基于组态软件的液位流量串级控制系统(精)
过程控制系统
课程设计
题目: 基于组态软件的液位—流量串级控制系统设计
院系名称:电气工程学院
专业班级:自动化1105
学生姓名:金星宇
学号:201123910807
指导教师:马利冯肖亮
设计地点: 31520
设计时间: 2014.7
设计成绩:指导教师:
本栏由指导教师根据大纲要求审核后,填报成绩并签名。
工业过程控制课程设计任务书之
学生姓名金星宇专业班级自动化1105 学号201123910807 题目基于组态软件的液位—流量串级控制系统设计
课题性质课题来源自拟题目
指导教师马利冯肖亮
主要内容
通过某种组态软件,结合实验室已有设备,按照定值系统的控制要求,根据较快较稳的性能要求,采用双闭环控制结构和PID控制规律,设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的液位—流量串级过程控制系统。
任务要求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。
5. 提交包括上述内容的课程设计报告。
主要参考资料[1] 组态王软件及其说明文件
[2] 邵裕森.过程控制工程.北京:机械工业出版社2000
[3] 过程控制教材
[4] 辅导资料
审查意见
指导教师签字:
年月日
摘要
随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对控制系统的控制品质提出了越来越高的要求。在这种情况下,简单的单回路控制系统已经难以满足一些复杂的控制要求,因此就提出了串级控制方案。串级控制具有单回路控制系统的全部功能,而且还具有很多单回路控制系统所没有的优点。因此,串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好,而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现,所以,串级控制是一种易于实现且效果又极好的控制方法。
。
关键词:控制系统单回路串级控制
目录
1引言 (1
2 系统结构设计 (1
2.1控制方案 (1
2.2 控制规律 (2
3 过程控制仪表的选择 (2
3.1 液位传感器 (2
3.2 电磁流量传感器电磁流量转换器 (3
3.3 电动调节阀 (3
3.4 变频器 (4
3.5 水泵 (5
3.6 模拟量采集模块 (5
3.7 模拟量输出模块 (6
3.8 通信转换模块 (6
4 系统组态设计 (6
4.1 系统工艺流程图 (6
4.2 组态画面 (7
4.3 数据字典 (8
4.4 PID控制算法 (8
设计心得 (10
参考文献 (12
附录A 系统脚本程序 (13
1引言
制是根据工业生产过程的特点,采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具,应用控制理论,设计工业生产过程控制系统,实现工业生产过程的自动化。过程控制系统一般由控制器、执行器、被控过程和测量变送环节等组成。在工业过程控制系统中,单回路控制系统约占一半以上,但是单回路控制系统适用于控制要求不高的场合。对于某些控制要求比较高的场合,单回路控制系统却远远不能满足控制要求,因此就提出了串级控制系统。
串级控制系统是采用两个控制器串联工作,主控制器的输出作为副控制器的设定值,由副控制器的输出去操纵调节阀,从而对主被控变量具有更好的控制效果。与
单回路控制系统相比,串级控制系统在结构上增加了一个副回路,对进入副回路的扰动有很强的抑制作用;同时由于副回路的存在,改善了系统的动态性能,提高了系统的工作频率,并且使系统具有一定的自适应能力。
组态软件是应用软件中提供的工具、方法来完成工程中某一具体任务的软件。组态软件提供了监控层的软件平台和开发环境,通过灵活的组态方式,可以快速构建工业自动控制系统监控功能。同时,组态软件具有实时性和多任务性,可以在一台计算机上同时完成数据采集、信号数据处理,数据图像显示、人机对话、历史数据查询等多个任务。
本设计利用过程仪表和计算机,结合组态王6.53软件设计人机交互界面,设计实现水箱液位—流量串级控制系统。同时,在组态软件中实现动画显示、实时曲线显示等功能。
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,这两个参量具有联系,流量的大小可以影响上水箱的液位,根据流量与液位之间的关系,采用液位—流量串级控制,系统框图如图2.1所示。
计算机计算机调节阀流量液位流量变送器
液位变送器
x1(t x2(t
e(tu(t f1(tg(t q(tf2(ty(t-
z2(t-
z1(t
图2.1
在图2.1中,副回路为流量控制回路,主回路为液位控制回路。主回路液位控制器的输出作为副回路流量控制器的设定值,副回路流量控制器的输出来控制调节阀的大小,控制管道流量的大小,进而控制上水箱液位。
2.2 控制规律
本设计采用工业过程控制中最常用的PID 控制规律。在工程实际中,应用最广泛的调节器控制规律为比例、积分和微分控制,即PID 控制,其结构简单,参数易于调整,在长期的应用中积累了大量丰富的经验。主回路与副回路的控制算法均采用PID 算法。PID 算法实现简单,控制效果好,系统稳定性好。主回路PID 的输出做为副回路的输入,副回路跟随主回路的输出。
PID 控制的技术成熟,结构灵活,不仅可以实现常规的PID 调节,而且还可以根据系统要求,采用PI 、PD 、带死区的PID 控制等。PID 控制不需要求出系统的数学模型,控制效果好。虽然计算机控制是非连续的,但由于计算机的运算速度越来越快,因此用数字PID 完全可以代替模拟调节器,并且能够取得比较满意的效果。 3 过程控制仪表的选择
3.1 液位传感器
传感器用来对水箱液位进行测量检测,采用工业用的DBYG 扩散硅压力传感器。DBYG 扩散硅压力传感器按标准的二线制传输,采用高品质、低功耗的精密器件,稳定性和可靠性高,可以方便的与其他DDZ —X 型仪表互换配置。DBYG 扩散硅压力传
感器如图3.1所示。
图3.1 DBYG扩散硅压力传感器
使用时,要对其进行校验。校验的方法是通电预热15分钟后,分别在零压力和满量程压力下检测输出电流。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,因为采用二线制,因此工作时需要串接24V直流电源。
3.2电磁流量传感器电磁流量转换器
传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。根据本系统装置的特点,选用工业用的LDS—10S型电磁流量传感器,其公称直径为10mm,流量0—0.33
m/h,压力为1.6Mpamax,4—20mA标准信号输出。该传感器采用整体焊接结构,密封性能良好,结构简单可靠,内部无活动部件,抗干扰性能好,零点稳定。另外,可与显示、记录仪表、计算器或者调节器配套,避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点。
流量转换器采用LDZ—4型电磁流量转换器,与LDS—10S型电磁流量传感器配套使用。其输入信号为0—0.4mV,输出信号为4—20mADC,允许负载电阻为0—750Ω,基本误差为输出信号量程的0.5%。
3.3电动调节阀
调节阀用于对控制回路的流量进行调节,本设计选用PSL202型的智能电动调节阀,无需配置伺服放大器。驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机,运
行平稳,体积小,力矩大,抗堵转,控制精度高,外形如图 3.2所示。
图3.2 PSL202型的智能电动调节阀
控制电路与电动执行机构一体化,可靠性好,操作方便,并可以与计算机配套使用,组成最佳调节回路。由输入控制信号4—20mA及单相电源即可控制运转,实现对流量的调节,具有体积小,重量轻,连线简单,泄漏量少的优点。采用PS电子式直行程执行机构,4—20mA阀位反馈信号输出,流量具有等百分比特性、直线特性和快开特性,阀门采用柔性弹簧连接,可预置阀门关断力,保证阀门的可靠关断,防止泄露。
3.4变频器
统选用三菱FR—S520变频器,输入控制信号为4—20mA,可以对流量或者压力进行控制。该变频器具有体积小,功率小,功能强大,运行稳定安全可靠等优点。同时,可以外加电流控制,也可以通过自身旋钮控制频率,可以单相或者三相供电,频率高达200Hz,如图3.3所示。
图3.3 变频器
3.5水泵
丹麦格兰富循环水泵,如图3.4所示。该水泵噪音低,寿命长,功率小。同时,支持220V电压供电,在水泵出水口装有压力变送器,与变频器一起可构成恒压供水系统。
图3.4 丹麦格兰富循环水泵
3.6模拟量采集模块
统采用牛顿7000系列远程数据采集模块作为计算机控制系统的数据采集、输出和通讯过程模块。牛顿7000系列模块体积小,安装方便,可靠性高等优点,其外形如图 3.5所示。
图3.5 牛顿7000系列模块
模拟量采集模块采用牛顿7017,该模块为八通道模拟输入模块,电压输入为
1~5VDC。在连接过程中,使用7024模块的1通道IN1作为上水箱液位信号检测输入通道。3.7模拟量输出模块
量输出模块采用牛顿7024,该模块为四通道模拟输出模块,电流输出为
4~20mADC,电压输出为1~5VDC。同时,使用7024模块的1通道I01作为管道流量的电压控制通道。
3.8 通信转换模块
模块采用牛顿7520,RS232转换485通讯模块。使用RS-232/RS485双向协议转换,转换速度为300~115200bps,可以进行长距离传输。
4 系统组态设计
4.1 系统工艺流程图
液位—流量串级控制系统的工艺流程图如图4.1所示。
副回路为流量检测,主回路为液位检测。主回路控制器的输出做为副回路控制器的设定值,副回路控制器的输出去控制调节阀,改变管道内水的流量,进而控制上水箱的液位。
计算机1
A/D
LT
计算机2
A/D
D/A
FT
积水箱
泵
图4.1 水箱液位—流量串级控制系统的工艺流程图4.2 组态画面
组态画面如图4.2,4.3,4.4所示。
图4.2组态画面
图4.3组态画面
图4.4组态画面
4.3 数据字典
动画制作过程中的数据字典如表4.1所示。数据字典图4.1
液位—流量串级控制系统的原理,在“命令语言”中选择“应用程序命令语言”,运用组态王所提供的类似于C语言的程序编写环境实现PID控制算法。
PID调节器的动作规律是
(3.8
或 (3.9
式中、和参数意义与、调节器相同。根据
液位—流量串级控制系统的原理,运用组态王所提供的类似于C语言的程序编写语
言实现PID控制算法。本系统采用
PID位置控制算式,其控制算式如下:
2
上
述算式中,为比例系数,为积分时间,为微分时间,以作为计算机的当前输出值,以作为给定值,作为反馈值即设备的转换值作为偏差。控制
算法流程图如图4.3所示。
取SP,PV形成偏
差e(k
取a0,e(k做乘
法
取a1,e(k-1做乘
法
取a2,e(k-2做
乘法
做a2e(k-2减
a1e(k-1
做a2e(k-2-a1e(k-
1+a0e(k
做a2e(k-2-a1e(k-
1+a0e(k+u(k-1
输出u(k
数据传送:e(k→e(k-
1
e(k-1 →e(k-2
数据传送:u(k→u(k-1图4.3 PID算法流程图
设计心得
时间过得很快,半个月的课程设计,我感觉时间不够用。同时,我学到了很多东西,很充实……
刚开始的时候,我去图书馆查阅了很多资料,在对设计内容有一个详细的规划后,我首先投入的是组态设计这一块。因为之前没有接触过组态王,对其一无所知,所以就从零开始,查阅资料,学习视频教程。刚起步的时候,很多问题都摆在眼前,比如如何建立新的工程,如何设计变量,如何添加动画连接等等,这些我都不会。
因此就按着视频教程,一步一步的慢慢看下去,先把视频教程上面的例子熟练掌握,然后再对本系统的整体画面进行设计。对我来说,画面动画设计是最困难、最耗费时间的一部分。特别是在考虑画面布局的时候,这个模块放在哪里比较合适,用什么样的颜色显得美观等等,必须进行不断的修改,才能布局出比较好的画面。往往是
一两个小时过去了,自己却不知不觉。每一个模块布局之后,都要对其进行相应的动画连接。这个时候,连接的对象又是一个难题。有时候,连接对象错误,运行时的画面显示效果就与设计的不同,所以必须正确连接对象……就这样,我用组态王6.53,自己设计布局画面,自己调试运行,经过将近一周的努力,最后终于设计出自己比较满意的画面。
设计报告的程序流程图,我都是用Visio软件绘制的。绘制图形时,考虑最多的是整体的布局。每绘制一个图形,我往往都是一边绘制,一边调整布局。因为一个框图,如果绘制的不合理,系统的整体原理就显得很乱;而一个流程图如果布局不合理,程序的算法就无法在流程图中完美的展现出来。
最后,感谢老师和同学们的帮助!在设计的过程中,老师给了我很多的指导,让我少走了很多弯路;在组态画面动画制作的过程中,同学也帮助我解决了很多问题,同时也提出了很好的布局方案。
参考文献（1）陈夕松汪木兰. 过程控制系统（第二版）.北京：科学出版社，2011.1 （2）周力尤罗隆谢雪芳．组态软件技术与应用．北京：电子工业出版社， 2012.5 （3）康华光．电子技术基础模拟部分（第五版）．北京：高等教育出版社， 2006 （4）阎石．数字电路技术基础（第五版）．北京：高等教育出版社，2006 （5）邱关源．电路（第五版）．北京：高等教育出版社，2006 （6）谭浩强．C 程序设计（第四版）．北京：清华大学出版社，2010 （7）郭天祥. 新概念 51 单片机 C 语言教程[M].北京:电子工业出版社（8）张迎新．单片微型计算机原理、应用及接口技术（第 2 版）[M]．北京：国防工业出版社，2004 （9）冯博琴吴宁．微型计算机原理与接口技术（第 3 版）．北京：清华大学出版社，2011.6 （10）朱玉玺崔如春邝小磊．计算机控制技术．北京：电子工业出版社，2010 12
附录 A 系统脚本程序启动时： \\本站点\I1=\\本站点\T/\\本站点\Ti1; \\本站点\D1=\\本站点\Td1/\\本站点\T; \\本站点\uk1=0; \\本站点\uk11=0; \\本站点\ek1=0; \\本站点\ek11=0; \\本站点\ek12=0; \\本站点\I2=\\本站点\T/\\本站点\Ti2; \\本站点\D2=\\
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} 停止时： \\本站点\uk1=0; \\本站点\uk11=0; \\本站点\ek1=0; 14
基于组态软件的液位流量串级控制系统(精)
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年月日 摘要 随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对控制系统的控制品质提出了越来越高的要求。在这种情况下,简单的单回路控制系统已经难以满足一些复杂的控制要求,因此就提出了串级控制方案。串级控制具有单回路控制系统的全部功能,而且还具有很多单回路控制系统所没有的优点。因此,串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好,而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现,所以,串级控制是一种易于实现且效果又极好的控制方法。 。 关键词:控制系统单回路串级控制 目录 1引言 (1 2 系统结构设计 (1 2.1控制方案 (1 2.2 控制规律 (2 3 过程控制仪表的选择 (2 3.1 液位传感器 (2 3.2 电磁流量传感器电磁流量转换器 (3 3.3 电动调节阀 (3 3.4 变频器 (4
串级控制系统
习题六 1．什么叫串级控制系统?画出一般串级控制系统的典型方块图。 答：串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。 主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。 2．串级控制系统有哪些特点?主要使用在哪些场合? 答串级控制系统的主要特点为： (1)在系统结构上，它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统； (2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量} (3)由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响； (4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。 串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。 3．串级控制系统中主、剧变量应如何选择? 答主变量的选择原则与简单控制系统中被控变量的选择原则是一样的。 副变量的选择原则是：． (1)主、副变量间应有一定的内在联系，副变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化； (2)通过对副变量的选择，使所构成的副回路能包含系统的主要干扰； (3)在可能的情况下，应使副回路包含更多的主要干扰，但副变量又不能离主变量太近； (4)副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发生 4．为什么说串级控制系统中的主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统? 答串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量，使之等于给定值，而
主变量就是主回路的输出，所以说主回路是定值控制系统。副回路的输出是副变量，副回路的给定值是主控制器的输出，所以在串级控制系统中，副变量不是要求不变的，而是要求随主控制器的输出变化而变化，因此是一个随动控制系统。5．怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律? 答串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量，对主变量要求较高，一般不允许有余差，所以主控制器一般选择比例积分控制规律，当对象滞后较大时，也可引入适当的微分作用。 串级控制系统中对副变量的要求不严。在控制过程中，副变量是不断跟随主控制器的输出变化而变化的，所以副控制器一般采用比例控制规律就行了，必要时引入适当的积分作用，而微分作用一般是不需要的。 6．如何选择串级控制系统中主、副控制器的正、反作用? 答副控制器的作用方向与副对象特性、控制阀的气开、气关型式有关，其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用的选择方法相同，是按照使副回路成为—个负反馈系统的原则来确定的。 主控制器作用方向的选择可按下述方法进行：当主、副变量在增加(或减小时)，如果要求控制阀的动作方向是一致的，则主控制器应选“反”作用的；反之，则应选“正”作用的。 从上述方法可以看出，串级控制系统中主控制器作用方向的选择完全由工艺情况确定，或者说，只取决于主对象的特性，而与执行器的气开、气关型式及副控制器的作用方向完全无关。这种情况可以这样来理解：如果将整个副回路看作是构成主回路的一个环节时，副回路这个环节的输入就是主控制器的输出(即副回路的给定)，而其输出就是副变量。由于副回路的作用总是使副变量跟随主控制器的输出变化而变化，不管副回路中副对象的特性及执行器的特性如何，当主控制器输出增加时，副变量总是增加的，所以在主回路中，副回路这个环节的特性总是“正”作用方向的。由图可见，在主回路中，由于副回路、主测量变送这两个环节的特性始终为“正”，所以为了使整个主回路构成负反馈，主控制器的作用方向仅取决于主对象的特性。主对象具有“正”作用特性(即副变量增加时，主变量亦增加)时，主控制器应选“反”作用方向，反之，当主对象具有“反”作用特性时，主控制器应选“正”作用方向。
实验三上中水箱液位串级控制系统实验
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 T n e K n u n i D I P +? ??? ??--+ + =∑= ②、增量型控制 [][])2()1(2)()()1()()1()()(-+--++--=--=?n e n e n e T T K n e T T K n e n e K n u n u n u D P I P P 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。
上水箱液位与进水流量串级控制系统
摘要 随着现代工业生产过程向着大型、连续方向发展,对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。在这种情况下,传统的单回路液位控制已经难以满足一些复杂的控制要求，水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保持水箱液位最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。 本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。 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：PLC控制；变频器；PID控制；Wincc组件；上位机
目录 1 过程控制系统简介 (1) 1.1 过程控制介绍 (1) 1.2 串级控制系统的组成 (1) 1.2.1 硬件介绍 (1) 1.3 电源控制台 (3) 1.4 总线控制柜 (3) 1.5 软件介绍 (4) 1.6 系统总貌图 (4) 2 串级控制系统简介 (5) 2.1 液位串级控制系统介绍 (5) 2.2 串级控制系统的概述 (5) 2.3 串级控制系统的工作过程 (5) 2.4 系统特点及分析 (6) 2.5 串级控制系统的整定方法 (6) 2.6 主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配 (7) 2.7 PID控制工作原理 (7) 3 上水箱液位与进水流量串级控制系统 (9) 3.1 实验设备 (9) 3.2 液位-流量串级控制系统的结构框图 (9) 3.3 系统工作原理 (9) 3.4 控制系统流程图 (10) 3.5 实验过程 (11) 3.6 实验结果分析 (13)
液位串级控制系统研究与设计本科论文
液位串级控制系统研究与设计 在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。 本设计以过程控制实验室的TKJ-2型高级过程控制实验设备为平台，设计了基于IPC-PLC的分布式控制系统。上位机采用MCGS组态软件，用STEP7软件进行编程，下位机采用西门子S7-200PLC。首先确定了中下水箱液位串级控制系统和主管流量下水箱液位串级控制系统两种控制方案。主要是看副控参数不同时其控制效果的变化，进行对比研究。然后完成了系统硬件和软件设计，硬件主要是选型和原理图的绘制，软件是完成组态画面的绘制、动画连接和PLC 程序的编写。接着对中水箱、下水箱、中下水箱、主管流量用阶跃响应曲线法进行了建模与辨识，根据响应曲线法中的PID整定公式进行了调节器参数的整定，完成了下水箱、中下水箱和主管流量单回路PID控制，最终本着先副后主的串级整定方法对中下水箱液位串级控制系统和主管流量下水箱液位串级控制系统的主调节器参数进行了整定，完成了算法对比研究。 通过系统调试得出了液位串级控制系统要比单回路控制效果好，表现在调节时间短，超调小，静差小等方面。 关键词：液位；PID整定；串级；响应曲线法
Research and Design about Level Cascade Control System Design Description In industrial production, the level of process control systems charged with the amount of particularly important in the petroleum, chemical, environmental protection, water treatment, metallurgy and other industries.Automation of industrial processes often need to measure and control the level of certain equipment and containers. This design process control laboratory TKJ-2 Advanced Process Control laboratory equipment as a platform to design a distributed control system based on IPC-PLC.Host computer uses MCGS configuration software,Programming with STEP7 software,The next machine with Siemens S7-200PLC.First determine the two control schemes of the flow of the lower tank level cascade control system and competent tank level cascade control system.Mainly to see the vice control parameters while the effect of changes, a comparative study.And then complete the system hardware and software design, hardware selection and schematic drawing, the software is complete the configuration screen drawing, animations connection and PLC program to write.n on the tank, under tank, under tank competent flow step response curve method for modeling and identification,Tuning the regulator parameters according to the response curve method of PID tuning formula, completed under the tank, the next tank and competent flow single-loop PID control,Ultimately the spirit of the first vice emperor Cascade tuning method of tuning cascade control system of tank level and in charge of traffic of the main regulator of the tank level cascade control system parameters, and complete algorithm for comparative study. Level cascade control system than the single-loop control results obtained through the system debugging, performance in the short adjustment time, small overshoot and static error, and other aspects. Key Words:Process control；PID tuning；cascade；the response curve method
实验3 液位流量串级控制实验
实验3 液位流量串级控制实验 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、副被控参数、主调节器、副调节器、主回路、副回路。 通过实验掌握串级控制系统的特点、串级控制系统的设计，掌握串级控制主、副控制回路的选择。掌握串级控制系统参数整定方法，并将串级控制系统参数投运到实验中。 二、实验设备 过程控制实验系统，计算机 三、实验原理 单回路控制系统解决了工艺生产过程自动化中大量的参数定值问题。但是，随着现代工业生产的迅速发展，工艺操作条件的要求更加严格，对安全运行和经济性及对控制质量的要求也更高。但回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求，在这样的情况下，串级控制系统就应运而生。 1、串级控制系统的结构 串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到广泛地应用，串级控制系统是指不止采用一个控制器，而是将两个或几个控制器相串级，是将一个控制器的输入作为下一个控制器设定值的控制系统。 2、串级控制系统的名词术语 主被控参数：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。 副被控参数：在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引入的中间辅助变量。 主被控过程：由主参数表征其特性的生产过程，主回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。 副被控过程：由副被控参数为输出的生产过程，副回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为控制参数。
主调节器：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。 副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制调节阀动作。 副回路：由副调节器、副被控过程、副测量变送器等组成的闭合回路。 主回路：由主调节器、副回路、主被控过程及主测量变送器等组成的闭合回路。 一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。 二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。 当生产过程处于稳定状态时，它的控制量与被控量都稳定在某一定值。当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同扰动，分为三种情况： (1)在副对象上的扰动 副对象加上扰动后，副调节就立即发出校正信号，控制执行对象(工程上一般是调节阀的开度，而本实验装置中是泵电机的转速)动作，以克服扰动对主被控参数的影响。如果扰动量不大，经过副回路的及时控制一般不影响被控量，如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正，但还将影响被控量；此时再有主回路的进一步调节，从而使被控量回到平衡时的值。 (2)主对象上的扰动 主对象加上扰动后，主回路产生校正作用，由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对被控量的影响比单回路系统时要小。 (3)一次扰动和二次扰动同时存在 如果一、二次扰动的作用使主，副被控参数同时增大或减少时，主、副调节器对调节阀(或泵电机转速)的控制方向一致的，即大幅度关小或开大阀门(或大幅度地使泵电机加速或减速)，加强控制作用，使主被控量很快地回到给定值上。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大，另一个减少，此时主、副调节器控制调节阀的方向是相反的，调节阀的开度只要作较小变动即满足控制要求。 3、串级控制系统的特点
基于组态软件的串级液位流量控制系统方案
基于组态软件的串级液位流量控制系统 1概述 1.1本课程设计课题研究的意义 随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。在这种情况下，简单的单回路控制已经难以满足一些复杂的控制要求。在单回路控制方案基础上提出的串级控制方案，则对提高过程控制的品质有极为明显的效果。串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好，而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现，所以，串级控制是一种易于实现且效果又较好的控制方法。 本课程设计课题讨论了一个简单的液位流量串级控制系统的设计方法及步骤。液位和流量是工业生产过程中最常用的两个测控参数，因此本课程设计课题具有较大的现实意义。 1.2 设计的目的 通过课程设计，加深对所学传感器技术、自动控制原理、转换技术以及过程控制的基本原理等基本原理、基本知识的理解和应用，掌握串级控制系统的设计步骤和方法，掌握工程整定参数方法，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，培养创新意识，增强动手能力，为今后工作打下一定的理论和实践基础。 1.3 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 系统控制方案 2.1 控制系统在实际应用中的重要意义
双容水箱液位串级控制系统DCS实训报告毕业论文
DCS实训报告双容水箱液位串级控制系统
一、实训目的 （1）、熟悉集散控制系统（DCS）的组成。 （2）、掌握MACS组态软件的使用方法。 （3）、培养灵活组态的能力。 （4）、掌握系统组态与装置调试的技能。 二、实训内容及要求 以THSA-1型生产过程自动化技术综合实训装置为工业对象。完成中水箱和下水箱串级液位控制系统的组态。 要求：设计液位串级控制系统，并用MACS组态软件完成组态。 包括：（1）、数据库组态。 （2）、设备组态。 （3）、算法组态。 （4）、画面组态。 （5）、在实验装置上进行系统调试。 三、工程分析 THSA-1型生产过程自动化技术综合实训装置中水箱和下水箱串级液位控制系统需要2个输入测量信号，1个输出控制信号。 因此,该系统包括： （1）、该系统有2个AI点LT1、LT2，1个AO点LV1。 （2）、该系统需要1个模拟量输入模块FM148用于采集中水箱液位信号LT1和下水箱液位信号LT2;1个模拟量输出模块
FM151用于控制电动控制阀的开度LV1。并且FM148的设备号为2号，FM151的设备号为3号。 （3）、LT1按2号设备的第1通道，LT2按2号设备的第2通道。LV1按3号设备的第1通道。 （4）、系统配备1个现场控制站10站，1台服务器兼操作员站。 四、实训步骤 1、工程的建立 （1）、打开：开始macsv组态软件数据库总控。（2）、选择工程/新建工程，新建工程并输入工程名；Demo。（3）、点击“确定”按钮，然后在空白处选择“demo”工程。工程信息如下图所示： （4）、选择“编辑>域组号组态”，选择组号为1，将刚创建的工程“demo”从“未分组的域”移到右边“改组所包含的域”里，点击“确认”按钮。然后，在数据库总控组态软件窗口会出现当前工程名、当前域号、该域分组号、系统总点数。 （5）、数据库组态。
过程控制―上水箱液位与进水流量串级控制系统.
目录 1 过程控制系统简介 (2) 1.1 系统组成 (2) 1.2 电源控制台 (3) 1.3 总线控制柜 (3) 2 实验原理 (4) 2.1 单容水箱设备工作原理 (4) 2.2 双容水箱设备工作原理 (7) 2.3 系统工作原理 (9) 2.4 控制系统流程图 (9) 3实验结果分析 (11) 3.1 实验过程 (11) 3.2实验分析 (12) 3.2.1单容水箱实验结果分析 . (12) 3.2.2双容水箱实验结果分析 . (14) 3.2.3单容双容水箱比较 . (16) 3.3实验结论 (17) 总结 . (18) 参考文献 (19)
1 过程控制系统简介 1.1 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、电动调节阀、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 水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。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。 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。 2、检测装置 压力传感器、变送器：采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。 流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。 3、执行机构 调节阀：采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯协议的电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。
过程控制之液位流量串级控制系统
过程控制之液位流量串级控制系统 1.1控制系统在实际应用中的重要意义 单回路控制系统是过程控制中结构最简单的一种形式，它只用一个调节器，调节器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环。在大多数情况下，这种简单系统已经能够满足工艺生产的要求。但在复杂的控制系统中，则需在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统，而串级控制系统就是其中一种改善和提高控制品质的极为有效的控制系统。 液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数，对液位和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。液位的时间常数T 一般很大，因此有很大的容积迟延，如果用单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量。而串级控制系统则可以起到十分明显的提高控制质量的效果，因此往往采用串级控制系统对液位进行控制。 1.2 系统结构设计 过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。本次为流量回路控制，即为闭环控制系统，结构组成如下图1.1所示。 图1.1液位单回路控制系统框图 当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由HB 返回信号，是否还需要放水到下水箱。其过程控制系统图如图1.2所示。 1.3控图 单容 所Qi 为口流加以控 扰。被调量为水箱中的水位H,它反映水的流入与流出量之间的平衡关系。现在分析水位在电磁阀开度扰动下的动态特性。显然，在任何时刻水位的变化均满足下述物料平衡方程： ()1i o dH Q Q dt F =-（1.1）
其中 i Q k μμ=（1.2） o Q = 1.3） F 为水箱的横截面积；k μ是决定于阀门特性的系数，可以假定它是常数；k 是与电磁阀开度有关的系数，在固定不变的开度下，k 可视为常数。 液位对象的传递函数: ()( )i H s Q s =2.1 控制规律的比较与选择 2.1.1 常见控制规律的类型及优缺点比较 PID 控制的各种常见的控制规律如下： 一、比例调节（P 调节） 在P 调节中，调节器的输出信号()u t 与偏差信号()e t 成比例，即 ()()C u t K e t =（2.1） 式中Kc 称为比例增益（视情况可设置为正或负）,()u t 为调节器的输出，是对调节器起始值()0u 的增量，()0u 的大小可以通过调整调节器的工作点加以改变。 在过程控制中习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系： ()()1 u t e t δ=（2.2） 其中δ称为比例带。 比例调节的显著特点就是有差调节。 比例调节的余差随着比例带的加大而加大。从这一方面考虑，人们希望尽量减小比例带。然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。此时，如果余差过大，则需通过其它的途径解决。 δ很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此被调量的变化比较平稳,甚至可以没有超调，但余差很大，调节时间也很长。减小δ就加大了调节阀的动作幅度，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，余差相应减小。δ具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小δ系统就不稳定了。 二、积分调节（I 调节）的特点 在I 调节中，调节器的输出信号的变化速度du (t)/d t 与偏差信号e 成正比，即： ()()I du t K e t dt =（2.3） 或 ()()0t I u t K e t dt =?（2.4） 式中K I 称为积分速度，可视情况取正值或负值。上式表明，调节器的输出与偏差信号的积分成正比。 I 调节的特点是无差调节，与P 调节的有差调节形成鲜明对比。式（2.3）表明，只有当被调量偏差e
双容水箱液位串级控制系统课程设计
双容水箱液位串级控制系统课程设计 1. 设计题目 双容水箱液位串级控制系统设计 2. 设计任务 图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。 1 图1 双容水箱液位控制系统示意图 3. 设计要求 1） 已知上下水箱的传递函数分别为： 111()2()()51p H s G s U s s ?==?+，22221()()1()()()201 p H s H s G s Q s H s s ??===??+。 要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s 后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声）； 2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中PID 参数的整定要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P 、I 、D 各参数整定的依据如何），对仿真结果进行评述； 3） 针对该受扰的液位系统设计串级控制方案，要求画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。 4.设计任务分析
系统建模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。 在该液位控制系统中，建模参数如下： 控制量：水流量Q ； 被控量：下水箱液位； 控制对象特性： 111()2()()51 p H s G s U s s ?==?+（上水箱传递函数）； 22221()()1()()()201p H s H s G s Q s H s s ??= ==??+（下水箱传递函数）。 控制器：PID ； 执行器：控制阀； 干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行10s 后，施加均值为0、方差为0.01的白噪声 为保持下水箱液位的稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID ），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整PID 参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。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，当上水箱有干扰时，此干扰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。 设计中，首先进行单回路闭环系统的建模，系统框图如下： 可发现，在无干扰情况下，整定主控制器的PID 参数，整定好参数后，分别改变P 、I 、D 参数，观察各参数的变化对系统性能的影响；然后加入干扰（白噪声），比较有无干扰两
实验四 下水箱液位和进口流量串级控制实验
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。
上水箱液位与进水流量串级控制系统
上水箱液位与进水流量串级控制系统 摘要 随着现代工业生产过程向着大型、连续方向发展,对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。在这种情况下,传统的单回路液位控制已经难以满足一些复杂的控制要求，水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保持水箱液位最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。 本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。 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：PLC控制；变频器；PID控制；Wincc组件；上位机
目录 上水箱液位与进水流量串级控制系统 (1) 摘要 (1) 1.过程控制系统简介 (4) 1.1过程控制介绍 (4) 1.2 串级控制系统的组成 (4) 1.2.1 硬件介绍 (4) 1.2 电源控制台 (6) 1.3 总线控制柜 (6) 1.4 软件介绍 (7) 1．6系统总貌图 (7) 2．串级控制系统简介 (8) 2.1液位串级控制系统介绍 (8) 2.2 串级控制系统的概述 (8) 2.3串级控制系统的工作过程 (8) 2.4 系统特点及分析 (9) 2.5 串级控制系统的整定方法 (9) 2.6主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配 (10) 2.7 PID控制工作原理 (10) 3 上水箱液位与进水流量串级控制系统 (11) 3.1 实验设备： (11) 3.2 液位-流量串级控制系统的结构框图 (11) 3.3 系统工作原理 (11) 3.4 控制系统流程图 (12) 3.5 实验过程 (13) 3.6 实验结果分析 (15) 3.6.1 整定过程分析 (15) 3.6.2 扰动下的响应分析 (16) 3.6.3 主、副调节器采用不同调节器时对系统动态性能的影响 (16) 3.6.4 主、副调节器采用不同PID参数时对系统动态性能的影响 (19)
液体流量串级控制系统设计方案
前言 过程控制是指在生产过程中，运用合适的控制策略，采用自动化仪表及系统来代替操作人员的部分或全部直接劳动，使生产过程在不同程度上自动地运行，所以过程控制又被称为生产过程自动化，广泛应用于石油、化工、冶金、机械、电力、轻工、纺织、建材、原子能等领域。过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度以及PH值等这样一些过程变量的控制系统。过程控制是提高社会生产力的有力工具之一。它在确保生产正常运行，提高产品质量，降低能耗，降低生产成本，改善劳动条件，减轻劳动强度等方面具有巨大的作用。 单回路控制系统是过程控制中结构最简单、最基本、应用最广泛的一种形式，它解决了工业生产过程中大量的参数定值控制问题。但是，随着现代工业生产过程向着大型、连续、和强化方向发展，对操作条件、控制精度、经济效益、安全运行、环境保护等提出了更高的要求。此时，单回路控制系统往往难以满足这些要求。为了提高控制品质，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统。而串级控制就是其中一种提高控制品质的有效方案。 本毕业设计课题针对液位对象浅述了串级控制系统的主要设计方法和步骤，虽然只是串级控制系统的一个简单的应用例子，但也初步综合了自动控制原理、过程控制、检测与转换技术、组态软件等自动控制专业的知识，对于提高对专业知识的认识水平、培养实践动手能力有重要意义。 本论文共分为五章：第一章为概述；第二章为总体方案的设计；第三章叙述了控制系统的控制规律的确定；第四章介绍了实际控制系统的运行与调试；第五章为论文的结论、讨论和建议。 本课题的设计和论文的编写得到了尹绍清老师的指导，在此表示衷心的感谢。
液位和流量串级控制系统
课程设计说明书（2012 /2013 学年第一学期） 课程名称：工业监控系统工程设计 题目：液位和流量串级控制系统 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 设计周数：2周 设计成绩： 2013年1月4日
目录 1 课程设计目的 (3) 2 课程设计设备 (3) 3 课程设计原理 (3) 4 课程设计内容和步骤 (3) 4.1设备的连接和检查 (4) 4.2实验接线 (4) 4.3启动实验装置 (5) 4.4实验步骤 (6) 5 实验设计收获、体会和建议 (9) 6 参考文献 (10)
液位和流量串级控制系统 一、课程设计目的 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、课程设计设备 ICP-7017远程数据采集输入模块、ICP-7024远程数据采集模拟量输出模块、计算机、串口线1根。 三、课程设计原理 因为流量变化瞬速，做为副调节器调节对象，中水箱液位做为主调节器调节对象。控制框图如图所示： 四、课程设计内容和步骤 串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到广泛地应用，串级控制系统是指不止采用一个控制器，而是将两个或几个控制器相串级，是将一个控制器的输入作为下一个控制器设定值的控制系统。 实验以串级控制系统来控制下水箱液位，以第二支路流量为副对象，右边水泵直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。 下水箱为主对象，流量的改变需要经过一定时间才能反应到液位，时间常数比较大，时延大。如图所示，设计好下水箱和流量串级控制系统。将主调节器的输出送到副调
双容水箱液位串级控制系统设计(精)
双容水箱液位流量串级控制系统设计 ◆设计题目 双容水箱液位流量串级控制系统设计 ◆设计任务 如图1所示的两个大容量水箱。要求水箱2水位稳定在一定高度，水流量经常波动，作为扰动量存在。试针对该双容水箱系统设计一个液位流量串级控制方案。 水箱1 水箱2 图1 系统示意图◆设计要求 1）已知主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1, 副被控对象（流量）传递函数W2=1/(10s+1。 2）假设液位传感器传递函数为Gm1=1/(0.1s+1，针对该水箱工作过程设计单回路PID 调节器，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出PID 参数整定的方法与结果； 3）假设流量传感器传递函数为Gm2=1/(0.1s+1，针对该水箱工作过程设计液位/流量串级控制系统，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出主、副控制器的结构、参数整定方法及结果； 4）在进口水管流量出现阶跃扰动的情况下，分别对单回路PID 控制与串级控制进行仿真试验结果比较，并说明原因。 ◆设计任务分析
一、系统建模 系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种建模方法。 机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程，从中获得所需的数学模型 测试法一般只用于建立输入—输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。它的特点是把研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质。 对于本设计而言，由于双容水箱的各个环节的数学模型已知，故采用机理法建模。 在该液位控制系统中，建模参数如下： 控制量：水流量Q ； 被控量：水箱2液位； 主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1, 副被控对象（流量）传递函数W2=1/(10s+1。 控制对象特性： Gm1（S ）=1/（0.1S+1）（水箱1传递函数）； Gm2（S ）=1/（0.1S+1）（水箱2传递函数）。 控制器：PID ； 执行器：流量控制阀门；
过程控制—上水箱液位进水流量串级控制系统设计
1 过程控制系统简介 1.1 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 水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。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。 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。 2、检测装置 压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。 温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。六个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外五路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成4～20mADC电流信号。 流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。 3、执行机构