双容水箱串级PID控制实验液位
双容水箱液位PID控制实验
《过程控制系统设计》课程实验报告2018年5月9日实验二双容水箱液位PID控制实验一、实验目的1、学习双容水箱液位PID 控制系统的组成和原理；2、进一步熟悉PID 的调节规律；3、进一步熟悉PID 控制器参数的整定方法。
二、实验设备1、四水箱实验系统DDC 实验软件；2、PC 机（Window XP 操作系统）；3、CS4000型过程控制实验装置。
三、实验原理1、控制系统的组成及原理单回路调节系统，一般是指用一个控制器来控制一个被控对象，其中控制器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
双容水箱液位PID 控制系统也是一种单回路调节系统，典型的双容水箱液位控制系统如图 1 所示：图 1 双容水箱液位PID 控制系统的方框图在双容水箱液位PID 控制系统中，以液位为被控量。
其中，测量电路主要功能是测量对象的液位并对其进行归一化等处理；PID 控制器是整个控制系统的核心，它根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节，从而控制双容水箱的液位达到期望的设定值。
3、PID 控制器参数的实验整定方法双容水箱液位PID 控制器参数整定，是为了得到某种意义下的最佳过渡过程。
我们这里选用较通用的“最佳”标准，即在阶跃扰动作用下，先满足需要的衰减率，然后尽量协调准确性和快速性要求。
四、实验内容在手动情况下进入初始稳态（如图3），然后根据水箱的实际液位情况进行了一次下水箱阶跃响应测试，最终达到平衡状态，如图4所示。
根据两点法求K、T、τ参数，并用响应曲线法整定出对应的控制器参数。
将整定好的参数投入设备，进行闭环自动控制，并微调参数，记录分析控制系统的响应曲线。
图2 现场接线图图3 建立工作点图4 下水箱阶跃响应测试曲线五、数据记录由图4的阶跃响应曲线，根据两点法求出K、T、τ参数，并用响应曲线法整定出对应的控制器参数P、Ti，绘图及计算过程如图5所示。
图5 响应曲线法整定参数设置完PID参数（Kc=1/P=1/0.7=1.43,Ti=8.52min×60=514.8s），手动切自动，修改设定值（SV=13），最终达到平衡状态，如图6所示。
双容水箱液位串级控制系统的设计
目录摘要 (1)Abstract: (2)1 概述 (3)1.1 过程控制介绍 (3)1.2 液位串级控制系统介绍 (4)1.3 MATLAB软件介绍 (4)1.4 MCGS组态软件介绍 (5)2 被控对象建模 (7)2.1 水箱模型分析 (7)2.2 阶跃响应曲线法建立模型 (7)3 系统控制方案设计与仿真 (13)3.1 PID控制原理 (13)3.2 系统控制方案设计 (15)3.2 控制系统仿真 (16)4 建立仪表过程控制系统 (20)4.1 过程仪表介绍 (20)4.2 仪表过程控制系统的组建 (21)4.3 仪表过程控制系统调试运行 (24)5 建立计算机过程控制系统 (26)5.1 计算机过程控制系统硬件设计 (26)5.2 MCGS软件工程组态 (28)5.3 计算机过程控制系统调试运行 (38)6 结论 (40)双容水箱液位串级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。
在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，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。
然后，设计并组建仪表过程控制系统，通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制。
最后，借助数据采集模块﹑MCGS组态软件和数字控制器，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。
关键词：液位模型 PID控制仪表过程控制系统计算机过程控制系统1.2液位串级控制系统介绍在工业实际生产中，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。
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一、系统结构1.水箱：系统中最重要的元件之一，用于存储和供应水资源。
2.控制阀：用于调节水箱出口的流量，根据传感器检测到的液位信号来控制阀门的开度。
3.液位传感器：用于检测水箱内部的液位变化，并将其转换为电信号供控制系统使用。
4.流量传感器：用于检测水箱出口的流量，并将其转换为电信号供控制系统使用。
5.控制器：整个系统的核心部分，根据传感器采集到的液位和流量信号，通过控制阀门的开度来调节水箱的液位和流量。
二、系统设计1.控制策略的选择：双容水箱液位流量串级控制系统的控制策略一般选择PID控制算法。
PID控制器可根据传感器采集到的控制量和设定值之间的误差来调节阀门的开度，实现液位和流量的闭环控制。
2.系统参数的确定：首先需要确定水箱的容积和液位范围，以便合理地选择传感器的量程。
然后需要根据水箱的工作条件和流量要求来确定控制阀的参数，如最大流量、最小可调节流量等。
3.传感器的选择与安装：根据系统的要求和工作环境的特点，选择适合的液位传感器和流量传感器，并将其正确安装在水箱中。
液位传感器一般安装在水箱的顶部，流量传感器安装在水箱的出口处。
4.控制器的设计与配置：根据系统需求和控制策略的选择，选择适合的PID控制器，并按照系统参数进行配置。
控制器应具备良好的控制性能和稳定性，能够根据传感器采集到的信号及时调节阀门的开度。
5.控制策略的调整与优化：系统设计完成后，需要通过实际的试验和调整来优化控制策略，提高系统的控制性能。
可以通过调整PID控制器的参数来实现系统的稳定运行和准确控制。
6.故障检测与保护措施：在设计系统时，应考虑到可能发生的故障，如传感器故障、控制阀失效等，并设计相应的故障检测和保护措施，以确保系统的安全可靠运行。
三、系统应用总结：双容水箱液位流量串级控制系统是一种重要的控制系统，在工业生产中起到关键作用。
其设计需要根据实际需求和系统参数进行合理设置，并通过优化控制策略来实现系统的稳定运行和优质控制效果。
实验五、串接双容下水箱液位PID整定实验
1.4.2二阶水箱对象PID控制
实验五串接双容中水箱液位PID整定
一、实验目的
（1）熟悉单回路双容液位控制系统的组成和工作原理。
（2）熟悉用P、PI和PID控制规律时的过渡过程曲线。
（3）定性分析不同PID控制器参数对双容系统控制性能的影响。
二、实验设备
CS2000型过程控制实验装置、计算机、DCS控制系统与监控软件。
(7)改变控制规律，时间允许的情况下，对于P、PI、PID，分别得到2条合理的过渡过程曲线（对应不同参数）。注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。
五、实验报告要求
（1）画出双容水箱液位控制实验系统的结构图。
（2）画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D对系统性能的影响。
六、思考题
三、实验原理
二阶双容水箱液位PID控制方框图
上图为双容水箱液位控制系统。这也是一个单回路控制系统，它与实验四不同的是有两个水箱相串联，控制的目的是使中水箱的液位高度等于给定值所期望的高度，具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响功能。显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于控制器（DCS）的结构和参数的合理选择。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故系统的稳定性不如单容液位控制系统。
对于阶跃输入（包括阶跃干扰），这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度成正比。若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数δ和TI调节的合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的控制作用，从而使系统既无余差存在，阀，将CS2000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。
实验三 双容水箱液位定值控制
实验三双容液位定值控制实验原理：本实验以中水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。
要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT3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电动调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。
实验系统控制方框图如下所示：图3－1 双容液位定值控制系统方框图实验内容一：观察系统在PI控制参数下的动态响应曲线1、按要求设定参数，液位给定值SV＝80mm，PI参数为P＝20，I＝60。
2、设置好系统的给定值后，用手动操作AI智能调节仪的输出，通过电动调节阀给上水箱打水，待其液位达到给定量所要求的值，且基本稳定不变时，把输出切换为自动，使系统投入自动运行状态。
其总貌图如下图所示：图3－2 双容液位定值控制系统总貌图上图曲线中所示，恒定不变的曲线线为下水箱液位的设定值，上面一条曲线为下水箱液位的的测量值，下面一条曲线为中水箱液位的测量值。
3、 观察系统在设定的控制参数下的动态响应曲线，如下图所示：图3－3 双容液位定值控制系统动态响应曲线由上图可知，其最大测量值为PV max =119.35mm ，由此可得出其最大超调量δ＝(119.35－80)/80*100％，δ=50％ 。
又由实时数据知：t 1＝09:59:15，t 2＝10:04:43则其上升时间t ＝t 2－t 1=328s 。
由以上可知，该双容控制系统的动态响应不如单容液位定值控制系统的动态响应，并且，在双容定值控制系统中，系统的响应还有一定的滞后，其滞后时间为T=94s 。
分析以上现象可得出以下的结论：本实验中被测对象由两个不同容积的水箱相串联组成，故称其为双容对象。
根据前一实验单容水箱液位定值控制的原理，可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：G(s)=G 1(s)G 2(s)=)1s T )(1s T (K 1s T k 1s T k 212211++=+⨯+ (3－1) 式中K ＝k 1k 2，为双容水箱的放大系数，T 1、T 2分别为两个水箱的时间常数。
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。
双容水箱液位定值控制系统实验报告
XXXX大学电子信息工程学院专业硕士学位研究生综合实验报告实验名称：双容水箱液位定值控制系统专业：控制工程姓名： XXX学号：XXXXXX指导教师： XXX完成时间：XXXXX实验名称：双容水箱液位定值控制系统实验目的：1．通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。
2．掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3．研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。
4．研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。
5．掌握双容液位定值控制系统采用不同控制方案的实现过程。
实验仪器设备：1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS需两台计算机）、万用表一个；2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个；4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根；5．SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线；6．SA-42挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。
实验原理：本实验以中水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。
要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT2检测到的中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电动调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。
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。
调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。
本实验系统结构图和方框图如图所示。
方案设计及参数计算：单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。
系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。
单回路控制系统方框图调节器参数的整定方法（一）经验法系统参数δ(%)T I(min) T D(min)温度20～60 3～10 0.5～3流量40～100 0.1～1压力30～70 0.4～3液位20～80(二)临界比例度法根据临界比例度δk和振荡周期T S，按下表所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到4：1衰减为目标。
双容水箱液位定值控制系统实验报告
双容水箱液位定值控制系统实验报告实验目的：通过搭建双容水箱液位定值控制系统，了解液位控制的基本原理和方法，掌握PID控制器在液位控制中的应用。
实验器材：1.液位控制综合实验台2.电子积分器PID控制器3.水泵4.液位传感器5.两个水箱6.电压表和电流表实验步骤：1.将两个水箱放在实验台上，一个用作上升水箱，一个用作下降水箱。
2.将水泵安装在上升水箱中，并通过输水管连接两个水箱。
3.将液位传感器安装在上升水箱和下降水箱中，并将其连接到电子积分器PID控制器。
4.将电子积分器PID控制器连接到电源，并连接电压表和电流表来监测相应的电压和电流。
5.打开水源，使用电子积分器PID控制器调节水泵的运行方式和水泵的转速。
6.观察液位传感器的反馈信号，并根据反馈信号调整PID控制器的参数，使得液位保持在设定值附近。
7.记录不同设定值下液位的控制效果，并分析数据。
8.关闭水源，停止实验。
实验结果：根据实验数据，可以观察到双容水箱液位控制系统的控制效果。
当设定值改变时，PID控制器能够调整水泵的运行方式和水泵的转速，以使得液位保持在设定值附近。
实验结果表明，在合适的PID控制器参数设置下，液位的稳定性和控制精度较高。
实验分析：在双容水箱液位定值控制系统中，PID控制器起到了关键作用。
P项（比例项）根据液位的偏差来调节水泵的转速，I项（积分项）根据液位的积累偏差来调整水泵的运行方式，D项（微分项）根据液位的变化速度来预测液位的变化趋势。
通过PID控制器的联合作用，可以实现对液位的稳定控制。
从实验结果分析可以看出，PID控制器的参数设置非常重要。
当P参数过大或过小时，会导致液位振荡或调节速度缓慢；当I参数过大或过小时，会导致液位超调或稳态误差；当D参数过大时，系统可能产生过冲。
因此，需要根据具体的系统要求和实验条件来合理设置PID控制器的参数。
结论：通过搭建双容水箱液位定值控制系统，并对其进行实验研究，我们可以了解液位控制的基本原理和方法，掌握PID控制器在液位控制中的应用。
双容型水箱实验报告
机械电子工程原理实验报告双容型水箱液位与PID控制综合实验组员:XXXXXX年X月实验一压力传感器特性测试及标定测量实验一、实验目的1、了解本实验装置的结构与组成。
2、掌握压力传感器的实验原理及方法，对压力传感器进行标定。
二、实验设备1、德普施双容水箱一台。
2、PC 机及DRLINK4.5 软件。
三、实验原理图1-1 传感器装置图本实验传感器如图1-1所示，使用二个扩散硅压阻式压力传感器，分别用来测量上水箱水柱压力，下水箱水柱压力。
扩散硅压阻式压力传感器实质是硅杯压阻传感器。
它以N型单晶硅膜片作敏感元件，通过扩散杂质使其形成4个P型电阻，形成电桥。
在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，使电桥有相应输出。
经过后级电路的放大处理之后输出0~5V之间的电信号。
扩散硅压力传感器的输出随输入呈线性关系，输出特性曲线一般是一条直线，一般使用传感器前需要对此传感器进行标定，通常的做法是取两个测量点（x1，y1）和（x2，y2）然后计算特性直线的斜率K和截距B即可。
由于扩散硅压力传感器承受的水压力与水的液位高度成正比，因此扩散硅压力传感器通常也用来测量液位高度。
四、实验内容及结果图1-2 上水槽压力传感器特性测试及标定测量实验图1-3 下水槽压力传感器特性测试及标定测量实验5）压力传感器的标定系数值表。
表1-1 压力传感器标定系数值传感器K值B值液位1传感器0.06440 -7.98567液位2传感器0.065166 -12.63056）依据压力传感器标定系数值绘制的压力传感器特性曲线如图1-3，图1-4所示：图1-3 上水槽压力传感器特性曲线图1-4 下水槽压力传感器特性曲线五、思考题1.在做本实验的时候，为何2次标定的液位高度不能够太接近？答：由于液位高度与电压值为线性关系，故2次标定的液位高度要保持一定距离，这样可以有效降低系统误差。
在控制过程中由于水泵抽水压力冲击传感器等影响会对液位传感器产生一定程度的干扰。
双容水箱液位串级控制系统的设计
双容水箱液位串级控制系统的设计双容水箱液位串级控制系统是一种常用于水处理、供水和污水处理等领域的控制系统。
它可以通过自动控制水泵的开关来实现水箱液位的稳定控制，从而保证水箱的安全运行。
本文将详细介绍双容水箱液位串级控制系统的设计。
首先，液位传感器的选择是系统设计的关键。
液位传感器是用于测量水箱液位的装置，常见的液位传感器包括浮球式传感器和压力传感器。
浮球式传感器适合用于小型水箱，而压力传感器适合用于大型水箱。
在选择液位传感器时，需要考虑液位测量的精度、可靠性和适应性等因素。
其次，PID控制器的设计是系统稳定性的关键。
PID控制器是一种常用的自动控制算法，通过不断调整控制器的输出值，使得系统的实际值与期望值之间的误差最小化。
PID控制器的设计需要根据系统的特点和需求来确定参数，包括比例、积分和微分的系数。
一般情况下，可以通过试错法来逐步调整这些参数，从而实现系统的稳定控制。
水泵控制策略是双容水箱液位串级控制系统的核心部分。
水泵控制策略的目标是根据水箱液位的实际情况，自动地调整水泵的开关状态，以实现水箱液位的稳定控制。
常见的水泵控制策略包括固定间隔控制、比例控制和模糊控制等。
在选择水泵控制策略时，需要考虑系统的特点和要求，以及水泵的工作状态和性能等因素。
最后，安全保护措施是系统设计中不可忽视的部分。
双容水箱液位串级控制系统在运行过程中，需要根据液位传感器的信号来判断水泵的工作状态，并及时采取相应的控制措施。
为了保证系统的安全性和可靠性，需要在系统中设置相应的报警装置和故障检测装置，以应对可能出现的各种故障情况。
总之，双容水箱液位串级控制系统的设计需要考虑液位传感器的选择、PID控制器的设计、水泵控制策略的选择和安全保护措施的设计等方面。
通过合理的系统设计和系统参数的调整，可以实现水箱液位的稳定控制，从而保证双容水箱的安全运行。
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PLC的双溶水箱液位串级控制的设计
基于PLC的双溶水箱液位串级控制【摘要】本文首介绍了一种基于PLC的双溶水箱液位窜级控制的设计。
文章首先介绍了PLC的产生和定义、过程控制的发展。
其次根据水箱的特性确定与曲线分析。
对西门子S7-200系列可编程控制器的硬件进行掌握。
进行了PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较。
应PID控制算法所得到的曲线分析。
在MCGS软件上进行交互界面。
通过整个系统各个部分的介绍和讲解PLC的过控制指令PID指令来控制水箱水位。
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，有着巨大的前景。
关键词： PLC 串级控制组态软件 MCGS PID控制算法Abstract: this article first describes the channeling for a double dissolution based on PLC water tank liquid level control design. Article first describes the definitions, process control and development of PLC. Second according to the characteristics determine the water tank and curvesanalysis. Siemens S7-200 series PLC hardware for mastering. PID parameter tuning and comparison of control performance of individual parameters. PID control algorithm and analysis of the resulting curve. On MCGS software interface. Throughout various parts of the system of introducing and explaining the PID control instructions instructtions of PLC to control water tank water level.Keywords: control configuration software MCGS of PLC cascade PID control algorithm目录1绪论 (3)1.1过程控制系统的发展概况及趋势 (3)1.2PLC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本文研究的主要内容 (5)2 水箱液位串级控制系统总体设计 (6)2.1水箱系统的组成 (6)2.1.1 西门子PLC控制系统 (6)2.1.2 CPU模块 (7)2.1.3 I/O模块 (7)2.1.4 I/O接线图 (8)2.1.5 信号间的转换关系 (8)2.2双容水箱系统结构 (9)2.2.1 双容水箱系统结构 (9)2.2.2 双容水箱系统结构图 (10)2.2.3 双容水箱对象特性 (11)3 串级控制 (15)3.1串级控制系统概述 (15)3.2串级控制系统的优点 (15)3.3串级控制系统的适用场合 (16)4 控制规律 (17)4.1控制规律选择 (17)4.2PID控制规律特点 (17)4.3PID控制调节规律 (17)4.4西门子S7-200系列PLC中PID指令的使用 (18)4.5在PLC中的PID控制的编程 (19)4.5.1 回路的输入输出变量的转换和标准化 (19)4.5.2变量的范围 (20)5 控制系统的设计 (22)5.1系统设计 (22)5.1.1 水箱液位的自动调节 (22)5.1.2 左水箱右水箱液位串级控制系统 (22)5.2硬件设计 (23)5.2.1 检测单元 (23)5.2.2 执行单元 (24)5.2.3 控制单元 (24)5.3运行 (24)5.3.1 左水箱液位比例调节 (24)5.3.2 右水箱液位比例积分调节 (25)5.3.3 左水箱液位比例积分微分调节 (25)6 程序的编写 (26)6.1主程序 (26)6.2子程序 (27)7 MCGS简单交互界 (30)7.1MCGS组态软件的概述 (30)7.2MCGS交互界面设计流程 (30)7.2.1 建立MCGS新工程 (30)7.2.2 建立新画面 (30)7.2.3 工具箱的用应 (32)7.2.4 建立文字框： (32)7.2.5 对象元件库管理 (33)7.2.6 完整动画演示 (33)结束语 (34)致谢 (35)参考文献 (36)1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。
串级控制双容水箱液位PID研究
二〇一三年六月毕业设计说明书学生姓名 :徐伟华学院 :化工学院系别 :过程装备与控制工程系专业 :过程装备与控制工程班级 :过控 09-4班指导教师 :张祯琳摘要我的毕业设计题目是串接双容水箱液位 PID 组态及研究,本题目研究的是以MCGS 系统为平台,采用 PID 控制的算法对双容水箱的液位进行控制,首先在 MCGS 组态软件做一个可控界面,进行可视化操作,找出控制质量指标比较好的调节规律。
单回路控制系统解决了工艺生产过程自动化中大量的参数定值控制问题, 但是单回路控制系统往往不能满足双容对象控制的生产工艺要求。
而串级控制系统是改善双容对象控制质量的有效方法之一, 在过程控制中得到广泛的应用。
本实验正是利用串级控制对双容水箱液位进行研究, 解决滞后大、过渡时间长等问题。
本说明书详细介绍了过程控制理论领域的诸多知识, 其中包括 AE2000A 型过程控制实验对象系统的介绍, MCGS 全中文工控组态软件的介绍,全中文控制系统软件内容的使用,双容水箱串级控制实验组态软件的开发,实验的研发过程, PID 调节,实验结果分析和问题的解答等。
在巩固专业基本内容的同时, 还要能够将计算机自动测试、控制、自动化等方面的知识有机结合在一起,进一步丰富知识结构,掌握控制理论的基本内容, 立足于理论和实际的联系。
关键词 :串级控制系统; PID调节; MCGS组态软件AbstractMy graduation project iscascade double capacitywater boxliquid level PID configuration and research ,the study of this subject is MCGS system as a platform, adaptive PID control algorithm on the dual-tank liquid level control, first of all In MCGS configuration software to make a controlled interface to visualize the process. Identify indicators of good quality control regulation law.Single-loop control system solves a lot of craft production process automation control parameter value, but often a single loop control system can not meet the dual capacity of production process control objects. The cascade control system is to improve the quality of two-capacity object effective method of control, in process control is widely used. This experiment is the use of cascade control of the dual-tank water level studies to address the delay large, long transition issues.This manual process that includes a lot of knowledge in the field of process control theory was introduced in detail,including the type of AE2000A process control experiment object system,the MCGS all of Chinese industrial control configuration software,the use of the content of the control system software in Chinese, double letwater tank cascade control research and development process, in the process of PID regulation, the analysis of results and the solution of problem.Elements in the consolidation of the professional, we must also be able to automatic computer testing, control, automation and other organic combination of knowledge, to further enrich their knowledge structure, to master the basic elements of control theory, based on the theory and practice links.Key words:Cascade control systems; PID regulator; MCGS configuration software 目录引言 (1)第一章实验简介 ................................................. - 2 -1.1 实验题目 (2)1.2 选题来源 ................................... 错误!未定义书签。
AE2000双容水箱液位串级PID控制实验(7~10号实验装置)
上、中水箱液位串级PID控制实验一、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AE2000型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。
三、实验原理上水箱液位作为副调节器调节对象，中水箱液位做为主调节器调节对象。
控制框图如图9-1所示：图9-1上水箱下水箱液位串级控制框图四、实验内容和步骤1、设备的连接和检查1).打开以丹麦泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。
2).打开上水箱出水阀和中水箱的出水阀开至适当的开度。
3).检查电源开关是否关闭2、系统连线图图9-2实验接线图1).将上水箱液位信号接至8017的AI0通道，将中水箱液位信号接至8017的AO0通道。
2).将8024的AO1通道接至气动调节阀的控制信号输入端。
3).电源控制板上的三相电源空气开关、丹麦泵电源开关打在关的位置。
3、启动实验装置：1).打开电源带漏电保护空气开关。
打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。
打开单相泵电源。
2).启动计算机DDC组态软件，进入实验系统相应的实验3).建立工作点将副回路的PID控制器设成手动单击实验界面中的副回路PID控制器标签打开副回路PID控制器界面，然后单击副回路PID控制器的“手动”按钮a、设定工作点单击副回路PID控制器界面中MV柱体旁的增/减键，设置MV（U1）的值c、进行对象动态特性测试（参见已做过的实验）给MV一个阶跃，将1号和3号水箱的液位变化数据记录在表1中：根据实验数据用两点法建立3号和1号水箱的传递函数，作为PID初始参数计算的依据。
4)调节串级的后级a、设置PID参数根据对象特性，查表计算PID初始参数，P＝I＝D＝，并将参数输入到控制器中，并进行微调，使内回路控制效果达到最佳。
双容水箱PID液位控制系统的仿真
双容水箱液位PID控制算法的仿真研究摘要由于单回路控制系统已不能克服液位控制中的一些问题，如：大时延、非线性、容量滞后等。
因此本设计针对这些问题设计串级控制，对单回路控制系统无法控制的问题进行解决，同时比较单回路控制系统和串级控制系统的不同之处。
本次毕业设计的课题是多容水箱的PID液位控制系统的仿真。
在设计中，主要针对双容水箱进行了研究和仿真。
本文的主要内容包括：对水箱的特性确定与实验曲线分析，通过实验法建立了液位控制系统的水箱数学模型，设计出了串级控制系统，针对所选液位控制系统选择合适的PID算法。
用MATLAB/Simulink建立液位串级控制系统，调节器采用PID控制系统。
通过仿真比较了单回路液位控制系统和串级控制系统控制的不同之处，以及参数的整定及各个参数的控制性能的比较，对所得到的仿真曲线进行分析，总结了参数变化对系统性能的影响。
关键词：MATLAB；PID控制；串级控制；液位系统仿真More let water tank PID level control systemsimulationAbstractBecause single loop control system has not overcome some of the liquid level control issues, such as: big time delay, non-linear process, capacity lag and so on. So this design is proposed to solve these problems, the cascade control for single loop control system can't control problems were solved, meanwhile compared single loop control system and cascade control system differences.The graduation design topic is based on the MATLAB PID level control system simulation. In the design, I mainly responsible is double let water tank simulation. The main content of this article include: software MATLAB, the introduction and application of the simulation of use in Simulink problems that should be paid attention to. Grasp the basic ideas of PID control to be familiar with PID algorithm, PID parameters setting method. Water tank with the experimental curves to determine the characteristics, through the test method analysis level control system was established mathematical model, the water tank designed cascade control system for the selected level control; choose the appropriate control system PID algorithm. MATLAB/Simulink establishes level cascade control system, the regulator using fuzzy PID control system. Through the comparative simulation single loop level control system and a cascade control system control differences, and parameter setting and various parameters control performance comparison, application gets PID control algorithm is analyzed for simulation curve, summarizes the parameters on the system performance impact.Keywords: MATLAB；PID control; Cascade control; Level system simulation目录1 绪论 (1)1.1问题的提出及研究意义 (1)1.1.1 水箱控制系统研究的意义 (1)1.2PID控制算法的研究现状 (2)1.3PID控制的应用与发展 (2)1.4本次设计的主要工作 (3)2 MATLAB仿真概述 (4)2.1过程控制系统的MATLAB计算与仿真 (4)2.1.1 控制系统计算机仿真 (4)2.2控制系统的MATLAB计算与仿真 (4)3 PID控制简介及其整定方法 (7)3.1PID控制简介 (7)3.1.1 PID控制原理 (7)3.2PID控制算法 (8)3.2.1 位置型算法 (9)3.2.2 增量型算法 (9)3.3PID调节的各个环节及其调节过程 (10)3.3.1 比例控制与其调节过程 (10)3.3.2 比例积分调节 (11)3.3.3 比例积分微分调节 (12)3.4串级控制 (12)3.5串级控制系统的设计 (14)3.5.1 主回路的设计 (14)3.5.2 副回路的设计 (14)3.5.3 主、副回路的匹配 (15)3.6串级控制系统的工业应用 (16)3.6.1 用于克服被控过程较大的容量滞后 (16)3.7PID控制的特点 (16)3.8PID参数整定方法 (16)3.8.1 传统整定方法 (17)4 双容液位控制系统的建模 (19)4.1过程建模的方法 (19)4.1.1 机理法 (19)4.1.2 测试法 (19)4.1.3 阶跃响应法 (20)4.2分析多容过程的数学建模 (21)4.2.1 一阶单容上水箱特性 (21)4.2.2 二阶双容下水箱对象特性 (23)5 双容液位控制系统的仿真 (25)5.1被控对象的仿真模型 (25)5.2单回路控制系统的仿真 (25)5.3串级控制系统的仿真 (30)5.3.1 当副环采用PID调节时 (32)结论 (37)致谢 (38)参考文献 (39)1 绪论1. 1 问题的提出及研究意义大多数情况下，单回路控制系统能够满足工艺生产的基本要求。
自动控制课程设计双容水箱液位串级控制
自动控制课程设计课程名称：双容水箱液位串级控制学院：机电与汽车工程学院专业：电气工程与自动化学号： 631224060430姓名：颜馨指导老师：李斌、张霞2014/12/300摘要 (2)1引言 (2)2对象分析和液位控制系统的建立 (2)2.1水箱模型分析 (2)2.2阶跃响应曲线法建立模型 (3)2.3控制系统选择 (3)2.3.1控制系统性能指标【2】 (3)2.3.2方案设计 (4)2.4串级控制系统设计 (4)2.4.1被控参数的选择 (4)2.4.2控制参数的选择 (5)2.4.3主副回路设计 (5)2.4.4控制器的选择 (5)3 PID控制算法 (6)3.1 PID算法 (6)3.2 PID控制器各校正环节的作用 (6)4 系统仿真 (7)4.1.1系统结构图及阶跃响应曲线 (7)4.2.1 PID初步调整 (10)4.2.2 PID不同参数响应曲线 (12)4.3.1 系统阶跃响应输出曲线 (17)5加有干扰信号的系统参数调整 (20)6心得体会 (22)7参考文献 (22)液位控制是工业生产乃至日常生活中常见的控制，比如锅炉液位，水箱液位等。
针对水箱液位控制系统，建立水箱模型并设计PID控制规律，利用Matlab 仿真，整定PID参数，得出仿真曲线，得到整定参数，控制效果很好，实现了水箱液位的控制。
关键词：串级液位控制；PID算法；Matlab；Simulink1引言面液位控制可用于生产生活的各方面。
如锅炉液位的控制，如果液位过低，可能造成干烧，容易发生事故；炼油过程中精馏塔液位的控制，关系到产品的质量，是保障生产效果和安全的重要问题。
因而，液位的控制具有重要的现实意义和广泛的应用前景。
本文针对双容水箱，以下水箱液位为主控制对象，上水箱为副控制对象。
选择进水阀门为执行机构，基于Matlab建模仿真，采用PID控制算法，整定PID参数，得出合理控制参数。
2对象分析和液位控制系统的建立2.1水箱模型分析现以下水箱液位为主调节参数，上水箱液位为副调节参数，构成传统液位串级控制系统，其结构原理图如图1所示。
双容水箱液位串级控制系统设计
双容水箱液位流量串级控制系统设计◆设计题目双容水箱液位流量串级控制系统设计◆设计任务如图1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图1 系统示意图◆设计要求1）已知主被控对象（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)。
2）假设液位传感器传递函数为Gm1=1/(0.1s+1)，针对该水箱工作过程设计单回路PID调节器，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出PID参数整定的方法与结果；3）假设流量传感器传递函数为Gm2=1/(0.1s+1)，针对该水箱工作过程设计液位/流量串级控制系统，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出主、副控制器的结构、参数整定方法及结果；4）在进口水管流量出现阶跃扰动的情况下，分别对单回路PID控制与串级控制进行仿真试验结果比较，并说明原因。
◆设计任务分析一、系统建模系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种建模方法。
机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程，从中获得所需的数学模型测试法一般只用于建立输入—输出模型。
它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。
它的特点是把研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质。
对于本设计而言，由于双容水箱的各个环节的数学模型已知，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：水箱2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)。
控制对象特性：Gm1（S ）=1/（0.1S+1）（水箱1传递函数）；Gm2（S ）=1/（0.1S+1）（水箱2传递函数）。
控制器：PID ；执行器：流量控制阀门；干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行10s 后，施加均值为0、方差为0.01的白噪声。
双容水箱液位PID控制matlab实验报告
Simulink 仿真如下：
7 时， S1 50.401, S2 0.094
8 时， S1 66.136, S2 0.536
9 时， S1 83.969, S2 0.978
10 时， S1 103.9, S2 1.42
11 时， S1 125.929, S2 1.862
1 1 1 1 (1 Td s) 1 ，此时，PD 调节 n n 1 (1 T0 s) (1 T0 s)
器的零点正好抵消了调节对象的一个重极点，使系统阶次降低一阶， 系统的性能最好。 比例微分调节器调节结束后被调量存在偏差，增加微分作用后， 可起到超前调节的作用，可以减少调节过程中被调量的动态偏差，减 少调节过程的振荡倾向。
可见， 越小，偏差越小，系统振荡比较剧烈； 越大，偏差越 大，系统比较平稳
2.PI 调节
Wa ( s) S1
令 s m j
S0 s
Wa (m, ) S1
S0 m j S0 m [ S1 S ] j (m2 1) 0 (m2 1)
单位阶跃响应为
实际效果还可以，但是没有找到最优解不知道是哪里出了问题。
加入干扰，Simulink 仿真如下：
单位阶跃响应为
系统趋于稳定，但是有一定的波动，范围很小。 实际上，PID 兼顾了以上三种调节器的优点，既能靠积分作用消 除被调量的静态误差，又能靠微分环节改善动态过程的品质。调节的
12 时， S1 150.056, S2 2.304
13 时， S1 176.281, S2 2.746
由于微分环节反应灵敏，微分环节的比重加大会使系统不易平 衡，可以看出来， 13 时，系统在稳定值附近的摆动会越来越明 显，相比较而言， 12 时， S1 150.056, S2 2.304 时系统的性能最 佳。 查阅资料知道，当微分时间近似等于时间常数时，从闭环特征方 程可以看出 WK 1
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双容水箱液位串级PID控制实验
一、实验目的
1、进一步熟悉PID调节规律
2、学习串级PID控制系统的组成和原理
3、学习串级PID控制系统投运和参数整定
二、实验设备
1、四水箱实验系统DDC实验软件
2、PC机（Window 2000 Professional 操作系统）
三、实验原理
1、控制系统的组成及原理
一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器称为“串级”控制器。
两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自
己独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给被控对象，这样组成的系统称为串
级控制系统。
本仿真系统的双容水箱串级控制系统如下图所示：
图17－1 本仿真系统的双容水箱串级控制系统框图
串级控制器术语说明
主变量：y1称主变量。
使它保持平稳使控制的主要目的
副变量：y2称副变量。
它是被控制过程中引出的中间变量
副对象：上水箱
主对象：下水箱
主控制器：PID控制器1，它接受的是主变量的偏差e1，其输出是去改变副控
制器的设定值
副控制器：PID控制器2，它接受的是副变量的偏差e2，其输出去控制阀门
副回路：处于串级控制系统内部的，由PID控制器2和上水箱组成的回路
主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出r2为输入，以副变量y2为输出的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，即主回路。
串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。
但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。
串级控制系统的主要优点有：
1）副回路的干扰抑制作用
发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正2）主回路响应速度的改善
副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的相应速度
3）鲁棒性的增强
串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性
4）副回路控制的作用
副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制由此可见，串级控制是改善调节过程极为有效的方法，因此得到了广泛的应用。
2、串级PID控制系统投运
串级控制系统和简单控制系统的投运要求一样，必须保证无扰动切换，采用先副回路后主回路的投运方式。
这里以我们的串级控制系统为例，给出具体的操作步骤：
A.将主、副控制器的切换开关都置于手动位置，副回路处于内给定
B.用副控制器的输出控制阀门，使主变量接近设定值，当工况比较平稳时，
将副控制器设成自动——无扰动切换，因为手动状态时副控制器的设定值
跟踪副变量
C.手动设定主控制器的输出值等于副控制器的设定值，当工况比较平稳时，
将主控制器设置成自动——无扰动切换，因为手动状态时副控制器的设定
值跟踪副变量
D.串级两个控制器，将副回路控制器设置成“远端模式”，这样主控制器的
输出便作为副控制器的设定值，从而构成串级系统
3、串级PID控制系统的参数整定
串级控制系统参数整定也采用先副后主的方式。
在整定时，应尽量加大副调节器的增益，提高副环的频率，使主、副回路的频率错开，最好相差3倍以上。
整定时，先切除主调节器，使主环处于断开的情况下，按通常的方法整定副调节器的参数。
然后在投入副回路的情况下，把副环作为弱阻尼的二阶环节等效对象，再加上副环外的部分对象，按通常方法整定主调节器参数。
四、实验步骤
1、进入实验
运行四水箱实验系统DDC实验软件，进入首页界面；
选择实验模式为“DDC模块”；
单击实验菜单，进入双容水箱液位串级控制实验界面，如下图所示：
2、选择控制回路
A、选择对象
在实验界面的“请选择控制回路”选择框中选择控制回路，如下图所示：
从两个回路中任选一个。
B、组成控制回路
当选择“串级回路1”作为控制回路时，须打开进水阀V13，关闭其它进水阀；
当选择“串级回路2”作为控制回路时，须打开进水阀V14，关闭其它进水阀。
这样便构成了一个控制回路。
在串级控制系统中，上水箱为串级系统的副回路——对应的PID控制器为串级的后级，下水箱为串级系统的主回路——对应的PID控制器为串级的前级
3、选择控制器工作点
a、将副回路的PID控制器设成手动
单击实验界面中的副回路PID控制器标签打开副回路PID控制器界面，然后
单击副回路PID控制器的“手动”按钮
b、设定工作点
单击副回路PID控制器界面中MV柱体旁的增/减键，设置MV（U1）的值
c、进行对象动态特性测试（参见已做过的实验）
给MV一个阶跃，将1号和3号水箱的液位变化数据记录在表1中：
根据实验数据用两点法建立3号和1号水箱的传递函数，作为PID初始参数计算的依据。
4、调节串级的后级
a、设置PID参数
根据对象特性，查表计算PID初始参数，P＝I＝D＝，并将参数输入到控制器中，并进行微调，使内回路控制效果达到最佳。
b、将控制器设成自动状态
保持模式为本地模式
单击副回路PID控制器界面中副回路PID控制器的“自动”按钮
5、调节串级的前级
前提：等液位稳定后
a、将控制器设成手动状态
单击主回路PID控制器界面的“手动”按钮
b、设置控制的输出值
单击MV柱体旁的增/减键，设置MV（Z1）的值，使其与副回路PID控制器
的设定值相等。
c、设置控制器PID参数
根据对象特性，设置
P＝I＝D＝
并将参数输入到控制器中，参加前面实验
d、将控制器设成自动状态
单击主回路PID控制器的“自动”按钮
6、串接两个PID控制器
将串级后级的PID控制器设置成“远端模式”
此时，串级前级的输出值便作为串级后级的设定值。
7、串级PID控制器的控制效果
通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体可以查看趋势曲线；
根据趋势曲线，从超调量、过渡时间和衰减比等方面对控制效果进行评估
当达到或接近期望效果时，跳到第9步。
8、根据控制效果，调整PID控制器参数
当控制效果不佳时，重新将控制器设置成手动，根据调节规律
跳转到第5步，继续实验。
9、数据记录
记录控制的调节参数，并利用趋势窗体查看控制效果，并结果记录在下表中：
10、结果分析
根据记录的实验数据，依据超调量、过渡时间和衰减比等特性参数评估串级控制的效果。
五、注意事项
四水箱实验系统DDC实验软件使用时，确保文件“四容水箱系统数据库”不在使用。
六、实验报告
1、通过趋势曲线，分析串级控制的效果
2、评估控制器参数对控制效果的影响
3、分析串级控制和单回路PID控制不同之处。
七、思考题
1、串级控制相比于单回路控制有什么优点?
2、为什么串级控制系统在加了副回路控制后控制量得到较大提升？
3、串级控制系统应如何投运？
4、串级控制系统参数应如何整定？。