过程控制——三容水箱液位控制

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ABSTRACTThe 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.目录中文摘要 (I)英文摘要 (II)1 绪论 (1)1.1 PLC的产生、定义及现状 (1)1.1.1PLC的产生、定义 (1)1.1.2PLC的发展现状 (1)1.2过程控制的发展 (2)1.3本文研究的目的、主要内容 (3)1.3.1本文研究的目的、意义 (3)1.3.2本文研究的主要内容 (3)2 FX2系列PLC和控制对象介绍 (5)2.1 三菱PLC控制系统 (5)2.1.1 CPU模块 (5)2.1.2 I/O模块 (6)2.1.3电源模块 (6)2.2 过程建模 (6)2.2.1 一阶单容上水箱对象特性 (6)2.2.2 二阶双容下水箱对象特性 (11)3 PID调节及串级控制系统 (15)3.1 PID调节的各个环节及其调节过程 (15)3.1.1比例控制及其调节过程 (16)3.1.2比例积分调节 (16)3.1.3比例积分微分调节 (17)3.2 串级控制 (18)3.2.1串级控制系统的结构 (18)3.2.2串级控制系统的特点 (19)3.2.3串级控制系统的设计 (19)3.3 扩充临界比例度法 (21)3.4 三菱FX2系列PLC中PID指令的使用 (22)3.5在PLC中的PID控制的编程 (23)3.5.1回路的输入输出变量的转换和标准化 (23)3.6变量的范围 (25)4 控制方案设计 (27)4.1 系统设计 (27)4.1.1上水箱液位的自动调节 (27)4.1.2上水箱下水箱液位串级控制系统 (29)4.2 硬件设计 (29)4.2.1检测单元 (29)4.2.3控制单元 (30)4.3软件设计 (31)5 运行 (32)5.1 上水箱液位比例调节 (32)5.2 上水箱液位比例积分调节 (32)5.3 上水箱液位比例积分微分调节 (32)致谢 (35)参考文献 (36)1 绪论1.1 PLC的产生、定义及现状1.1.1PLC的产生、定义一、可编程控制器的产生20世纪60年代，在世界技术改造的冲击下，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器。

中南大学《过程控制仪表》课程设计报告设计题目液位控制系统设计指导老师王莉吴同茂设计者龚晓辉专业班级自动化09级05班02号设计日期2012年5月目录第一章过程控制仪表设计的目的意义 (1)1.1 设计目的 (1)1.2课程在教学计划中的地位和作用 (2)第二章液位控制系统实验控制设计与调试 (3)2.1 液位控制系统的工艺及控制要求 (3)2.2 液位系统控制实验方案设计 (5)2.3 系统调试与控制效果 (7)第三章火力发电气泡水位控制系统设计 (8)3.1 火力发电厂生产工艺及控制要求 (8)3.2 系统总体方案设计 (9)3.3 系统硬件设计 (11)3.4 系统软件设计 (14)第四章收获、体会和建议 (16)参考文献第一章过程控制仪表设计的目的意义1.1 设计目的本课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用。

其目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。

其主要是设计工业生产过程经常遇到的压力、流量、液位及温度控制系统，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。

1.2课程在教学计划中的地位和作用课程设计对过程控制课程有重要的实践意义，可以加深学生对所学知识的理解与运用。

主要的内容是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。

基本要求如下:1. 掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号；2. 掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号；3. 掌握PID调节器的功能原理，完成相应的压力、流量、液位及温度控制系统的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。

230 05年三、计算题（共30分）1、（6分）某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。

试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和回复时间（给定值200℃）。

解 最大偏差：A=230-200=30℃ 余差C=205-200=5℃由图上可以看出，第一个波峰值B=230-205=25，第二个波峰值B ’=230-205=5，故衰减比应为B ∶B ’=25∶5=5∶1。

振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T=20-5=15（min ）过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的±2%，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200×（±2%）=±4℃，这时，可在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±4℃画一区域，图9-6中以画有阴影线区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。

因此，从图上可以看出，过渡时间为22min 。

2、（6分）某一燃烧煤气的加热炉，采用DDZ －III 型仪表组成温度单回路控制系统，温度测量范围0～1000℃，由温度变送器转换为4～20mADC 输出。

记录仪刻度范围0～1000℃。

当炉温稳定在800℃时，控制器输出为12mA 。

此时手动改变设定值，突然使控制器输出变为16mA ，温度记录从800℃逐渐上升并稳定在860℃。

从响应曲线上测得τ＝3min ，T P ＝8min 。

如果采用P ，PI ，PID 控制器，采用响应曲线法求解各整定参数值。

条件1：条件2：响应曲线法整定参数[解] 对照图12-12响应曲线，结合本控制系统求出：Δm ＝16－12＝4mA ，m max －m min ＝20－4＝16mAΔx ＝x (∞)－x (0)＝860－800＝60℃， x max －x min ＝1000－0＝1000℃ 代入式（12-2）得由表12-9中PID 控制器参数计算式，算得：P(﹪)=837.47%8324.083=⨯=τP P T K T I ＝2τ＝2×3＝6min T D ＝0.5τ＝0.5×3＝1.5min3、（9分）下图为水箱液位控制对象，其液体流入量为Q 1，改变调节阀1的开度μ1，可以改变Q 1的大小。

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水箱水位自动控制系统
摘要

组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工
业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适
应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这
样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下
连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且
在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面
问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用
组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，
有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功
能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警
窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱
动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。介绍了基于组态王的仪表液位控
制系统组成。叙述了组态王监控界面设计和组态王与实际现场的模拟。单容水箱
液位的控制作为过程控制的一种， 其基本思想是采用多层递阶结构，直觉推理
和多动态控制策略等行为和功能。
问题描述：是本液位控制系统的界面图示和运行示意图。根据设计要求和结合实
际情况，适当的加以修改，使设计更优化，更便于人为控制。
用组态王软件合理地设计出属于自己思路的液位控制系统。
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参考文献：组态王——————————————————百度文库；

实验时间：5月25号序号：杭州电子科技大学自动化学院实验报告课程名称：自动化仪表与过程控制实验名称：一阶单容上水箱对象特性测试实验实验名称：上水箱液位PID整定实验实验名称：上水箱下水箱液位串级控制实验指导教师：尚群立学生姓名：俞超栋学生学号：09061821实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验一．实验目的（1）熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

（2）根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。

二．实验设备AE2000型过程控制实验装置， PC 机，DCS 控制系统与监控软件。

三、系统结构框图单容水箱如图1-1所示：丹麦泵电动调节阀V1DCS控制系统手动输出hV2Q1Q2图1-1、 单容水箱系统结构图四、实验原理阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。

然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。

图解法是确定模型参数的一种实用方法。

不同的模型结构，有不同的图解方法。

单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。

如图1-1所示，设水箱的进水量为Q 1，出水量为Q 2，水箱的液面高度为h ，出水阀V 2固定于某一开度值。

根据物料动态平衡的关系，求得：在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：h1( t ) h1(∞ ) 0.63h1(∞)0 T式中，T 为水箱的时间常数（注意：阀V 2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R 2*C ，K=R 2为单容对象的放大倍数，R 1、R 2分别为V 1、V 2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。

令输入流量Q 1 的阶跃变化量为R 0，其拉氏变换式为Q 1（S ）=R O /S ，R O 为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为：当t=T 时，则有：h(T)=KR 0(1-e -1)=0.632KR 0=0.632h(∞) 即 h(t)=KR 0(1-e-t/T)当t —>∞时，h （∞）=KR 0，因而有 K=h （∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入式（1-2）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1-2所示。

双容水箱液位串级PID控制实验一、实验目的1、进一步熟悉PID调节规律2、学习串级PID控制系统的组成和原理3、学习串级PID控制系统投运和参数整定二、实验设备1、四水箱实验系统DDC实验软件2、PC机（Window 2000 Professional 操作系统）三、实验原理1、控制系统的组成及原理一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器称为“串级”控制器。

两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给被控对象，这样组成的系统称为串级控制系统。

本仿真系统的双容水箱串级控制系统如下图所示：图17－1 本仿真系统的双容水箱串级控制系统框图串级控制器术语说明主变量：y1称主变量。

使它保持平稳使控制的主要目的副变量：y2称副变量。

它是被控制过程中引出的中间变量副对象：上水箱主对象：下水箱主控制器：PID控制器1，它接受的是主变量的偏差e1，其输出是去改变副控制器的设定值副控制器：PID控制器2，它接受的是副变量的偏差e2，其输出去控制阀门副回路：处于串级控制系统内部的，由PID控制器2和上水箱组成的回路主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出r2为输入，以副变量y2为输出的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，即主回路。

串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。

但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。

串级控制系统的主要优点有：1）副回路的干扰抑制作用发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正2）主回路响应速度的改善副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的相应速度3）鲁棒性的增强串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性4）副回路控制的作用副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制由此可见，串级控制是改善调节过程极为有效的方法，因此得到了广泛的应用。

单容水箱液位过程控制实验报告一、实验目的1、了解单容水箱液位控制系统的结构与组成。

2、掌握单容水箱液位控制系统调节器参数的整定方法。

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PID调节器对液位、水压控制的作用。

二、单容水箱系统模型图12.1液位控制的实现本实验采用计算机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A/D转换，变成数字信号后，被输入计算机中，最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值经过D/A模块转换成模拟信号，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。

2.2 被控对象本实验是单容水箱的液位控制。

被控对象为图1中的上水箱，控制量为流入水箱的流量，执行机构为调节阀。

由图1所示可以知道，单容水箱的流量特性：水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。

这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。

所以，若阀开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。

由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。

三、电动调节阀流量特性物理模型电动调节阀包括执行机构和阀两个部分，它是过程控制系统中的一个重要环节。

电动调节阀接受调节器输出4～20mADC的信号，并将其转换为相应输出轴的角位移，以改变阀节流面积S的大小。

图2为电动调节阀与管道的连接图。

图2图中：u----来自调节器的控制信号（4～20mADC）θ----阀的相对开度s----阀的截流面积q----液体的流量由过程控制仪表的原理可知，阀的开度θ与控制信号的静态关系是线性的，而开度θ与流量Q的关系是非线性的。

四、单容水箱系统PID控制规律及整定方法数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在液位控制系统中也有着极其重要的控制作用。

本章主要介绍PID控制的基本原理，液位控制系统中用到的数字PID控制算法及其具体应用。

水位自动控制系统１水位自动控制系统１．１系统的组成图1-1 为一个水位控制系统的示意图。

由图可见，系统的控制对象是水箱。

被控制量（或输出量）是水位高度H （而不是H 与Q1 或Q2 ）。

使水位H 发生改变的外界因素是用。

使水位能保持恒定的可控因素是给水量Q2 ，因此，Q2 为负载扰动量（它是主要扰动量）水量Q1 ，因此Q1 为主要作用量（理清H 与Q1 或Q2 间的关系，是分析本系统的组成的关键）图 1 一 1 水位控制系统示意图控制Q1 的是由电动机驱动的控制阀门V1 ，因此，电动机一变速箱一控制阀便构成执行元件。

电压U A 由给定电位器RPA 给定（电位器RPA 为给定元件）。

U B 由电位器RPB 给出，U B 的大小取决于浮球的位置，而浮球的位置取决于水位H 。

因此，由浮球一杠杆一电位器RPB 就构成水位的检测和反馈环节。

U A 为给定量，U B 为反馈量，U B 与U A 极性相反，所以为2水位自动控制系统负反馈。

U A 与U B 的差值即为偏差电压U (U = U A U B ) ，此电压经控制器与放大器放大后即为伺服电动机电枢的控制电压U B 。

根据以上的分析，便可画出系统的组成框图，如图 1 一2 所示。

图1—2 水位控制系统的组成框图3水位自动控制系统１．２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H 上。

一旦流入水量或流出水量发生变化，水箱液面高度H 便相应变化。

例如，当液面升高时，浮子位置亦相应升高，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，使水箱的流量减少。

此时，水箱液面下降，浮子位置下降，直到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，若水箱液位下降，则系统会自动增大阀门开度，加大流入水量，使液位升到到给定高度H。

目录一、设计任务 (1)二、设计过程 (1)2.1方案描述及需求分析 (1)2.2过程描述 (1)2.3系统结构图 (2)三、器件选型分析 (2)3.1PLC (2)3.2主从站模块 (2)3.3交流接触器 (2)3.4热继电器 (3)3.5塑壳断路器 (3)3.6空气开关 (3)3.7元器件清单 (3)四、电气原理图 (3)4.1主辅电路 (3)4.2 PLC输入输出接口 (4)4.3 DA模块与变频器接口图 (5)4.4 AD模块与传感器接口图 (5)4.5CC-Link总线系统图 (6)五、FX系列CC-Link系统配置 (6)5.1CC-Link系统配置图 (6)5.2主从站模块对应缓冲存储器设置 (7)5.2.1远程输入输出（RX/RY）缓存 (7)5.2.2液位读写（RWw/RWr）缓存 (7)5.2.3 PID读写（RWw/RWr）缓存 (8)5.2.4温度读写（RWw/RWr）缓存 (8)5.2.5变频器实时频率读写（RWw/RWr）缓存 (8)六、软件设计 (8)6.1 I/O地址表 (8)6.2程序流程图 (8)6.3程序 (9)七、变频器参数设置 (13)八、人机截面图 (13)九、安装和调试 (14)十、设计总结 (15)十一、主要参考文献 (15)一、设计任务1.分析控制系统，提交系统设计方案2.PLC、LV、传感器及FX系列CC-Link系统主从站模块选型3.完成主辅控制电路的配线4.完成人机界面的画面制作5.完成FX系列CC-Link系统的配置6.PLC地址分配表制作-Link系统程序流程图-Link系统主从站控制程序设计9.调试二、设计过程2.1方案描述及需求分析过程控制系统由过程控制装置和电气柜组成。

过程控制装置由上下两个水箱、水泵电动机和液位、温度传感器以及加热棒组成。

该过程控制系统主要实现水的液位和温度的控制。

由于工业现场环境一般较恶劣，这就要求现场的设备能够承受较恶劣的环境，因此像以PLC为主的控制器正好满足这些要求。

实验时间：5月25号序号：杭州电子科技大学自动化学院实验报告课程名称：自动化仪表与过程控制实验名称：一阶单容上水箱对象特性测试实验实验名称：上水箱液位PID整定实验实验名称：上水箱下水箱液位串级控制实验指导教师：尚群立学生姓名：俞超栋学生学号：09061821实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验一．实验目的（1）熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

（2）根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。

二．实验设备AE2000型过程控制实验装置， PC 机，DCS 控制系统与监控软件。

三、系统结构框图单容水箱如图1-1所示：丹麦泵电动调节阀V1DCS控制系统手动输出hV2Q1Q2图1-1、 单容水箱系统结构图四、实验原理阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。

然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。

图解法是确定模型参数的一种实用方法。

不同的模型结构，有不同的图解方法。

单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。

如图1-1所示，设水箱的进水量为Q 1，出水量为Q 2，水箱的液面高度为h ，出水阀V 2固定于某一开度值。

根据物料动态平衡的关系，求得：在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：h1( t ) h1(∞ ) 0.63h1(∞)0 T式中，T 为水箱的时间常数（注意：阀V 2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R 2*C ，K=R 2为单容对象的放大倍数，R 1、R 2分别为V 1、V 2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。

令输入流量Q 1 的阶跃变化量为R 0，其拉氏变换式为Q 1（S ）=R O /S ，R O 为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为：当t=T 时，则有：h(T)=KR 0(1-e -1)=0.632KR 0=0.632h(∞) 即 h(t)=KR 0(1-e-t/T)当t —>∞时，h （∞）=KR 0，因而有 K=h （∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入式（1-2）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1-2所示。

液位控制/水位控制的核心在于液位传感器，它决定了液位控制系统的可靠性、稳定性及使用寿命。

液位控制显示仪表做得好坏，可以起到景上添花的作用，可以增加很多功能，但并不是决定液位控制系统寿命的核心。

目前大部分液位传感器在清水中使用寿命最长。

一般一年多，好一点的两年，一般不超过三年，差的仅几个月。

在热水中绝大部分液位传感器不能使用，在污水中液位传感器的使用寿命会大打折扣。

所以，现有的液位自动控制系统使用寿命一般就是一两年，这和现代微电子技术的发展形成鲜明对比。

现代微电子技术如我们的冰箱彩电等使用寿命至少都在七八年以上。

因此我们有必要对现有液位传感器技术，如电极式、光电式、GSK/UQK/GKY、压力传感器、超声波传感器等的原理分析一下，这样我们就知道使用时该注意什么了。

一、电极式液位控制/水位控制原理电极式是最早的液位控制/水位控制方式，其控制原理很简单：因为水是导体，有水的时候两个电极间导电，交流接触器吸合。

图1.1为电极式在水中控制原理示意图。

但是电极在水中会分解而且会吸附很多杂质。

如果不及时清理，电极就会失去作用。

所以电极式液位传感器在清水中使用也只有几个月的寿命，在污水和热水中均不能使用。

电极式液位控制技术，简单便宜，但使用寿命较短。

为了弥补电极式液位控制技术的缺陷，人们想办法将电极和水分离出来，于是出现了干簧管，形成了UQK和GSK两种液位控制技术。

二、UQK液位控制/水位控制原理干簧管将电极触点密封在玻璃管内，接近磁铁，触点就会吸合。

所以人们在浮球里放一块磁铁和上、下两个干簧管，通过导线将浮球固定于水池中，如图2.1。

这就是UQK的液位控制/水位控制方式。

当水池无水的时候，浮球下垂，磁铁在下限干簧管处，故下限干簧管吸合。

当水池有水的时候如图2.2，浮球上翻，磁铁在上限干簧管处，故上限干簧管吸合。

将干簧管触点串接交流接触器，就可以控制水泵启动，见图2.3。

这种方式依靠水的浮力使浮球上下翻转，上限、下限间的距离依据导线的长度来决定。

实验八单容水箱液位定值控制系统一、实验目的1. 理解单容水箱液位定值控制的基本方法及原理；2. 了解压力传感器的使用方法；3. 学习PID控制参数的配置；。

二、实验设备1. THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验台平台2. THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)3. PC机1台(含上位机软件“THBDC-1”)4. THBDY-1单容水箱液位控制系统三、实验原理单容水箱液位定值控制系统的控制对象为一阶单容水箱，主要的实验项目为单容水箱液位定值控制。

其执行机构为微型直流水泵，正常工作电压为24V。

直流微型水泵控制方式主要有调压控制以及PWM控制，在本实验中采用PWM控制直流微型水泵的转速来实现对单容水箱液位的定值控制。

PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理参考实验十三的相关部分。

控制器采用了工业过程控制中所采用的最广泛的控制器——PID 控制器。

通过计算机模拟PID控制规律直接变换得到的数字PID控制器，它是按偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)组合而成的控制规律。

水箱液位定值控制系统一般有由电流传感器构成大电流反馈环。

在高精度液位控制系统中，电流反馈是必不可少的重要环节。

这里为了方便测量与观察反馈信号，通常把电流反馈信号转化为电压信号：反馈端输出端串接一个250Ω的高精度电阻。

本实验电压与液位的关系为：H液位=（V反馈-1）×12.5 单位：mm四、实验步骤1. 调节好单容水箱的出水口阀门的大小，连接实验电路：1.1 将水箱面板上的“LT –”与实验台的“GND”相连接；水箱面板上的“LT +”与实验台的“AD1”相连接。

1.2将水箱面板上的“输入–”与实验台的“GND”相连接；水箱面板上的“输入+”与实验台的“DA1”相连接。

1.3将水箱面板上的“输出–”与“水泵电源–”连接；水箱面板上的“输出+”与“水泵电源+”连接。

2. 启动计算机，在桌面双击图标THTJ-1，运行实验软件。

(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)基于PID的水箱液位控制系统设计班级：姓名：学号：指导教师：撰写日期：目录第一章绪论 (1)第二章系统组态设计 (3)2.1 MCGS组态软件概述 (3)2.2 新建工程 (4)2.3 设备配置 (5)2.4新建画面 (5)2.5 定义数据对象 (9)2.6设备连接 (11)2.7 控制面板的设计 (14)第三章PLC设计 (18)3.1 PLC概述 (18)3.2系统设计PLC程序 (20)第四章课设总结 (23)参考文献 (26)附录 .................................................................................. 错误！未定义书签。

第一章绪论可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC, PLC自1966年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。

”基于PLC的液位控制系统可以很好的满足工业中的液位控制系统的要求，为控制带来便捷与准确，在现在讲求效率的社会里具有重要的实用价值。

在以前的工业中，液位控制的实现方法莫过于人为的去看然后去调，或者通过固定的液位开关，当液位达到一定的高度后液位开关自动闭合或断开来控制液位的。

随着自动化不断地发展，在工业中很多时候需要我们连续的去控制液位，时刻的去观察液位的高度，而且越来越多的时候需要在计算机上进行监测液位和控制液位，这就是本设计的目的。

过程控制及检测装置硬件结构组成认识，控制方案的组成及控制系统连接过程控制是指自动控制系统中被控量为温度、压力、流量、液位等变量在工业生产过程中的自动化控制。

本系统设计本着培养工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人材为出发点。

实验对象采用当今工业现场常用的对象，如水箱、锅炉等。

仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS 工控组态软件。

对象系统还留有扩展连接口，扩展信号接口便于控制系统二次开辟，如PLC 控制、DCS 控制开辟等。

学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能很快地适应环境并进入角色。

同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开辟的平台。

本实验装置由过程控制实验对象、智能仪表控制台及上位机PC 三部份组成。

由上、下二个有机玻璃水箱和不锈钢储水箱串接， 4.5 千瓦电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭外循环不锈钢锅炉夹套构成)，压力容器组成。

用，透明度高，有利于学生直接观察液位的变化和记录结果。

水箱结构新颖，内有三个槽，分别是缓冲槽、工作槽、出水槽，还设有溢流口。

二个水箱可以组成一阶、二阶单回路液位控制实验和双闭环液位定值控制等实验。

锅炉采用不锈钢精致而成，由两层组成：加热层(内胆)和冷却层(夹套)。

做温度定值实验时，可用冷却循环水匡助散热。

加热层和冷却层都有温度传感器检测其温度，可做温度串级控制、前馈－反馈控制、比值控制、解耦控制等实验。

采用不锈钢做成，一大一小两个连通的容器，可以组成一阶、二阶单回路压力控制实验和双闭环串级定值控制等实验。

整个系统管道采用不锈钢管连接而成，彻底避免了管道生锈的可能性。

为了提高实验装置的使用年限，储水箱换水可用箱底的出水阀进行。

检测上、下二个水箱的液位。

其型号：FB0803BAEIR，测量范围：0~1.6KPa，精度：0.5 。

输出信号：4~20mA DC。

LWGY－6A，公称压力：6.3MPa，精度：1.0％，输出信号：4~20mA DC本装置采用了两个铜电阻温度传感器，分别测量锅炉内胆、锅炉夹套的温度。

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。