过程控制课程设计之液位流量串级控制系统
过程控制系统课程设计

…过程控制系统课程设计{班级:本组成员:、2012年01月12日设计报告目录【1】内容一:过程控制课程设计的相关资料 (1),【2】内容二:过程控制课程设计 (6)(1)过程控制系统设计及其主要内容 (6)(2)被控对象特性分析 (6)(3)控制系统控制结构原理图 (7)(4)控制系统工艺流程图 (8)(5)一次仪表选型表 (10)(6)课程设计总结 (11)(7)参考文献 (12)..内容一:过程控制课程设计的相关资料一.液位控制系统中PID控制数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法,在水箱控制系统中有着极其重要的控制作用。
常用的PID控制系统原理框图如下所示:#PID控制器是一种线性控制器,它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成偏差PID控制规律为:写成传递函数形式为:-PID是比例,积分,微分的缩写形式:比例调节作用:是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。
比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。
积分调节作用:是使系统消除稳态误差,提高无差度。
因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。
积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。
反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。
积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。
微分调节作用:微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。
因此,可以改善系统的动态性能。
在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。
微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。
此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。
基于组态软件的液位—流量串级过程控制系统方案设计书[1]
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课程设计题目:基于组态软件的液位—流量串级过程控制系统设计工业过程控制课程设计任务书目录1 设计目的与要求11.1设计目的11.2 设计要求12 系统结构设计12.1 控制方案12.2 系统结构23 过程仪表的选择23.1 液位传感器23.2 电磁流量传感器、电磁流量转换器2 3.3 电动调节阀33.4 变频器33.5 水泵43.6 模拟量采集模块43.7 模拟量输出模块43.8 通信转换模块43.9 开关电源44 系统组态设计44.1 流程图与组态图44.2 组态画面64.3 数据字典64.4 应用程序74.5 动画连接84.6 PID控制算法8结论10参考文献11附录121 设计目的与要求1.1设计目的(1)加深对过程控制系统基本原理的理解和对过程仪表的实际应用能力。
(2)培养运用组态软件和计算机设计过程控制系统的实际能力。
1.2 设计要求(1)根据液位-流量串级过程控制系统的具体对象和控制要求,独立设计控制方案,正确选用过程仪表。
(2)根据液位-流量串级过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要,正确选用过程模块。
(3)根据与计算机串行通讯的需要,正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。
(4)运用组态软件,正确设计液位-流量串级过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。
2 系统结构设计2.1 控制方案在本系统中被控参量有两个,上水箱液位和管道流量,这两个参量具有相关联系,流量的大小可以影响上水箱液位,根据流量与液位的关系,故系统采用串级控制,内环为流量控制,外环为液位控制。
内环与外环的控制算法均采用PID算法,PID算法实现简单,控制效果好,系统稳定性好。
外环液位控制器的输出作为内环流量控制器的设定值,流量控制器的输出来控制调节阀的大小,来控制管道流量的大小,进而控制上水箱液位。
2.2 系统结构系统框图如图2.1所示。
图2.1 计算机控制上水箱液位和流量串级系统控制框图3 过程仪表的选择3.1 液位传感器液位传感器用来对上位水箱和下位水箱的液位进行检测,采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器,本变送器按标准的二线制传输,采用高品质、低功耗精密器件,稳定性、可靠性大大提高。
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。
PLC液位流量串级控制

当扰动发生时,破坏了稳定状态,调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同,分种情况进行分析:
* 1)扰动作用于副回路
* 2)扰动作用于主过程
* 3)扰动同时作用于副回路和主过程
分析可以看到:在串级控制系统中,由于引入了一个副回路,不仅能及早克服进入副回路的扰动,而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用,主调节器具有“细调”的作用,从而使其控制品质得到进一步提高。
副调节器作用方式的确定:
首先确定调节阀,出于生产工艺安全考虑,燃料调节阀应选用气开式,这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态,防止燃料进入加热炉,确保设备安全,调节阀的 Kv >0 。然后确定副被控过程的Ko2,当调节阀开度增大,燃料量增大,炉膛温度上升,所以 Ko2 >0 。最后确定副调节器,为保证副回路是负反馈,各环节放大系数(即增益)乘积必须为正,所以副调节器 K 2>0 ,副调节器作用方式为反作用方式。
偏移地址 域 格式 类型 说明
0 过程变量 双字—实数 输入 在0—1之间
4 设定值 双字—实数 输入 在0—1之间
8 输出 双字—实数 输入/输出 在0—1之间
12 增益 双字—实数 输入 可正可负
16 采样时间 双字—实数 输入 正数单位秒
20 积分时间 双字—实数 输入 正数单位分钟
本供水系统的设定值是水箱满水位的80%时的水位,过程变量是水压力传感器检测液位值和涡轮流量计测流值,输出是作为电动系统的电动机和水泵,可以允许最大值的0%到100%,设定值可以预先设定后直接输入回路表中,过程变量是一个单极性的模拟量,回路输出值也是一个单极性的模拟量,用来控制水泵速度。这个模拟量的范围是0.0到1,分辨率是1/32000.
基于组态软件的液位—液位串级控制系统设计

基于组态软件的液位—液位串级控制系统设计液位—液位串级控制系统是指通过控制多个液位传感器的液位信号,来实现多个液位控制阀门的自动调节,以达到控制系统中多个液位的目标值的系统。
组态软件是指一种用于编程和配置自动化系统的软件工具,它可以通过图形化界面来配置系统的控制逻辑,监视系统的状态并进行调试。
在液位—液位串级控制系统中,组态软件可以用于设计控制逻辑、配置传感器和执行器、进行调试和监视等工作。
本文将详细介绍基于组态软件的液位—液位串级控制系统的设计过程和关键技术。
首先,我们需要确定系统的目标和需求。
例如,我们可能需要将液位控制在一定的范围内,或者需要保持不同液位之间的差值在一定的范围内。
根据具体的需求,我们可以确定系统中需要使用的液位传感器数量和位置。
接下来,我们需要选择合适的液位传感器。
液位传感器的选择应该考虑到被测液体的性质、液体的压力和温度范围、传感器的精度和可靠性等因素。
常见的液位传感器包括浮球液位传感器、电容式液位传感器、压力式液位传感器等。
然后,我们需要选择合适的执行器,用于控制液位阀门的开关。
执行器可以是电磁阀、调节阀等。
选择执行器时,需要考虑其控制精度、响应速度和使用寿命等因素。
接着,我们可以使用组态软件来进行系统的设计和配置。
组态软件通常提供了一个图形化界面,可以通过拖拽和连接元件来设计控制逻辑。
我们可以将液位传感器和执行器等元件添加到画布中,并进行连接和配置。
例如,我们可以将液位传感器的输出信号连接到执行器的输入端口,并设置液位的目标值和控制算法等参数。
在配置完成后,我们可以使用组态软件提供的调试和监视工具来检查系统的状态和调整控制参数。
例如,我们可以使用组态软件提供的实时监视功能来查看液位传感器的读数和执行器的状态。
如果系统的反馈不符合预期,我们可以通过调整控制参数来优化系统的性能。
最后,我们需要进行系统的联调和测试。
在联调过程中,我们需要验证系统的各个组件之间的协作是否正常,并调整参数来使系统达到预期的控制效果。
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
实验一液位流量过程控制系统

实验一ﻩ液位流量过程控制系统一、实验目的1.掌握控制对象动态特性测试的方法.2.熟悉1~2阶单回路控制系统和串级控制系统的组成,调节器参数整定.3. 了解干扰信号加于不同位置对调节质量的影响.4。
掌握P、I、D参数对系统性能的影响。
二、实验内容1。
动态特性测试液位对象的动态特性测试流量对象的动态特性测试2.单回路控制系统液位单回路控制及参数整定流量单回路控制及参数整定3。
串级控制系统串级控制的组成串级控制时调节器的参数整定及系统投运4。
比值控制系统相乘控制方案的实施比值控制时比值系数的设置三、实验用图所有原理框图、接线图均在实验步骤内四、实验预备知识1.了解差压变送器的工作原理和结构。
2. 了解电气调节阀和流量传感器工作原理和信号的传递与控制.3. 掌握PID数字控制仪的接线与操作方法。
五、实验预习1。
了解实验装置,熟悉液位与流量过程控制系统面板图(见附图一).2.根据每个实验的要求和对应实验装置的面板图,完成“实验原理与步骤”中各种实验的原理框图和接线图,以此为依据进行实验。
3。
写出每个实验的操作步骤及调节器的设置。
六、实验装置1.装置介绍a.装置的组成该装置由控制对象和控制台两部分组成.控制对象包括两阶液位对象、水槽、水泵、流体输送管道、空气过滤减压阀、电气转换器以及有关的液位压力检测变送和气动调节阀.在控制屏上安装了数字调节仪表、泵的开停按钮及整个工艺模拟流程图等。
模拟流程图上的有输入输出线插座孔.因此在组成不同控制回路时,只要在这些插孔上进行不同的连接,就能方便组成不同的控制回路.b。
模拟屏模拟屏上的流程图如图4所示。
图中,Ο为插座孔.C1、C2、C3为三个调节器(C1带有通信接线、C2带有外设定功能),C1为主调节器,C2为副调节器,C3为外加干扰;框中的PV、SP、OUT分别表示调节器的测量、外给定、输出;FT1、FT2分别表示内、外容器的流量检测变送值经F/I转换后的标准电流输出信号;V1、V2表示调节阀的输入信号插座孔,接收来自调节器的标准电流输出信号并经电气转换器转换成标准气信号后送到气动调节阀。
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。
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,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:dH 1Qi - Q Odt F(1.1)其中Qi =k"(1.2)Q。
= k、H(1.3)F为水箱的横截面积;k.!.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,液位对象的传递函数: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U t 二K C e t (2.1)1.3控制系统的总体方框图及工作过程k可视为常数增量,UO 的大小可以通过调整调节器的工作点加以改变。
【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。
(完整word版)上水箱液位与进水流量串级控制系统

题目11 上水箱液位与进水流量串级控制系统一、课程设计主要任务及要求1、了解液位-流量串级控制系统的结构组成与原理。
2、掌握液位—流量串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3、进行串级控制系统PID参数整定。
4、了解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.二、实验设备1. THJ-FCS型高级过程控制系统实验装置。
2。
计算机及相关软件。
三、实验原理本实验系统的主控量为上水箱的液位高度H,副控量为气动调节阀支路流量Q,它是一个辅助的控制变量。
系统由主、副两个回路所组成。
主回路是一个定值控制系统,要求系统的主控制量H等于给定值,因而系统的主调节器应为PI或PID控制。
副回路是一个随动系统,要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律,以达到对主控制量H的控制目的,因而副调节器可采用P控制。
但选择流量作副控参数时,为了保持系统稳定,比例度必须选得较大,这样比例控制作用偏弱,为此需引入积分作用,即采用PI控制规律。
引入积分作用的目的不是消除静差,而是增强控制作用。
显然,由于副对象管道的时间常数小于主对象上水箱的时间常数,因而当主扰动(二次扰动)作用于副回路时,通过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响。
本实验系统结构图和方框图如图5-15所示。
图5-15上水箱液位与进水流量串级控制系统(a)结构图(b)方框图四、实验控制系统流程图本实验控制系统流程图如图5—16所示.图5-16 实验控制系统流程图本实验主要涉及三路信号,其中两路是现场测量信号上水箱液位和管道流量,另外一路是控制阀门定位器的控制信号。
本实验中的上水箱液位信号是标准的模拟信号,与SIEMENS的模拟量输入模块SM331相连,SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连,ET200M挂接到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向控制器CPU315-2 DP的传送。
双容水箱液位流量串级控制系统设计要点

双容水箱液位流量串级控制系统设计要点双容水箱液位流量串级控制系统是一种在液位和流量之间进行联动控制的系统。
该系统通常由两个水箱、两个阀门和两个流量计组成。
其中,一个水箱用于控制液位,另一个水箱用于控制流量。
双容水箱液位流量串级控制系统的设计要点包括以下几个方面:1.系统结构设计:双容水箱液位流量串级控制系统的结构应该合理、紧凑,方便安装和维护。
系统中的各个组件应该布局合理,阀门、流量计与水箱的位置应该便于操作和读取数据。
2.控制策略设计:双容水箱液位流量串级控制系统的控制策略应该能够实现液位和流量之间的联动控制。
一般采用控制阀门的开度来调节流量,通过调节水泵的转速或者阀门的开度来调节液位。
控制策略应该具有良好的稳定性和鲁棒性,能够快速而准确地响应输入信号的变化。
3.传感器选择与布置:双容水箱液位流量串级控制系统中的传感器用于检测液位和流量。
液位传感器的选择应该考虑到水箱的工作范围和要求,以及精度和可靠性的要求。
流量传感器的选择应该根据流量范围和要求,以及精度和可靠性的要求。
传感器的布置应该能够准确地测量液位和流量,避免干扰和误差。
4.控制器选择与配置:双容水箱液位流量串级控制系统的控制器是实现控制策略的核心部件。
控制器应该具有良好的性能,包括计算能力、通信能力和抗干扰能力。
控制器的配置应该考虑到系统的需求和性能要求,以及可靠性和可扩展性的要求。
5.阀门和流量计选择与定位:双容水箱液位流量串级控制系统中的阀门和流量计是实现液位和流量调节的关键装置。
阀门的选择应该考虑到流量范围和要求,以及可靠性和响应速度的要求。
流量计的选择应该根据流量范围和要求,以及精度和可靠性的要求。
阀门和流量计的定位应该根据液位和流量的控制策略,使其能够和其他组件紧密配合,实现精确的调节和测量。
通过以上要点的设计,可以有效实现双容水箱液位流量串级控制系统的运行稳定和精确控制。
同时,设计过程中还需要考虑到系统的安全性和可靠性,以及经济性和可维护性的要求。
A3000过程控制实验指导 第四章

第四章串级控制系统实验第一节串级控制系统的连接实践一、串接控制系统的组成图4-1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设定值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4-1 串级控制系统的方框图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二、串级控制系统的特点1.改善了过程的动态特性由负反馈原理可知,副回路不仅能改变副对象的结构,而且还能使副对象的放大系数减小,频带变宽,从而使系统的响应速度变快,动态性能得到改善。
2.能与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串级控制系统由于比单回路控制系统多了一个副回路,当二次扰动进入副回路,由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数,因而当扰动还没有影响到主控参数时,副调节器就开始动作,与时减小或消除扰动对主参数的影响。
基于这个特点,在设计串级控制系统时尽可能把可能产生的扰动都纳入到副回路中,以确保主参数的控制质量。
至于作用在主对象上的一次扰动对主参数的影响,一般通过主回路的控制来消除。
3.提高了系统的鲁棒性由于副回路的存在,它对副对象(包括执行机构)特性变化的灵敏度降低,即系统的鲁棒性得到了提高。
具有一定的自适应能力串级控制系统的主回路是一个定值控制系统,副回路则是一个随动系统。
主调节器能按照负荷和操作条件的变化,不断地自动改变副调节器的给定值,使副调节器的给定值能适应负荷和操作条件的变化。
三、串级控制系统的设计原则1.主、副回路的设计1)副回路不仅要包括生产过程中的主要扰动,而且应该尽可能包括更多的扰动信号。
2)主、副对象的时间常数要合理匹配,一般要求主、副对象时间常数的匹配能使主、副回路的工作频率之比大于3。
为此,要求主、副回路的时间常数之比应该在3~10之间。
过程控制系统串级控制系统实验

实验一串级控制系统组成实验一、概念在串级控制系统中,采用了主、副两只控制器,其中主控制器的输出作为副控制器的给定,而由副控制器的输出去控制控制阀。
本次实验采用仪表实验装置,其内容就是让学生自行连成液位与液位及液位与流量两个串级控制系统。
二、目的要求、1.熟悉实验装置(参见实验指导书)。
2.利用所提供的液位实验装置连成一个以二阶液位L2为主变量,一阶液位L1为副变量,F2为控制变量的液位与液位串级控制系统。
3.利用液位实验装置连成一个以二阶液位L2为主变量,以一阶液位F l为副变量和控制变量的液位与流量串级控制系统。
三、注意事项1.本次实践只连线路,不允许接通电源。
四、思考问题1.串级控制系统中主、副控制器的内、外给定开关应如何放置?2.试分析液位与液位串级控制系统在干扰作用下的工作过程。
3.已知控制阀为气闭式,并安装在水槽的入口处,试分析液位与液位串级控制系统中主、副控制器的正、反作用应如何选?实验二串级控制系统的投运和整定一、概述串级控制系统具有主、副两只控制器,因此投运和整定要比单回路系统复杂一些。
但只要按照先副后主的步骤循序进行,并掌握住投运和整定的要领,串级控制系统的投运和整定方法也是不难掌握的。
串级控制系统的整定方法很多,本次采用的是一步整定法。
即先根据副变量的类型,按经验数据将副控制器参数一次性放好,不再改变,然后再按单回路系统的4:1衰减曲线法直接整定主控制器的参数。
本次实验要求学生利用所提供的液位实验装置连成一个以二阶液位L2为主变量,一阶液位L l为副变量,F2为控制变量的液位与液位串级控制系统,并对该系统进行投运和整定实践。
二、实验目的1.串级控制系统的投运2.串级控制系统控制器参数的整定三、实验要求1.掌握串级控制系统的投运方法。
2.掌握一步整定法整定串级控制系统控制器参数的方法。
3.要求学生根据实验的目的要求自行拟定实验步骤。
4.实验完成后一星期内每人提交一份实验报告,内容要求同前。
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。
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目录第一章概述 (4)1.1本课程设计的研究意义 (4)1.2本课程设计的目的和内容 (4)第二章系统结构的控制方案 (5)2.1控制系统在世界应用中的重要意义 (5)2.2系统结构设计 (5)2.3控制系统的总体方框图及工作过程 (6)2.3.1被控对象的分析 (6)第三章PID参数整定 (7)3.1控制规律的比较与选择 (8)3.1.1常见控制规律的类型及优缺点的比较 (8)第四章设备的选型 (11)4.1液位传感器 (11)4.2电磁流量传感器 (11)4.3电动调节阀 (11)4.5变频器 (12)4.6模块选择 (12)4.7适合本系统的检测转换元件 (12)4.8液位检测转换元件 (13)4.9执行元件的选择性能参数 (13)第五章系统仿真和结果分析 (14)第六章实际控制系统的运行与调试 (15)6.1实际控制系统的组成的动态运行图 (15)6.2实际控制系统的运行调试方法 (15)6.3实际控制系统的调试步骤 (17)6.4运行调试中的问题及解决方法 (18)第一章概述1.1 本课程设计课题研究的意义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,简单的单回路控制已经难以满足一些复杂的控制要求。
在单回路控制方案基础上提出的串级控制方案,则对提高过程控制的品质有极为明显的效果。
串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能,而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。
因此,串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好,而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现,所以,串级控制是一种易于实现且效果又较好的控制方法。
本课程设计课题讨论了一个简单的液位流量串级控制系统的设计方法及步骤。
液位和流量是工业生产过程中最常用的两个测控参数,因此本课程设计课题具有较大的现实意义。
1.2 本论文的目的和内容1.2.1 目的通过课程设计,加深对所学传感器技术、转换技术、电子技术、自动控制原理以及过程控制的基本原理、基本知识的理解和应用,掌握串级控制系统的设计步骤和方法,掌握工程整定参数方法,培养创新意识,增强动手能力,为今后工作打下一定的理论和实践基础。
1.2.2 内容一、题目:液位流量串级控制系统二、设计指标:液位在0~500mm内给定一个值, <5%,稳定时间<300s,稳态误差≤∣±2mm∣。
三、主要任务:以严谨的态度对待课程设计,认真复习有关基础理论和技术知识,认真查阅参考资料,仔细分析被控对象的工作原理、特性以及控制要求。
能在指导老师的帮助下解决设计中的各种问题,按计划完成课程设计各阶段的任务,使设计的系统的各项指标达到要求。
重视理论与实际结合,并以积极、认真的态度参加课程设计答辩。
第二章系统的控制方案2.1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。
但有些调节对象的动态特性虽然并不复杂,但控制的任务却比较特殊,则单回路控制系统就无能为力了。
另外,随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对操作条件要求更加严格,参数间相互关系更加复杂,对控制系统的精度和功能提出许多新的要求,对能源消耗和环境污染也有明确的限制。
为此,需要在单回路的基础上,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。
而串级控制系统可以用一般常规仪表来实现,成本增加也不大,却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。
一般情况下,流量是影响液位的主要因素,其时间常数较小,将它纳入副回路进行控制,不仅有效地克服了流量对液位造成的干扰,而且使系统工作频率提高,能够对液位实行较快的控制。
2.2 系统结构设计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。
结构组成如下图2.2所示。
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。
其过程控制系统图如图2.1所示。
图2.1 控制系统框图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。
本次设计为流量回路控制,即为闭环控制系统,如下图2.2图2.2 液位单回路控制系统框图2.3控制系统的总体方框图及工作过程2.3.1 被控对象的分析一、被控对象的构成图被控对象为图2.3中所示液位对象。
图2.3二、被控对象的工作原理、传递函数及理论推导如下:单容水箱如图2.1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=- (2.1) 其中 i Q k μμ= (2.2)o Q = (2.3)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 =第三章 PID 参数整定3.1 控制规律的比较与选择3.1.1 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 = (3.1)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。
在过程控制中习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系:()()1u t e t δ=(3.2)其中δ称为比例带。
比例调节的显著特点就是有差调节。
比例调节的余差随着比例带的加大而加大。
从这一方面考虑,人们希望尽量减小比例带。
然而,减小比例带就等于加大调节系统的开环增益,其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。
稳定性是任何闭环控制系统的首要要求,比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。
此时,如果余差过大,则需通过其它的途径解决。
δ很大意味着调节阀的动作幅度很小,因此被调量的变化比较平稳,甚至可以没有超调,但余差很大,调节时间也很长。
减小δ就加大了调节阀的动作幅度,引起被调量来回波动,但系统仍可能是稳定的,余差相应减小。
δ具有一个临界值,此时系统处于稳定边界的情况,进一步减小δ系统就不稳定了。
二、积分调节(I 调节)的特点在I 调节中,调节器的输出信号的变化速度du (t)/d t 与偏差信号e 成正比,即:()()I du t K e t dt= (3.3) 或 ()()0tI u t K e t dt =⎰ (3.4) 式中K I 称为积分速度,可视情况取正值或负值。
上式表明,调节器的输出与偏差信号的积分成正比。
I 调节的特点是无差调节,与P 调节的有差调节形成鲜明对比。
式(3.3)表明,只有当被调量偏差e 为零时,I 调节器的输出才会保持不变。
然而与此同时,调节器的输出却可以停在任何数值。
这意味着被控对象在负荷扰动的调节过程结束后,被调量没有余差,而调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上。
I 调节的另一特点是它的稳定作用比P 调节差。
例如,根据奈氏稳定判据可知,对于非自衡的被控对象采用P 调节时,只要加大比例带总可以使系统稳定(除非被控对象含有一个以上的积分环节);如果采用I 调节则不可能得到稳定的系统。
对于同一个被控对象,采用I 调节时其调节过程的进行总比采用P 调节时缓慢,表现在振荡频率较低。
把它们各自在稳定边界上的振荡频率加以比较就可以知道,在稳定边界上若采用P 调节则被控对象须提供180°相角滞后。
若采用I 调节则被控对象只须提供90°相角滞后。
这就说明用I 调节取代P 调节就会降低系统的振荡频率。
采用I 调节时,控制系统的开环增益与积分速度K I 成正比。
因此,增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度,直到最后出现发散的振荡过程。
因为K I 愈大,则调节阀的动作愈快,就愈容易引起和加剧振荡。
但与此同时,振荡频率将愈来愈高,而最大动态偏差则愈来愈小。
被调量最后都没有余差,这是I 调节的特点。
三、比例积分调节(PI 调节)PI 调节就是综合P 、I 两种调节的优点,利用P 调节快速抵消干扰的影响,同时利用I 调节消除余差。
它的调节规律为:()()()0tc I u t K e t K e t dt =+⎰ (3.5) 或 ()()()011tI u t e t e t dt T δ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭⎰ (3.6) 式中δ为比例带,可视情况取正值或负值;I T 为积分时间。
δ和I T 是PI 调节器的两个重要参数。
图3.1是PI 调节器的阶跃响应,它是由比例动作和积分动作两部分组成的。
在施加阶跃输入的瞬间,调节器立即输出一个幅值为Δe/δ的阶跃,然后以固定速度Δe/δTI 变化。
当t=T I 时,调节器的总输出为2Δe/δ。
这样,就可以根据图3.1确定δ和T I 的数值。
还可以注意到,当t=T I 时,输出的积分部分正好等于比例部分。
由此可见,T I 可以衡量积分部分在总输出中所占的比重:T I 愈小,积分部分所占的比重愈大。
PI 调节器引入积分动作带来消除余差之好处的同时,却降低了原有系统的稳定性。
为保持控制系统原来的衰减率,PI 调节器比例带必须适当加大,这样会使调节时间ts 增大,最大偏差也会增大。
四、微分调节的特点比例调节和积分调节都是根据当时偏差的方向和大小进行调节的,而不管那时被控对象中流入量与流出量之间有多大的不平衡,而这个不平衡正决定着此后被调量将如何变化的趋势。
由于被调量的变化速度(包括其大小和方向)可以反映当时或稍前一些时间流入、流出量之间的不平衡情况,因此,如果调节器能够根据被调量的变化速度来移动调节阀,而不要等到被调量已经出现较大偏差后才开始动作,那么调节的效果将会更好,等于赋予调节器以某种程度的预见性,这种调节动作称为微分调节。