液位串级控制系统
模块一液位串级控制方案
某水库采用了液位串级控制方案，通过合理配置和控制水泵、闸门等设备，实现了对水库液位的精确控制。该方 案有效保障了供水安全和稳定，提高了水资源利用率，为当地经济发展提供了有力支持。
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THANKS
能耗较高。
维护成本高
03
由于液位串级控制系统的复杂性，维护和调试成本相对较高。
安全性问题
泄漏风险
液位串级控制涉及多个储罐和管道，存在一定的泄漏风险， 需要采取安全措施以降低泄漏事故发生的可能性。
01
压力安全
在液位控制过程中，储罐内的压力可能 会发生变化，需要采取措施确保压力在 安全范围内。
02
03
保障安全
对液位进行实时监控和调节，可 以防止因液位过高或过低引起的 溢流、空罐等安全问题。
节约资源
精确的液位控制有助于减少不必 要的液体浪费，节约资源，降低 生产成本。
液位串级控制方案的历史与发展
历史回顾
液位串级控制方案的发展可追溯至上世纪末，随着工业自动化技术的不断进步，该方案 逐渐得到广泛应用。
精确度高
液位串级控制方案采用多级控制，能够显著提高液位控制的精确度， 减少误差。
适用范围广
该方案可应用于各种液体容器的液位控制，如水箱、油罐等，具有广 泛的适用性。
灵活性高
液位串级控制方案可根据实际需求调整各级控制器的参数，实现灵活 的控制效果。
液位串级控制方案的重要性
提高生产效率
精确的液位控制能够确保生产过 程中的稳定性和连续性，从而提 高生产效率。
技术革新
近年来，随着智能传感器、物联网等技术的快速发展，液位串级控制方案在精度、稳定 性和智能化方面得到了进一步优化和提升。
未来展望
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。
液位串级控制系统实习报告
液位串级控制系统实习报告一、实习目的1. 掌握液位串级控制系统的原理及组成；2. 学习使用调节器、传感器、执行器等仪器设备；3. 培养动手能力、观察能力及问题解决能力；4. 理解并实践自动控制系统在实际工程中的应用。
二、实习内容1. 液位串级控制系统原理及组成液位串级控制系统由两个控制器级联组成，上级控制器控制下级控制器，下级控制器控制被控对象。
本实习采用的液位串级控制系统主要由液位控制器、流量控制器、调节器、传感器、执行器等组成。
2. 系统设备及参数（1）调节器：采用电动调节阀，可用于控制液位和流量。
（2）传感器：采用液位变送器，用于测量液位。
（3）执行器：采用气动执行器，用于控制阀门的开关。
（4）被控对象：水箱，用于实现液位的控制。
3. 实习过程（1）设备调试：首先对液位变送器、电动调节阀、气动执行器等设备进行调试，确保设备正常工作。
（2）系统连接：将液位变送器、调节器、执行器等设备按照原理图连接起来，形成液位串级控制系统。
（3）参数设置：根据系统要求，设置调节器的控制参数，包括比例、积分、微分等。
（4）系统投运：启动系统，观察并调整参数，使系统达到稳定运行状态。
4. 问题及解决（1）问题一：系统启动过程中，液位波动较大。
解决：调整调节器参数，减小比例系数，提高系统稳定性。
（2）问题二：液位达到设定值后，系统出现超调。
解决：增加积分时间，减小超调现象。
（3）问题三：流量控制器工作不稳定，导致液位波动。
解决：检查流量控制器设备，清理阀门及管道，确保流量稳定。
三、实习收获1. 掌握了液位串级控制系统的原理及组成；2. 学会了使用调节器、传感器、执行器等设备；3. 培养了动手能力、观察能力及问题解决能力；4. 理解了自动控制系统在实际工程中的应用。
四、实习总结通过本次实习，我对液位串级控制系统有了更深入的了解，掌握了系统的原理、组成及调试方法。
在实际操作过程中，我学会了使用调节器、传感器、执行器等设备，并培养了动手能力、观察能力及问题解决能力。
分析液位与液位串级控制系统的工作过程
分析液位与液位串级控制系统的工作过程液位控制是工业生产过程中常见的一个控制过程，用于控制液体在容器中的液位。
液位控制系统的工作过程主要包括液位检测、控制信号生成和执行控制动作三个环节。
液位检测是液位控制系统的核心环节，用于实时监测液位变化并将其转换成可处理的电信号。
常见的液位检测技术包括测压法、浮球法、导电法等。
测压法是通过测量压力来间接确定液位高度。
常见的测压技术有差压变送器、差压测量法等。
浮球法则是通过浮球的位置来确定液位高度。
浮球的位置通常通过磁性开关、光电开关等装置来检测。
导电法是通过测量液位上液体与导电材质之间的电阻来确定液位高度。
液位检测信号会被送入控制信号生成器进行处理。
控制信号生成器通常根据液位信号和设定值信号进行比较，产生相应的控制信号。
常见的控制信号生成器包括比例控制器、比例积分控制器以及更复杂的PID控制器。
比例控制器根据液位信号与设定值之间的差异，按照一定的比例关系，生成一个控制信号。
比例积分控制器在比例控制的基础上，加入积分环节，用于消除系统的静态误差。
PID控制器则引入了积分和微分环节，用于更精确地控制液位。
最后，控制信号会被传送到执行机构，执行相应的控制动作。
常见的执行机构有电动阀门、电机、液位报警器等。
执行机构的动作会使得液位发生变化，直至达到设定值。
液位串级控制系统是由多个液位控制环节串接而成的控制系统。
在液位串级控制系统中，上游液位控制系统的输出作为下游液位控制系统的输入，通过逐级迭代的方式实现对液位的精确控制。
液位串级控制系统的具体工作过程如下：首先，上游液位控制系统根据液位检测信号生成控制信号并传递给执行机构，执行相应的控制动作，使液位达到设定值。
然后，上游液位控制系统的输出信号会传递给下游液位控制系统，成为其输入信号。
下游液位控制系统根据收到的输入信号和本身的设定值，生成控制信号并传递给执行机构，执行相应的控制动作，使液位达到设定值。
这个过程会不断迭代，直至液位串级控制系统中的每个液位控制系统都实现了精确的液位控制。
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 SystemDesign DescriptionIn 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目录1绪论 (1)1.1研究背景 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.2.1国外研究现状 (2)1.2.2国内研究现状 (3)1.3软件简介 (4)1.3.1 MCGS软件 (4)1.3.2 MATLAB软件 (5)1.4论文主要研究内容 (6)2系统控制方案设计 (8)2.1串级控制系统 (8)2.1.1串级系统的组成结构 (8)2.1.2串级系统设计 (8)2.2 PID控制原理 (10)2.3 PID整定 (11)2.3.1单回路PID整定方法 (11) 2.3.2串级系统PID整定方法 (13) 2.4方案设计 (14)2.4.1中下水箱液位串级 (14)2.4.2主管流量下水箱液位串级 (14) 3系统硬件设计 (16)3.1系统硬件选型 (16)3.2系统硬件原理图 (17)4系统软件设计 (18)4.1上位机组态设计 (18)4.1.1建立数据对象及通道 (18) 4.1.2组态画面设计 (19)4.2 PLC程序设计 (24)4.2.1 PLC的I/O口分配 (24)4.2.2中间变量 (24)4.2.3程序流程图 (25)5被控对象建模与辨识 (27)5.1阶跃响应曲线法建立模型 (27)5.2被控对象参数辨识 (27)5.2.1中水箱参数辨识 (27)5.2.2下水箱参数辨识 (29)5.2.3中下水箱参数辨识 (31)5.2.4主管流量参数辨识 (32)6系统调试 (34)6.1下水箱单回路 (34)6.2中下水箱单回路 (34)6.3中下水箱液位串级 (35)6.3.1中水箱单回路 (35)6.3.2中下水箱液位串级 (36)6.4下水箱液位主管流量串级 (38)6.4.1主管流量单回路 (38)6.4.2下水箱液位主管流量串级 (38)7总结 (42)致谢 (43)参考文献 (44)附录 (45)1绪论1.1研究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。
液位串级控制系统
控制系统分析课程设计课题：液位串级控制系统设计系别：电气与电子工程系专业：自动化姓名：学号：指导教师：任琦梅河南城建学院成绩评定·一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。
课程设计成绩评定1系统结构设计1.1控制方案串级控制系统是一种常见的复杂控制系统，它是根据系统结构命名的。
一、基本原理：它是由两个或者两个以上的控制器串联而成的，一个控制器的输出是另一个控制器的的给定值。
二、结构：整个系统包括两个控制回路，即主回路和副回路。
主回路有主控制器、副回路、主对象和主变送器构成；而副回路由副控制器、控制阀、副对象和副变送器构成。
三、特点：与简单控制系统相比，串级控制系统由于在结构上增加了一个副回路，所以有以下特点(1)、对于进入副回路的扰动具有较快、较强的克服能力。
(2)、改善主控制器的广义对象的特性。
(3)、对符合和操作条件的变化有一定的自适应能力。
(4)、副回路可以按照主回路的需要更精确地控制操纵变量的质量流和能量流。
四、应用场合：(1)、用于克服变化剧烈的和幅值大的干扰。
(2)、用于时滞较大的对象。
(3)、用于容量之后较大的对象。
(4)、用于克服对象的非线性。
本控制系统中，被控参量有两个，上水箱的液位和下水箱的液位，这两个参量具有相关关系。
上水箱的液位可以影响下水箱的液位，根据上下水箱的液位相关关系，故系统采用的串级控制。
其中，内环控制上水箱的液位，外环控制下水箱的液位，系统远行使下水箱的液位跟随给定值，系统框图如下图3.1所示图3.1液位－液位串级控制系统框图1.2控制规律本设计采用的是工业控制中最常用的PID控制规律，内环与外环的控制算法采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环PID的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。
4 实验四 液位串级调节系统
“－” （2）二次干扰下，若D1→△h2↓ →测量值PV2↓ → e2↓ →副调节器“ －”输出→ ↑ 调节阀“+”开度↑
△h2↑（平稳） 进入水槽流量↑
8-2
4、工作过程
恒流器Ⅰ
8mA
3mA
恒流器Ⅱ
80% 30%
给定SV1
e1
－ PV1
干扰 D1(s)
副变量 h1 1水槽 副被控对象
D2
主变量 h2 2水槽 主被控对象
置U2” 按钮，调U2 = 4mA（40%）] ，加入一个阶跃干扰，记录下该调节过
程，这一次曲线记入上表第3次做表格。
干扰
给定值SP
+ －
内给SP1 主调节器 DTL－321
－
副调节器 MV DTL－321
水槽Ⅱ
h2
水槽Ⅲ
被控参数h3
PV1
PV2
0～10mA
测量变送器 DBC－211 测量变送器 DBC－211
主调节器（PI） δ＝35％ TI ＝185s 15s TD＝0 TD＝0 KC =1.5 TI ＝
主被控参数分析结论：由上述数据可 知衰减比n=2.5:1＜4:1 ，即主被控 参数h3也没有达到4:1衰减，即主副 调节器PID整定得不合适。调整PID 参数后，重新做第二次整定，直到 n≥4﹕1为止。 8-9
TI ＝∞ TD＝0
定得比较合适。满足了PID参数整定 要求，达到了实验要求。
8-10
8.
副调节器PID参数保持上一步的不变，则用上述方法整定主调节器PID参数整
定。这一次曲线记入上表第2次做表格
9.
重新确定干扰通道上的水龙头开关位置，使干扰落在副环之外，主环之内。等
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()()()201p 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()()51p 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）。
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滞后时间大，系 统稳定较差，容 易波动。
干扰大，系统易 振荡，静态偏差 大。
给定值 调节器
液位变 送器
14
三、解决方法
1、稳定进口流量
调节器 给定值
调节阀
流量变 送器
调节阀
给定值 调节器
液位变 送器
系统特点：可快速克服进水流量干扰对被控变量的影响， 且方法简便、易于实现。
15
三、解决方法
调节阀1
0
t t∞ 0.632 t∞
0 T
t
1
G(s)
t
Ts 1
t t∞
0.632 t∞
0
t
τ0 T
蒸汽加热器的飞升曲线
G(s) 1 e0s Ts 1
10
2、对象动态特性的基本类型
3）双容对象
Qi h1 Q1 h2 双容对象
H 2 (s) Qi (s)
T1T2 s 2
K (T1
T2 )s
1
Q Qi t
3
一、实践体验—单回路不足
3、实验总结
1）性能对比
调节阀
给定值 调节器
液位变 送器
指标
对象
稳定性 调节时间 动态偏差
单容
好
短
小
双容
较差 较长
较大
4
一、实践体验—单回路不足
3、实验总结
1、什么原因？ 3、具体实施？
双容控制
2、如何解决？
5
二、知识学习——对象特性及建模
1、对象特性概念
输入量 流入量 + 流出量
0 h1
h1∞
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
0
t
h2 h2∞
P
Q2 0
t
飞升曲线
11
3）双容对象
单容对象
Q Qi
0
h1 h1 ∞
0
G(s) 1 Ts 1
Q
Qi
双容对象
t
t
0
h2 h2 ∞
P
t
0
A
t
τc T
G(s) 1 ecs Ts 1
12
4）多容对象特性
y(t)
100 50
0
n=1 n=2 n=3n=4n=5 n=6
t
123456
项目二 液位串级控制系统
模块一 液位串级控制方案
湖州职业技术学院机电工程分院
1
一、实践体验—单回路控制不足
调节阀
给定值 调节器
液位变 送器
双容液位定值控制系统
1、实验任务
（1）以下水箱的液位控 制为目标，组成如下图所示 的单回路控制系统，按照单 回路参数整定方法对控制器 的参数进行整定，并正确地 投入运行。
安全阀
出水阀
对象特性
FS
LC
LT
供水泵
输出量 被控变量
6
1、对象特性概念
对象特性类型
静态
对象的输入 参数和输出 参数达到平 衡时的相互 关系。
动态
对象的输出 参数在输入 参数影响下 的变化过程 相互。
典型
7
单容对象 时滞对象 双容对象
2、对象动态特性的基本类型
1）单容对象
Qi h
无自衡特性水槽
Q1 8
20
四、小结，学生课后自学布置
1、小结
通过本次课学习，在能力应达到： 1）掌握串级控制系统的结构和组成原理，能正确分析
串级控制系统。 2）能绘制规范的控制系统结构图和方框图。
2、作业布置
1）串级控制系统中的主、副回路如何区分？作用各是什么？ 2）串级控制系统的控制质量一定比单回路好？请说明理由。 3）锅炉液位是一单容对象，为克服进水流量的干扰，应采用 怎样的控制方案？
给定值 调节器1
液位 变送器
不足
设备较多
17
3、控制方法改进
调节器 给定值
调节阀
流量变 送器
调节阀
三、解决方法
副调节器
调节阀
流量变 送器
给定值 主调节器
液位变 送器
给定值 调节器
液位变 送器
18
三、解决方法
4、液位串级控制
调节阀
副调节器
给 定 值
液位 变送器
系统特点：控制效 果好，费用低。但调 试略为麻烦。
（2）正常运行后，对进 水量加10%左右的干扰，观 察、记录下过渡过程曲线。
2
一、实践体验—单回路不足
2、实验要求
（1）对比控制系统未加流量干扰与加流量干扰时 的最大动态偏差和静态偏差大小？
（2）有何方法解决单回路控制系统因流量干扰而 带来的控制品质下降？试着做一做。
注意事项：应认真调节好二个水箱的进、出水阀 的开度，以使水箱的液位能稳定在某一确定值上。否则， 实验无法正常开展。
21
给定值 主调节器
液位 变送器
19
3、液位串级控制
串级控制方框图
x1 + e1 - z1
主调节器 x2 + e2 - z2
副调节器
执行器 副变送器
副对象
y
y
2
1
主对象
主变送器
副回路——由副调节器、调节阀、副对象、副测量变送器组成 的回路称为副回路。
主回路——整个串级控制系统包括主对象、主调节器、副回路 等效环节和主变量测量变送器，称为主回路，又称主环或外环。
G(s) 1 Ts
Q
Qi
Q1
t 0
h
h0
0 t0
t
无自衡特性水槽的飞升曲线
2、对象动态特性的基本类型
1）单容对象
有自衡特性水槽
G(s) K Ts 1
Q
Qi
0
t
h h∞
0. 632 h ∞
0
T
t
有自衡特性水槽的飞升曲线
9
2）时滞对象
Qi 蒸汽
t 水溶液
Qi 蒸汽
水溶液
t L
蒸汽直接加热器
Q Qi
调节阀2
给定值
调节器2
液位 变送器
2、稳定上水箱液位
系统特点：可克服进 水流量干扰及上水箱其它 干扰对被控变量的影响， 且方法简便、易于实现。 综合性能较好。
给定值 调节器1
液位 变送器
16
三、解决方法
调节器 给定值
调节阀
流量变 送器
调节阀
给定值 调节器
液位变 送器
调节阀1
调节阀2
给定值
调节器2
液位 变送器
1～6个相同容量的对象飞升特性
G(s) 1 es Ts 1
T T∞
P
0A
t
τ0 τc T
具有容量和纯滞后的对象飞升特性
13
3、单双容对象特性对比
调节阀
因素 对象
时间常数
滞后时间
外界干扰
单容
时间常数小，调 滞后时间小，系 干扰小，系统稳
节及时。
统较稳定。
定，静态偏差小。
双容
时间常数大，调 节时间较长。