下水箱液位控制系统设计

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过程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，能收到很好的效果就更为重要了。

在这次课程设计中，我们主要是设计一个下水箱液位控制系统，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。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。这次课设加深了对工业控制工程中对控制系统设计过程的认识。在PID参数整定过程中，我对比例控制，积分控制，微分控制的作用、效果以及调试方法有了一定了解。

关键词：过程控制下水箱液位控制PID参数整定

目录

第一章绪论 (1)

第二章下水箱液位控制系统设计简述 (2)

2.1设计目的 (2)

2.2设计要求 (2)

2.3设计方案 (2)

第三章下水箱液位系统的组成 (5)

3.1单回路控制系统 (5)

3.1.1控制器 (6)

3.1.2执行器 (6)

3.1.3被控对象 (6)

3.1.4检测装置 (6)

3.2下位机部分 (7)

3.3 上位机部分 (7)

第四章系统调试部分 (9)

4.1系统建模 (9)

4.2 PID算法 (10)

4.3 调试过程 (11)

第五章结论分析 (17)

第六章总结 (19)

参考文献 (19)

第一章绪论

自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材等工业部门。

初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数温度，液位，压力，流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。

现今的过程控制己进入计算机集成过程系统（CIPS）时代，并依托人工智能，控制理论和运筹学相结合的智能控制技术向工厂综合自动化的方向发展。现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量﹑经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。

第二章下水箱液位控制系统设计简述

2.1设计目的

通过某种组态软件，结合实验已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用但闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制程序的流量单回路过程控制系统。

2.2设计要求

1 进行单容液位控制系统设计，画出系统的结构图。

2 进行单容液位定值控制系统调节器参数的整定。

3 基于WinCC的监控界面设计.

4 系统投运，进行P、PI和PID三种调节器参数整定。

5 比较三种调节器的控制效果。

2.3设计方案

整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为PID控制规律，调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。结构组成见下图2-1所示。

图2-1流量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。若还需要（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。其整个流程图如图2-2所示。

图2-2流量单回路控制系统流程图

被控量为下水箱的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到的下水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。本控制系统的流程图如图2-3所示。

图2-3 控制系统的流程图

下水箱液位检测信号LT1为标准的模拟信号，直接传送到SIEMENS的模拟量输入模块SM331，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP（CPU315-2 DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。

本实验的执行机构为带PROFIBUS-PA通讯接口的阀门定位器PROFIBUS-PA 总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP 总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP，这样控制器CPU315-2 DP发出的控制信号就经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构阀门定位器。

第三章 下水箱液位系统的组成

3.1单回路控制系统

单回路过程控制系统亦称单回路调节系统简称单回路系统，一般指针对一个被控过程,采用一个测量变送器监测被控过程，采用一个控制器来保持一个被控参数恒定，其输出也只控制一个执行机构。从系统的框图3-1看，只是一个闭环回路。

图3-1 单回路控制系统方框图

图中，()s G O 、()s G m 、()s G v 和()s G c 分别表示被控对象、检测变送仪表、执行器和控制器的传递函数。系统工作时，被控过程的输出信号（被控变量）()t y 通过检测变送仪表后将其变换为测量值()t y m ，并将测量值()t y m 反馈到控制器()s G c 的输入端；控制器()s G c 根据系统被控变量的设定值()t r 与测量值()t y m 的偏差()t e ，按照一定的控制算法输出控制量()t u ；执行器()s G v 根据控制器()s G c 送来的控制信号()t u ，通过改变操作变量()t μ的大小，对被控对象()s G O 进行调节，克服扰动()t d 对系统的影响，从而使被控变量()t y 趋于设定值()t r ，达到预期的控制目标。单回路系统结构简单，投资少，易于调整和投运，又能满足不少工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和小惯性、负荷和扰动变化比较平缓，或者对被控制量要求不高的场合，约占目前工业控制系统80%以上。

单回路过程控制系统虽然简单，但它的分析、设计方法是其它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。 ()

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