上水箱液位控制系统过控课设

摘要

在过程工业中被控制量通常有以下四种: 液位、压力、流量、温度。而液位不仅是工业过程中常见参数，且便于直接观察，也轻易测量。过程时间常数通常比较小。以液位过程组成试验系统,可灵活地进行组态，实施多种不一样控制方案。液位控制装置也是过程控制最常见试验装置。国外很多试验室有这类装置，如瑞典LUND大学等。很多关键研究汇报、模拟仿真均出自这类装置!

此次设计也是基于这套水箱液位控制装置来实现。这套系统由多个水箱，液位检测变送器，电磁流量计，涡轮番量计，自动调整阀，控制面板等喝多器件组成。

液位控制发展从七十年代到九十年代经历了多个阶段，控制理论由经典控制理论到现代控制理论，再到多学科交叉；控制工具由模拟仪表到DCS，再到计算机网络控制；控制要求和控制水平也由原来简单、安全、平稳到优异、优质、低耗、高产甚至市场估计、柔性生产。而其中应用最广泛就是PID 控制器。

这次首先是用一天半时间让我们熟悉多种建模方法。学会建立了最初四种模型。接着后几天就是开始熟悉多种控制系统，和利用它们去控制水箱液位，从而愈加深刻了解控制概念。而且在过程中，要熟练学会调整PID参数，学会使用MATLAB等。

关键词：水箱液位；PID控制；串级控制；前馈控制；经验凑试法

目录

1引言 (1)

2 实验设备 (2)

2.1 THJ-FCS型或THJ-3型高级过程控制系统实验装置。 (2)

2.2计算机及相关软件。 (6)

2.2.1 SIMATIC WinCC简介 (6)

2.2.2监控界面 (7)

3设备工作原理及运行过程 (8)

3.1设备工作原理 (8)

3.2控制系统流程图 (8)

3.3系统投运及步骤 (9)

4参数整定与结果分析 (12)

4.1参数整定 (12)

4.1.1比例（P）调节 (12)

4.1.2比例积分（PI）调节 (14)

4.1.3比例积分微分（PID）调节 (17)

4.2结果分析 (18)

总结 (19)

参考文献 (20)

1引言

在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远分支。在本世纪30 年代就已经有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方法上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。

现在，过程控制正朝高级阶段发展，不管是从过程控制历史和现实状况看，还是从过程控制发展必需性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为关键手段，对企业经营、计划、调度、管理和控制全方面综合，实现从原料进库到产品出厂自动化、整个生产系统信息管理最优化。

伴随信息技术、自动化技术在过程工业广泛应用，过程控制系统在过程工业中愈显关键。过程控制从应用于工业生产至今经历了一个由简单到复杂、从低级到高级过程。在过程控制中，通常对液位、温度、压力、流量等参数进行控制。其中，液位控制技术在国民生活、生产中发挥了关键作用，如民用水塔供水，精馏塔液位控制，锅炉气泡液位控制等。液位控制正确度和精度全部直接或间接地影响着生产、生活质量和安全。为了确保安全、合理高效生产，急需开展优异液位控制方法和策略研究和开发。

水箱液位控制系统是设计和开发优异液位控制策略一个开放式平台，含有观察直观、测量轻易、组态灵活，可实施多种相异控制方案，中国外很多学者和工程技术人员基于该类装置做出了关键研究汇报，以验证关键理论结果和指导生产实践。然而，现在中国这类控制试验装置关键用于高校试验教学，存在着试验采集数据误差较大、试验对象过于单一等不足。所以，开发含有科研功效试验装置含相关键工程应用价值。

2 试验设备

2.1 THJ-FCS型或THJ-3型高级过程控制系统试验装置

“THJ-2型高级过程控制系统试验装置”是基于工业过程物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体多功效试验装置，该装置是本企业依据自动化及其它相关专业教学特点，吸收了中国外同类试验装置特点和优点，经过精心设计，数次试验和反复论证，推出了一套全新试验装置，该系统包含流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈—反馈控制，比值控制，解耦控制等多个控制形式。本装置还可依据用户需要设计组成DDC，DCS，PLC，FCS 等多个控制系统。该试验装置既可作为本科，专科，高职过程控制课程试验装置，也可为硕士及科研人员对复杂控制系统、优异控制系统研究提供物理模拟对象和试验手段。

图2-1 水箱液位控制系统

图2-2连线图

本试验装置由被控对象和智能仪表两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相磁力驱动泵（380V交流）、电动调整阀、直流电磁阀、涡轮番量计及手动调整阀组成；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮番量计及手动调整阀组成。

1、被控对象

由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接有机玻璃圆筒形水箱、4.5千瓦电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套组成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管道组成。

水箱：包含上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采取优质淡蓝色圆筒型有机玻璃，不仅坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位改变和统计结果。上、中水箱尺寸均为：d=25cm,h=20 cm；下水箱尺寸为：d=35cm,h=20 cm。水箱结构很独特，有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。上、中、下水箱能够组合成一阶、二阶、三阶液位单回路控制试验和双闭环、三闭环液位串级控制等试验。储水箱是采取不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝完全能满足上、中、下水箱试验需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，预防两套动力支路进水时有杂物进入泵中。

模拟锅炉：本装置采取模拟锅炉进行温度试验，此锅炉采取不锈钢精制而成，设计巧妙，由二层组成：加热层（内胆）和冷却层（夹套）。做温度单回路试验时，冷却层循环水能够使加热层热量快速散发，使加热层温度快速下降。冷却层和加热层全部有温度传感器检测其温度，可完成温度串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等试验。

盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后试验，在盘管上有三个不一样温度检测点，它们滞后时间常数不一样，在试验过程中依据不一样试验需要选择不一样滞后时间常数。盘管出来水既能够回流到锅炉内胆，也能够经过涡轮番量计完成流量滞后试验。

管道：整个系统管道采取敷塑不锈钢管组成，全部水阀采取优质球阀，根本避免