方面的扰动,用暗示冷却水方面的扰动.因为这两个扰动的感化点不合,对反响釜温度的影响也不一样.若冷却水产生扰动,如冷却水进口水温度忽然升高或冷却水流量忽然减小,这个扰动经由夹套.反响釜的槽壁.反响釜（反响槽）才干对产生影响,因为被控对象热容量大,热传递进程的惯性很大.在产生变更后,控制器才干开大冷却水进水调节阀,加大流量,但影响到又要经由一个热传递进程.这将使反响釜的温度产生较大的误差.可见单回路体系不克不及知足控制的请求.因为冷却水方面的扰动会很快影响到夹套温度,假如把单回路控制体系改变成图9（b）的情势,即增长一个夹套温度控制体系,当冷却水扰动产生时,这个控制回路会立刻产生控制造用,稳固因为这个控制回路惯性小,反响快,很快会被稳固下来,根本上不受扰动的影响,控制质量就大大得到改良.图11是这个体系的构造图.图10 夹套反应器单回路温度控制体系图11夹套反响器串级温度控制体系图12 被控对象若被控对象可以分为两部分,称为进程Ⅰ,进程Ⅱ,如图12 所示.进程Ⅱ的输出是进程Ⅰ的输入,会对被控变量产生重大影响.一般情形下,进程Ⅱ的惯性较小,进程Ⅰ的惯性较大.对于这种情形,采取单回路控制计划,对产生在进程Ⅱ上的扰动,控制后果很差,采取串级控制方法,则能收到较为知足的控制后果.图13 串级控制体系的道理图串级控制体系的构造图见图13.串级控制系总共有2个控制回路.内部的反馈回路称为副回路.副回路包含副控制器(副调节器),调节阀,副对象(即进程Ⅱ)和副变送器.产生在副回路内的扰动称为二次扰动.外部的控制回路称为主回路.主回路包含主控制器(主调节器),全部副回路,主对象(进程Ⅰ )和变送器.产生在主对象上的扰动称为一次扰动.假如把全部副回路当成一个等效环节,它串联在主回路的前向通道上.这就是串级控制名称的由来.串级控制在构造上有两个特色:一个特色是串级控制固然有两个控制器,两个变送器和两个测量参数,但仍然是一个单输入单输出体系,体系只有一个需工资设定的给定值,只有一个控制变量(即副控制器输出),只有一个履行机构,因而也只能有一个被控变量,这一点和单回路控制体系极其类似;串级控制的另一个构造的特色是主控制器和副控制器串联在回路中.主控制器的输出是副控制器的给定值.主控制器接收设定的给定值,所以全部串级控制体系是一个定值调节体系.副控制器的给定值是主控制器的输出,因为这个输出要跟着扰动而变更,所以副回路是一个随动体系.进程控制中还会经常碰到具有两个回路的控制体系,只要不相符以上两个特点,就不是串级控制体系.14是某个串级控制体系的构造图,图中标清楚明了各环节的传递函数.为了比较控制后果,图15给出了统一被控对象的单回路控制构造图.图14 串级控制体系当二次扰动进入副回路后,二次扰动至控制体系输出(称为主参数)的传递函数为而单回路体系, 至主参数的传递函数为:图15 单回路控制体系比较两式,串级体系的传递函数分母比单回路体系大的多.这解释,串级控制体系使二次扰动对主参数的增益明显减小,与单回路比拟,二次扰动的影响可以减小10-100倍.从感化道理上看,二次扰动起首影响副对象的输出（称为副参数）,副控制器立刻产生控制造用,因为副对象（或副进程）惯性较小,所以扰动的影响很快得到战胜,不会对被控变量产生大的影响.串级控制的副回路对进入副回路的干扰有很强的战胜才能.这是串级控制的一个明显的特色.在设计串级控制体系时,必定要把被控对象的重要扰动包含在副回路内.这是设计串级控制体系的根起源基本则.对于一次扰动,是不经由副回路的.但副回路的消失却可以使副回路的等效传递函数的惯性大大减小,改良了体系的动态特点,加速了体系的响应速度.这是串级控制的另一个明显特色.在串级控制中,副回路主如果为了克制二次扰动,其实不要将二次扰动完整清除,所以精度请求其实不高,副控制器选比例控制就可以了.主回路的义务是包管体系输出与给定值一致,控制精度请求高,所以主控制器应选择比例积分（PI）或(PID)控制器.副回路起“粗调”感化,请求响应快,主回路起“细调”感化,请求精度高.这是选用主副控制器的原则.串级控制体系主副控制器参数定有多种办法.当主副对象惯性相差不大,主副回路互相影响时,可采取慢慢逼近法.即先断开主回路整定副控制器参数,然后再整定主回路参数,接着再次在闭环下整定副回路参数.先副后主,慢慢逼近,直到控制机能指标知足.二步整定法实用于主副对象时光常数相差较大的情形.在体系闭应时先整定副回路,然后把副回路当成一个环节,整定主回路.这种办法应用较广.如今,临盆进程的新技巧.新工艺以及新型的临盆装备都对主动控制提出了更高的请求.在新的控制理论指点下的很多高等.先辈的控制方法正在慢慢获得应用.例如最优控制体系,自顺应控制体系,猜测控制体系,智能控制体系等.5 体系的稳固性剖析5.1 体系的稳固性剖析已知体系的特点方程为用劳斯判据剖析体系的稳固性如下1 12106 1522显然,劳斯表第一列系数符号雷同,故体系是稳固的.5.2 控制体系的稳态误差开环传递函数暗示为式中K暗示体系的开环放大系数.N暗示开环传递函数所包含的积分环节数.在剖析控制体系的稳态误差时,我们依据体系开环传递函数所含的积分环节数来对体系进行分类.若N=0,即控制体系开环传递函数不含积分环节,称为0型体系.若N=I,则称为I型体系.N= Ⅱ,称为Ⅱ型体系.如今,我们来评论辩论不合类型的控制体系在典范输入旌旗灯号感化下的稳态误差. 单位斜坡函数输入的稳态误差.单位斜坡函数输入下控制体系的稳态误差为界说则体系的稳态误差为式中,称为速度误差系数.对于0型体系=0稳态误差为稳态误差为式中K为体系的开环放大系数.对于Ⅱ型体系稳态误差为在单位斜坡函数输入下,0型体系的稳态误差为无穷大.这解释0型体系不克不及跟踪斜坡函数.I型体系固然可以跟踪单位斜坡输入函数,但消失稳态误差,即I型体系对斜坡输入是有差的.若要在单位斜坡函数感化下达到无稳态误差的控制精度,体系开环传递函数必须含有二个以上的积分环节.经由过程对该体系的断定得知该体系是稳固的体系.设计对体系的各类情形进行了剖析,对主动控制理论有了深入的懂得.停止语此次设计重点从PID对体系进行了校订与控制,对体系的稳固性也进行了剖析,对体系所须要的部分元件也进行了须要的剖析,并对部分部件树立了数学模子设计消失缺少之处是对电源的要乞降电念头的请求高.此次设计对体系的时域剖析与频域剖析部分略了些,因为在设计处对此已经进行了深入的研讨和谈讨.设计同时参考了一些课外原料引入了一些新的名词,不过在文章中都有所介绍.设计填补了在进修上的一些缺少,丰硕了一些新的思绪在设计之中.此次课程设计充分的把我所学的常识用到实践中,并且使我初步控制了主动控制体系设计的根本办法.我们要先设计总体框架,然后把框架进行分化.剖析.我们只有把每个小模块都设计好了才干设计成大电路.在搭接电路时更应当如斯,我们搭完每个小模块时就要开端对它进行调试,调试成功今后再把模块一个一个衔接起来并且每接入一个模块就要进行调试.所以调试是一个很艰苦的阶段,我们必须做到仔细.耐烦.恒心;不然电路很难会成功.经由过程几周的课程设计,使我对主动控制体系有了进一步的懂得经由过程翻阅材料,上彀搜刮等,我对道理有了更深一层次的熟悉,既加强了我的懂得才能,也使我能更好的应用所学的常识.在此我要感谢先生的谆谆教诲和同窗们的帮忙,我信任这几天的不懈尽力会给我将来的进修带来很多的启示,我会在今后的工作生涯中更好的理论接洽现实,证实本身的才能.。

水箱液位控制系统设计设计一、系统概述水箱液位控制系统是一个智能化的系统，用于控制水箱液位并保持在设定的范围内。

该系统由传感器、控制器和执行器组成，通过传感器检测水箱液位，并将液位信号传输给控制器，控制器根据设定的参数进行判断和控制，最终通过执行器完成控制动作。

二、系统组成1.传感器：使用浮球传感器或超声波传感器来检测水箱液位。

传感器将液位转化为电信号，并传输给控制器。

2.控制器：控制器是系统的核心部分，它接收传感器的信号，并进行处理和判断。

控制器可以根据设定的参数来判断液位是否达到目标范围，并通过输出信号来控制执行器的动作。

此外，控制器还需要具备人机界面，方便用户进行参数设置和监测。

3.执行器：执行器根据控制器的控制信号，完成相应的动作。

例如，当液位过高时，执行器可以控制水泵关闭或排水阀打开，以降低液位；当液位过低时，执行器可以控制水泵开启或进水阀打开，以提高液位。

4.电源：为整个系统提供电能。

三、系统设计思路1.确定液位控制的范围：根据实际需求，确定水箱液位的上限和下限。

一般情况下，液位控制范围应在50%至85%之间。

2.选择合适的传感器：根据水箱的结构和液位控制要求，选择合适的传感器。

浮球传感器适用于小型水箱，超声波传感器适用于大型水箱。

3.设计控制器：控制器的主要功能是接收传感器的信号、处理和判断液位，并输出控制信号。

在设计控制器时，需要考虑如下几个方面：-信号处理：传感器的信号可能存在噪声，需要进行滤波处理，保证信号的准确性。

-参数设置：控制器应提供人机界面，方便用户根据实际需求设置参数，例如液位上下限、启停时间等。

-控制算法：根据设定的参数，控制器需要实现相应的控制算法，例如比例控制、积分控制等。

-控制输出：控制器根据判断结果输出控制信号，控制执行器的动作。

4.选用适配的执行器：根据液位控制要求，选择适合的执行器，例如水泵、进水阀、排水阀等。

5.系统集成与调试：将传感器、控制器和执行器进行连接和集成，进行系统调试和性能测试。

第一章水箱液位自动控制系统原理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。

在制浆造纸工厂常见有两种方式的液位控制：常压容器和压力容器的液位控制，例如浆池和蒸汽闪蒸罐。

液位自动控制系统由液位变送器（或差压变送器）、电动执行机构和液位自动控制器构成。

根据用户需要也可采用控制泵启停或改变电机频率方式来进行液位控制。

结构简单，安装方便，操作简便直观，可以长期连续稳定在无人监控状态下运行。

应用范围在制浆造纸过程中涉及的所有池、罐、槽体液位自动控制。

图1.1中，是控制器的传递函数，是执行机构的传递函数，是测量变送器的传递函数，是被控对象的传递函数。

图5.1中，控制器，执行机构、测量变送器都属于自动化仪表，他们都是围绕被控对象工作的。

也就是说，一个过程控制的控制系统，是围绕被控现象而组成的，被控对象是控制系统的主体。

因此，对被控对象的动态特性进行深入了解是过程控制的一个重要任务。

只有深入了解被控对象的动态特性，了解他的内在规律，了解被控辩量在各种扰动下变化的情况，才能根据生产工艺的要求，为控制系统制定一个合理的动态性能指标，为控制系统的设计提供一个标准。

性能指标顶的偏低，可能会对产品的质量、产量造成影响。

性能指标顶的过高，可能会成不必要的投资和运行费用，甚至会影响到设备的寿命。

性能指标确定后，设计出合理的控制方案，也离不开对被控动态特性的了解。

不顾被控对象的特点，盲目进行设计，往往会导致设计的失败。

尤其是一些复杂控制方案的设计，不清楚被控对象的特点根本就无法进行设计。

有了正确的控制方案，控制系统中控制器，测量变送器、执行器等仪表的选择，必须已被控对象的特性为依据。

在控制系统组成后，合适的控制参数的确定及控制系统的调整，也完全依赖与对被控对象动态特性的了解。

由此可见，在控制工程中，了解被控制的对象是必须首先做好的一项工作。

单容水箱液位控制系统设计一、引言单容水箱液位控制系统是一种常见的工业自动化控制系统。

它主要用于监测和控制水箱的液位，确保水箱中的液位保持在特定的范围内。

本文将介绍单容水箱液位控制系统的设计原理、硬件电路设计、软件设计以及系统测试和实施。

二、设计原理1.传感器模块传感器模块用于监测水箱中的液位。

一种常用的传感器是浮球传感器，它随着液位的变化而移动，从而输出不同的电信号。

传感器模块将传感器输出的信号转换为数字信号，并传送给控制器模块进行处理。

2.控制器模块控制器模块是整个系统的核心，它接收传感器模块传来的信号，并根据预设的液位范围进行判断和控制。

控制器模块通常使用单片机或者嵌入式系统来实现。

它可以通过开关控制执行器模块的工作状态，以调节水箱的液位。

3.执行器模块执行器模块用于控制水箱的进水和排水。

在液位过低时，执行器模块打开水泵，使水箱进水；在液位过高时，执行器模块关闭水泵，使水箱排水。

执行器模块可以采用继电器、驱动电机等元件来实现。

三、硬件电路设计1.传感器模块传感器模块将传感器的信号转换为数字信号。

可以使用模拟到数字转换器（ADC）将传感器输出的模拟电压转换为数字信号，然后通过串口等方式传送给控制器模块。

2.控制器模块控制器模块可以使用单片机或者嵌入式系统来实现。

它需要包括输入接口、控制逻辑和输出接口。

输入接口负责接收传感器模块传来的信号，控制逻辑通过判断液位范围来控制执行器模块的工作状态，输出接口负责向执行器模块发送控制信号。

3.执行器模块执行器模块根据控制器模块的信号控制水箱的进水和排水。

可以使用继电器或驱动电机等元件来实现。

进水时，可以通过开启水泵或开启电磁阀等方式；排水时，可以通过关闭水泵或关闭电磁阀等方式。

四、软件设计软件设计主要包括控制器模块的程序设计。

程序需要实时监测传感器模块的信号，并根据预设的液位范围进行判断和控制。

可以使用状态机或者PID控制算法来实现。

1.状态机状态机通过定义不同的状态和状态转移条件来实现控制逻辑。