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

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，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。

1.3控图 单容

所Qi 为口流加以控

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 =-（1.1）

其中 i Q k μμ=（1.2）

o Q = 1.3）

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 =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

()()C u t K e t =（2.1）

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：

()()1

u t e t δ=（2.2）

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

=（2.3） 或 ()()0t

I u t K e t dt =?（2.4） 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（2.3）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：

()()()0t

c I u t K e t K e t dt =+? (2.5) 或 ()()()011t

I u t e t e t dt T δ??=+ ????(2.6) 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。式

2.6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。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。因为被调量的变化速度（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。此时调节器的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即

()()D de t u t K dt

=(2.7) 因此微分调节只能起辅助的调节作用，它可以与其它调节动作结合成PD 和PID 调节动作。

五、比例积分微分调节（PID 调节）

PID 调节器的动作规律是

()()()()0t c I D de t u t K e t K e t dt K dt

=++? (2.8)

或()()()()011t

D I de t u t e t e t dt T T dt δ??=++ ????(2.9) 式中δ、T I 和T D 参数意义与PI 、PD 调节器相同。

3 设备选型

3.1 液位传感器

液位传感器用来对上谁为水箱的压力进行检测，采用工业的DBYG 扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，喜爱用高品质低耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。可方便的与其他DDZ —3X 型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表。校验的方法是通电预热15分钟后，分别在零压力和满程压力下检查输出电流值。在零压力下调整量程电位器，使输出电流为4mA ，在满量程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA 。本传感器精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串24V 直流电源。压力传感器用来对上水位水箱和中水位水箱的压力进行检测，采用工业用的DBYG 扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制4-20mA 标志信号输出。

3.2电磁流量传感器

（1）流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。根据本试验装置的特点，采用工业用的LDS-10S 型电磁流量传感器，公称直径10mm ，流量0~.03m3/h,压力1.6Mpmax,4-20mA 标准信号输出。可与显示，记录仪表，积算器或调节器配套。避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点，确保实验效果能达到教学要求。主要优点：

1）采用整体焊接结构，密封性好；

2）结构简单可靠，内部无活动部件，几乎无压力损失；

3）采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定；

（2）流量转换器采用LDZ-4型电磁流量传感器配套使用，输入信号：0~0.4mV 输出信号：4~20mA DC, 许负载电阻为0~750欧姆，基本误差：输出信号量程的0.5%。

3.3电动调节阀

电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高，操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。有输入控制信号4-20mA 及单相电源即可控制与转实现对压力流量温度压力等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量少的优点。采用PS 电子式直行程执行机构，4-20mA 阀位反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门采用弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。

3.4水泵

采用丹麦兰富循环水泵。噪音低，寿命长，不会影响教师授课减少使用麻烦。功耗小，220V 供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变送器一起可构成恒压供水系统。

3.5变频器

三菱FR-S520变频器，4-20mA 控制信号输入，可对流量或压力进行控制，该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定安全可靠，操作方便，寿命长，可外加电流控制，也可通过本身旋钮控制频率。可单相或三相供电，频率可高达200Hz 。

3.6模块选择

当需要构成计算机控制系统时，过程控制装置的数据采集和控制采用目前最新的牛顿7000系列远程数据采集模块和组态软件组成，完全模拟工业现场环境，先进性与实用性并举。有效的拉近了实验室与工业现场的距离。它体积小，安装方便，可靠性极高。

1) D/A 模块：采用牛顿7024模块。4路模拟输出，电流（4-20mA ）电压（1~5V ）信号均可。

2) A/D 模块：采用牛顿7017模块。8路模拟电压（1~5V ）输入。

3) DO 模块：采用牛顿7043模块。

4)通讯模块：采用牛顿7520转换模块。485/232转换模块，转换速度极高（300~115KHz），232口可长距离。

3.7适合本系统的检测转换元件

本系统流量检测转换元件为涡轮流量计，而液位检测转换元件为静压式液位计。

涡轮流量计,涡轮流量计是以动量矩守恒原理为基础设计的流量测量仪表，是速度式流量计中的主要种类,它采用多叶片的转子(涡轮)感受流体平均流速,从而推导出流量或总量。

涡轮流量计的工作原理：当流体通过安装有涡轮的管路时，流体的动能冲击涡轮发生旋转，流体的流速愈高，动能越大，涡轮转速也就愈高。在一定的流量范围和流体粘度下，涡轮的转速和流速成正比。当涡轮转动时，涡轮叶片切割置于该变送器壳体上的检测线圈所产生的磁力线，使检测线圈磁电路上的磁阻周期性变化，线圈中的磁通量也跟着发生周期性变化，检测线圈产生脉冲信号，即脉冲数。其值与涡轮的转速成正比，也即与流量成正比。这个电讯号经前置放大器放大后，即送入电子频率仪或涡轮流量积算指示仪，以累积和指示流量。

3.8液位检测转换元件：

对于不可压缩的液体，液位高度与液体的静压力成正比，所以测出液体的静压力，即可知道液体的高度。

图3.1

图3.1所示为用静压式液位计进行开口容器的液位测量。压力计与容器的底部相连，根据压力计指示的压力大小，即可知道液位的高度，其关系为

p

= (3.10)

H

γ

式(3.10)中，H是液位的高度；γ是液体重度；p是容器内取压平面上的静压力。

3.9执行元件的选择、性能参数

本系统所使用实验装置可用提升泵或电磁阀作为执行机构。提升泵用来控制进水流量，而电磁阀可用来改变出水流量，产生干扰。

3.9.1提升泵

提升泵为交流异步电动机构成。当系统运行时，由调节器根据偏差产生相应电压输送给变频器，变频器将一定频率信号输送给提升泵，从而改变其转速，使流量发生变化。本实验装置所使用提升泵的性能参数如下：

最大扬程：40m

最大流量：2.5m3/h

吸程：8m

3.9.2电磁阀

电磁阀理想流量特性为线性。如图3.1所示。其中，Q/Qmax为相对流量，即调节阀某一开度流量Q与全开流量Qmax之比；l/L为相对开度，即调节阀某一开度行程l与全行程L之比。

图3.1

4 系统仿真和结果分析

4.1选择适合本系统的控制规律

一般来说，对于串级控制系统，主变量不允许有余差。而对副变量的要求一般都不是很严格，允许它有波动和余差。为了主变量的稳定，主调节器必须具有积分作用。因此，主调节器通常都选用比例积分规律。有时，对象控制通道容量滞后比较大，为了克服容量滞后，选用比例积分微分三作用的调节器作为主调节器。

副调节器的给定值随主调节器输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副调节器一般不设置积分作用，微分作用也不需要，因为当副调节器有微分作用时，一旦主调节器的输出稍有变化，执行机构就将大幅度地变化。但副调节器容量滞后比较大时，可以适当加一点微分作用，一般情况下，副调节器只需用比例作用就可以了。

本系统的液位对象容量滞后比较大，故主调节器选用比例积分微分调节作用，而流量对象时间常数很小，副调节器只用比例作用。

5 实际控制系统的运行与调试

5.1实际控制系统的调试步骤

采用两步法进行调节器参数的调试整定，具体步骤如下：

（1）在主、副环路闭合的情况下，将主调节器比例度设定为100%，积分时间设定为最大，微分时间设定为最小，然后按衰减曲线法（见表5.1）整定副调节器，找出副变量出现4：1振荡过程时的比例度2s δ及振荡周期2s T 。

（2）将副调节器比例度设定为2s δ值，积分时间设定为最大，微分时间设定为最小。用衰减曲线法整定主调节器的比例度1s δ及振荡周期1s T 。

（3）依据所得到的1s δ、2s δ、1s T 、2s T 值，结合主、副调节器的选型，按前面单回路系统整定时所给出的公式，可以计算出主、副调节器的参数。

（4）将上述计算所得调节器参数，按先副环后主环、先比例次积分最后微分的顺序在主、副调节器上设置好，观察控制过程曲线，如不够满意，可适当地进行一些微小的调整。

表5.1 s δ、s T 分别是衰减比为4：1时的比例度和振荡周期。

5.1.1调试结果参数记录：

1800P K =，130I K =,130D K =,140P K =

5.1.2调试后质量指标数据：

图5.1

给定液位值为300mm 。

超调量：302300100%0.67%300

δ-=?=； 调节时间：235s t s =（对应5%的误差带）；

稳态误差：ss e ≤│±2mm │。

5.2 运行调试中的问题及解决方法

运行调试过程中发现串级控制系统的调节器参数整定要比单回路复杂些，这也因为两个调节器之间相互影响，且两个调节器的任何一个参数变化对系统都有影响，但用两步法进行整定还是能有效克服这些问题。

6 总结

通过PID 参数的整定以及控制系统的无扰切换和可靠的跟踪技术，并在特殊情况或按操作人员的要求切手动的各方面要求。克服了给水系统内扰、外扰的影响，在“虚假水位”的情况下，能够进行可靠准确的自动调节。通过水位给定值根据负荷的自动给定，使控制更合理更客观，自动化水平进一步提高。学习也需要在实践中不断改进，不断完善。在学习的过程中遇到了很多困难，但在老师和同学们的帮助下，进步很大，同时也增长了见识，使我大开眼界，感谢老师和同学们在学习上给予的帮助。

基于组态软件的液位流量串级控制系统(精)

过程控制系统 课程设计 题目: 基于组态软件的液位—流量串级控制系统设计 院系名称:电气工程学院 专业班级:自动化1105 学生姓名:金星宇 学号:201123910807 指导教师:马利冯肖亮 设计地点: 31520 设计时间: 2014.7 设计成绩:指导教师: 本栏由指导教师根据大纲要求审核后,填报成绩并签名。 工业过程控制课程设计任务书之 学生姓名金星宇专业班级自动化1105 学号201123910807 题目基于组态软件的液位—流量串级控制系统设计

课题性质课题来源自拟题目 指导教师马利冯肖亮 主要内容 通过某种组态软件,结合实验室已有设备,按照定值系统的控制要求,根据较快较稳的性能要求,采用双闭环控制结构和PID控制规律,设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的液位—流量串级过程控制系统。 任务要求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。 5. 提交包括上述内容的课程设计报告。 主要参考资料[1] 组态王软件及其说明文件 [2] 邵裕森.过程控制工程.北京:机械工业出版社2000 [3] 过程控制教材 [4] 辅导资料 审查意见 指导教师签字:

年月日 摘要 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越来越高的要求。在这种情况下,简单的单回路控制系统已经难以满足一些复杂的控制要求,因此就提出了串级控制方案。串级控制具有单回路控制系统的全部功能,而且还具有很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极好的控制方法。 。 关键词:控制系统单回路串级控制 目录 1引言 (1 2 系统结构设计 (1 2.1控制方案 (1 2.2 控制规律 (2 3 过程控制仪表的选择 (2 3.1 液位传感器 (2 3.2 电磁流量传感器电磁流量转换器 (3 3.3 电动调节阀 (3 3.4 变频器 (4

过程控制系统习题答案

什么是过程控制系统？其基本分类方法有哪几种？ 过程控制系统通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术中最重要的组成部分之一。基本分类方法有：按照设定值的形式不同【定值，随动，程序】；按照系统的结构特点【反馈，前馈，前馈-反馈复合】。 热电偶测量的基本定律是什么？常用的冷端补偿方式有哪些 均质材料定律：由一种均匀介质或半导体介质组成的闭合回路中，不论截面和长度如何以及沿长度方向上的温度分布如何，都不能产生热电动势，因此热电偶必须采用两种不同的导体或半导体组成，其截面和长度大小不影响电动势大小，但须材质均匀； 中间导体定律：在热电偶回路接入中间导体后，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响； 中间温度定律：一支热电偶在两接点温度为t 、t0 时的热电势，等于两支同温度特性热电偶在接点温度为t 、ta和ta、t0时的热电势之代数和。只要给出冷端为0℃时的热电势关系，便可求出冷端任意温度时的热电势,即 由于冷端温度受周围环境温度的影响，难以自行保持为某一定值，因此，为减小测量误差，需对热电偶冷端采取补偿措施，使其温度恒定。冷端温度补偿方法有冷端恒温法、冷端补偿器法、冷端温度校正法和补偿导线法。 为什么热电阻常用三线制接法？试画出其接线原理图并加以说明。 电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻的接线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电 桥输出带来较大误差，必须用三线接法，以抵消接线电阻随温度变化对电桥的影响。 对于DDZ－Ⅲ型热电偶温度变送器，试回答： 变送器具有哪些主要功能？ 变送器的任务就是将各种不同的检测信号转换成标准信号输出。 什么是变送器零点、零点迁移调整和量程调整？ 热电偶温度变送器的输入电路主要是在热电偶回路中串接一个电桥电路。电桥的功能是实现热电偶的冷端补偿和测量零点的调整。

流量控制系统设计

目录 第一章过程控制仪表课程设计的目的意义 (2) 1.1 设计目的?2 1.2课程在教学计划中的地位和作用?2 第二章流量控制系统（实验部分）?３ 2.１控制系统工艺流程.........................................３ 2.2 控制系统的控制要求?４ ２．3 系统的实验调试 (5) 第三章流量控制系统工艺流程及控制要求......................... ６３．1 控制系统工艺流程.............................................. ６ 3.２设计内容及要求?7 第四章总体设计方案?8 4.1 设计思想 (8) 4．2 总体设计流程图........................................... ８第五章硬件设计..................................................... ９5．1 硬件设计概要?9 5.2 硬件选型 ......................................................... ９ ５.3 硬件电路设计系统原理图及其说明 (13) 第六章软件设计..................................................... 1４６．1 软件设计流程图及其说明 (14) ６．2 源程序及其说明............................................... 1６第七章系统调试及使用说明?１７ 第八章收获、体会?２0 参考文献 (21)

串级控制系统

习题六 1．什么叫串级控制系统?画出一般串级控制系统的典型方块图。 答：串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。 主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。 2．串级控制系统有哪些特点?主要使用在哪些场合? 答串级控制系统的主要特点为： (1)在系统结构上，它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统； (2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量} (3)由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响； (4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。 串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。 3．串级控制系统中主、剧变量应如何选择? 答主变量的选择原则与简单控制系统中被控变量的选择原则是一样的。 副变量的选择原则是：． (1)主、副变量间应有一定的内在联系，副变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化； (2)通过对副变量的选择，使所构成的副回路能包含系统的主要干扰； (3)在可能的情况下，应使副回路包含更多的主要干扰，但副变量又不能离主变量太近； (4)副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发生 4．为什么说串级控制系统中的主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统? 答串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量，使之等于给定值，而

主变量就是主回路的输出，所以说主回路是定值控制系统。副回路的输出是副变量，副回路的给定值是主控制器的输出，所以在串级控制系统中，副变量不是要求不变的，而是要求随主控制器的输出变化而变化，因此是一个随动控制系统。5．怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律? 答串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量，对主变量要求较高，一般不允许有余差，所以主控制器一般选择比例积分控制规律，当对象滞后较大时，也可引入适当的微分作用。 串级控制系统中对副变量的要求不严。在控制过程中，副变量是不断跟随主控制器的输出变化而变化的，所以副控制器一般采用比例控制规律就行了，必要时引入适当的积分作用，而微分作用一般是不需要的。 6．如何选择串级控制系统中主、副控制器的正、反作用? 答副控制器的作用方向与副对象特性、控制阀的气开、气关型式有关，其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用的选择方法相同，是按照使副回路成为—个负反馈系统的原则来确定的。 主控制器作用方向的选择可按下述方法进行：当主、副变量在增加(或减小时)，如果要求控制阀的动作方向是一致的，则主控制器应选“反”作用的；反之，则应选“正”作用的。 从上述方法可以看出，串级控制系统中主控制器作用方向的选择完全由工艺情况确定，或者说，只取决于主对象的特性，而与执行器的气开、气关型式及副控制器的作用方向完全无关。这种情况可以这样来理解：如果将整个副回路看作是构成主回路的一个环节时，副回路这个环节的输入就是主控制器的输出(即副回路的给定)，而其输出就是副变量。由于副回路的作用总是使副变量跟随主控制器的输出变化而变化，不管副回路中副对象的特性及执行器的特性如何，当主控制器输出增加时，副变量总是增加的，所以在主回路中，副回路这个环节的特性总是“正”作用方向的。由图可见，在主回路中，由于副回路、主测量变送这两个环节的特性始终为“正”，所以为了使整个主回路构成负反馈，主控制器的作用方向仅取决于主对象的特性。主对象具有“正”作用特性(即副变量增加时，主变量亦增加)时，主控制器应选“反”作用方向，反之，当主对象具有“反”作用特性时，主控制器应选“正”作用方向。

上水箱液位与进水流量串级控制系统

摘要 随着现代工业生产过程向着大型、连续方向发展,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,传统的单回路液位控制已经难以满足一些复杂的控制要求，水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保持水箱液位最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。 本设计采用水箱液位和注水流量串级控制，设计系统主要由水箱、管道、三相磁力泵、水压传感器、涡轮流量计、变频器、可编程控制器及其输入输出通道电路等构成。系统中由液位PID控制器的设定值端口设置液位给定值，水压力传感器检测液位。涡轮流量计测流量，变频器调节水泵的转速，采用PID算法得出变频器输出值，实现流量的控制。流量控制是内环，液位控制是外环。 系统电源由接触器和按钮控制，系统电源接通后PLC进行必要的自检和初始化，控制器接收到系统启动按钮动作信号后，通过接触器接通电机电源，启动动力系统工作，开始两个闭环系统的调节控制。 关键词：PLC控制；变频器；PID控制；Wincc组件；上位机

目录 1 过程控制系统简介 (1) 1.1 过程控制介绍 (1) 1.2 串级控制系统的组成 (1) 1.2.1 硬件介绍 (1) 1.3 电源控制台 (3) 1.4 总线控制柜 (3) 1.5 软件介绍 (4) 1.6 系统总貌图 (4) 2 串级控制系统简介 (5) 2.1 液位串级控制系统介绍 (5) 2.2 串级控制系统的概述 (5) 2.3 串级控制系统的工作过程 (5) 2.4 系统特点及分析 (6) 2.5 串级控制系统的整定方法 (6) 2.6 主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配 (7) 2.7 PID控制工作原理 (7) 3 上水箱液位与进水流量串级控制系统 (9) 3.1 实验设备 (9) 3.2 液位-流量串级控制系统的结构框图 (9) 3.3 系统工作原理 (9) 3.4 控制系统流程图 (10) 3.5 实验过程 (11) 3.6 实验结果分析 (13)

基于组态软件的流量比值过程控制系统设计

《过程控制工程》 课程设计报告书 课题名称基于组态软件的流量比值过程控制系统设计姓名 学号 专业 指导教师 机电与控制工程学院 年月日

摘要 随着科学技术的快速发展，人们对过程控制提出了更高的要求，在许多生产过程中，要求两种或两种以上的物料流量成一定的比例关系混合进行反应，对物料比例的要求甚为严格，如果不能满足要求，或是比例失和调，将会导致产品的质量达不到要求，以致造成损失，严重时会导致事故的发生.研究比值控制系统很有必要，提高比值控制系统的精度及水平具有深远的意义。 根据系统的工艺要求及实际需要，提出了流量比值控制的设计方案，因为组态王开发监控系统软件具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点，本设计着重说明了组态王在设计开发流量比值控制系统中的应用。 单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变该控制系统能保证主、副物料的流量比值不变，同时，系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应用较广。此文主要讲的是强碱氢氧化钠的单闭环流量控制法。实际运行结果表明，系统不仅能按比值关系进行控制，而且具有较强的抗干扰能力。该设计可以用于化工厂，制药等场所。

关键字：单闭环比值控制系统设计主副物料工业生产过程 任务书 1. 根据双容液位单回路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. 根据双容液位单回路过程控制系统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，正确设计双容液位单回路过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。 5. 提交包括上述内容的课程设计报告。

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 System Design Description In 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

实验3 液位流量串级控制实验

实验3 液位流量串级控制实验 一、实验目的 通过实验掌握串级控制系统的基本概念，掌握串级控制系统的组成结构，即主被控参数、副被控参数、主调节器、副调节器、主回路、副回路。 通过实验掌握串级控制系统的特点、串级控制系统的设计，掌握串级控制主、副控制回路的选择。掌握串级控制系统参数整定方法，并将串级控制系统参数投运到实验中。 二、实验设备 过程控制实验系统，计算机 三、实验原理 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问题。但是，随着现代工业生产的迅速发展，工艺操作条件的要求更加严格，对安全运行和经济性及对控制质量的要求也更高。但回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求，在这样的情况下，串级控制系统就应运而生。 1、串级控制系统的结构 串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到广泛地应用，串级控制系统是指不止采用一个控制器，而是将两个或几个控制器相串级，是将一个控制器的输入作为下一个控制器设定值的控制系统。 2、串级控制系统的名词术语 主被控参数：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。 副被控参数：在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引入的中间辅助变量。 主被控过程：由主参数表征其特性的生产过程，主回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。 副被控过程：由副被控参数为输出的生产过程，副回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为控制参数。

主调节器：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。 副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制调节阀动作。 副回路：由副调节器、副被控过程、副测量变送器等组成的闭合回路。 主回路：由主调节器、副回路、主被控过程及主测量变送器等组成的闭合回路。 一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。 二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。 当生产过程处于稳定状态时，它的控制量与被控量都稳定在某一定值。当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同扰动，分为三种情况： (1)在副对象上的扰动 副对象加上扰动后，副调节就立即发出校正信号，控制执行对象(工程上一般是调节阀的开度，而本实验装置中是泵电机的转速)动作，以克服扰动对主被控参数的影响。如果扰动量不大，经过副回路的及时控制一般不影响被控量，如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正，但还将影响被控量；此时再有主回路的进一步调节，从而使被控量回到平衡时的值。 (2)主对象上的扰动 主对象加上扰动后，主回路产生校正作用，由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对被控量的影响比单回路系统时要小。 (3)一次扰动和二次扰动同时存在 如果一、二次扰动的作用使主，副被控参数同时增大或减少时，主、副调节器对调节阀(或泵电机转速)的控制方向一致的，即大幅度关小或开大阀门(或大幅度地使泵电机加速或减速)，加强控制作用，使主被控量很快地回到给定值上。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大，另一个减少，此时主、副调节器控制调节阀的方向是相反的，调节阀的开度只要作较小变动即满足控制要求。 3、串级控制系统的特点

基于PLC 的流量控制系统

辽宁工业大学 电气控制与PLC技术课程设计（论文）题目：基于PLC的流量控制系统设计 院（系）：电气工程学院 专业班级：自动化112 学号： 110302032

学生姓名：王毅 指导教师：（签字） 起止时间：2014.6.30~2014.7.11 本科生课程设计（论文） 课程设计（论文）任务及评语 自动化：电气工程学院教研室：

I 本科生课程设计（论文） 摘要 随着科技的飞速发展，自控系统的应用正在不断深入，同时代替传统控制检测技术日益更新。自动控制技术可谓无所不能。 本文提出一种对液体流量进行实时精确控制的设计方案。该方案以PLC控制为基础，由上位机、PL C、电动调节阀组成。它不仅适用于流量控制，在改变动作设备后同样适用于对温度、液位、速度、高度等模拟量的控制。 论文采用文字叙述与图表相结合的方式，逐步做出解释，从而得出具体结论。更清晰的展示了设计的全过程与每个细节之间的处理方式。 关键词：PLC；自动控制；流量控制 II 本科生课程设计（论文）

目录 第1章绪论 (1) 第2章课程设计的方案 (2) 2.1概述 (2) 2.2系统组成总体结构 (2) 2.2.1 控制方案比较和确定 (2) 2.2.2 流量控制系统的组成及原理图 (3) 2.2.3 水流量系统控制流程 (4) 第3章硬件设计 (5) 3.1PLCS7-200介绍 (5) 3.2主机CPU224 (6) 3.3变频器的选择 (8) 3.4水泵电机的选择 (9) 3.5流量变送器的选择 (10) 第4章软件设计 (11) 4.1PLC程序设计 (11) 4.2系统流程图 (11) 4.3程序 (13) 第5章课程设计总结 (16) 参考文献 (17) III 本科生课程设计（论文） 第1章绪论 PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它 采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系

基于组态软件的串级液位流量控制系统方案

基于组态软件的串级液位流量控制系统 1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 设计的目的 通过课程设计，加深对所学传感器技术、自动控制原理、转换技术以及过程控制的基本原理等基本原理、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，培养运用组态软件和计算机设计过程控制系统的实际能力，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。 1.3 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 系统控制方案 2.1 控制系统在实际应用中的重要意义

过程控制―上水箱液位与进水流量串级控制系统.

目录 1 过程控制系统简介 (2) 1.1 系统组成 (2) 1.2 电源控制台 (3) 1.3 总线控制柜 (3) 2 实验原理 (4) 2.1 单容水箱设备工作原理 (4) 2.2 双容水箱设备工作原理 (7) 2.3 系统工作原理 (9) 2.4 控制系统流程图 (9) 3实验结果分析 (11) 3.1 实验过程 (11) 3.2实验分析 (12) 3.2.1单容水箱实验结果分析 . (12) 3.2.2双容水箱实验结果分析 . (14) 3.2.3单容双容水箱比较 . (16) 3.3实验结论 (17) 总结 . (18) 参考文献 (19)

1 过程控制系统简介 1.1 系统组成 本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相（380V 交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、PA 电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V 变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。 1、被控对象 水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。 管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。 2、检测装置 压力传感器、变送器：采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。 流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。 3、执行机构 调节阀：采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯协议的电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。

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 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，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。 1.3控图 单容 所Qi 为口流加以控 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 =-（1.1）

其中 i Q k μμ=（1.2） o Q = 1.3） 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 =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 ()()C u t K e t =（2.1） 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： ()()1 u t e t δ=（2.2） 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 =（2.3） 或 ()()0t I u t K e t dt =?（2.4） 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（2.3）表明，只有当被调量偏差e

基于单片机的流量控制系统设计

过程控制系统 课程设计 设计题目：基于单片机的流量控制系统设计 学生姓名： 专业：测控技术与仪器 班级学号： 指导教师 设计时间：

《过程控制系统》课程设计任务书 专业测控技术与仪器班级姓名 设计题目：基于单片机的流量控制系统设计 一、设计实验条件 过程控制系统实验室实验系统 二、设计任务 1、设计电磁流量计为流量传感器，单片机为核心流量控制系统。系统主要由水泵、水泵电机、流量传感器、电动阀门、阀门电机、单片机控制系统等组成。 2、写出流量控制过程，绘制控制系统组成框图 3、利用单片机对流量进行控制 （1）系统硬件电路设计 单片机采用89S52；设计键盘及显示电路，电机控制电路（可控硅，光电耦合器）。（2）编制流量控制程序 三、设计说明书的内容 1、设计题目与设计任务（设计任务书） 2、前言（绪论）(设计的目的、意义等) 3、主体设计部分 4、参考文献 5、结束语 四、设计时间与设计时间安排 1、设计时间： 2 周 2、设计时间安排： 熟悉实验设备、实验、收集资料：4天 设计计算、绘制技术图纸：4天 编写课程设计说明书：5天 答辩：1天

一，流量控制系统设计意义 工业生产中过程控制是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。流量的检测和控制在化工、能源电力、冶金、石油等领域应用广泛。【1】 在天然气工业蓬勃发展的现在，天然气的计量引起了人们的特别关注，因为在天然气的采集、处理、储存、运输和分配过程中，需要数以百万计的流量计，其中有些流量计涉及到的结算金额数字巨大，对测量和控制准确度和可靠性要求特别高。此外，在环境保护领域，流量测量仪表也扮演着重要角色。人们为了控制大气污染，必须对污染大气的烟气以及其他温室气体排放量进行监测；废液和污水的排放，使地表水源和地下水源受到污染，人们必须对废液和污水进行处理，对排放量进行控制。于是数以百万计的烟气排放点和污水排放口都成了流量测量对象。同时在科学试验领域，需要大量的流量控制系统进行仿真与试验。流量计在现代农业、水利建设、生物工程、管道输送、航天航空、军事领域等也都有广泛的应用。 二，系统方案 1、方案整体思路 液体流量控制通常采用电动调节阀实现，近年来，电动调节阀的结构和控制方式发生了很大的变化，随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控制的开关功率元件进行脉宽调制（pulse width modulation ,简称PWM）控制方式得到了广泛的应用。这种控制方式很容易在单片机中实现，从而为电动调节阀的控制数字化提供了基础。将偏差的比例（proportion）、积分（integral）、微分（differential）通过线性组合构成数字控制量，构成数字PID控制器，它具有非常强的灵活性，可以根据试验和经验在线调整参数，因此可以得到更好的控制性能。 本系统采用C51系列的89S52单片机为核心，通过设置89S52单片机的定时器产生脉宽可调的PWM波【2】，对阀门电机的输入电压进行调制，实现阀门开度的变化，进而实现了对液体流量的控制。单片机通过电磁流量计采集实际流量信号，根据该信号对其内部采用数字PID算法对PWM变量的值进行修改，从而达到对流量的闭环精确控制。 2、实现流程 流量控制系统是一个过程控制系统，在设计的过程中，必须明确它的组成部分。过程控制系统的组成部分有：控制器、执行器、被控对象和测量变送单元，其框图如图1所示。 直流电机PID控制阀门 设定值流量输出

双容水箱液位串级控制系统课程设计

双容水箱液位串级控制系统课程设计 1. 设计题目 双容水箱液位串级控制系统设计 2. 设计任务 图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。 1 图1 双容水箱液位控制系统示意图 3. 设计要求 1） 已知上下水箱的传递函数分别为： 111()2()()51p H s G s U s s ?==?+，22221()()1()()()201 p H s H s G s Q s H s s ??===??+。 要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s 后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声）； 2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中PID 参数的整定要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P 、I 、D 各参数整定的依据如何），对仿真结果进行评述； 3） 针对该受扰的液位系统设计串级控制方案，要求画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。 4.设计任务分析

系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。 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：下水箱液位； 控制对象特性： 111()2()()51 p H s G s U s s ?==?+（上水箱传递函数）； 22221()()1()()()201p H s H s G s Q s H s s ??= ==??+（下水箱传递函数）。 控制器：PID ； 执行器：控制阀； 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 为保持下水箱液位的稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID ），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整PID 参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整PID 参数，都将无法得到满意的效果。考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上水箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。 设计中，首先进行单回路闭环系统的建模，系统框图如下： 可发现，在无干扰情况下，整定主控制器的PID 参数，整定好参数后，分别改变P 、I 、D 参数，观察各参数的变化对系统性能的影响；然后加入干扰（白噪声），比较有无干扰两

实验四 下水箱液位和进口流量串级控制实验

实验四下水箱液位和进口流量串级控制实验 一、实验目的 1、学习闭环串级控制的原理。 2、了解闭环串级控制的特点。 3、掌握闭环串级控制的设计。 4、初步掌握闭环串级控制器参数调整。 二、实验设备 A3000-FBS现场系统，百特控制系统。 三、实验要求 1、设计串级控制器。 2、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。 四、实验内容与步骤 1、在现场系统A3000-FBS，将回路2手动调节阀JV201、JV206完全打开，使下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。 2、在控制系统A3000-CS上，将百特内给定仪表4~20mA输出端连到百特外给定仪表4~20mA外给定端，百特外给定仪表4~20mA输出端连到调节阀输入端，下水箱液位输出端连到百特内给定仪表4~20mA输入端，支路2流量计输出端连到百特外给定仪表4~20mA输入端。 3、打开A3000-CS电源，百特仪表通电。打开A3000-FBS电源，调节阀通电。 4、启动计算机组态王软件，运行百特仪表组态程序，登陆进入下水箱液位和进口流量串级控制试验。首先进行副回路比例调节。主回路设为手动，副回路设为自动。SP设为60%，主回路调节器输出设为40%，I为1800，调节P值，使调节阀控制量输出即PV1输出平衡。获得P值。 5、在A3000-FBS上，启动右边水泵2#开关，给下水箱注水。 6、切换至单主回路控制即把手动改为自动，调节主回路的P、I值待系统稳定后，对系统加扰动信号。通过反复对副调节器和主调节器参数的调节，使系统

具有较满意的动态响应和较高的控制精度。画下最终的曲线。 7、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。 六、实验结果提交 1、画出液位流量串级控制实验系统的框图和最终获得的满意响应曲线，以 及最佳串级控制参数。 2、阐述实现液位流量串级控制的原理。

过程控制系统知识点

1. 过程控制系统分类： 按结构特点 反馈控制系统：根据系统被控量的偏差进行工作的，偏差值是控制的依据； 前馈控制系统：根据扰动量的大小进行工作，扰动时控制的依据； 前馈——反馈控制系统：开环前馈能针对主要扰动及时迅速的克服其对被控参数的影响；其余次要扰动，则利用反馈控制予以克服； 按信号给定值分类 定制控制系统：系统被控量的给定值保持在规定值不变，或小范围附近不变； 程序控制系统：被控量的给定值按预定的时间程序变化工作； 随动控制系统：被控量的给定值随时间任意变化的控制系统； 2. 建模方法：机理分析法和试验法 4. 执行器（调节阀）由执行机构和调节机构两部分构成。执行器可分为气动执行器、电动执行器、液动执行器三类；气动执行器输入信号为0.02—0.1MPa；电动执行器输入信号为DC 4~20mA； 5. 什么叫气开式调节阀，什么叫气关式调节阀？怎样利用执行机构和调节机构来组成气开、气关式调节阀？ 执行器有气开、气关两种型式。所谓气开式，即当气动执行器输入压力p》0.02MPa时，阀门开始打开，也就是说有信号压力时阀开，无信号压力时阀关。对于气关式则反之，既有信号压力时阀关，无信号压力时阀开。 正作用执行机构与正装调节机构组成气关式调节阀；正作用执行机构与反装调节机构组成气开式调节阀；反作用执行机构与正装调节机构组成气开式调节阀；反作用执行机构与反装调节机构组成气关式调节阀； 6. 何为调节阀的流量特性？何为理想流量特性和工作流量特性？在工程上是怎样来选择调节阀流量特性的？ 执行器的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系，即 q/qmax=f(l/L)；q/qmax--相对流量，即执行器某一开度流量与全流量之比；l/L--相对开度，即执行器某一开度行程与全开行程之比；流过执行器的流量不仅与阀的开度有关，同时还与阀前后的压差大小有关。 理想流量特性就是在阀前后压差为一定的情况下得到的流量特性； 工作流量特性即在实际工程使用中，调节阀两端的压力差不为常数时，调节阀的相对开度和相对流量的关系； 流量特性的选择原则：一个过程控制系统，在负荷变动情况下，为了使系统能保持预定的品质指标，则要求系统总放大系数在整个操作范围内保持不变，可以通过适当选择调节阀的特性来补偿被控过程的非线性，从而使系统总的放大系数保持不变。所以当过程特性为非线性时，应选用对数流量特性调节阀，否则就使用直线特性的调节阀。 7. 系统阶跃响应性能指标： 余差C：系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态值之差。 衰减率：衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标。（φ=(B1-B2)/B1）（B1为超调量，B2为到第二个峰值时的超调量）； 最大偏差A：被控参数第一个波的峰值与给定值的差；σ= (y(tp)-y(∞))/ y(∞)*100%； 过渡过程时间ts：系统从受扰动作用时起，到被控参数进入新的稳定值5%的范围内所经历的时间，是衡量控制快速性的指标。