双容水箱液位控制系统
双容水箱液位流量串级控制系统设计
目录1.设计题目 (2)2.设计任务 (2)3.设计任务分析 (2)4.设计内容 (5)5.设计总结 (13)6.参考文献 (14)双容水箱液位控制系统设计1.设计题目双容水箱液位控制系统设计2.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2图1 系统示意图3.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：下水箱液位；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)。
检测对象特性：Gm1（S）=1/（0.1S+1）（液位传感器）；Gm2（S）=1/（0.1S+1）（流量传感器）。
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。
为保持水箱2液位的稳定，设计中采用闭环系统，将水箱2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，当水箱2有干扰时，此干扰经过控制通路传递到水箱2，会有很大的延迟，进而是控制器响应滞后，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。
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。
一种双容水箱液位系统的状态反馈控制方法
一种双容水箱液位系统的状态反馈控制方法双容水箱液位系统是指一个由两个水箱组成的系统，每个水箱都有一个液位传感器用于测量水位，并通过控制阀门来控制水箱中的液位。
双容水箱液位系统常用于工业自动化领域，例如供水系统、排水系统等。
状态反馈控制是一种控制方法，其基本思想是通过测量系统的状态变量（例如水位），并根据测量值与期望值之间的差异来调整控制信号，使系统状态趋向于期望值。
状态反馈控制可以提高系统的稳定性、精度和鲁棒性。
1. 建立系统数学模型：首先需要根据双容水箱液位系统的物理特性建立数学模型，一般可以通过质量守恒定律和动力学方程来描述系统的动态行为。
数学模型通常是一个线性方程组，其中包含系统的状态变量、输入变量和输出变量。
2. 设计状态反馈控制器：在确定系统的数学模型后，可以根据控制要求设计状态反馈控制器。
状态反馈控制器一般采用线性函数的形式，根据系统的状态变量来计算控制信号。
状态反馈控制器的设计目标是使系统的状态稳定在期望值附近，并达到良好的动态响应性能。
3. 选择状态变量：在设计状态反馈控制器时，需要选择合适的状态变量来观测系统状态。
对于双容水箱液位系统，通常选择水位作为状态变量。
水位可以通过液位传感器进行实时测量，并用于计算控制信号。
4. 设计控制律：根据选定的状态变量和系统的数学模型，可以设计控制律来计算控制信号。
控制律一般采用反馈增益矩阵的形式，其中每个元素表示控制信号与状态变量之间的关系。
5. 模拟和调试：在设计完控制律后，可以通过数学模型的仿真来验证控制系统的性能。
通过调整反馈增益矩阵的数值，可以改变系统的稳定性和响应速度等特性，以满足控制要求。
6. 实施控制器：在完成了控制器的设计和调试后，可以将控制器实施到实际的双容水箱液位系统中。
为了实现实时控制，可以使用微处理器或PLC等数字控制器来实现控制律的计算和信号输出。
7. 验证控制效果：在实施控制器后，需要对控制系统进行实时监测和调整。
一种双容水箱液位系统的状态反馈控制方法
一种双容水箱液位系统的状态反馈控制方法双容水箱液位系统是指系统中有两个水箱，通过管道相连，其中一个作为主水箱，另一个作为辅助水箱。
液位系统的控制是指通过控制系统对水箱中的液位进行监测和调节，以确保系统稳定运行。
状态反馈控制方法是指通过对系统状态进行实时监测和反馈，对系统进行控制。
双容水箱液位系统常常用于工业生产中的液位控制，例如用于控制锅炉的水位或者蒸汽发生器的水位。
在这种系统中，液位的精确控制是非常重要的，可以保证系统的安全运行和生产的稳定性。
传统控制方法主要是指经验法则和经验参数的调节，常见的方法包括比例控制、积分控制和微分控制。
其中比例控制通过测量水箱的液位并与给定的水位进行比较，从而调节控制阀的开度，使得水位保持在设定值附近。
而积分控制则通过对比实际液位和设定值的差异进行累积，以消除静差。
微分控制则是通过对实际液位变化速率的测量进行控制，以增强系统的稳定性。
传统控制方法存在的问题是对于非线性系统难以准确控制，容易受到环境干扰和参数变化的影响，因此在实际应用中效果并不理想。
与传统控制方法相比，现代控制方法更加灵活和精确，典型的现代控制方法包括模糊控制、遗传算法控制和神经网络控制等。
模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，通过建立模糊规则来实现对系统的非线性控制。
遗传算法控制则是通过模拟生物进化过程中的优化机制，寻找最优的控制参数。
而神经网络控制利用人工神经网络的信息处理和学习能力，实现对系统的精确控制。
在双容水箱液位系统中，采用现代控制方法有以下几个优点：1. 对非线性系统的控制效果更好。
传统的比例积分微分控制方法对于非线性系统难以准确控制，而现代控制方法可以更好地适应系统的非线性特性，提高控制精度。
2. 对环境干扰和参数变化的鲁棒性更强。
现代控制方法可以通过对系统状态的实时监测和反馈，及时调整控制参数，以应对环境干扰和参数变化带来的影响。
3. 可以实现自适应控制。
现代控制方法可以通过对系统状态的实时监测和数据的学习，实现对系统的自适应控制，从而达到更好的控制效果。
双容水箱液位控制
目录1 课程设计任务书 (2)2 总体设计方案 (4)3 PLC的设计 (6)3.1 外部接线 (6)3.2 程序编写 (6)4 组态王 (9)4.1 新建工程 (9)4.2 创建组态画面 (10)4.3 定义IO设备 (10)4.4 构造数据库 (11)4.5 动画连接 (12)4.6 实时趋势曲线 (14)4.7 历史趋势曲线 (15)4.8 报警窗口 (17)6 调试运行及其结果 (19)6.1 调试步骤 (19)6.2 调试结果 (19)收获体会 (21)参考文献 (22)1课程设计任务书《控制系统分析与综合》任务书题目：液位控制系统设计一、工程训练任务本实训综合运用自动化原理、PLC技术以及组态软件等相关课程，通过本实训的锻炼，使学生掌握自动化系统的基础理论、技术与方法，巩固和加深对理论知识的理解。
本课题针对液位控制系统作初步设计和基本研究，该系统能对水箱液位信号进行采集，以PLC为下位机，以工控组态软件组态王设计上位机监控画面，运用PID控制算法对水箱液位进行控制。
二、工程训练目的通过本次工程训练使学生掌握运用组态王软件及PLC构建工业控制系统的能力，增强学生对PLC控制系统以及组态王软件的应用能力，培养学生解决实际问题的能力，为今后从事工程技术工作、科学研究打下坚实的基础。
三、工程训练内容1) 确定PLC的I/O分配表；2) 根据PID控制算法理论，运用PLC程序实现PID控制算法；3) 编写整个液位控制系统实训项目的PLC控制程序；4) 在组态王中定义输入输出设备；5) 在组态王中定义变量；6)设计上位机监控画面；7)进行系统调试。
四、工程训练报告要求报告中提供如下内容：1、目录2、任务书3、正文4、收获、体会5、参考文献五、工程训练进度安排周次工作日工作内容第一周1 布置课程设计任务，查找相关资料完成总体设计方案23 完成PLC程序设计完成监控画面设计45第二周1 调试23 准备训练报告4 完成训练报告并于下午两点之前上交5 答辩六、工程训练考核办法本工程训练满分为100分，从工程训练平时表现、工程训练报告及工程训练答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。
基于MATLAB的双容水箱液位控制系统设计
基于MATLAB的双容水箱液位控制系统设计摘要：本文基于MATLAB，设计了一个双容水箱液位控制系统。
首先，介绍了控制系统的背景和目标。
然后，系统的数学模型被建立，并通过MATLAB进行了模拟。
接下来，设计了控制器和观测器，并进行了系统的闭环控制。
最后，通过实验验证了系统性能的有效性。
1.引言水箱液位控制是许多工业和民用领域常见的问题之一、传统的液位控制方法通常有许多局限性，例如精度不高、控制响应慢等。
因此，设计一种高性能的液位控制系统对实际应用非常重要。
本文基于MATLAB，设计了一种双容水箱液位控制系统，旨在提高控制精度和响应速度。
2.系统建模首先，建立了双容水箱的数学模型。
假设水箱内的水可以视为不可压缩和不可挤压的流体，使用连续性方程和质量平衡方程来描述液位的变化。
然后，使用传感器和反馈控制器来测量和控制液位。
最后，利用MATLAB进行模拟，验证了该数学模型的准确性。
3.控制器设计为了提高系统的控制性能，设计了一个PID控制器。
PID控制器包括比例、积分和微分三个部分，分别用于校正偏差、消除静差和抑制振荡。
通过调整PID的参数，优化了系统的控制性能。
4.观测器设计为了实时监测液位变化，设计了一个观测器。
观测器根据已知的控制输入和输出，估计状态变量的值。
在双容水箱液位控制系统中，使用了一种基于卡尔曼滤波器的观测器，为系统提供了准确的状态估计。
5.闭环控制将控制器和观测器与水箱液位控制系统相结合，形成一个闭环控制系统。
通过控制器的输出控制水泵的速度，实现对液位的控制。
通过观测器的输出估计液位的值，为控制器提供准确的反馈。
6.实验验证通过实验验证了设计的双容水箱液位控制系统的有效性。
将系统置于实际工作环境中，测量液位的变化，并与理论模型进行比较。
实验结果表明，该系统具有良好的控制性能和响应速度。
7.结论本文基于MATLAB，设计了一个双容水箱液位控制系统。
通过系统建模、控制器设计和观测器设计，实现了对液位的精确控制。
双容水箱液位串级控制系统设计答辩稿
主控制
副控制
上水箱
下水箱
单回路仿真框图
单回路无校正仿真曲线
单回路控制仿真框图
单回路控制最终仿真曲线 参数：K1=9.8，Ti=0.4，TD=35
串级控制系统仿真框图
串级有校正仿真曲线 参数P1=77，I=5，D=55，P2=15
•
动态性能指标对比
td
单 回路 串 级 0s 2s 1s 0s 0.5 % 0 1s
tr
tp
ts
0s
σ
1
ess
0
2.5s 2s
含噪声单回路PID控制的系统仿真框 图
含有噪声单回路仿真曲线 参数P1=77，I=5，D=55
含噪声串级控制框图
含噪声串级控制最终仿真曲线 参数P1=77，I=5，D=55，P2=15
含噪声的动态性能指标对比
td 单回 0.4s 路 tr 1.5s tp 1s ts 8s σ 20 ess 0.1
串s
0.8% 0
• 感谢各位老师的观看
• 学生：卢嘉鑫 • 指导教师：赵静
双容水箱液位串级控制系统设 计
• 1、建立系统数学模型 • 2、设计双容水箱液位单回路反馈控制系统 和串级控制系统 • 3、先对未加校正的单回路系统进行仿真， 然后加入控制，进行仿真以及参数整定， 然后进行串级系统仿真及参数整定，并与 之前单回路系统进行动态性能指标比较。 • 4、含有噪声的串级控制仿真，并与之前含 有噪声的单回路反馈控制系统进行比较。
• • • • • • •
控制变量：进水流量QI； 主被控参数：下水箱液位 副被控参数：上水箱液位； 主控制器：PID； 副控制器：P 执行器：控制阀； 上水箱尺寸为：A1=0.0025m2,h=10cm，R1=2 m3/s;下水箱尺寸为：A2=0.02m2,h=10cm， R2=1m3/s，上水箱的流入量为QI=0.0083m3/s， 流出量为Q1=0.02m3/s，下水箱流出量 Q2=0.01m3/。
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双容水箱液位控制系统
简介
双容水箱液位控制系统是一种能够自动检测液位并控制液位的系统，通常用于
工业生产中的水处理、冷却等环节。
它包括两个水箱和一套自动液位控制系统。
系统组成
双容水箱液位控制系统主要由以下几部分组成：
1.双个水箱：分别是进水箱和出水箱，供水系统在进水箱中存储新的水，
然后将水处理后的水送到出水箱，最后再供应到整个系统中。
2.液位控制器：一种能够检测并控制液位水平的控制器，通过传感器收
集水位信号，并将数据传输到中控系统中。
3.中央控制器：用于处理液位信号和控制整个系统，开启或关闭水泵和
控制进出水箱之间的流量。
系统工作原理
当水处理系统开始工作时，水泵会将新的水送入水箱中。
同时，液位控制器会
监测进水箱的液位，发送信号到中央控制器。
当进水箱的液位降到最低时，中央控制器会打开进水阀门，并将水流至进水箱中。
当进水箱液位升高到预设液位时，液位控制器会停止进水。
如果进水箱液位超过了预设值，控制器会关闭进水阀门，以避免水溢出。
同样的，出水箱也安装有液位控制器，监测出水箱液位，当液位达到最高限制时，中央控制器会打开出水阀门，并控制出水量。
当出水箱的液位降至预设值时，中央控制器会关闭出水阀门，以避免水泵过载。
优势
双容水箱液位控制系统的优势主要在于以下几点：
1.自动化程度高：整个水箱液位控制系统实现了全自动化的工作流程，
大大减少了人工干预的频率和工作强度。
2.稳定性好：水箱液位控制系统能够实时监测液位变化，并根据水量来
调整水泵流量，保证了流量平稳且不会超载，同时可以避免水流过大或过小带来的问题，提高了整个系统的稳定性和安全性。
应用场景
双容水箱液位控制系统适用于以下场合：
1.工业生产：工业生产中通常需要大量的水，而这些水又需要简单地进
行过滤以保证生产质量。
双容水箱液位控制系统能够有效地满足这些需求。
2.冷却系统：在冷却系统中，温度是一个至关重要的因素。
过高或过低
的温度都会导致整个系统的损坏，而恰当的水流量和水温可以保持整个系统的适宜温度和稳定性。
双容水箱液位控制系统是一种非常实用而自动化的系统，主要用于工业生产和冷却系统中，可以帮助操作人员自动完成大量的重复性工作，提高了生产效率和产品质量。