过程控制与集散系统课程设计—双容水箱
分散控制课程设计 双容水箱 提交
学生姓名：吴娜 指导教师：李大中 2015 年 1 月 21 日
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《分散控制系统与现场总线技术》课程设计任务书
一．课程设计的目的与要求
分散控制系统与现场总线技术是目前国内外工程领域应用非常广泛而有效的计算机控 制技术，作为自动化类本科学生应当具备和掌握与此相关的基础知识、概念和设计方法。本 课程设计是在分散控制系统与现场总线技术课程结束之后进行的一个综合性实践环节， 主要 目的是使学生在课程内容学习的基础上， 运用所学的基础理论知识和设计方法， 针对工程应 用问题能够进行有关计算机监控系统等内容的综合分析设计以及仿真， 通过该教学环节使学 生进一步加深对分散控制系统与现场总线技术的认识和理解， 同时也给学生提供了一个实践 和增加感性认识的机会，为今后从事实际工作打下一定的基础。
∑ PID1
f(x) 设定值 图 3：双容水箱模型串级控制系统原理图 2.3 双容水箱控制逻辑图
设定值
下水箱液位测量值
SP
PV
SP 主 P I D 模板 OUT
PV 上水箱液位测量值 手动
PID1 自动
SP 副 P I D 模板 OUT
PV
OUT1
PID2 手动 自动
控制输出
电动调节阀 双容水箱控制逻辑图 1
1.1 双容控制水箱 SAMA 图Βιβλιοθήκη 1.2 双容控制水箱组态图
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《分散控制系统与现场总线技术》课程设计任务书
1.1 双容控制水箱 SAMA 图
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《分散控制系统与现场总线技术》课程设计任务书
1.2 双容水箱模型组态图
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《分散控制系统与现场总线技术》课程设计任务书
三．双容水箱模型控制系统仿真 1.双容水箱模型对象特性 控制量：水流量 Q； 被控量：下水箱液位； 控制对象特性：
单双容水箱
滨江学院计算机综合控制实验题目A3000过程控制实验院系滨江学院自动控制系专业电气工程与自动化学生姓名* * *学号20090000000指导教师郭伟目录一、PID控制原理二、被控对象的分析三、PID参数整定方法四、单、双容控制结构图五、仿真结果与分析六、结束语七、参考文献摘要本论文的目的是设计单、双容水箱液位串级控制系统。
在设计中充分利用计算机控制技术，自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。
作为一个过程控制实验装置，单、双容水箱液位控制系统具有强大的实验功能，不仅可以实现单入单出一阶对象、二阶对象、和非线性双入双出对象，而且还可以作为一种多功能型实验设备去验证各种工业过程的控制算法。
针对双容水箱大滞后系统，采用PID方法去控制。
首先对PID控制中各参数的作用进行分析，采用根轨迹校正、伯德图校正的方法，对系统进行校正。
最后采用调整系统控制量的模糊PID控制的方法，对该二阶系统进行控制。
关键词 : 单、双容水箱串级控制 PID 控制一、PID控制原理当今的自动控制技术绝大多数部分是基于反馈。
反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。
测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此偏差来纠正和调节控制系统的响应。
反馈理论及其在自动控制的应用的关键是：作出正确的测量与比较后，如何将偏差用于系统的纠正和调节。
在过去的几十年里，PID控制，即比例-积分-微分控制在工业控制中得到了广泛的应用。
虽然各种先进控制方法不断涌现，但PID控制器由于结构简单，在实际应用中较易于整定，且具有不需精确的系统模型等优势，因而在工业过程控制中仍有着非常广泛的应用。
而且许多高级的控制技术也都是以PID控制为基础的。
下面是典型的PID控制系统结构图图1-1其中PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。
（1）比例（P）调节作用是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。
比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。
双容水箱串级控制系统设计
双容水箱串级控制系统设计设计总说明液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题, 例如在饮料、食品加工、溶液过滤，化工生产等多种行业的生产加工过程都需要对液位进行适当的控制。
双容水箱串级控制在工业过程控制中应用非常广泛。
在水箱水位的控制中，液体首先进人第一个水箱，然后通过第二个水箱流出，与一个水箱相比，由于增加了一个水箱，使得被控量的响应在时间上更落后一步，即存在容积延迟，从而导致该过程的难以控制。
本次设计采用串级控制，可以有效调节过程动态性能，大大克服系统的容积延迟。
采用PID控制器对模型进行整定以达到理想的控制效果。
选用PLC作为现场的控制设备,用于数据采集和控制，通过组态软件对整定过程及曲线进行实时监控，直至达到主、副回路的最佳整定参数。
关键词：双容水箱，PID,串级控制，组态王，PLCOuble Let Tank Cascade Control System DesignDesign DescriptionLiquid level control problem is a kind of common industrial production process, For example in beverage, food processing, chemical production, the solution of the production process were industry needs to properly control level.Cascade double-capacity water tank in industrial process control is used widely. In the control of water tank, the advanced water tank, who first and then through the second tank, compared with a tank, due to the increased a tank, is the response time is more backward step, that is, causing the delay in volume of the process is difficult to control.This design uses cascade control, can regulate the process effectively, greatly overcome system dynamic performance of volume. Adopts PID controller in order to achieve the ideal of setting control effect to model. Choose a scene of PLC control device for data acquisition and control, Through the kingview software for setting process and the curve of the real-time monitoring, until it reaches the main circuitd and the vice loop optimal setting parameters.Key words: Double-capacity Water Tank, PID, cascade control, kingview, PLC目录1绪论 (1)1.1PLC技术 (1)1.2组态技术 (3)1.3 PID算法 (3)2设计背景 (5)2.1设计内容及原理 (5)2.2系统软硬件组成 (5)2.2.1硬件组成 (5)2.2.2软件组成 (5)3串级控制系统介绍 (6)3.1串级控制系统的定义及组成 (6)3.2串级控制系统的设计思路 (6)3.3串级控制系统的参数整定 (7)3.4串级控制系统的工业应用 (8)4西门子s7-200系列PLC介绍 (10)4.1西门子s7-200系列PLC简介 (10)4.2西门子s7-200系列PLC的组成 (10)5组态软件介绍 (12)5.1组态的基本概念 (12)5.1.1组态的含义 (12)5.1.2数据采集的方式 (12)5.1.3脚本的功能 (12)5.1.4组态软件的开放性 (13)5.1.5组态软件的可扩展性 (13)5.1.6组态软件的控制功能 (13)5.2.组态软件特点 (13)5.3系统的设计与实现 (14)6系统设计 (15)6.1对象选择及其工作原理 (15)6.2调节器的选择及其正反作用的确定 (15)6.3传感器、变送器、执行器的选择 (16)6.4系统的参数整定 (16)6.5 S7-200系列PLC的CPU模块选择 (17)6.6设备清单 (17)7 PLC设计流程 (19)7.1系统设计基本步骤 (19)7.2系统设计流程图 (19)8组态王的设计 (21)8.1组态王的制作的基本过程 (21)8.2组态王画面的制作 (23)9系统调试 (27)9.1组态软件调试 (27)9.2整体调试 (27)总结 (28)致谢 (29)附录双容水箱串级控制程序 (31)1绪论液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题，例如在饮料、食品加工，溶液过滤、工生产等多种行业的生产加工过程当中都需要对液位进行适当的控制。
双容水箱液位流量串级控制系统设计
双容水箱液位流量串级控制系统设计一、系统结构1.水箱：系统中最重要的元件之一，用于存储和供应水资源。
2.控制阀：用于调节水箱出口的流量，根据传感器检测到的液位信号来控制阀门的开度。
3.液位传感器：用于检测水箱内部的液位变化，并将其转换为电信号供控制系统使用。
4.流量传感器：用于检测水箱出口的流量，并将其转换为电信号供控制系统使用。
5.控制器：整个系统的核心部分，根据传感器采集到的液位和流量信号，通过控制阀门的开度来调节水箱的液位和流量。
二、系统设计1.控制策略的选择：双容水箱液位流量串级控制系统的控制策略一般选择PID控制算法。
PID控制器可根据传感器采集到的控制量和设定值之间的误差来调节阀门的开度，实现液位和流量的闭环控制。
2.系统参数的确定：首先需要确定水箱的容积和液位范围，以便合理地选择传感器的量程。
然后需要根据水箱的工作条件和流量要求来确定控制阀的参数，如最大流量、最小可调节流量等。
3.传感器的选择与安装：根据系统的要求和工作环境的特点，选择适合的液位传感器和流量传感器，并将其正确安装在水箱中。
液位传感器一般安装在水箱的顶部，流量传感器安装在水箱的出口处。
4.控制器的设计与配置：根据系统需求和控制策略的选择，选择适合的PID控制器，并按照系统参数进行配置。
控制器应具备良好的控制性能和稳定性，能够根据传感器采集到的信号及时调节阀门的开度。
5.控制策略的调整与优化：系统设计完成后，需要通过实际的试验和调整来优化控制策略，提高系统的控制性能。
可以通过调整PID控制器的参数来实现系统的稳定运行和准确控制。
6.故障检测与保护措施：在设计系统时，应考虑到可能发生的故障，如传感器故障、控制阀失效等，并设计相应的故障检测和保护措施，以确保系统的安全可靠运行。
三、系统应用总结：双容水箱液位流量串级控制系统是一种重要的控制系统，在工业生产中起到关键作用。
其设计需要根据实际需求和系统参数进行合理设置，并通过优化控制策略来实现系统的稳定运行和优质控制效果。
双容水箱液位串级控制系统_毕业设计
双容水箱液位串级控制系统_毕业设计
在双容水箱液位串级控制系统中，通常有两个水箱，分别称为主水箱
和副水箱。
主水箱通常是较大的水箱，副水箱是较小的水箱。
系统的目标
是保持主水箱和副水箱的液位稳定在设定值附近。
系统的控制过程可以分为以下几个步骤：
1.流程测量：系统通过测量主水箱和副水箱的液位，获取当前的液位
信号。
2.控制计算：根据测量值和设定值，计算需要调节的阀门开度。
3.阀门控制：根据计算结果，控制阀门的开度，调节水的流入和流出
速度，以实现液位的控制。
4.反馈调整：根据阀门控制后的效果，不断调整阀门开度，使液位稳
定在设定值附近。
在实际的设计中，双容水箱液位串级控制系统通常采用PID控制器来
实现。
PID控制器包括比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分。
比
例部分根据偏差的大小进行调整，积分部分根据偏差的持续时间进行调整，微分部分根据偏差的变化速率进行调整。
通过不断调整PID参数，实现系
统的稳定性和响应速度的平衡。
另外，在实际的设计中，还需要考虑到系统的动态响应、稳定性、静
差和抗干扰性等因素。
可以采用仿真软件进行系统的建模和分析，优化系
统的设计参数。
总之，双容水箱液位串级控制系统作为一种常见的控制系统，在工业、农业和民用领域有着广泛的应用。
通过合理设计和调节控制参数，可以实
现液位的稳定控制，提高系统的稳定性和安全性。
同时，与实际的实验和仿真相结合，可以进一步优化系统的设计和控制策略。
双容水箱
毕业设计双容水箱实验教学仿真系统开发设计摘要本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统。
在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。
作为一个过程控制实验装置，双容水箱液位控制系统具有强大的实验功能，不仅可以实现单入单出一阶对象、二阶对象、和非线性双入双出对象，而且还可以作为一种多功能型实验设备去验证各种工业过程的控制算法。
首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。
其次，设计PID 控制器，在 Matlab/Simulink 环境下建立双容水箱控制的仿真模型，对 PID控制算法进行仿真研究，通过仿真实验，证明该设计方法可行性和该算法的正确正确性。
关键词 : 双容水箱, 实验法建模, PID 控制DOUBLE LET WATER TANK EXPERIMENT TEACHING SIMULATION SYSTEM DEVELOPMENT DESIGNABSTRACTThe purpose of this thesis is to design the liquid level's concatenation control system of the double capacity water tank. This design makes full use of the automatic indicator technique, the computer technique, the communication technique and the automatic control technique in order to realize concatenation control of water tank's liquid. As a process control experiment device, double let water tank level control system has strong experiment function: can not only realize and single-output first-order object, and the second object, and nonlinear double into double the object, but also can serve as a kind of functional laboratory equipment to test various industrial process control algorithm.First, I carry out the analysis of the controlled objects' model, and use the experimental method to calculate the transfer function of the model. Next，PID controller is designed in Matlab / Simulink environment to establish control of two-tank simulation model，Simulation of the PID control algorithm is studied through simulation experiments show the feasibility of the design method and the algorithm is correct.KEYWARDS：the double capacity water tank, experiment modeling, PID control目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1绪论 (1)1.1课题提出背景 (1)1.2 国内外研究现状 (1)1.2.1 国外研究现状 (2)1.2.2 国内研究现状 (2)1.3 过程控制的发展过程 (3)1.3.1 过程控制的发展 (3)1.3.2 过程控制策略与算法的进展 (4)1.3.3 传统过程控制存在的问题 (5)1.3.4 过程控制的发展趋势 (5)1.4 控制理论的发展 (5)1.5 研究目的 (7)1.6 本章小结 (7)2双容水箱的数学建模 (8)2.1 数学模型的介绍 (8)2.1.1数学模型的定义 (8)2.1.2数学模型建立方法 (8)2.2 双容水箱数学模型建立 (9)2.2.1双容水箱总体结构及工作原理的分析与介绍 (9)2.2.1.1双容水箱系统的总体结构 (9)2.2.1.2单入单出的一阶系统对象的结构 (10)2.2.1.3单入单出的二阶系统对象的结构 (11)2.2.1.4 双容水箱系统的特点 (11)2.2.2 双容水箱实验台 (11)2.2.3双容水箱系统的特点 (12)2.2.4 被控对象数学模型推导 (13)2.2.4.1单容水箱数学模型 (13)2.2.4.2双容水箱数学模型 (15)2.2.4.3双容水箱系统模型的参数辨识 (17)2.3 本章小结 (17)3 PID控制理论与参数整定 (18)3.1 PID控制理论的发展与现状 (18)3.2 PID控制原理及特点 (18)3.2.1 PID控制器工作原理 (18)3.2.2 PID控制器的特点 (20)3.3 PID控制器的参数整定 (20)3.3.1 经验试凑法 (21)3.3.2 临界比例度法 (21)3.3.3 衰减曲线法 (21)3.4 PID参数对系统性能的影响 (22)3.5 本章小结 (22)4控制系统设计 (23)4.1 控制系统性能指标 (23)4.2 控制方案选择 (23)4.3 串级控制系统的组成 (23)4.4 双容水箱串级控制系统的设计 (24)4.4.1主、副回路设计 (25)4.4.2 主、副变量设计 (25)4.4.3操作变量设计 (25)4.4.4 主、副控制器设计 (25)4.4.5 控制器参数整定 (26)4.4.5.1 整定过程 (27)4.4.6 控制系统抗扰动能力测试 (32)4.5 本章小结 (33)结论 (34)参考文献 (35)致谢 (36)1绪论1.1课题提出背景随着工业生产的飞速发展，人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。
双容水箱-过控课程设计报告-上海电力_图文(精)
《过程控制系统设计》课程设计报告姓名:学号: XXXXXX 班级: XXXXXXXX 指导老师:设计时间:2014年 1月 11日 ~1月 15日第一部分双容水箱液位串级 PID 控制实物实验时间:同组人: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、实验原理(画出“ 系统方框图” 和“ 设备连接图”1、实验设备:四水箱实验系统 DDC 实验软件、四水箱实验系统 DDC 实验软件2、原理说明: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 1所示:图 1 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主对象:下水箱;副对象:上水箱主控制器: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。
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。
中国石油大学(华东)自动控制课程设计 双容水箱系统的建模、仿真于控制
自动控制课程设计总结报告《双容水箱系统的建模、仿真与控制》分组号码：第I - 16小组学生姓名：2015年 7月25日目录第1章引言 (2)1.1 课程设计的意义与目的 (2)1.2 课程设计的主要内容 (2)1.2.1经典控制部分 (3)1.2.2现代控制部分 (4)1.3 课程设计的团队分工说明 (4)第2章双容水箱系统的建模与模拟 (5)2.1 二阶水箱介绍 (5)2.2 控制系统设计过程 (5)2.2.1 建立机理模型 (9)2.2.2 系统辨识模型建立 (9)2.2.3对模型进行仿真 (9)2.2.4 物理模拟模型 (10)第3章双容水箱控制系统的构建与测试 (12)3.1 控制系统基本构建框架 (12)3.2 ADAM-4024与ADAM-4117 (12)3.2.1 D/A转换器ADAM-4024 (12)3.2.2 A/D转换器ADAM4117 (13)3.3 双容水箱控制系统的测试 (16)第4章双容水箱的控制与仿真分析——经典控制部分 (18)4.1采用纯比例控制 (18)4.2采用比例积分控制 (22)4.3采用PID控制 (26)4.4串联校正环节 (29)4.5采样周期影响及滞后系统控制性能分析 (34)第5章双容水箱的控制与仿真分析——现代控制部分 (36)5.1状态空间模型建立 (36)5.2状态空间模型分析 (37)5.3状态反馈控制器设计 (39)5.4状态观测器设计 (41)5.5基于状态观测的反馈控制器设计 (45)第6章总结 (47)6.1 课程设计过程的任务总结与经验收获 (47)6.1.1成员：齐若森 (47)6.1.2成员：安迪 (49)6.2 课程设计中的不足和问题分析 (52)6.2.1成员：齐若森 (50)6.2.2成员：安迪 (52)6.3 对课程设计的建议.................................. 错误!未定义书签。
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1.设计题目
双容水箱液位流量串级控制系统设计
2.设计任务分析
①系统建模方法比较
基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。
对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。
②单回路控制以及串级反馈控制方案的理论比较
该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有扰动时，此扰动经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整PID参数，都将无法得到满意的效果。
考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上水箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。
3.设计内容
在该液位控制系统中，对象特性如下：
控制量：水流量；
被控量：水箱2液位。
水箱1传递函数：G(s) = 1/(10s+1)；
水箱2传递函数：G(s) = 1/(100s+1)；
液位传感器传递函数：Gm1=1/(0.1s+1)；
流量传感器传递函数：Gm1=1/(0.1s+1)。
控制器：PID；
现在进行控制系统设计：
①单回路PID控制的设计
MATLAB仿真框图如下：
若采用纯P控制，发现振荡非常强烈。
如图：
P=600,I=0,D=0
现采用PD经验法进行参数整定：
1.将积分时间Ti调为最大值，即MATLAB中I参数为0，将D调为200，
P调为600。
2.待系统稳定后，阶跃响应如下图：
参数：P=600, I=0,D = 200
加大D参数得到阶跃响应曲线如下：
参数：P=600，I=0，D=400
观察以上曲线可以初步看出，经参数整定后，系统的性能有了很大的改善。
②串级控制系统的设计
系统的MATLAB仿真框图如下：
系统的阶跃响应如下图所示：
参数：内环P=15，I=0，D=10
外环P=800，I=0，D=100
③单回路控制法和串级控制法控制性能比较
比较单回路控制系统无干扰阶跃响应可知，串级控制降低了最大偏差，减小了振荡频率，大大缩短了调节时间。
观察以上系统输出可知，相对于单回路PID控制策略，串级控制使得系统调节时间相对缩短，超调大大减小，当增益相同时，系统稳定性更高，提高了系统的抗干扰能力。
控制性能更优异。
4.总结与体会
自己写。