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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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）。
锅炉液位串级控制系统
4.启动水泵，等高水位水箱溢流后， （恒压状态）开始做实验。调整 P.I.D 参数使系统达 到最佳效果，记录 P、I、D 数值；将主调节器仪表设定为自整定状态，观察系统的调节过程， 记录 P、I、D 参数。 5.待系统稳定后，加 5%的扰动，重复步骤 4，观察主动、从动量变化情况
五、实验报告要求 观察系统的调节过程，按照 5s 的时间间隔，记录 20 组数据，描绘出液位随时间变化的曲 线。
2）副（流量）调节器参数设置： 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 符号 SL0 SL1 SL2 SL3 DE BT F1 F2 F3 IN2 PIDL PIDH OUTL OUH SVL SVH FU0 FU1 FPB FUL FUH 设定值 14 0 1 2 1 5 1 1 0 2 0 100 0 300 0 300 3 0 0 0 300 作用 输入分度号，14=（1~5）V 显示无小数点 第一报警为下限报警 第二报警为上限报警 设备号（通讯用） 通讯波特率=9600 PID 反作用方式 PID 为电压、电流输出 SV 显示控制目标值 双路输入外给定控制 PID 输出下限幅值（%） PID 输出上限幅值（%） 设定变送输出的下限量程 设定变送输出的上限量程 输入信号的测量下限量程 输入信号的测量上限量程 SV 输入分度号（1~5V） SV 显示无小数点 SV 显示输入零点迁移 SV 测量量程的下限 SV 测量量程的上限
实验题目 实验室 实验类别 一、实验目的 实验时间
锅炉液位串级控制系统 同组人数
1.掌握以流量为副参数以锅炉液位为主参数串级控制系统构成参数整定方法； 2.进一步熟练智能调节仪表的基本操作与参数设定方法； 3.研究串级控制系统对扰动的调节作用及克服二次扰动能力。 二、实验设备 1.过程控制对象：1 套 2.控制系统操作台：1 套 3.PID 自整定数字调节仪：2 块 框图如图 3.1 所示，系统由一个定值控制的主参数回路和一个跟随主参数变化 的随动控制回路组成。
DCS课程设计水箱液位串级控制解析
目录1 题目背景与意义 01.1 题目背景 01.2 课题意义 02 设计题目简介 (1)2.1设计内容和规定 (1)2.2 集散控制系统基本构成 (1)2.3 设计原理及分析 (4)3 系统设计方案 (7)3.1双容水箱控制 (8)3.2串级控制 (8)4 系统硬件设计 (10)4.1数据采集模块 (10)4.1.1 模拟量输入模块 (10)4.1.2 模拟量输出模块 (11)4.2仪表和执行机构选型 (13)4.3系统连线 (13)4.3.1 模拟量输入模块FM148A接线 (13)4.3.2模拟量输出模块FM151A接线 (14)5 系统软件设计 (15)5.1组态画面旳设计 (13)5.2通讯设置 (15)6 系统仿真调试 (17)7 结论 (16)参照文献........................................... 错误!未定义书签。
71 题目背景与意义1.1 题目背景集散控制系统（Distributed control system）, 是以多种微处理机为基础运用现代网络技术、现代控制技术、图形显示技术和冗余技术等实现对分散控制对象旳调整、监视管理旳控制技术。
其特点是以分散旳控制适应分散旳控制对象, 以集中旳监视和操作到达掌握全局旳目旳。
系统具有较高旳稳定性、可靠性和可扩展性。
该系统将若干台微机分散应用于过程控制, 所有信息通过通信网络由上位管理计算机监控, 实现最优化控制, 整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制旳长处, 克服了常规仪表功能单一, 人-机联络差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中旳缺陷, 既实现了在管理、操作和显示三方面集中, 又实现了在功能、负荷和危险性三方面旳分散。
DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要旳作用。
伴随工业自动化水平旳不停提高, 计算机旳广泛运用, 人们对工业自动化旳规定也越来越高。
而DCS又有延续性和可扩充性, 易学易用性和通用性, 使得DCS得到长足旳发展。
基于PLC的三容水箱液位串级控制系统设计
基于PLC的三容水箱液位串级控制系统设计
本系统的主要功能是实现三个水箱之间液位的串联控制，保证三个水箱中的水位保持平衡。
该系统采用PLC作为控制器，通过读取水位传感器获取水箱中的液位，经过控制算法对泵进行控制，保持水箱中水位的均衡。
下面是该系统的具体设计步骤：
1. 系统硬件设计
系统硬件包括三个水箱、水位传感器、PLC控制器、三个水泵和连接线路等。
其中，水位传感器放置在每个水箱内部，用于实时监测液位高度。
三个水泵用于对水箱进行加水或抽水操作，保持水箱内的液位相同。
2. PLC程序设计
PLC程序主要包括以下几个部分：
a. 采集水箱液位信号，根据液位信号实现控制算法，并输出控制信号控制泵的运行。
b. 根据液位的设定值与当前液位的差值，来确定是否需要打开或关闭泵。
c. 如果液位超出了安全范围，需要发出警报并停止泵的运行。
3. 系统测试
搭建好系统后，需要进行系统测试，检验系统在不同液位高度情况下的控制效果。
具体测试方法为在水箱中放入不同数量的水，观察系统是否能够在不同的液位条件下正常工作。
以上就是基于PLC的三容水箱液位串级控制系统设计的具体步骤。
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引言：双容水箱液位流量串级控制系统是一种用于控制液位和流量的自动化系统。
该系统通过对水泵和阀门的控制，实现对水箱液位和流量的精确调节。
在工业生产中，液位和流量的稳定控制对于保证生产过程的正常运行至关重要。
因此，设计一个可靠的双容水箱液位流量串级控制系统具有重要的实际意义。
系统设计：1.系统硬件组成-水泵：负责将水从源头输送至水箱中。
-水箱：承装和储存水，通过液位传感器测量液位。
-液位传感器：用于测量水箱液位，将测量结果传输给控制器。
-流量传感器：用于测量水流量，将测量结果传输给控制器。
-控制阀：通过控制水流量来调节水箱液位。
-控制器：根据液位和流量传感器的反馈信号，控制水泵和控制阀的启停和开关。
2.系统工作原理双容水箱液位流量串级控制系统的工作原理是通过液位和流量传感器实时监测水箱液位和水流量的变化，并将测量结果传输给控制器。
控制器根据设定的目标液位和流量值，计算出所需的水泵和控制阀的工作状态。
当实际液位或流量低于目标值时，控制器启动水泵和控制阀以增加水流量，从而提高液位；反之，当实际液位或流量高于目标值时，控制器关闭水泵和控制阀以减少水流量，以降低液位。
3.系统控制策略双容水箱液位流量串级控制系统的控制策略可以采用PID控制器。
PID控制器是一种常用的控制算法，它通过对比实际测量值和目标值，计算出一个控制量，然后对被控对象进行控制。
其算法由比例(P)、积分(I)和微分(D)三个部分组成，可以有效地控制系统稳定性和响应速度。
在双容水箱液位流量串级控制系统中，可以将液位作为主要控制量，流量作为辅助控制量。
首先，通过对液位传感器和流量传感器的测量值进行PID控制，控制水泵的启动和停止，以满足目标液位和流量的要求。
接下来，根据控制阀的反馈信号，通过控制阀的开关来实现对水箱液位的精确调节。
4.系统安全性和可靠性双容水箱液位流量串级控制系统设计中，应考虑系统的安全性和可靠性。
基于MATLAB的三容水箱液位串级控制系统的设计毕业设计
基于MATLAB的三容水箱液位串级控制系统的设计毕业设计三容水箱液位串级控制系统是一种常见的液位控制系统，通过对三个水箱的液位进行测量和控制，实现液位的稳定和自动控制。
本文将以MATLAB为工具，设计一个基于MATLAB的三容水箱液位串级控制系统。
首先，我们需要明确三容水箱液位串级控制系统的控制目标。
液位控制系统的目标是使得三个水箱中的液位保持在一定的目标水位，并实现液位的自动调节和稳定。
因此，我们需要设计一个液位控制器，通过测量和控制液位，使得三个水箱的液位能够维持在目标水位。
为了设计液位控制器，我们首先需要建立三个水箱的数学模型。
假设三个水箱的进水速率和出水速率是已知的，并且假设水箱的液位变化满足一阶惯性动态特性。
我们可以使用微分方程描述水箱的液位变化。
通过设计适当的参数和初始条件，我们可以模拟出三个水箱的液位变化情况。
在MATLAB中，我们可以使用StateSpace类来建立水箱的数学模型。
StateSpace类可以定义线性系统的状态空间方程，并且可以使用控制设计工具箱来进行控制设计和分析。
通过定义三个水箱的状态空间方程，并设置合适的参数和初始条件，我们可以在MATLAB中模拟出三个水箱的液位变化情况。
接下来，我们需要设计液位控制器。
在三容水箱液位串级控制系统中，可以采用传统的PID控制器来进行控制。
PID控制器基于三个控制参数：比例项、积分项和微分项。
这些参数可以通过试探法或优化方法进行调节，以实现液位的稳定和自动控制。
在MATLAB中，我们可以使用Control System Toolbox来进行PID控制器的设计和调整。
该工具箱提供了稳定性分析、频率响应分析和自动调节功能，可以帮助我们设计出合适的PID控制器。
通过调整PID控制器的参数，我们可以使得三个水箱的液位能够稳定在目标水位，并实现液位的自动调节。
最后，我们需要在MATLAB中进行仿真和实验。
通过使用Simulink工具箱，我们可以建立三容水箱液位串级控制系统的仿真模型，并进行仿真实验。
实验四 水箱液位串级控制系统
实验四水箱液位串级控制系统一、实验目的1．通过实验了解水箱液位串级控制系统组成原理。
2．掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3．研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。
4．掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验设备1、THJ-2 型高级过程控制系统实验装置2、计算机、上位机MCGS 组态软件、RS232-485 转换器1 只、串口线1 根3、万用表1 只三、实验原理本实验为水箱液位的串级控制系统，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。
本系统控制的目的不仅使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）未作出反映时，副回路已作出快速响应，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。
本实验系统结构图和方框图如图所示。
图1 水箱液位串级控制系统(a)结构图 (b)方框图四、实验内容与步骤1、本实验选择中水箱和下水箱串联作为被控对象（也可选择上水箱和中水箱）。
实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度（40%～90%）、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（30%～80% 要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。
2、按照实验图接线，将主、副控仪表设置为自动，主控制器Sn=33,addrss=1，CF=0 ，DF=0；副控制器Sn=32,addrss=2，CF=8，DF=0；合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，上位机的主控制器，下水箱的液位设定值8—15cm。
实验3上、中水箱液位串级控制系统实验
实验3 上、中水箱液位串级控制系统实验一、实验目的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、实验设备AE2000B型过程控制实验装置、万用表一只三、实验原理上水箱液位作为副调节器调节对象，中水箱液位作为主调节器调节对象。
控制框图如图1所示：图1 上水箱中水箱液位串级控制框图四、实验内容与步骤1、设备的连接和检查：1）将AE2000B 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）；2）打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀；3）打开上水箱和下水箱的出水阀至适当开度；4）检查电源开关是否关闭。
2、系统连线图：1）将I/O信号接口板上的下水箱液位的钮子开关打到OFF位置，上水箱液位的钮子开关打到ON位置；2）按图2所示连线；3）将主调节仪的4~20mA输出接至I/O信号面板的温度变送器转换电阻上转换成1~5V 电压信号，再将此转换信号接至另一调节仪（副调节器）的1端和2端作为外部给定，上水箱液位信号转换为1~5V的信号后接入副调节器的1~5V和地两端。
调节器输出的4~20mA接电动调节阀的4~20mA控制信号两端。
3、启动实验装置：1）将实验装置电源插头接到220V的单相电源上；2）打开电源单带漏电保护空气开关，电压表指示220V；3）打开总电源开关，即可开启电源。
4、实验步骤1）开启电动调节阀电源、24V电源、智能调节仪电源，调整好仪表各项参数；图2、实验接线2）设定主控参数和副控参数。
主调节器的参数与单回路闭环控制设定方法一样；3）启动动力支路，待系统稳定后，在上水箱给一个阶跃信号，观察实时曲线的变化，并记录此曲线；4）系统稳定后，在副回路上加干扰信号，观察主回路和副回路上的实时曲线的变化。
记录并保存曲线。
五、实验报告要求分析串级控制和单回路PID控制不同之处？六、注意事项1、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源；2、系统连接好以后，在老师的指导下，运行串级控制实验；3、为保护仪表及用电设备的使用寿命实验完毕，先关闭所有电源开关，再关电源总开关。
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。
图1.2 控制系统框图1.3控制系统的总体方框图及工作过程图1.3控制系统框图单容水箱如图1.2所示，Qi 为入口流量，由调节阀开度μ加以控制，出口流量则由电磁阀控制产生干扰。
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。
双容液位串级控制系统的应用举例
双容液位串级控制系统的应用举例
双容液位串级控制系统是一种常用于工业过程控制的技术，用于控制两个或多个液体容器的液位。
这种控制系统通常包括液位传感器、控制阀门和控制器等组件，通过连续监测液位并根据预设的目标值进行调节，实现对液位的稳定控制。
双容液位串级控制系统的应用非常广泛，以下是几个常见的例子：
1. 石油炼制厂：在炼制过程中，通常需要将原油从一个储罐输送到
另一个储罐进行进一步加工。
双容液位串级控制系统可以确保两个储罐的液位保持在设定的范围内，以确保生产过程的稳定性和安全性。
2. 水处理厂：在水处理过程中，常常需要将不同处理阶段的水分离
开来。
例如，在污水处理过程中，废水可能需要经过预处理、沉淀和过滤等多个阶段。
双容液位串级控制系统可以确保每个阶段的液位保持在适当的范围内，以优化处理效果。
3. 化学工厂：在化学反应中，控制反应物的加入速度和反应产物的
排出速度对产品质量和生产效率至关重要。
双容液位串级控制系统可以通过控制反应器的液位，确保反应物和产物的流入和流出速度平衡，从而实现稳定的反应过程。
4. 发电厂：在蒸汽发电厂中，锅炉和汽轮机之间通常设置有蒸汽储罐。
双容液位串级控制系统可以确保蒸汽储罐的液位保持在正常工作范围内，以确保发电过程的稳定性和安全性。
总而言之，双容液位串级控制系统在各个工业领域都有广泛的应用。
通过实时监测液位并根据预设的目标值进行调节，该系统可以确保液体容器的稳定控制，提高生产过程的效率和安全性。
液位串级控制系统
DCS实训报告姓名：学号：院系：电子信息与电气工程学院一.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.实训内容以双容水箱为对象，设计液位串级控制系统，并利用MACS组态软件完成组态包括：1 数据库组态2 设备组态3控制器算法组态4 画面组态5 系统调试三、实训设备和器材（1）THSA-1型生产过程自动化技术综合实训装置。
（2）和利时DCS控制系统。
四.实训工程分析双容水箱液位定值控制系统需要二个输入测量信号，一个输出控制信号。
因此需要一个模拟量输入模块FM148A和一个模拟量输出模块FM151。
采集上水箱液位信号（LT1），下水箱液位信号（LT2）和控制电动控制阀的开度的控制信号（P1）。
通过分析可得：AI：LT1 1~5V（信号范围）0~20cm（量程）LT2 1~5V（信号范围）0~20cm（量程）AO：P1 4~20mA（信号范围）0~100%（量程）硬件的选取：（1）I/O：FM148A（一块）FM151A（一块）（2）主控模块：FM801（一块）（3）操作员站（一台）（4）工程师站（一台）控制原理框图：四.实训步骤1. 工程建立及数据库组态1）打开：开始 程序 macs 组态软件 数据库总控 点击新建工程，输入工程名如下图：2）选择新建工程，选择编辑>域号组态，选择组号为1，将刚创建的工程从“未分组的域”移到右边“该组所包含的域”里，点“确认”按钮。
出现当前域号：0。
3) 在数据库总控中添加变量。
选择编辑→编辑数据库，弹出窗口，输入用户名和口令bjhc/3dlcz。
进入数据库组态编辑窗口。
4) 选择系统→数据操作，出现下面对话框，点击“确定”按钮。
5) “AI模拟量输入”选项出现下图。
6) 选择所需项名，并更改相应数据及说明，如下图：7) 点击更新数据库。
8) “AO模拟量输出”同上，如下图：9) 点击更新数据库。
双容水箱液位串级控制系统
一、设计题目双容水箱液位流量串级控制系统设计二、设计任务如图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。
自来水流出水箱1 水箱2系统示意图三、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。
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)液位传感器传递函数为Gm1=1/(0.1s+1)控制器：流量传感器传递函数为Gm2=1/(0.1s+1)单回路闭环系统的建模如图：双容水箱单闭环实施方案如图：串级控制系统框图如图：主PID1/（100s+1）1/（10s+1）二水箱水位检测给定值+-被控变量干扰副PID控制阀一水箱流量检测XX双容水箱液位流量串级系统实施方案如图：四、设计内容1单回路PID 控制的设计 无干扰情况下：先对控制对象进行PID 参数整定，采用衰减曲线法，衰减比为10:1.1、将MATLAB 中I 参数调为0，K 为较小值。
2、待系统稳定后，做阶跃响应，阶跃响应如下图：周期Ts=34s ，K=403、根据衰减曲线法整定计算公式，得K1=50，Ti=68s4、使用以上PID 整定参数得到阶跃响应曲线如下：观察可知，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。
1、保持I、D参数为定值，改变P参数，阶跃响应曲线如下：2、保持P、I参数为定值，改变D参数，阶跃响应曲线如下：现向控制系统中加入干扰，以检测系统的抗干扰能力，阶跃响应曲线如下：观察以上曲线，并与无干扰时的系统框图比较可知，系统稳定性下降较大。
由此可见，单回路控制系统，在有干扰的情况下，很难保持系统的稳定性能。
2串级控制系统的设计主控制器的选择：选用PI控制规律副控制器的选择：选用P控制规律采用一步整定法（1）在系统纯比例作用的情况下，根据K02/δ2=0.5这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数δ2，并将其设置在副回路调节器上。
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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。