水箱液位单回路控制系统
实验五、单容水箱液位PID控制实验(DCS)
实验五、单容水箱液位PID控制实验(DCS)一、实验目的1）、熟悉单容水箱液位反馈PID控制系统硬件配置和工作原理。
2）、熟悉用P、PI和PID控制规律时的过渡过程曲线。
3）、定性分析不同PID控制器参数对单容系统控制性能的影响。
二、实验设备CS4000型过程控制实验装置，DCS系统、 PC机，监控软件。
三、实验原理一阶单容水箱PID控制方框图图为单回路上水箱液位控制系统。
单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。
根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用EPA系统控制。
当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。
但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。
对于我们的实验系统，在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如下图中的曲线①、②、③所示。
P、PI和PID 调节的阶跃响应曲线四、实验步骤(1)关闭出水阀,将CS4000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。
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课程设计报告设计题目：水箱液位控制系统班级：自动化0901班学号：20092395姓名:郝万福指导教师:王姝梁岩设计时间：2012年5月7号----5月25号摘要在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题, 例如居民生活用水的供应，饮料、食品加工等多种行业的生产加工过程，通常需要使用蓄液池，蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。
因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。
在这次课程设计中，我们主要是设计一个水箱液位控制系统，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID 参数整定、传感器和调节阀等一系列的知识。
通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度.首先测取被控液位高度过程的图像，建立了主回路的进水流量和主管道流量、进水流量和水箱(上)液位高度、副回路进水流量和水箱（上）液位、双容水箱的进水流量和水箱（下)液位之间的数学模型，从而加强了对液位控制系统的了解。
然后,通过参数试凑法对PID参数的调试，使上述的模型能快速的达到稳定并且超调量和余差等满足设计要求。
最后通过MATLAB仿真实验，加深了对双容水箱滞后过程以及串级水箱液位过程和前馈控制系统的理解，对工业控制工程中对控制系统设计过程有了一定的认识。
单容水箱液位控制系统的设计
单容水箱液位控制系统辨识一、单容水箱液位控制系统原理单容水箱液位控制系统是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。
单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。
图1-1为单容水箱液位控制系统方块图。
当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。
因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
图1-2是单容液位控制系统结构图。
图1-1 单容水箱液位控制系统的方块图系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定值无偏差存在。
图1-2 是单容水箱液位控制系统结构图。
一般言之，具有比例（P ）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分（PI ）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti 选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。
图1-2 单容液位控制系统结构图比例积分微分（PID ）调节器是在PI 调节器的基础上再引入微分D 的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。
在单位阶跃作用下，P 、PI 、PID 调节系统的阶跃响应分别如图1-3中的曲线①、②、③所示。
T( c).1e ss231图1-3 P、PI和PID调节的阶跃响应曲线二、单容水箱液位控制系统建模2.1 液位控制的实现液位控制的实现除模拟PID调节器外，可以采用计算机PID算法控制。
水箱液位单回路控制系统
水箱液位单回路控制系统一、控制目的根据设定的控制对象和管道配置，运用计算机和INTOUCH组态软件，设计一套监控系统，并通过调试使得水箱液位维持恒定或保持在一定的误差范围内。
二、性能要求1、要求水箱液位恒定，液位设定值SP自行给定。
2、无扰动时，水压基本恒定，由变频器控制水泵实现。
3、扰动因数：水箱出水流量允许波动。
4、预期性能：响应曲线为衰减震荡；允许存在一定误差。
调整时间尽可能短。
三、方案设计、控制规律选择简单控制系统一般是单回路控制系统。
由于其结构简单并且能够满足大多数控制质量的要求，因此在生产过程控制中得到了广泛的应用，是生产过程控制中最基本的一种控制系统。
一个单回路反馈系统是由测量变送器装置、控制器、和被控对象所组成，按其被控变量类型的不同可以分为温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液位控制系统等。
控制系统设计时针对某一特定生产对象进行的，当系统安装完成之后，控制效果主要取决于控制器的参数设定整定。
选择合适的比例度、积分时间、微分时间是保证和提高系统控制质量的主要途径。
单回路水箱的原理，系统地输入变量为进水阀门、出水阀门的开度，输出变量为水箱液位。
单回路PID控制的被控制量是水位，控制量是进水门、出水门开度。
通过调节PID控制器的比例增益、积分时间、微分时间三个参数得到比较好的控制效果。
PID 调节器构成的闭环控制回路一般原理如图1 所示图1 控制系统方框图控制系统草稿图如图2图2控制规律选择：目前工业上常用的控制规律主要有：比例控制、比例积分控制和比例积分微分控制等。
本方案采用比例积分微分控制。
比例控制——克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。
是最基本的控制规律。
但在终了时会存在余差，负荷变化越大余差越大。
使用于滞后较小、负荷变化不大、允许被控变量存在余差的场合。
比例积分控制——在比例作用下引用积分作用，虽然会使系统的稳定性降低，但没有余差。
适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、不允许被控变量存在余差的场合。
单容水箱液位控制系统的设计
单容水箱液位控制系统辨识一、单容水箱液位控制系统原理单容水箱液位控制系统是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动 的影响。
单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般 生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。
图 1-1为单容水箱液位控制系统方块图。
当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的 选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之， 控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常 工作。
因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个 很重要的实际问题。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十 分重要的工作。
图1-2是单容液位控制系统结构图GK-07图i-i 单容水箱液位控制系统的方块图系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定 值无偏差存在。
图1-2是单容水箱液位控制系统结构图。
一般言之，具有比例（P ）调节器的系统是一个有差系统，比例度3的大 小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分电帖泵204上水箱（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数3, Ti选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。
图1-2单容液位控制系统结构图比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。
在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图1-3中二、单容水箱液位控制系统建模2.1液位控制的实现液位控制的实现除模拟PID调节器外，可以采用计算机PID算法控制。
首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过单片机进行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，再将输出值传送到单片机中，由单片机将数字信号转换成模拟信号。
单容水箱单回路液位控制工艺流程简介
单容水箱单回路液位控制工艺流程简介下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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单回路双容水箱液位控制系统组态软件课程设计
摘要随着科技的进步，自动化逐步走进千家万户。
本学期在修完《监控系统程序设计技术》课程后，运用工业监控系统组态软件（MCGS），结合一个自动控制系统，学生自选题目进行工程设计。
本次设计的工程系统是“单回路双容水箱液位控制系统”。
通过查阅相关资料，了解到单回路双容水箱的液位控制采用PID调节方法，设定水位与实际水位的偏差和水泵电压信号构成PID调节的输入与输出单回路双容水箱液位控制系统充分体现着自动化技术的优越性，通过简单操作来实现水箱液位的自动控制。
其主要目的是：根据用户的需求，按照用户所设定的水箱液位值，系统自动识别并给出相应的电压信号，控制进水流量，从而控制水箱液位达到设定液位。
此外在操作方面，该系统紧密联系实际，可以进行手动控制和自动控制的自由切换。
同时为了便于用户使用和实时监控，该系统设置了多项曲线和报表显示窗口，以及多个显示标签。
在安全机制方面，在操作权限上根据实际情况进行人员分组管理设置，并设有密码，以便提高系统的安全性能。
通过本次课设学生不仅对课程内容更加了解，通过也提高了学生的动手实践和设计能力。
关键词：水位控制；PID；课程设计；自动化AbstractWith the progress of science and technology, automation and gradually into thethousands of households. This semester in completing the "program" monitoringsystem design technology course, the use of industrial monitoring systemconfiguration software (MCGS), combined with an automatic control system,students choose the subject of Engineering design. Engineering system of this design is a "single loop and double tank water level control system".Through access to relevant information, understanding to the level of single loopcontrol of two tank using PID regulation method, set the water level and theactual waterlevel deviation and the pump voltage signal to form the PID input and output regulation Single loop and double tank water level control system, fully embodies theadvantages of automation technology, through simple operation to realize the automatic control of tank level. Its main purpose is: according to the needs of users, according tothe water level set by the user value, automatic identification system and the corresponding voltage signal, water flow control, so as to control the water level reaches a set level. In addition, in the operation of the system,close connection is actual, can be manually controlled and free switch automatic control. At the same time in order to facilitate the use of the user and the real-time monitoring, the system has set up a number of curves and report display window, and a plurality of display tag. In a safe mechanism, set inthe personnelgrouping management operation authority based on the actual situation, and is provided with a password, so as to improve the safety performance of the system.Through this lesson student not only learn more about the content of thecourse,through hands-on practice and also improve the students' ability to design.Key Words：Water level control ;PID; Curriculum design; Automation目录摘要 (I)Abstract (II)第1章选题及工艺流程分析说明 (1)1.1 系统概述 (1)1.1.1 选题想法 (1)1.1.2 设计思路 (1)1.2 组态设计的目标 (2)1.3 PID控制原理 (3)1.3.1PID概况 (3)1.3.2系统串级控制方案设计 (5)第2章MCGS工程组态 (7)2.1 主控窗口设计 (7)2.2 设备窗口设计 (8)2.3 用户窗口设计 (8)2.4 实时数据库设计 (11)2.5运行策略设计 (12)2.6脚本程序设计 (12)第3章仿真 (15)3.1 运行结果分析 (15)3.2 组态设计和调试中遇到的问题、解决方法和结果 (15)3.2.1 遇到的问题 (15)3.2.2 解决方法和结果 (15)第4章总结 (16)参考文献 (17)第1章选题及工艺流程分析说明在工业实际生产中，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。
水箱液位控制系统
水箱水位控制系统设计一、系统结构原理1.1自动控制系统的组成（1）自动控制系统由控制对象和制动控制设备组成。
即由控制对象、传感器、控制器和执行器所组成的闭环控制系统。
（2）所谓控制对象是指所需控制的机器、设备、或生产过程。
（3）被控参数是所需控制和调节的物理量或状态参数化，即控制对象的输出信号，如房间温度、水箱水位。
(4)被控参数的预定值（或理想值）称为给定值（设定值）。
给定值与被控参数的测量值之差称为偏差。
（5）扰动是指除给定输入之外，对系统的输出有影响的信号的总称。
(6)传感器是指把被控参数成比例地转变为其他物理量信号（如电阻、电势、电流、气压、位移）的元件或仪表，如热电阻、热电偶等，如果传感器所发出的信号与后面控制所要求的信号不一致时，则需要增加一个变送器，将传感器的输出信号转换成后面所要求的信号。
(7)控制器是指将传感器送来的信号与给定值进行比较，根据比较结果的偏差大小，按照预定的控制规律输出控制信号的原件或仪表。
(8)执行器是动力部件，它根据控制器送来的控制信号大小改变调节阀的开度，对控制对象施加控制作用，使被控参数保持在给定值。
1.2 水箱水位结构原理水箱尺寸：长×宽×高=25×20×40 液位控制系统由被控水箱1、蓄水箱2液位检测仪表差压变送器LT 、调节器LC 、调节阀等组成。
3cm二、系统控制要求及指标2.1水箱水位的控制要求：液位L=30cm(可任意设置)稳态误差ess（余差）≤±5mm过度时间ts≤4分钟衰减比n＞4:12.2对自动控制控制系统的基本要求：(1) 稳定性：稳定性是对控制系统最基本的要求。
所谓系统稳定，一般指当系统受到扰动作用后，系统的被控制量偏离了原来的平衡状态，但当扰动撤离后，经过若干时间，系统若仍能返回到原来的平衡状态，则称系统是稳定的。
(2) 准确性：给定稳态误差和扰动稳态误差越小，表示稳态精度也越高。
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比例微分控制——引入了微分作用，具有超前控制作用，在被控对象具有较大滞后时，会有效的改善控制质量。但对于滞后小干扰作用频繁，含有高频噪声的系统，将可能使系统产生振荡，甚至失控。
微分系数
eko
内存实型
中间变量
ek01
内存实型
中间变量
ek02
内存实型
中间变量
TI
内存实型
积分系数
P
内存实型
Pv
内存实型
SP
内存实型
PID 调节器构成的闭环控制回路一般原理如图1 所示
图1 控制系统方框图
控制系统草稿图如图2
图2
控制规律选择：目前工业上常用的控制规律主要有：比例控制、比例积分控制和比例积分微分控制等。本方案采用比例积分微分控制。
比例控制——克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。是最基本的控制规律。但在终了时会存在余差，负荷变化越大余差越大。使用于滞后较小、负荷变化不大、允许被控变量存在余差的场合。
2．控制台：含接线端子、485总线模块、控制电源。
3．计算机。
4．组态软件。
压力传感器:：压力传感器用来对管道压力进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力传感器，本传感器按标准的二线制传输，稳定性好，可靠性高。可方便与其他DDZ—ⅢX型仪表互换配置,并能直接替换进口同类仪表。工作时需串入24V直流电压，0.5级精度，二线制4-20mA标准信号输出。
主阀开度
VV1
I/O离散
bai
ddo2.value
电磁阀1
VV2
I/O离散
bai
ddo14.value
电磁阀2
VV4
I/O离散
bai
ddo4.value
电磁阀3
Star
内存离散
开始运行
Auto
内存离散
自动运行
a01
内存整型
中间变量
a11
内存整型
中间变量
a21
内存整型
中间变量
Kp
内存实型
比例系数
TD
内存实型
变频器：三菱FR-S520变频器，4-20mA控制信号输入，可对压力进行控制，体积小，外加电流控制，频率可高达200Hz。
水泵：采用丹麦格兰富循环水泵。220V供电。
电动调节阀采用德国PS公司进口PSL201型智能电动调节阀。
牛顿7000系列模块：D/A7024模块4路模拟输出，电流（4-20mA）电压（1-5V）信号均可，A/D7017模块8路模拟电压输入，485/232转换7520模块，转换速度极高（300～115KHz），232口可长距离传输。
水箱液位单回路控制系统
一、控制目的
根据设定的控制对象和管道配置，运用计算机和INTOUCH组态软件，设计一套监控系统，并通过调试使得水箱液位维持恒定或保持在一定的误差范给定。
2、无扰动时，水压基本恒定，由变频器控制水泵实现。
3、扰动因数：水箱出水流量允许波动。
8．能够通过OPCLINK完成INTOUCH组态软件和Kingview组态软件的实际连接。
9．能够手动投运系统，实现手动功能。如有问题，能够修正设计。
10．能够自动投运系统，实现自动控制功能。如有问题，能够修正设计。
11．运行结果必须实现控制目的。
五、仪表及模块 ：
1．装置柜：含被控对象―水箱、管道（直径4”）、仪表、供水设备、开关电磁阀和电动调节阀等。
七、标记名字典
变量名称
标记类型
访问名
项目名
注释
flow_mian
I/O实型
bai
rliuliang1.value
主流量
liquid_up
I/O实型
bai
ryewei1.value
上水箱液位
liquid_down
I/O实型
bai
ryewei2.value
下水箱液位
Uk0
I/O实型
bai
ruk0.value
控制系统设计时针对某一特定生产对象进行的 ，当系统安装完成之后，控制效果主要取决于控制器的参数设定整定。选择合适的比例度、积分时间、微分时间是保证和提高系统控制质量的主要途径。
单回路水箱的原理，系统地输入变量为进水阀门、出水阀门的开度，输出变量为水箱液位。单回路PID控制的被控制量是水位，控制量是进水门、出水门开度。通过调节PID控制器的比例增益、积分时间、微分时间三个参数得到比较好的控制效果。
D/A模块：nudan7024
模块外形
模块原理
模块接线
模块性能：电流输出4-20Ma;
A/D模块:nudan7017—电压输入
DO模块:nudan7043
通信模块:nudan7530
六、工艺流程图和系统组态图
手动 自动
图3工艺流程图4系统组态
系统可以手动/自动控制，通过控制电池阀开度改变水的流量，使水位达到预定数值。
比例积分微分控制——综合了比例、积分、微分控制规律的优点。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。
该方案的控制目标是使水位达到平衡状态，通过控制电动调节阀改变阀门开度，来控制流量的大小，从而来控制水位。选择阀门开度为控制量，水位为被控量。控制规律选择PID控制规律。
四、测要求试：
1．使用INTOUCH组态软件。
5．要求系统具备如下手动控制功能：控制电磁阀开通和关闭、通过直接给定控制电动调节阀开度。
6．要求系统具备如下自动控制功能：控制电磁阀开通和关闭、通过闭环PID运算结果控制电动调节阀开度，允许在线实时调整PID参数和水位给定值。
7．能够正确识别有关仪表和智能模块，按照I/O设定完成控制台上所用I/O接线。
4、预期性能：响应曲线为衰减震荡；允许存在一定误差。调整时间尽可能短。
三、方案设计、控制规律选择
简单控制系统一般是单回路控制系统。由于其结构简单并且能够满足大多数控制质量的要求，因此在生产过程控制中得到了广泛的应用，是生产过程控制中最基本的一种控制系统。一个单回路反馈系统是由测量变送器装置、控制器、和被控对象所组成，按其被控变量类型的不同可以分为温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液位控制系统等。
2．采用计算机控制方式和PID控制规律。
3．设计出比较完整的控制画面。画面包括被控水箱、储水箱、电动调节阀、管道及其开关型电磁阀、流量检测仪表及显示、压力检测仪表及显示、阀位检测及显示、水位检测仪表及显示、实时曲线、历史曲线、PID参数调整框、手动控制开关、自动控制开关、结束退出开关。
4．设计出采用PID控制规律的脚本程序。