水箱液位串级控制系统(完整版)实用资料.doc

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1、水箱液位串级控制系统（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载）常用介词的原始概念及部分引申意义1. about 表示地点：“在周围，在各处，在附近”Dont throw waste paper about.We took the foreign friend about the garden.表示时间、程度：“大约，近于”The tree is about 10 meters tall.The bus will leave at about 8:30.表示客体关系：“对于，关于，有关”What do you talk about the subject?What is

2、 she so happy about？2. above 表示位置，职业，数量，年龄等：“在上方，在之上，超过”The temperature is above 8 today.There is a map of China above the blackboard.A bird is flying above the woods.引申义：表示品质， 行为能力等方面“超过， 超出之外”；“因太（难好）而不”The problem is above me.Jim is above all the other boys in his class.反义词below用法基本相同。3. at表示时间：“

3、在（时刻、钟点、岁数）等The meeting will begin at 9:00 tomorrow.表示地点：“在（指小地方）at the food of the hill at NO.248 in/on Guangming Road表示动作方向：“针对，朝，向”He threw a stone at the window.Look at point at 表示状态：“在之中”at work at meeting at desk at table 表示原因：He was surprised at my words. They were sad at hearing the mews.He

4、was glad at what her brother had said.4. after表示时间和空间：“在之后”He goes on working day after day. Dont work at once after meals.After you!你先请引申意义：“追求”Who is he after? 他在追求谁？5agaist ：“反对，违背 ”The man is standing against the wall.We will have match against Class3 tomorrow.6.before表示时间：“在之前、以前”the day before

5、 yesterday表示位置：“在前面、当着的面”There is a chair before the bed.7.along：“沿着/顺着”Walk along the road and you will find the cinema.8among ：among:在之中， between ：在（两者）之间9.behind：表示地点，位置：在背后， 在后面There is a tree behind my house.表示时间：迟于、晚于、落后于His ideas are behind the times.10.beside在旁 边，在附近The man who is standing b

6、eside my father is my uncle.There is a beautiful park beside the hotel.11.besides except but 用法区别Besides 表示“除之外还有”；except和 but 近义，表示“除之外没有”Besides the Spring Festival ,Mid-autumn Day is also an important traditional festival in China.This morning nobody was late for school except Tim.(Tim was late f

7、or school12.by 表示地点：在旁边，在身边Come and sit by me !There is a house by the river.表示方式，手段：“靠，用， 通过”He usually goes to school by bus. (by bike ,by car , by air , by ship , by boat 表示时间：到为止（常用于完成时态中）By the end of this year, we have planted more than two thousand trees.The meeting had been on for ten minute

8、s by the time I got there.表示动作方向，位置：经过，沿着I go by his office every morning.They went on by the hill-road.13.down 沿着向下（副词：朝下，向下）fall down , get down , go down the street14.during在期间Father Christmas will come during the night before Christmas 15.for 表示行为目的，对象：为，替（代），对于you can have a rest , I will do it

9、 for you.We eat for living , but living is not for eating.I went shopping for mother last Sunday.“限定于，供用的”James Herriot is a famous doctor for animals.Here are some books for children .This is a litter for you.This food is for lunch.“就而言，至于”Thats all for this class.It is too cold for September here.

10、表示目的，去向：“向，往，去”The train will leave for Shanghai at 2 oclock.Lets go out for a walk.表示原因：He was late for school for the bad weather.表示时间，距离，数量：“计达”The man has been her for a long time.We have studies in WunXu Middle School for three years.16 from ：表示起点来源：从，从起，从来This scientist is from Beijing.How far

11、 it from here to Guilin?The letter is from my brother.17 in ：在里表示地点：场所：“在里，在上 ”I live in school .There is a book in his hand.表示状态：情况，境遇，服饰等“处于之中”She is in red today.(She is wearing red clothes today.Irarq was in war three years ago.表示时间：在期间， 在以后，在以内I will be back in two days.You must finish the work

12、 in two days.After three years ,he went to Paris with his family.“in +段时间”：以当前时间为起点多长时间之后（现在将来）“after+段时间”：以过去某时间为起点多长时间之后（过去将来）表示范围，领域：在方面，在之内I am weak in English and Math.表示方式：以，用Say it in English ,please.I will take you there in my car.18.into表示动作方向“到里”He fell into the river. The children went in

13、to the classroom and began their class.表示变化状态：成为，转入，变成Change the sentences into English, please. 课程设计报告专业班级 自动化0702 课 程 过程系统及工程 题 目 水箱液位控制系统 学 号 学生姓名 指导教师 雷俊红 2021年12月西安文理学院机械电子工程系课程设计任务书学生姓名 专业班级 自动化0702 学 号 08103070 指导教师 雷俊红 职 称 讲 师 教研室 自动化 课 程 过程控制系统及工程 题目水箱液位控制系统设计 任务与要求设计任务：利用实验室的多容水箱及其辅助检测设备，并

14、采用PLC作为控制器的硬件，设计一个液位控制系统，使液位能够保持在设定的范围内。设计要求：1 根据设计任务首先进行系统方案设计，要求绘制出控制系统的结构图及控制系统框图；2 确定方案后，设计控制系统的电气原理图；3 根据设计的原理图，进行硬件连接；4 编制PLC的控制程序并设计一套简单的上位机监控画面；5 调试PLC程序直至满足控制要求为止；6 对控制系统设计的过程进行总结，认真书写课程设计报告并按时上交。开始日期 2021年12月05日 完成日期 2021年12月30日 2021年 12 月 10 日摘 要 双容水槽是工业生产过程的常见被控对象,对其液位的控制通常采用模拟仪表、计算机、PLC

15、等单回路控制, 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,对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求，加之，现代工业生产中的工艺过程日趋复杂 ,对控制系统的指标要求也越来越高。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。因此，本文采用了西门子S7-300系列PLC结合液位传感器实现双容液位串级控制系统。该系统能有效克服对象的容量滞后,提高控制精度,减小系统超调。本文阐述了PLC实现双容液位串级控制系统的的工作原理,并从系统硬件组成、PLC工作流程、I/O口分配、控制方式以及工控组态人机监控界面设计等方面进行了详细论述，具有较强的实用性关键词： 西门子S7-30

16、0；串级控制；液位；上位机监控目 录摘 要第一章 液位串级控制系统概述1.1 引言部分1.2 系统工作原理第二章 液位串级控制系统的组成结构2.1串级控制系统的组成2.1.1 硬件介绍2.1.2 软件介绍2.2 系统总貌图2.3 系统电气原理图2.4 系统接线图第三章 控制系统方案设计3.1系统设计 水箱液位串级控制系统3.2硬件设计 3.2.1检测单元3.2.2执行单元3.2.3 控制单元3.3 控制系统设计技术要求及实现3.3.1 串级控制系统的设计要求3.3.2 控制系统的结构及实现3.4 控制系统的调试及控制器PID参数整定3.4.1 控制系统的调试过程3.4.2 控制器PID参数的整

17、定第四章 结 论水箱液位串级控制系统第一章 液位串级控制系统概述1.1 引言在化学工业生产中双容甚至多容的液位控制是一项非常重要的环节。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,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，要保持上水箱下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。1.2 系统工作原理水箱液位串级控制系统，它是由主控、副控两会路组成，主控回路的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为

18、系统的主控制量，副控制回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，中水箱的液位为副控制量，主调节器的输出作为副调节器的给定，副调节器的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制水箱液位的目的；在串联双容水箱水位的控制中，进水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。串级控制是改善调节过程动态性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大克服系统的容积延迟。采用一步整定法，通过WINCC组态软件对整定过程及液位的平衡过程进行实时监控，直至达到主、副回路的最佳整定参数。第二章 液位串级控制

19、系统组成结构2.1 串级控制系统的组成本实验装置对象主要是水箱；供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮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变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成；控制器为西门子S7-300PLC；用到的实验平台控制屏挂件有：SA-01电源控制屏面板、SA-11交流变频控制挂件；软件为西门子S7系列PLC编程软件，西门子WinCC监控组态软件。2.1.1 硬件介绍被控对象 水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。水箱底部均接有扩

20、散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，满足上、中、下水箱的供水需要。检测装置压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为05KP，精度为0.5级。输出：420mADC。流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。输出：420mADC。执行结构电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电源为单相220V，控制信号为42

21、0mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号；水泵：本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动：电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。控制器S7-300PLC控制系统：S7-300是采用模块化结构的中小型PLC，包括一个CPU315-2DP主机模块、一个SM331模拟量输入模块和一个SM332模拟量输出模块，以及一块西门子CP5611专用网卡和一根MPI网线。其中SM331为8路模拟量输入模块，SM332为4路模拟量输出模块。图3.3所示为S7-300PLC控制系统结构图。控制屏SA-01电源控制屏面板：图2.1为电源

22、控制屏示意图。合上总电源空气开关及钥匙开关，此时三只电压表均指示380V左右，定时器兼报警记录仪数显亮，停止按钮灯亮。此时打开照明开关、变频器开关及24V开关电源即可提供照明灯，变频器和24V电。按下启动按钮，停止按钮灯熄，启动按钮灯亮，此时合上三相电源、单相、单相、单相空气开关即可提供相应电源输出，作为其他设备的供电电源。SA-11交流变频控制挂件采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH(R型变频器，控制信号输入为420mADC或05VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。图2.1 电源控制屏示意图2.1.2 软件介绍西门子S7系列PLC编程软件：本装置中PLC控制方案

23、采用了德国西门子公司的S7-300PLC，而西门子S7-300PLC采用的是Step 7编程软件。利用这个软件可以对相应的PLC进行编程、调试、下装、诊断。西门子WinCC监控组态软件：S7-300PLC控制方案采用WinCC软件作为上位机监控组态软件，WinCC是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能的产物。作为一个国际先进的人机界面(HMI软件和SCADA系统，WinCC提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板；并具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据；WinCC还为用户解决方案提供了开放的界面，使得将WinCC集成入复杂、广泛的

24、自动化项目成为可能。2.2 系统总貌图第三章 控制系统方案设计3.1 水箱串级控制系统工艺流程图图3.1如图3.1所示，本实验为水箱液位串级控制系统，它是由主、副两个回路组成，每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量；副回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，它的输出是一个辅助的控制变量。主调节器的输出作为副调节器的给定，副调节器的输出直接驱动电动调节阀，从而良好控制水箱液位。本系统控制的目的不仅是系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值，实现无

25、差调节。当有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当被控制量（下水箱的液位）为作出反映时，副回路已经快速响应，及时地消除了扰动对被控制量的影响。此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。水箱液位串级控制系统框图的设计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，要保持上水箱下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。水箱液位控制系统图如图3.1所示，该系统中，中水箱液位作为副调节器调节对象，下水箱液位作为主调节器调节对象

26、。控制框图如图3.2所示。这里的扰动主要是水箱的出水阀的扰动，有时是认为的因素，有时是机械的因素，扰动总是不可避免的。主回路和副回路结合有效地抑制环境的扰动。图3.2在这里，执行机构仍然是电动调节阀，依旧由PLC经过PID算法后控制它的开度以控制水管里的水流量，控制两个水箱的水位。它有两个PID回路，一个控制下水箱的液位，它的输出值作为另一个的设定值，控制上水箱的液位。3.2 硬件设计硬件部分主要有变频器、电动调节阀、流量计、中水箱、下水箱、各种传感器、以及数据采集、转换装置；系统硬件的设计包括检测单元、执行单元和控制单元的设计，他们互相联系，组成一个完整的系统。3.2.1检测单元在过程控制系

27、统中，检测环节是比较重要的一个环节。液位是指密封容器或开口容器中液位的高低，通过液位测量可知道容器中的原料、半成品或成品的数量，以便调节流入流出容器的物料，使之达到物料的平衡，从而保证生产过程顺利进行。设计中涉及到液位的检测和变送，以便系统根据检测到的数据来调节通道中的水流量，控制水箱的液位。液位变送器分为浮力式、静压力式、电容式、应变式、超声波式、激光式、放射性式等。系统中用到的液位变送器是浙江浙大中控自动化仪表生产的中控仪表SP0018G压力变送器，属于静压力式液位变送器，量程为010KPa，精度为 ，由24V直流电源供电，可以从PLC的电源中获得，输出为420mA直流。3.2.2 执行单

28、元执行单元是构成自动控制系统不可缺少的重要组成环节，它接受来自调节单元的输出信号，并转换成直角位移或转角位移，以改变调节阀的流通面积，从而控制流入或流出被控过程的物料或能量实现过程参数的自动控制。执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。执行机构首先将来自调节器的信号转变成推力或位移，对调节机构（调节阀）根据执行机构的推力或位移，改变调节阀的阀芯或阀座间的流通面积，以达到最终调节被控介质的目的，来自调节器的信号经信号转换单元转换信号制式后，与来自执行机构的位置反馈信号比较，其信号差值输入到执行机构，以确定执行机构作用的方向和大小，其输出的力或位移控制调节阀的动作，改变调节阀的流通面积，从

29、而改变被控介质的流量。当位置反馈信号与输入信号相等时，系统处于平衡状态，调节阀处于某一开度。系统中用到的调节阀是QS智能型调节阀，所用到的执行机构为电动执行机构，输出为角行程，控制轴转动。电动执行机构的组成框图。来自PLC的模拟量输出DC420mA信号Ii与位置反馈信号If进行比较，其差值经放大后，控制伺服电动机正转或反转，再经减速器后，改变调节器的开度，同时输出轴的位移，经位置发生器转换成电流信号If。当Ii=If时，电动机停止转动，调节阀处于某一开度，即Q=KIi，式中Q为输出轴的转角，K为比例常数。电动调节阀还提供手动操作，它的上部有个手柄，和轴连接在一起，在系统掉电时可进行手动控制，保

30、证系统的调节作用。控制单元控制单元控制单元是整个系统的心脏。在系统中，PLC是控制的中心元件，它的选择是控制单元设计的重要部分。系统采用的是西门子S7-300系列的PLC，其结构简单，使用灵活且易于维护。它采用模块化设计，本系统主要包括CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和电源模块。3.3 控制系统的控制要求及实现3.3.1 控制系统设计技术要求水箱液位和流量串级控制系统主要由水箱、管道、水泵、异步电动机、电机控制电器、水压传感器、变频器、电动调节阀、可编程控制器及其输入输出通道电路等构成。系统中由电位器设置液位给定值，水压力传感器检测液位，采用PID算法得出流量给定值。涡轮流量计测流量

31、，电动调节阀控制流量，采用PID算法得出电动调节阀度控制值，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起动信号后过接触器接通电机电源，启动动力系统工作，开始两闭环系统的调节工作。根据工艺要求，为了保证控制精度，系统以低位水箱液位为主调节参数，高位水箱液位为副调节参数，构成串联双容水箱串级控制系统。低位水箱的液位传感器检测的液位信号与给定液位值进行比较后送人主调节器，经PID运算后，其输出作为副调节器的给定值，与高位水箱的液位传感器检测到的液位信号进行比较后送人副调节器，经PID运算后，其输出控

32、制电动调节阀的开度，控制进水流量的大小，从而控制水箱的液位口。系统的结构如图2所示。3.3.2 控制系统的结构及实现根据工艺要求，考虑到系统中处理的主要是液位、流量等模拟量信号，所以采用西门子S7-300实现对信号的处理和整个系统的控制；采用组态软件WINCC对系统进行显示和监控。如图3.3所示。S7-300PLC 控制系统框图3.3本系统采用西门子WINCC工业控制组态软件，通过适配器、MPI通讯电缆使PC机与PLC进行通信。WICNCC组态软件能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、安全机制、工艺过程实时监控、PID参数的调整、工业图形显示等功能，非常方便。 3.4控制系统的调试及PID

33、参数整定3.4.1 串级控制系统的调试该系统中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3.1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节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。由上分析副调节器选PID控制，自动。主调节器选用PID控制，自动。反复调试，使第二支路的流量快速稳定在给定值上，这时给定值应与副反馈值相同。待流量稳定

34、后，通过变频器快速改变流量或人为加入扰动。若参数比较理想，且扰动较小，经过副回路的及时控制校正，不影响下水箱的液位。如果扰动比较大或参数并不理想，则经过副回路的校正，还将影响主回路的流量，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使液位调回到给定值上。当使用第一动力支路把扰动加在下水箱时，扰动使液位发生变化，主回路产生校正作用，克服扰动对液位的影响。由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对主回路的液位影响较小，从而使系统自动达到平衡调节，以保持水箱液位高度。3.4.2 控制器PID参数整定主回路是一个定值控制系统。对于主参数的选择，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接

35、与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性；串级控制系统副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强的特点，因而在选择副参数进行副回路设计时，必须注意主、副过程时间常数的匹配问题，以尽量减少对主参数的影响，提高主参数的控制质量。即，如果副过程的时间常数比主过程小得多，这时副回路反应灵敏，控制作用快，但此时副回路包含的扰动少，对于过程特性的改善也就少了；相反，如果副过程的时间常数大于或接近于主过程的时间常数，这时副回路对于改善过程特性的效果较明显。但是，副回路反应较迟钝，不能及时有效地克服扰动，并将明显地影响参数。

36、如果主、副过程的时间常数较接近，这时主副回路间的动态联系十分密切，当一个参数发生振荡时，会使另一个参数也发生振荡，这就是所谓的“共振”，它不利于生产的正常进行。串级控制系统主、副过程时间常数的匹配是一个比较复杂的问题。原则上，主副过程时间常数之比应是3到10范围内。本次液位控制系统中设置串级控制系统主要是利用副回路能迅速克服主要扰动，所以副回路的时间常数以小一点为好，只要将主要扰动包括在副回路中即可。针对本次的液位串级控制系统可用以下步骤对PID参数整定：1）根据副变量的类型，按经验数据选择好副控制器的比例度（可参照图3.4）；2）将副控制器参数置于经验值，然后按单回路控制系统中任一整定方法整

37、定主控制器参数；3）观察控制过程，根据主、副控制器放大系数匹配的原理，适当调整主、副控制器的参数，使主变量控制质量最好；4）若出现振荡，可加大主（或副）控制器的比例度，即可消除。如出现剧烈振荡，可先转入遥控，待产生稳定之后，重新投运和整定。副变量类型副控制器放大系数KC2副控制器比例度（%）温度51.72060压力31.43070流量2.51.254080液位51.252080图3.4 第四章 结论 1通过本次水箱液位串级控制系统的设计不难看出所采用的串级控制方案很好地克服了双容对象的容量延迟对液位控制的不利影响，取得了较好的控制效果。通过上位机监控组态界面的设计，使整个系统的运行和控制状态更

38、直观。目前，控制系统通过调试运行，系统运行情况良好。2我们还可以明确单回路控制技术并非适用一切，对于时间常数较大、存在时间滞后、系统有较大干扰的情况，单回路控制系统的调节质量难于保证。必须改进控制方式，而串级控制系统能较大的解决这一问题，串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象的特性，使等效对象的时间常数减小，系统的工作频率提高，改善了系统的动态性能，使系统的响应加快，控制及时。同时，由于串级系统具有主副两只控制器，总放大倍数增大，系统的扰干扰能力增强。因此，它的控制质量要比单回路控制系统高 。3和单回路控制系统相比较，串级控制系统有以下特点：1）改善了对象的特性在串级控制系统中，如把副回路视

39、为一等效副对象，那么，它的时间常数和放大系数都比原副对象的小。对象时间常数减小，系统的响应速度将加快，这对及时克服干扰，提高控制质量是有利的；2）提高了系统的工作频率在串级控制系统中，由于等效副对象时间常数比原副对象的小。因此，在采用串级控制时系统的工作频率就比采用单回路控制时为高（在相同衰减比下）。这对及时克服干扰、消除偏差、提高控制质量是有利的；3）提高了系统的抗干扰能力和单回路控制系统相比，串级控制系统中有两台控制器，这就提高了控制器的总放大系数，系统中控制器的放大系数越大，克服干扰就越有力，特别当干扰落在副回路内时，由于响应快、控制及时，大大提高了系统的抗干扰能力；4）具有一定的自适应

40、能力在串级控制系统中，主回路是一个定值系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随主控制器的输出而变化的。主控制器可以根据操作条件和负荷的变化，不断地调整副控制器的给定值，从而保证在负荷和操作条件变化时，控制系统仍然具有较好的品质，这就提高了系统对负荷和操作条件变化的适应能力。4 液位流量控制系统的控制效果如图4.1所示，在系统稳定后，副回路增加的扰动，从图上可见这个扰动对系统影响很小。图4.1双容水箱液位串级控制系统设计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

41、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：G p 1(s =H 1(s H 2(s H 2(s 21，G p 2(s =。 =U 1(s 5s +1Q 2(s H 1(s 20s +1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P

42、ID 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

43、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：G p 1(s =H 1(s 2（上水箱传递函数）； =U 1(s 5s +1H 2(s H 2(s 1（下水箱传递函数）。 =Q 2(s H 1(s 20s +1G p 2(s =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P

44、ID 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： 在无干扰情况下，整定主控制器的PID 参数，整

45、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），比较有无干扰两种情况下系统稳定性的变化。然后，加入前馈控制，在有干扰的情况下，比较单回路控制、前馈-反馈控制系统性能的变化，前馈-反馈控制系统框图如下： 系统实施方案图如下： 5. 设计内容1）单回路PID 控制的设计MATLAB 仿真框图如下（无干扰）： 01先对控制对象进行PID 参数整定，这里采用衰减曲线法，衰减比为10：1。A. 将积分时间Ti 调为最大值，即MA TLAB 中I 参数为0，微分时间常数TD 调为零，比例带为较大值，即MA TLAB 中K 为较小值。B. 待系统稳定后，做

46、阶跃响应，系统衰减比为10：1时，阶跃响应如下图： 参数：K1=9.8，Ti=无穷大，TD=0经观测，此时衰减比近似10：1，周期Ts=14s，K=9.8C 根据衰减曲线法整定计算公式，得到PID 参数： K1=9.8*5/4=12.25，取12；Ti=1.2Ts=16.8s（注：MA TLAB 中I=1/Ti=0.06）；TD=0.4Ts=5.6s.使用以上PID 整定参数得到阶跃响应曲线如下： 参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6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。现用控制变量法，分别改变P 、I 、D 参数，观察系统性能的变化，研究各调节器的作用。A 保持I 、D 参数为定值，改变P 参数，阶跃响应曲线如下： 参数：K1=16，Ti=16.8， TD=5.6参数：K1=20，Ti=16.8，TD=5.6比较不同P 参数值下系统阶跃响应曲线可知，随着K 的增大，最大动态偏差增大，余差减小，衰减率减小，振荡频率增大。B 保持P 、D 参数为定值，改变I 参数，阶跃响应曲线如下： 参数：K1=12，Ti=10，TD=5.6参数：K1=12，Ti=1，TD=5.6 比较不同 I 参数值下系统阶跃响应曲线可知，有 I 调节则无余差，而且随着 Ti 的减小，最大 动态偏差增大，衰减率减小，振荡频率增大。 C 保持 P、I