基于MATLAB的三容水箱液位串级控制系统的设计(毕业设计)
实验方案：水箱液位串级控制系统
过程控制综合实验报告实验名称：水箱液位串级控制系统专业：班级:姓名：学号：实验方案一、实验名称：水箱液位串级控制系统二、串级控制系统的概述1、图5-1是串级控制系统的方框图。
该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。
图5-1 串级控制系统方框图R-主参数的给定值；C1-被控的主参数；C2-副参数；f1(t)-作用在主对象上的扰动；f2(t)-作用在副对象上的扰动。
2、串级控制系统的特点串级控制系统及其副回路对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。
（1）．改善了过程的动态特性；（2）．能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力；（3）．提高了系统的鲁棒性；（4）．具有一定的自适应能力。
3、主、副调节器控制规律的选择在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。
主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用PI或PID调节器。
由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器。
4、主、副调节器正、反作用方式的选择正如单回路控制系统设计中所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须采用负反馈。
对于串级控制系统来说，主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。
各环节的放大系数极性是这样规定的：当测量值增加，调节器的输出也增加，则调节器的放大系数K c为负（即正作用调节器），反之，K c为正（即反作用调节器）；本装置所用电动调节阀的放大系数K v恒为正；当过程的输入增大时，即调节器开大，其输出也增大，则过程的放大系数K0为正，反之K0为负。
三容水箱课程设计论文
机电信息工程学院课程设计报告实习地点：机电楼B座专业：自动化成员：吴森 2008023127课题简介液位是工业过程中的常见参数，具有便于直接观察、容易测量和过程时间常数一般比较小的特点。
所以，以液位过程构成实验系统，可灵活的进行过程组态和实施各种不同的控制方案。
本课程设计将以三容水箱的液位控制为研究课题。
外部设备及硬件部分一、设备简介三容水箱液位控制系统由水箱主题、检测元件（液位传感器）、水泵、数据采集卡及工控计算机构成，结构原理图如图1所示。
水箱主体由3个圆柱型玻璃容器、1个回收水槽（如图1）、2个连接阀门、3个泄水阀门及2个电磁调节进水阀（如图2）组成。
图1 三容水箱图2 电磁调节进水阀机相连接实现。
图3 SDP104模块RTU模块SDP104的使用方法：SDP104模块有AI输入I/O口和VO输出I/O 口，对于三容水箱而言，有三个液位AI输入口和两个VO口，我们用到的分别是AI2、AI3、AI4作为液位信号的输入口，VO1、VO2作为电磁阀门的电压信号输出端口。
在模块使用中需自己连接24V电源，AI、VO口需连接地线，在SDP104中为AICOM和VOCOM。
SDP104有一个与上位机通信的端口，需要在电脑上安装串口转usb驱动，才能够成功与工控计算机通信，当通信上的时候，通讯数据等会亮，表示已连接上。
二、工作原理三个玻璃容器通过两个连接阀门依次连接。
三个容器分别通过三个泄水阀门排除容器里的水。
排除的水流进容器下的水槽中，用来供水泵使用。
水泵抽出的水通过两个进水阀门进入水箱1和水箱3，这样就构成了一个封闭的回路。
三个容器中分别装有测量元件，用来测量液位。
两个进水阀门通过两个步进电机的转动控制其开度，达到调节进水流量的目的。
工控计算机通过数据采集卡完成从液位传感器采集的电压信号的A/D转换，同时，通过并行端口输出电流信号，改变电流的大小控制电磁阀的开度，从而调节进水流量，执行各种控制算法。
基于MATLAB的水箱液位控制系统的设计与
郑州工业应用技术学院
本科生毕业设计任务书
题目：基于MATLAB的水箱液位控制系统的设计与
仿真
起止日期： 2015年4月6日至2015年6月26日
指导教师：苏琦职称：副教授
学生姓名：李云丽学号： 1102120519 专业：电气工程及其自动化
院（系）：机电工程学院
教研室主任： 20 年月日审查
院系负责人： 20 年月日批准
任务书填写要求
1.毕业设计（论文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在专业的负责人审查，学院（系）领导签字后生效。
此任务书应在毕业设计（论文）开始前一周填好发给学生。
2.任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设定的电子文档标准格式（可从教务处网站下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴。
3.任务书填写的内容，必须和学生毕业设计（论文）完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及学院（系）的主管领导审批后方可重新填写。
4.任务书内有关“学院（系）”“专业”等名称的填写，应写中文全称。
学生的学号要写全号。
5.有关年月日的填写，一律用阿拉伯数字书写。
如“2012年8月16日”或“2012-08-16”。
毕业设计任务。
基于matlab的三容水箱系统的设计与仿真毕业课程设计
课程设计题目：基于matlab的三容水箱系统的设计与仿真班级：电气5班姓名：高昂学号：指导教师：张小娟日期：2015年1月11日课程设计任务书目录第一章：前言 (4)1.1设计背景 (4)1.2 三容水箱的特点 (4)1.3设计意义 (5)第二章：FUZZY PID控制原理 (6)2.1模糊PID控制介绍 (6)2.2 PID 控制的优点与不足 (7)第三章:被控对象的分析与建模 (8)3.1三容水箱的结构 (8)3.2三容水箱液位控制系统的工作原理 (9)3.3数学模型推导 (10)第四章：MATLABSIMULINK仿真介绍 (11)4.1软件介绍 (11)4.2 Simulink特点 (13)第五章:三容水箱的简单PID控制 (14)5.1 PID控制器 (14)5.2 在matlab的simulink仿真 (15)第六章：总结 (16)第七章：心得体会 (17)参考文献第一章前言1.1 设计背景三容水箱为工业过程控制中常见的液位控制对象，此系统装置模拟了工业生产过程中对液位,流量参数的测量和控制，具有控制中动态过程的特点：大惯性，大延时，非线性等。
针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点，为适应复杂系统的控制要求，人们研制了种类繁多的先进的智能控制器，模糊PID控制器便是其中之一，模糊PID控制结合了PID控制算法和模糊控制方法的优点，可以在线实现PID参数的调整，使控制系统的响应速度快，过渡过程时间大大缩短，超调量减少，振荡次数少，具有较强的鲁棒性和稳定性，在模糊控制中扮演着十分重要的角色1.2 三容水箱系统的特点三容水箱系统是有较强代表性和工业背景的对象，具有非常重要的研究意义和价值，主要是因为它具有如下特点：(1)通过改变各个阀门的关闭或打开状态可构成灵活多变的对象，如一阶对象、二阶对象或双入多出系统对象等；(2)三容水箱系统是典型的非线性、时延对象，所以可对其进行非线性系统的辨识和控制等的相关研究：(3)三容水箱系统可构造单回路控制系统、串级控制系统、复杂过程控制系统等，从而对各种控制系统的研究提供可靠对象；(4)由于对三容水箱系统的控制主要通过计算机来完成，所以，可由计算机编程实现各种控制算法来对水箱系统进行控制，为控制算法的研究提供了良好的试验平台。
在MATLAB中实现水箱液位控制系统的设计
在MATLAB中实现水箱液位控制系统的设计【摘要】本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统。
在设计中充分利用计算机技术，自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。
首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。
其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。
最后，完成控制系统实验和结果分析。
【关键词】液位;串级控制系统;MATLAB1.引言在工业实际生产中，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。
通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。
通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。
如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义[1]。
在液位串级控制系统的设计中将以THJ-2高级过程控制实验系统为基础，展开设计控制系统及工程实现的工作。
虽然是采用传统的串级PID控制的方法，但是将利用智能调节仪表、数据采集模块和计算机控制来实现控制系统的组建，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。
2.串级控制系统设计思想2.1 主回路的设计串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。
这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。
主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题[2]。
2.2 副回路的设计由于副回路是随动系统，对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。
基于MATLAB的串级PID控制系统
4、比例积分微分（PID）调节器
PID是常规调节器中性能最好的一种调节器。它由比例（P）、积分（I）、微分（D）三个环节组成，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成的偏差信号e(t)，并将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制，故称PID控制器，PID控制器的数学模型可以用下式表示：
从比例部分的数学表达式可以知道，比例系数Kp的作用在于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Kp越大，系统的响应速度越快，但将产生超调和振荡甚至导致系统不稳定，因此Kp值不能取过大；如果Kp取值较小则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，是系统、动静特性边坏。故而比例系Kp，选择必须适当，才能取得过渡时间少、静差小而又稳定。
1.3用MATLAB进行PID控制的优点
MATLAB具有强大、丰富的内置函数，以及高度灵活的可编程性，特别适合数据处理以及结果的图形化显示，所以用MATLAB进行PID控制能够数据处理以及结果的图形化显示，能够及实时掌握控制的现场数据。从而方便观察。故本课题选用MATLAB进行PID控制。
本课题要求设计一个MATLAB算法软件编制的串级PID控制系统，该系统框图如图2.1所示；液位传感器将检测到的上下水箱液位信号通过单片机通讯接口传送到计ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ机，使其与PID系统设定值比较，上位计算机调用MATLAB的PID算法程序，对偏差实现PID运算，运算结果通过与单片机的通讯接口，输出去控制水泵转速，从而调整上下水箱的进水量，达到控制液位的目的，最终实现液位的自动控制。
（2-4）
式中，e(t)——控制器输入信号，一般为输入信号与反馈信号之差；
u(t)——控制器输出信号，一般为给予受控对象的控制信号；
基于MATLAB水箱液位控制系统的设计课程设计(可编辑)
基于MATLAB水箱液位控制系统的设计课程设计太原理工大学过程控制系统课程设计设计名称水箱液位系统的控制设计目录摘要III任务书IV第1章绪论 41.1过程控制的定义 41.2过程控制的目的 41.3过程控制的特点 51.4过程控制的发展与趋势5第2章水箱液位控制系统的原理 62.1 人工控制与自动控制 6 2.2 水箱液位控制系统的原理框图 7 2.3 水箱液位控制系统的数学模型 8第3章水箱液位控制系统的组成113.1 被控制变量的选择113.2 执行器的选择 113. 3 PID控制器的选择143.4 液位变送器的选择15第4章PID控制规律174.1 比例控制174.2积分控制(I) 194.3微分控制(D) 194.4比例积分控制(PI) 204.5比例积分微分控制(PID) 20第5章利用MATLAB进行仿真设计..205.1MATLAB设计205.2 MATLAB设计任务215.3 MATLAB设计要求215.4 MATLAB设计任务分析215.5 MATLAB设计内容255.5.1主回路的设计255.5.2副回路的设计255.5.3主、副回路的匹配265.5.4 单回路PID控制的设计27 5.5.5串级控制系统的设计32 5.5.6串级控制系统的PID参数整定 34总结36参考文献36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,?溶液过滤,?化工生产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。
?PID控制(比例、积分和微分控制)是目前采用最多的控制方法。
本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程,涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。
水箱水位控制系统的设计_毕业设计
水箱水位控制系统的设计目录1绪论 (1)1.1计算机模拟控制系统 (1)1.1.1系统的分类 (1)1.1.2系统的数学模型 (1)1.2计算机模拟控制系统 (1)1.3数学模型及其建立方法 (2)1.3.1数学模型的表达形式与对模型的要求 (2)1.3.2建立数学模型的基本方法 (3)2水箱水位系统概述 (5)2.1水箱水位控制系统硬件设计 (5)2.1.1有自平衡能力的单容元件 (6)2.1.2电动机的数学模型 (6)2.1.3减速器的传递函数 (7)2.2系统的传递函数 (8)2.2.1控制器的确定 (9)2.3控制器的正反作用 (9)3硬件电路 (11)3.1控制系统的校正 (11)3.2控制系统的稳态误差 (12)4仿真软件介绍 (14)4.1 MATLAB的启动和退出 (14)4.1.1MATLAB操作桌面简介 (14)4.1.2命令窗口菜单（Command Window）简介 (16)4.2变量 (17)4.3MATLAB的矩阵运算 (18)4.4仿真 (19)5结论 (20)6参考文献 (21)11绪论1.1计算机模拟控制系统计算机模拟控制系统是在自动化控制技术和计算机技术的飞速发展的基础上产生的，20世纪50年代中期，经典控制理论已经发展成熟，并在不少工程技术领域得到了成功的应用。
随着复杂系统的设计和复杂控制规律的实现上很难满足更高的要求。
现代控制理论的发展为自动控制系统的分析、设计与综合增添了理论基础，而计算机技术的发展为新型控制方法的实现提供了非常有效的手段，两者的结合极大的推动了自动控制技术的发展。
进而计算机模拟控制系统广泛的应用于工厂生产，逐渐融入于生产中，各类大型工厂均离不开计算机控制系统。
1.1.1系统的分类按系统性能分：线性系统和非线性系统；连续系统和离散系统；定常系统和时变系统；确定系统和不确定系统。
1、线性连续系统：用线性微分方程式来描述，如果微分方程的系数为常数，则为定常系统；如果系数随时间而变化，则为时变系统。
基于MATLAB水箱液位控制系统的设计说明
生产过程中，对各个工艺过程的物理量（或称工艺变量）有着一定的控制要求。有些工艺变量直接表征生产过程，对产品的数量与质量起着决定性的作用。例如，精馏塔的塔顶或塔釜温度，一般在操作的压力不变的情况下必须保持一定，才能得到合格的产品；加热炉出口温度的波动不能超出允许围，否则将影响后一段的效果；化学反应器的反应温度必须保持平稳，才能使效率达到指标。有些工艺变量虽不直接影响产品的质量和数量，然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提。例如，用蒸汽加热反应器或在沸器，如果在蒸汽总压波动剧烈的情况下，要把反应温度或塔釜温度控制好将极为困难；中间储槽的液位高度与气柜压力，必须维持在允许的围之，才能使物料平衡，保持连续的均衡生产。有些工艺变量是决定安全生产的因素。例如，锅炉汽包的水位、受压容器的压力等，不允许超出规定的限定否则将威胁生产安全。还有一些工艺变量直接鉴定产品的质量。例如，某些混合气体环境的污染，因此，减小工业生产对环境的影响也已纳入过程控制的目标围。
由于对象的特性不同，其输入与输出可能不止一个，控制系统的设计在于适应这些不同的特点，以确定控制方案和控制其的设计或选型，以及控制器特性参数的计算与设定。这些都要以对象的特性为依据，而对象的特性复杂且难以认识，所以要完全通过理论计算进行系统设计与整定至今仍不可能。目前已设计出的各种各样的控制系统（如简单的位式控制系统、单回路及多回路控制系统，以及前馈控制、计算机控制系统等），都是通过必要的理论计算，采用现场的方法达到过程控制的目的。
主要技
术指标
或研究
目标
本过程控制系统，检测信号、控制信号及被控信号均采用ICE标准，即电压1--5V，电流4--20mA，供电要求：三相380V交流电，24V直流电。
通过本课题的设计，培养学生对自动控制系统的综合运用，对自动化仪表的选型、参数设计和调试的能力，检验所学习专业知识的综合利用能力，为今后工作打好基础。
【精品】基于MATLAB的液位与流量串级控制系统设计与仿真毕业论文设计
北方民族大学学士学位论文论文题目:基于MATLAB的液位与流量串级控制系统设计与仿真院(部)名称: 电气信息工程学院专业: 电气工程及其自动化论文提交时间: 2011年5月20日论文答辩时间: 2011年5月28日学位授予时间:北方民族大学教务处制毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要随着科学技术的不断进步，在现代各种复杂控制系统中，串级控制系统占有较大比重；串级控制系统是过程控制中的一种多回路控制系统，是为了提高单回路控制系统的控制效果而提出来的一种控制方案。
本科生毕业设计-串级三冲量给水控制系统
引言自动控制技术在工程和科学发展中起着极为重要的作用，在火电厂的生产过程中也采用了自动控制技术。
在火电厂的生产过程中采用的热工自动控制系统，是伴随着社会对电能需求的日益增加、单机容量的日益扩大和自动控制技术在火力发电厂中应用的深度与广度与日俱增而逐步发展起来的。
电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志。
其中，汽包锅炉给水及水位的调节已经完全采用自动的方式加以控制，在不需要操作人员干预的情况下，可以很好的完成生产过程中的给水及水位控制，大大提高了生产效率。
汽包锅炉给水控制系统的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中水位保持在一定的范围内。
只有保证汽包水位的波动在允许范围内，才能实现机组安全经济运行。
因此，汽包水位是影响整个机组安全经济运行的重要因素，所以就要有一套较好的控制方案，来实现汽包水位的控制。
从传统的控制方式来看，它们要么系统结构简单成本低，却不能有效的控制锅炉汽包“虚假水位”现象，要么能够在一定程度上控制“虚假现象”，系统却过于复杂，成本投入过大。
目前工业控制急需一种系统简单，并且能够控制“虚假水位”，具有高性价比的控制系统。
汽包锅炉的给水调节系统有三种基本结构：单冲量调节系统结构、单级三冲量调节系统结构、串级三冲量调节系统结构，低负荷阶段，由于疏水和锅炉排污等因素的影响，给水和蒸汽流量存在着严重的不平衡，而且流量太小时，测量误差大，故在低负荷阶段，很难采用三冲量调节方式，一般均采用单冲量调节方式。
负荷达到一定值以上时，疏水和排污阀逐渐关闭，汽、水趋于平衡，流量逐渐增大，测量误差逐渐减小，这时原则上可采用三冲量调节方式。
但由于单级三冲量调节系统要求蒸汽流量和给水流量信号在稳态时必须相等，否则汽包水位存在静态偏差，而且由于测量装置及变送器的误差等因素的影响，实际上现场这两个信号在稳态时，经常难以做到完全相等，而且单级三冲量调节系统一个调节器参数整定需兼顾的因素多。
基于MATLAB的三容水箱液位串级控制系统的设计毕业论文
基于MATLAB的三容水箱液位串级控制系统的设计毕业论文1绪论 (1)1.1过程控制概述 (1)1.1.1过程控制的特点 (1)1.1.2工业过程控制的发展概况 (2)1.1.3过程计算机控制系统 (2)1.2液位串级控制系统概述 (4)1.2.1串级控制系统基本概念即组成结构 (4)1.2.2 系统特点及分析 (4)1.3 MATLAB软件介绍 (5)1.3.1 MATLAB系统组成 (5)1.3.2 基于MATLAB的数值处理 (6)2被控对象建模 (7)2.1 试验法简介 (7)2.2 实验步骤介绍 (8)2.3 水箱数据采集方法介绍： (9)2.3.1 上水箱阶跃响应参数测定： (9)2.3.2 中水箱阶跃响应参数测定： (9)2.3.3下水箱阶跃响应参数测定： (10)2.4 数据拟合与水箱传递函数求取 (10)2.4.1求取上水箱模型传递函数 (10)2.4.2求取中水箱模型传递函数 (12)2.4.3求取下水箱模型传递函数 (13)3 控制系统设计及仿真 (16)3.1 控制系统的选择 (16)3.2 PID控制简介 (17)3.2.1 比例（P）控制 (17)3.2.2 积分（I）控制 (18)3.2.3 微分（D）控制 (18)3.3 PID控制器参数整定 (18)4.控制系统仿真 (20)4.1 阶跃响应性能 (20)4.1.1 加入副回路的仿真 (20)4.1.2 去除副回路的仿真 (21)4.2 加入扰动 (22)5.过程仪表控制与计算机控制 (25)5.1 仪表控制系统概述 (25)5.2 过程仪表介绍 (25)5.2.1 检测部分 (25)5.2.2 执行机构 (26)5.2.3 控制器 (27)5.3 计算机过程控制系统 (28)5.3.1 远程计算机控制系统概述 (28)5.3.2 MCGS组态软件概述 (28)5.3.2 MCGS组态软件的特点 (29)5.4 计算机控制与过程仪表控制比较 (30)6结论 (32)致谢 (33)参考文献 (34)附录：英文资料及译文 (35)1. 英文资料 (35)2. 译文 (43)1绪论1.1过程控制概述1.1.1过程控制的特点过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表（包括电动仪表和气动仪表，模拟仪表和智能仪表）和电子计算机（看作一台仪表）等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。
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。
毕业设计(论文)-基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计
毕业设计（论文）-基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计2007届毕业设计说明书基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计系、部: 电气与信息工程系学生姓名:指导教师: 职称讲师专业: 自动化班级: 自本0703 完成时间: 2011.5.20摘要本文介绍了一种基组态软件WINCC和西门子STEP 7的双容水箱的液位串级控制系统的设计过程。
本方案利用WINCC良好的人机界面、数据采集功能，并结合STEP 7环境编程的便利性，采用可靠的MPI接口建立WINCC和PLC、双容水箱之间的数据通讯。
利用WINCC开发服务器端画面，在PLC客户端环境中编写控制程序，最终实现对水箱液位的精确控制。
实验结果表明，此方法使用简单可靠，可广泛应用于工业生产过程中的液位控制问题。
此系统同样可以满足工厂对控制系统的需求,有着巨大的应用前景。
关键词组态软件;PLC;水箱液位;串级控制系统ABSTRACTThis article describes the configuration software based on the WINCC and Siemens STEP7 tank liquid level PID control experimental platform design process. The program used WINCC good man-machine interface, data acquisition capabilities, combined with the convenience of STEP 7 programming environment, using MPI interface to establish a reliable configuration software WINCC and the PLC, double data communication between the tank. Development of server-side with Configuration software WINCC, the client environment in the PLC control program written, and ultimately the precise control of the water tank level. Experimental results show that this method is simple and reliable, can be widely used in industrial production process liquid level control problem. The system also meets the needs of the factory on the control system has a great prospect.Key words Configuration software;PLC;water tank;Cascade Control System1目录1 绪论 (3)1.1 过程控制系统的发展概况及趋势 (3)1.2 PLC的发展概况及趋势 (4)1.3 组态软件的发展概况及趋势 (4)1.4 各章节主要内容..............................................................................5 2 水箱液位串级控制系统总体设计 (6)2.1 现场系统组成 (6)2.2 双容水箱控制系统结构 (8)2.3 串级控制系统 (10)2.4 控制规律....................................................................................11 3 控制系统设计 (14)3.1 S7-400PLC概述 (14)3.2 STEP 7软件的介绍 (14)3.3 硬件组态 (15)3.4 创建数据块DB41 (20)3.5 创建功能块FB41 (20)3.6 创建组织块OB35 (21)3.7 通信设置…………………………………………………………………………223.8 程序下载....................................................................................23 4 监控程序的设计 (24)4.1 WINCC简介 (24)4.2 监控界面的设计...........................................................................25 5 水箱液位串级控制系统调试 (32)5.1 FCS系统实物调试 (32)5.2 PLCSIM离线仿真调试.....................................................................33 结束语 (35)参考文献.............................................................................................36 致谢 (37)21 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，溶液过建，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。
基于matlab的水箱液位控制系统实验设计及教学实践
2020年8期教海探新高教学刊基于Matlab的水箱液位控制系统实验设计及教学实践*王佳庆，肖忠，王晓刚，张杰（广州大学机械与电气工程学院，广东广州510006）引言“计算机控制技术”课程是自动化、机器人工程等电气信息类专业的主干课程之一，课程理论知识内容较多，实践性较强。
该课程主要讲解计算机控制系统的基本理论、计算机控制系统的设计方法及系统的实现等教学内容。
实验教学环节是“计算机控制技术”课程教学的重要部分，它能够巩固理论知识的学习，培养学生对计算机控制系统的分析能力和设计能力。
为此，各高校教师根据实验条件，开发了不同的实验项目，各有特点，能够满足本科教学的需要[1-3]。
近年来，我校要求进行工程教育认证的专业的主干课程必须有综合性/设计性实验项目，实验项目应与专业毕业要求有较强的对应关系[4]。
“计算机控制技术”课程教师根据实验室的现有条件，开发了基于Matlab的水箱液位控制系统实验方案并进行了教学实践。
一、实验项目教学目标和内容我校的“计算机控制技术”课程内容包含离散控制系统理论、计算机控制系统的输入/输出通道、程序控制原理和设计、数字PID控制、最少拍控制、计算机控制系统实现等[5]。
为确保一个实验项目涵盖较多的教学知识点，我们对本实验项目提出了较高的教学目标：（1）掌握一种控制算法的编程语言和人机交互接口的编程语言；（2）掌握试凑法确定PID参数的方法；（3）掌握至少两种PID控制算法并实现；（4）掌握控制系统的硬件设计和数据处理方法；（5）培养学生在计算机控制技术方面分析问题和解决问题的能力。
针对提出的教学要求，需要完成的主要实验内容包括：（1）按照设计搭建水箱液位控制系统硬件；（2）数据的采集和处理；（3）设计控制系统人机交互界面和至少两种数字PID控制程序；（4）调试系统硬件和软件。
二、实验方案的硬件设计计算机控制系统的硬件主要包括控制对象和计算机系统两大部分。
根据实验室现有条件，设计的控制对象选择采用实验室的单容水箱或者双容水箱，控制参量为单个水柱的液位高度，采用带变送器的压力传感器检测液位，输出0-5V的电压信号。
过程控制课程设计—三容水箱液位控制系统的设计
过程控制课程设计—三容水箱液位控制系统的设计过程控制系统课程设计报告三容水箱液位控制系统的设计指导教师：***学生：专业：自动化班级：设计日期： 2013.9.23—2013.10.11目录1 问题描述 -------------------------------------------- 52 建立模型 -------------------------------------------- 72.1被控量的选择 ------------------------------ 72.2操控量的选择 ------------------------------ 72.3模型的选择 --------------------------------- 82.3.1单容水箱数学模型 --------------- 82.3.2双容水箱的数学模型 ----------- 102.3.3三容水箱的数学模型 ----------- 113 算法描述 ------------------------------------------- 123.1算法选择 ----------------------------------- 123.2控制器设计 -------------------------------- 133.2.2单回路反馈调节 ----------------- 143.2.3 PID调节器 ---------------------- 153.2.3.1 PID调节器参数初值 ---- 153.2.3.2 PI调节器------------------- 163.2.3.3 PID调节器 ---------------- 183.2.4 串级反馈调节 ------------------- 204 参考文献 ------------------------------------------- 241 问题描述饮料工业是改革开放以后发展起来的新兴行业，1982年列为国家计划管理产品，当年全国饮料总产量40万吨。
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毕业设计 (论文)专业班级学生姓名学号课题基于MATLAB的三容水箱液位串级控制系统的设计基于MATLAB的三容水箱液位串级控制系统的设计指导老师：孙虹摘要液位是工业生产过程中重要的被控量之一，因而液位控制的研究具有很大的现实意义。
水箱的液位控制对石油、冶金、化工等行业来说必不可少。
本论文的目的是设计三容水箱液位串级控制系统，在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。
首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。
然后，根据被控对象模型和被控过程特性并加入PID调节器设计串级控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。
同时，通过对实际控制的结果进行比较，验证了串级控制对提高系统性能的作用。
随着计算机控制技术的迅速发展，组态技术开始得到重视与运用,它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。
关键词：液位，串级控制，PID调节器,系统仿真AbstractLiquid level is one of important controlled variables in industrial process, so research on it has great realistic significance.The purpose of this thesis is to design the liquid level's cascade control system of the three-tank.This design makes full use of the automatic indicator technique ﹑the computer technique﹑the communication technique and the automatic control technique in order to realize cascade control of water tank's liquid.First, I carry out the analysis of the controlled objects' model, and use the experimental method to calculate the transfer function of the model .Next, I design the cascade control system and use the dynamic simulation technique to analyze the capability of control system and design the cascade control system ，according to the model of controlled object and characteristic of controlled progress,jioning the modulator of PID.In the meantime,by comparing the control system functions,I validate the effects of cascade control system on accelerating system performance.As computer control technology develops at a high speed, configuration technology is regarded and used, which can solve so many problems of traditional industrial control software that users can configure at will to finish their automatic projects according to their object and goal.Keywords：liquid level，cascade control ,PID modulator，system simulation.目录1绪论 (1)1.1过程控制概述 (1)1.1.1过程控制的特点 (1)1.1.2工业过程控制的发展概况 (2)1.1.3过程计算机控制系统 (2)1.2液位串级控制系统概述 (4)1.2.1串级控制系统基本概念即组成结构 (4)1.2.2 系统特点及分析 (4)1.3 MATLAB软件介绍 (5)1.3.1 MATLAB系统组成 (5)1.3.2 基于MATLAB的数值处理 (6)2被控对象建模 (7)2.1 试验法简介 (7)2.2 实验步骤介绍 (8)2.3 水箱数据采集方法介绍： (9)2.3.1 上水箱阶跃响应参数测定： (9)2.3.2 中水箱阶跃响应参数测定： (9)2.3.3下水箱阶跃响应参数测定： (10)2.4 数据拟合与水箱传递函数求取 (10)2.4.1求取上水箱模型传递函数 (10)2.4.2求取中水箱模型传递函数 (12)2.4.3求取下水箱模型传递函数 (13)3 控制系统设计及仿真 (16)3.1 控制系统的选择 (16)3.2 PID控制简介 (17)3.2.1 比例（P）控制 (17)3.2.2 积分（I）控制 (18)3.2.3 微分（D）控制 (18)3.3 PID控制器参数整定 (18)4.控制系统仿真 (20)4.1 阶跃响应性能 (20)4.1.1 加入副回路的仿真 (20)4.1.2 去除副回路的仿真 (21)4.2 加入扰动 (22)5.过程仪表控制与计算机控制 (25)5.1 仪表控制系统概述 (25)5.2 过程仪表介绍 (25)5.2.1 检测部分 (25)5.2.2 执行机构 (26)5.2.3 控制器 (27)5.3 计算机过程控制系统 (28)5.3.1 远程计算机控制系统概述 (28)5.3.2 MCGS组态软件概述 (28)5.3.2 MCGS组态软件的特点 (29)5.4 计算机控制与过程仪表控制比较 (30)6结论 (32)致谢 (33)参考文献 (34)附录：英文资料及译文 (35)1. 英文资料 (35)2. 译文 (43)1绪论1.1过程控制概述1.1.1过程控制的特点过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表（包括电动仪表和气动仪表，模拟仪表和智能仪表）和电子计算机（看作一台仪表）等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。
一个过程控制系统是由被控过程和过程检测仪表两部分组成的。
过程检测控制仪表包括检测元件、变送器、调节器（包括计算机）、调节阀等。
过程控制系统的设计是根据工业过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成系统，再通过PID参数的整定，实现对生产过程的最佳控制。
过程控制有以下特点：（1）它是连续生产过程的自动控制。
过程控制一般是指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量的控制，而且应是连续可调的。
（2）被控过程是多种多样、非电量的。
在现代工业生产中。
工业控制很复杂。
由于生产规模大小不同，工艺要求各异，产品多种多样，因此过程控制中的被控过程是多种多样的。
它们的动态特性多数具有大惯性、大滞后、非线形特性。
有些机理复杂的过程至今尚未被人们所认识，所以很难用目前过程辨识方法建立精确的数学模型，因此设计能适应各种过程的控制并非易事。
（3）过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制。
由于被控过程具有大惯性、大滞后（大时延）等特性，因此决定了过程控制的控制过程多属慢过程。
（4）过程控制方案十分丰富。
随着现代工业生产的迅速发展，工艺条件越来越复杂对控制过程的要求越来越高。
过程控制的系统设计是以被控过程的特性为依据的。
由于工业过程的复杂多变，因此其特性多半属多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线形等等。
（5）定值控制是过程控制的一种常用形式。
在石油、化工、电力、冶金等现代工业生产中，过程控制的主要目的在于消除或减小外界干扰对被控量的影响，使被控量能稳定控制在该值上，使工业生产能实现优质、高产和低消耗的目标。
三容水箱液位定值控制系统是一种重要的过程控制，在石油、化工、冶金等工业领域有广泛的应用。
它对液位设定值，利用串行控制系统，使下水箱液位保持在该值，并跟随此给定值，抵抗扰动。
它只有一个控制变量，即下水箱液位，属于单输入、单输出控制，通常把它组建为过程仪表控制系统或远程计算机控制系统。
1.1.2工业过程控制的发展概况自本世纪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。
其后，串级控制，比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表也开始大量采用，同时电子技术和计算机技术开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC）。
之后，以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计所组成的现代控制理论，开始应用于解决过程控制生产中的非线性，耦合性和时变性等问题，使得工业过程控制有了更好的理论基础。
同时新型的分布式控制系统（DCS）集计算机技术、控制技术、通讯技术、故障诊断技术和图形显示技术为一体，使工业自动化进入控制管理一体化的新模式。
现今工业自动化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。
1.1.3过程计算机控制系统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。
由于计算机具有运算速度快﹑精度高﹑存储量大﹑编程灵活以及具有很强的通信能力等特点，目前以微处理器﹑单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器—过程计算机设备，正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。