过程控制课程设计之液位流量串级控制系统高昊

电子技术课程设计

课题：液位串级控制系统

系 别： 电气与电子工程系 专 业： 自动化 姓 名： 高昊 学 号： 092211218

河南城建学院

2013年 1 月 10 日

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成绩评定2

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）。

二、评分

设计报告评分 任务完成 情 况 答辩评分 平时表现评分 绩： 评分项目 分（折合等级 ） 课程设计 报告质量 （40分） 表达情况 （10分） 回答问题 情 况 （10分） 工作态度与纪律 （10分） 独立工作 能力 （10分） 合 计 （100分） 得分

（20分） 2

课程设计成绩评定 班级 姓名 学号 指导教师签字 年 月 日 2

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

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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：

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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

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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。

给定值干扰作用 f 偏差控制作用控制器控制阀被控对象 被控变量 ys ez 图2.1 控制系统框图

变送器测量元件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

定值_调节器电动调节阀（液位）中水箱液位变送器

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

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Gc1?s?液位 调节器 流量 调节器 Gc2?s? 执行 机构 Gv?s?流量 对象 Go2?s?液位 对象 Go1?s?流量 变送器 Gm2?s? 液位 变送器 Gm1?s? 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：

dHdt?1F ?Qi?Qo? （2.1）

其中 Qi?k?? （2.2）

Qo?k H （2.3）

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，k可视为常数。

H?s?Qi?s?2H0?k2H0kFs?1液位对象的传递函数:

第三章 PID参数整定

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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

u?t??KCe?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u?0?的增量，u?0?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：

u?t??其中?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。

?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

1?e??t （3.2）

以没有超调，但余差很大，调节时间也很长。减小?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。?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?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)/dt与偏差信号e成正比，即：

du?t?dt

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?KIe?t? （3.3）

或 u?t??KI?e?t?dt （3.4）

0t式中KI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KI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KI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：

u?t??Kce?t??KI?e?t?dt (3.5)

0t或 u?t??1?1et??????TI?etdt??? (3.6) ?0?t式中?为比例带，可视情况取正值或负值；TI为积分时间。?和TI是PI调

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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=TI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TI的数值。还可以注意到，当t=TI时，输出的积分部分正好等于比例部分。由此可见，TI可以衡量积分部分在总输出中所占的比重：TI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。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

u?t??KDde?t?dt (3.7)

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

u?t??Kce?t??KI?e?t?dt?KD0tde?t?dt (3.8)

1?1或 u?t???e?t????TI?t0e?t?dt?TDde?t??? (3.9) dt?式中δ、TI和TD参数意义与PI、PD调节器相同。

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第四章 设备选型

4.1 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。

4.2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； 4）仪表反映灵敏，输出信号与流量呈线性关系,量程比宽；

（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%。 4.3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

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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。 4.4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。 4.5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。

4.6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。

4.7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。

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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。

4.8液位检测转换元件：

静压式液位计

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4.1

图4.1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

H?p? (4.10)

式(4.10)中，H是液位的高度；?是液体重度；p是容器内取压平面上的静压力。

4.9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。

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4.9.1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 4.9.2电磁阀

电磁阀理想流量特性为线性。如图2.10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。

Q/Qmax(%) l/L(%) 图4.2

第五章 系统仿真和结果分析

5.1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

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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。

第六章 实际控制系统的运行与调试

6.1 实际控制系统组成的动态运行图 模拟控制线路：

液位 调节器 △变频流量 调节 流量 测 液位对象 液位 测量 变送 △f 水泵 储水箱

6.2实际控制系统的运行调试方法 6.2.1 实际控制系统的投运步骤

一、打开组态王画面，进入液位——流量串级控制实验界面。 二、按控制线路接通管路。

三、设定调节器参数及液位给定值。

四、打开实验装置电源开关，进行实验，并记录实验曲线和数据。

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系统组态设计

6.3 组态王是一种工业组态软件。使用组态王，用户可以方便地构造适应自己

需要的“数据采集和监控系统”，在任何需要的时候把生产现场的信息处理和判断决策的控制信号传向现场实施有效的生产控制。

组态王的网络功能使企业的基层和其它部门建立起联系，现场操作人员和工厂管理人员都可以看到各种数据。管理人员不需要深入生产现场，就可以获得实时和历史数据，优化控制现场作业，提高生产率和产品质量。

6.3.1工艺流程图与系统组态图设计

LSP PV(IN2)A/D计算机FTD/A手动自动 U(k)-IO0

图6.1工艺流程图 图6.2 系统组态图设计

6.4动画连接

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图6.3

6.5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4.1）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及振荡周期T2s。

（2）将副调节器比例度设定为?2s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及振荡周期T1s。

（3）依据所得到的?1s、?2s、T1s、T2s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。

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调节器参数 调节器类型 ??%? TI/min TD/min P PI PID ?s 1.2?s 0.8?s — 0.5Ts 0.5Ts — — 0.1Ts 表中?s、Ts分别是衰减比为4：1时的比例度和振荡周期。

6.5.1调试结果参数记录：

KP1?800，KI1?30,KD1?30,KP1?40

6.5.2调试后质量指标数据：

图6.4

给定液位值为300mm。 超调量：??302?300300?100%?0.67%；

调节时间：ts?235s（对应5%的误差带）； 稳态误差：ess≤│±2mm│。

6.6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。

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结论

这次课程设计对我有着重要的意义，在这期间我不仅巩固了以前所学的知识，对本专业有了更多、更深的了解，而且也培养了克服困难的品质，锻炼了实践动手的能力，这将是我今后工作学习中的一个良好开端。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。设计也需要在实践中不断改进，不断完善。在设计过程中遇到了很多困难，同时也增长了许多在课堂上没学到的知识，使我大开眼界，我也在自动化的过程控制设计过程当中学到了许多知识。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4bbo.html