双容水箱液位控制系统毕业设计(论文)

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

内蒙古科技大学

本科生毕业设计说明书（毕业论文）

题 目：双容水箱液位控制系统

学生姓名：

学 号：

专 业：

班 级：

指导教师：

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

双容水箱液位控制系统

摘要

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础，对双容水箱进行对象特性测

试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模，针对其对象特性，采用串级PID控制方式，构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统，有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题，从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态，对系统进行实时地操作、监控。在控制过程中不需要下位机，通过在组太王软件工程浏览器中的命令语言编辑对话框里面输入PID控制源程序，实现计算机直接控制的方式，通过RS232/485转换器和牛顿模块实现计算机与现场设备之间的数据交换。并利用变频器使抽水泵工作在恒压供水的状态下，通过电动调节阀来实现控制目标。在对双容水箱液位控制系统进行参数整定时，以使调节过程稳、准、快为原则，从而得到适合的调节器参数。实验结果表明，系统实现了对过程参数的无稳态误差控制，具有良好的稳态性能和动态性能。

关键词: 液位；串级控制；PID 控制；组态软件；参数整定

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

Double tank water level control system

Abstract

The design is based on the PCT-Ⅲ type of process control device for the testing

object properties and level control on the two-tank. Through analysis and modeling for the two-tank water level control system, use of cascade PID control for its object properties and constitute a water level control system ,its deputy adjustable parameter is previous water level and the main adjustable parameters is under the tank's liquid level cascade control system. It overcomes the problems effectively about the second two-tank and capacity lagged behind and reduces the adjustment time. Use Configuration software which is generated by Beijing Asia's PC to implement the interface configuration, operate water level real-time and monitor the system. In the control process does not require the next crew, edit dialog box to enter the PID control inside source through the software engineering group in the browser command language to achieve direct control of the computer, through the RS232/485 converter and Newton module achieve the exchange of data between computer and field devices. And use the drive to work in the constant pressure water supply pumps in the state, through the electric control valve to achieve the control objectives. In two-tank water level control system parameters adjustment, follow the principle of steady, accurate, fast in adjustment process to get appropriate parameters. The experimental results show that the system of process parameters to achieve steady-state error-free control, with good steady state performance and dynamic performance.

Keywords: Level; Cascade control; PID control; configuration software; parameter

tuning

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

目录

摘要................................................................................................................................ I Abstract....................................................................................................................... II

第一章 绪论.................................................................................................................. 1

1.1课题研究背景及意义..................................................................................... 1

1.2本文主要研究的内容..................................................................................... 2

第二章PCT试验装置介绍............................................................................................ 3

2.1 PCT实验装置构成简介................................................................................. 3

2.1.1水箱..................................................................................................... 3

2.1.2液位传感器......................................................................................... 3

2.1.3电动调节阀......................................................................................... 4

2.1.4压力传感器......................................................................................... 4

2.1.5变频器................................................................................................. 4

2.1.6三项磁力水泵..................................................................................... 5

2.1.7牛顿模块............................................................................................. 5

2.2双容水箱系统硬件结构................................................................................. 6

2.3 水箱液位实验控制系统的用途.................................................................... 7

第三章 双容水箱液位控制系统分析设计................................................................ 8

3.1双容水箱液位控制系统分析......................................................................... 8

3.1.1液位控制系统组成............................................................................. 8

3.1.2液位控制系统的控制目标................................................................. 9

3.1.3液位控制系统的模型分析................................................................. 9

3.2 双容水箱液位控制系统方案设计.............................................................. 12

3.2.1控制方案的选定............................................................................... 12

3.2.2串级控制系统的特点....................................................................... 13

3.2.3串级控制系统的设计....................................................................... 13

3.2.4计算机串级控制算法实施............................................................... 17

3.2.5液位串级控制系统工作过程........................................................... 18

3.3液位控制系统参数整定............................................................................... 19

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

3.3.1Kp、Ti、Td对控制质量的影响....................................................... 20

3.3.2几种工程整定方法介绍................................................................... 21

3.3.3串级控制系统的参数整定............................................................... 24

第四章 组态软件设计.............................................................................................. 27

4.1“组态王”简介............................................................................................ 27

4.2组态画面的建立........................................................................................... 28

4.2.1建立工程........................................................................................... 28

4.2.2设备配置........................................................................................... 29

4.2.3变量定义........................................................................................... 31

4.2.4画面设计与动画连接....................................................................... 33

4.2.5实时曲线和历史曲线的建立........................................................... 36

4.2.6手自动切换和PID控制画面的建立............................................... 38

第五章 双容水箱液位控制系统实验...................................................................... 40

5.1实验所用设备............................................................................................... 40

5.2实验过程....................................................................................................... 40

5.3实验结果分析............................................................................................... 42

总结.............................................................................................................................. 43

参考文献...................................................................................................................... 44

附录.............................................................................................................................. 46

致谢.............................................................................................................................. 48

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

随着科学技术的发展，现代工业生产工艺中的控制问题也日趋复杂。在人们

的生活中以及某些化工和能源的生产过程中，常常涉及一些液位或流量控制的问题。在石油、化工、轻工和食品等工业生产过程中，有许多贮罐作为原料、半成品的贮液罐，前一道工序的成品或半成品不断地流入下一道工序的贮液罐进行加工和处理，为保证生产过程能连续地正常进行，必须对贮罐的液位进行控制。还比如居民生活用水的供应，通常需要使用蓄水池，蓄水池中的液位需要维持合适的高度，还有一些水处理的过程也需要对蓄水池中的液位实施控制，另外涉及蓄液容器的生产过程也很多见，例如在核动力蒸汽发生器工作过程中以及乙烯工程污水处理厂的自动排水处理场等，因此，需要设计合适的控制器自动调整容器的出入液流量，使得容器内液位保持正常水平。特别地，在出入液流量较大的情况下，为了平抑液位的变化，实际生产中往往选用多个互相连通的蓄液容器。

上述不同背景的实际问题都可以抽象为某种水箱的液位控制问题。

由于工业生产的飞速发展，人们对生产过程的自动化控制水平的要求也越来

越高。每一个先进、实现的控制算法的出现都对工业生产具有巨大的推动作用。然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，甚至相差几十年。最近几年，国内一些控制领域已接近甚至超越了国际水平，然而，就先进理论应用于工业生产等领域的状况来讲，与发达国家相比却存在较大差距。其原因固然是多方面的，但是，一个很明显的原因就是在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，理论的算法一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用前景。在目前尚不具有在实验室中复现真实工业过程条件的今天，开发经济实用的具有典型对象特性的使用装置无疑是一条探索将理论成果转化为应用技术的捷径。

在过程工业中，被控量通常有以下四种：液位、压力、流量、温度，而液位

不仅是工业过程中的常见参数，且便于直接观察，也容易测量。以液位过程构成的实验系统，可灵活地进行过程组态，实施各种不同的控制方案，它不仅能够满足实际现场的应用要求，而且可以对新理论的研究论证提供强有力的平台。液位

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

控制装置也是过程控制最常用的实验装置，国外很多实验室有此类装置，如瑞典LUND大学等，很多重要的研究报告、模拟仿真均出自此类装置。

因此，液位控制系统是过程控制的重要研究模型，对液位控制系统的研究具

有显著的理论和实际意义。

1.2本文主要研究的内容

本课题主要以双容水箱液位过程控制实验系统作为研究对象，介绍了其硬件

构成、系统建模并进行相关控制方案及控制算法的分析、研究。

利用PCT试验台上的系列仪表和牛顿模块结合计算机控制技术，在组态软

件下编程并且通过调整和改进控制算法，从而实现双容水箱液位控制系统的设计要求。通过利用调节器的工程整定方法，最后得到一组能稳定、准确、快速的达到控制要求的PID参数。

通过本设计掌握串级控制系统的基本概念，了解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。掌握串级控制系统的特点、串级控制系统的设计思想，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，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用计算机进行PID参数的调整和自动控制的投运。并将串级控制系统参数投运到实验中。

最后对实验结果进行分析总结，针对实验过程中的存在的一些问题进行下一

步的改进。

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

第二章PCT试验装置介绍

2.1 PCT实验装置构成简介

实验台主要由上水箱、中水箱、下水箱、储水箱、温控圆筒、加热器、液位

和压力传感器、压力罐、湿度传感器、工业PH计、电磁流量传感器、孔板流量传感器、涡轮流量传感器、电动调节阀、变频器、水泵、加温模块、接线端子、电源总开关、电流指示表、比例器、DC24V开关电源以及上海万迅智能调节仪表组成的挂箱。下面就本设计所用到的设备及模块做简单介绍。

2.1.1水箱

水箱的结构特点是：采用两槽结构，主要分溢流缓冲槽、工作槽、溢流水管。

溢流缓冲槽：是为了解决水流直接注入水箱造成被测液面波动而设计的，当

水流注入水箱后经过溢流缓冲槽缓冲，溢出水槽沿水槽壁流下达到减少被测液面波动。

工作槽：是为了我们做实验而用的，工作槽中有个排水口，这排水口在做实

验时由一个有孔有机玻璃管插上，随着工作槽水位的上升，工作槽的排水量也会增加，这样就可以满足一阶、二阶液位实验的要求。

溢流水管：当设备无人职守时有时会出现水箱的水位已经到达最高水位，为

了防止液位满出水箱，则多出的水可以通过溢流排水管排出。

水箱I（上位水箱）液位高度：0～280mm

水箱II（下位水箱）液位高度：0～280mm

水箱III（不锈钢储水箱）液位高度：0～500mm

2.1.2液位传感器

液位传感器连接水箱的底部，检测水箱的液位，同时输出4～20mA的电流

信号。提供给计算机作为液位检测信号。本套工业自动化仪表实验采用挂箱式，组装灵活，如果从新组装了液位传感器（例如改变了液位传感器在网孔板上的位置或改变了所检测的水箱），液位传感器都要从新校正零点和量程。

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

2.1.3电动调节阀

电动调节阀为美国霍尼威尔的智能电动调节阀，具有精度高、技术先进、体

积小、重量轻、推动力大、功能强、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。

该电动调节阀具有自反馈系统只需要在外部加4～20mA电流即可控制，

4mA为全关状态，20mA为全开状态，在无输入信号的情况下电动调节阀处于全关状态。使用时只需要将调节器输出的4～20mA电流信号输入到面板上的控制端口上即可。

2.1.4压力传感器

压力传感器结构原理和液位传感器完全相同，其测量范围为0~100KP，具体

调试方法与液位传感器调试方法相同。其调节时可以通过变频器调节水泵压力，通过标准检测仪表监控压力；压力传感器输出的电流通过智能仪表监测显示，使智能仪表显示数据与标准校准仪表显示数据相同。如果有误差可通过调节压力传感器零点调节和量程调节电位器调准。

2.1.5变频器

采用三菱FR-S500变频器，4～20mA控制信号输入，可对流量或压力进行

控制。变频器面板图如图2.1所示。

内控、外控设定按钮 显示运行键停止键图2.1

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

变频器的基本操作：

(1) 合上控制对象上的电源

(2) 把PCT-ET-02面板上的内外控开关打到内控状态，按下设置PU灯亮

(3) 设置参数如下：C5=15 P21=3 P30=1 P39=80 P53=1 P59=1 P60=4 P61=4 P62=4

P63=4

(4) 按“PU/EXT”按钮设置EXT灯亮，把PCT-ET-02面板上的内/外控开关

打到“外控”，状态，在PCT-ET-02面板上变频器输入端子上输入4～20mA电流即控制变频器的频率设定值。

(5) 停止外部控制，只要把PCT-ET-02面板上的内/外控制开关打到内控一

端即可停止控制。

(6) 由外部控制切换到内部控制步骤：

① PCT-ET-02面板上内外控开关打到内控一边。

② 按变频器上PU使PU灯亮。

③ 按变频器上“RUN”键使Run灯亮，旋动变频器上频率设定电位器到合适

值。

(7) 由内部控制切换到外部控制步骤：

① 按变频器STOP键停止变频器 。

② 按 “PU/EXT”键使EXT灯亮。

③ 把PCT-ET-02面板上的内/外控开关打到“外控”状态，其变频器就在外

部控制信号下工作。

2.1.6三项磁力水泵

水泵选用上海凯士循环水泵，噪音低、寿命长、功耗小、AC380V供电。在

水泵出口装有压力罐和压力变送器，与变频器一起构成供水系统。

2.1.7牛顿模块

本装置在计算机控制和通讯上采用牛顿7000系列模块，它是RS-232转485

通讯模块，RS-232/RS-485双向协议转换。速度为300-115.200Kbps，一个RS-485网上可挂256个模块，3000V隔离，支持多种速率多种数据格式。通讯距离：2.1公里/9600Kbps；2.7公里/4800Kbps；3.6公里/2400Kbps。

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

8024是D/A模块，4通道模拟输出模块。

电流输出：4～20 mA，0～20 mA；

电压输出：+/-10V，0～10V，+/-5V。精度14Bit。

8017是A/D模块，8通道模拟输入模块。

模拟输入：1～5V，4～20mA；

输入范围：+/-150 mV，+/- 500mV，+/- 1V，+/- 5V，+/- 10V，+/- 20 mA。 通道数量：6路差动/2路单端或8差动（跳线选择）；采样频率10Hz。

2.2双容水箱系统硬件结构

液位控制系统硬件结构如图2.2所示。

图2.2 液位控制系统硬件结构图

上水箱和下水箱的液位信号分别由两压力传感器检测，检测到的液位信号经

液位变送器转换成4 - 20 mA 的电流信号，串联250欧姆标准电阻转换为1-5V电压信号，再通过A/ D 模块(Nudam7017)将采集到的模拟信号转换成数字信号，该数字信号经RS485 总线，再由RS232/485转换器传送给计算机，计算机采集到的数字信号在组态软件中由PID 控制器进行处理得出控制信号，控制信号再

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

经RS232/485转换器及RS485总线送给D/ A 模块(Nudam7024)，最后转换得到的模拟信号驱动执行机构工作。

2.3 水箱液位实验控制系统的用途

水箱液位控制实验系统是PCT实验装置中的重要组成部分，可单独进行各

种实验的分析和研究，且它是一种非线性、强耦合、多变量和大滞后的复杂系统，是进行控制理论与控制工程教学、实验和研究的理想平台，具有强大的实验功能。它不仅可以实现一阶对象、二阶对象，还可以实现更高阶对象的分析、研究，而且它还可以作为一种多功能型实验设备去验证各种新型算法。它易于在实验中操作，直观性强，适用于教学实验；可以模拟多种实际应用故障。我们还可以通过经典的PID控制器设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。各种控制器的控制效果通过水位的变化直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬态响应指标，准确评估控制性能。开放的控制器实验装置，便于我们进行自己的控制器设计，满足创新研究的需要。

液位控制实验装置是过程控制中最常用的实验装置，可在此装置上探讨、研

究、开发各种新型控制算法，学习各种不同的控制方案，通过调试不同控制方案下的实验系统，使我们能更清楚地了解工业过程控制中系统的投运和整定方法。

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

第三章 双容水箱液位控制系统分析设计

3.1双容水箱液位控制系统分析

对被控系统的分析，是设计过程控制系统的基础资料或基本依据。要对现代

日益复杂和庞大的被控过程进行研究分析、实施控制，尤其是进行最优设计时，必须了解其工作过程及其数学模型等。因此，数学模型对过程控制系统的分析设计、实现生产过程的优化校制具有极为重要的意义。

被控对象的数学模型，是反映被控过程的输出量与输入量关系的数学描述。

或者说是描述被控过程因输人作用导致输出量(被控变量)变化的数学表达式。被控过程可能既受控制输人的作用，也受扰动量影响。控制输入总是力图使被控过程按照某种期望的规律变化，而扰动量一般总是影响被控过程偏离期望运行状态。但从系统角度来看，无论是控制输人还是扰动，都属于输入量，因为它们都会影响输出的变化。

工业过程动态数学模型的表达方式很多，其复杂程度相差悬殊。对于数学模

型，应根据实际应用情况提出适当的要求。一般说来，用于控制的数学模型并不要求十分准确。闭环控制本身具有一定的鲁棒性，模型本身的误差可视为干扰，而闭环控制在某种程度上具有自动消除干扰的能力。

实际生产过程的动态特性非常复杂，往往需要作很多近似处理。有些近似处理需要作线性化处理、降阶处理等，但却能满足控制的要求。建立数学模型有两个基本方法，即机理法和测试法。测试法一般只用于建立输入输出模型。是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外部特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深入掌握其内部机理。

3.1.1液位控制系统组成

该液位控制系统主要是基于PCT-Ⅲ型远程数据采集过程控制装置。系统的

主要目的是控制上下水箱的液位。主要干扰源为随机流入水箱中的水使水位上涨，超过警戒水位；同时出于某种考虑，不能使水位低于某个值。

整个液位控制系统的结构图如图3.1所示。它由计算机、电动调节阀、上水

箱、下水箱、液位变送器、变频器和水泵模块等组成。电动调节阀用于调节上水

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

箱的进水量的大小，液位变送器用于检测上水箱和下水箱的液位。计算机的输出量用于控制电动调节阀的开度。变频器用于控制水泵进行恒压供水。

图3.1 双容水箱液位控制系统结构图

3.1.2液位控制系统的控制目标

水箱的液位变化范围为h=0-300mm，要求通过设计合适的控制器，能使被

控对象(下水箱)的液位值稳、准、快地稳定在所给定的液位值上，稳态液位误差不超过5mm。当系统发生扰动(正扰动或负扰动)时，被控量能迅速恢复到系统原来所要求的液位值。

3.1.3液位控制系统的模型分析

在此利用解析法对双容水箱进行建模。解析法建模的一般步骤为：

① 明确过程的输出变量、输入变量和其他中间变量；

② 依据过程的内在机理和有关定理、定律以及公式列写静态方程或动态方

程；

③ 消去中间变量，求取输入、输出变量的关系方程；

④ 将其简化成控制要求的某种形式，如高阶微分（差分）方程或传递函数

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

（脉冲传递函数）等。

双容水箱模型如图3.2所示。

图3.2 双容水箱模型图

根据动态物料平衡关系，即在单位时间内贮罐的液体流入量与单位时间内贮

罐的液体流出量之差应等于贮罐中液体贮存量的变化率，可列出以下增量方程：

C1d h1 q1 q2 式(2-1) dt

d h2C2 q2 q3 式(2-2) dt

q2 h1 式(2-3) R2

h2 式(2-4)R3 q3

由式(2-1)和式(2-3)消去 h1得：

C1R2d q2 q1 q2 式(2-5) dt

将其转换为传递函数形式得：

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G1(s)

其中T1 C1R2。 Q2(s)11 式(2-6) Q1(s)C1R2s 1T1s 1

由式(2-2)和式(2-4)消去 q3得：

C2R3d h2 R3 q2 h2 式(2-7) dt

将其转换为传递函数形式得：

G2(s) R3R3H2(s) 式(2-8) Q2(s)C2R3s 1T2s 1

由式(2-6)和式(2-8)得：

G(s) R3Q2(s)H2(s)1 式(2-9) G1(s) G2(s) Q1(s)Q2(s)T1s 1T2s 1

由于被控对象含有延迟特性，所以双容水箱的模型最终可用一个二阶惯性加

纯滞后环节来描述，即：

Ke s

式(2-10) G(s) (T1s 1)(T2s 1)

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

3.2 双容水箱液位控制系统方案设计

首先要确定整个系统的自动化水平，然后才能进行各个具体控制系统方案的

讨论确定。对于比较大的控制系统工程，更要从实际情况出发，反复多方论证，以避免大的失误。控制系统的方案设计是整个设计的核心，是关键的第一步。要通过广泛的调研和反复的论证来确定控制方案，它包括被控变量的选择与确认、操纵变量的选择与确认、检测点的初步选择及系统组成、绘制出带控制点的工艺流程图和编写初步控制方案设计说明书等。

3.2.1控制方案的选定

从上面的模型可知，该系统是一个有时间延迟的二阶系统，自身不稳定。若

按单回路方法设计控制系统，则因作用于系统的扰动要经过一个滞后时间才能使被控量有所反应，而调节器的控制作用又不能及时反映出来，因此将导致控制过头，产生振荡。理论分析表明，用单回路方法对上述过程进行控制是难以奏效的。该分析结果，也得到实验证实，经现场反复调试得知，在有干扰作用或给定值变化的情形下，系统是无法稳定的。而且由于该串联式双容液位过程两贮槽串联而存在容量滞后，这些因素致使单回路控制方案难以实施。与单回路方案相比，串级控制系统具有明显优点，在克服容量滞后和纯滞后对控制质量的影响方面有其独到之处，据此设计了如图3.3所示的串级控制系统。该控制系统在结构上形成了两个闭环。一个闭环在里面，被称为副回路；一个闭环在外面，被称为主回路，以最终保证被调量满足工艺要求。这种由两个调节器串接在一起控制一个调节阀的系统就叫做串级控制系统。主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。

串级控制系统只比简单控制系统增加了一个测量变送元件和一个调节器，但

是控制效果却有显著的提高，具有较好的控制性能，能够改善对象的动态特性，提高系统的工作频率，对负荷或操作条件的变化也有一定的自适应能力。

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

图3.3串级控制系统方框图

3.2.2串级控制系统的特点

串级控制系统适用于时间常数及纯滞后较大的对象．串级系统与单回路系统

的区别在于前者可获得可测中间变量，并利用它构成副反馈回路，对影响中间变量的干扰进行预先调节，从而改善整个系统的动态品质．串级控制系统在提高系统控制质量方面主要表现在：1)对进人副回路的二次干扰有很强的克服能力；2)改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；3)串级控制系统减小了对象时间常数；4)对负荷或操作条件的变化有较强的适应能力．

串级控制系统的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量都比单回路要好，

一般应用在下列情况：1)控制通道纯延迟时间较长；2)对象容量滞后大；3)负荷变化大，被控对象又具有非线性；4)系统存在变化剧烈的干扰 ．

3.2.3串级控制系统的设计

相比单回路控制系统的设计过程，串级控制系统的设计也较为简单，其主要

包括以下几项：

①主、副参数的选择及主、副回路设计；

②比例、积分及微分控制规律的选择；

③控制算法的确定。

1.主、副参数和主、副回路的选择

串级控制系统的设计主要是主、副参数的选择和主、副回路的设计以及主、

副回路关系的考虑。

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

(1) 主参数的选择和主回路的设计

主回路是一个定值控制系统，对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可

以按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。否则应选用一个与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性。所以在此选择下水箱液位高度为主参数，而由其所构成的回路也即为主回路，如图3.3中的外回路即为主回路。

(2) 副参数的选择和副回路的设计

串级控制系统副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强的特点。在副回路设

计时，要充分发挥这一特点，把生产过程中的主要扰动(并可能多的把其它一些扰动)包括在副回路中，以尽量减少对主参数的影响，提高主参数的控制质量。在选择副参数进行副回路设计时，必须注意主、副过程时间常数的匹配问题。因为它是串级控制系统正常运行的主要条件，是保证安全生产、防止共振的根本措施。所以在此选择上水箱液位高度为副参数，而由其所构成的回路也即为副回路，如图3.3中的内回路即为副回路。

2．控制规律的选择

调节器控制规律通常指比例(P)、积分(I)、微分(D)控制规律。PID控制规

律以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

以下就比例、积分、微分控制规律做简要介绍。

比例(P)控制：比例控制是一种最简单的控制方式。对偏差进行控制，偏差

一旦产生，控制器立即就发生作用即调节控制输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数Kp，Kp越大偏差减小的越快，但是很容易引起振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下，Kp减小，发生振荡的可能性减小但是调节速度变慢。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

比例控制时系统输出存在稳态误差。

积分(I)控制：控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。实质上就

是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。积分控制作用始终施加指向给定值的作用力，有利于消除静差，其效果不仅与偏差大小有关，而且还与偏差持续的时间有关。在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分(D)控制：控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成

正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，它能预测误差变化的趋势，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。它能敏感出误差的变化趋势，可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用，有利于提高输出响应的快速性，减小被控量的超调和增加系统的稳定性。但微分作用很容易放大高频噪声，降低系统的信噪比，从而使系统抑制干扰的能力下降。这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

而在实际应用时通常需要综合各方面的因素去考虑各种控制规律的选择，这

样才可达到既经济又实用的效果。

虽然PID控制规律综合了各种控制规律的优点，具有较好的控制性能，但

这并不意味着它在任何情况下都是最合适的。只有根据被控对象的特性，合理选择比例度、积分时间和微分时间，才能获得较高的控制质量。各类生产过程常用的控制规律如下：

液位：一般要求不高，用P或PI控制规律；

流量：时间常数小，测量信息中杂有噪声，用PI或加反微分控制规律；

压力：介质为液体的时间常数小，介质为气体的时间常数中等，用P或则控

制规律；

温度：容量滞后较大，用PID控制规律。

本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础,对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模,针对其对象特性,采用串级PID控制方式,构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统,有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题,从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态,对系统进行实时地操作、监控。

在串级控制系统中，主、副控制器所起的作用是不同的，主控制器起定值控制作用，副控制器对主控制器输出起随动控制作用，而对扰动作用起定值控制作 用。因此，主被控变量要求无余差，副被控变量却允许在一定范围内变动。这是选择控制规律的基本出发点。一般主控制器可采用比例、积分两作用或比例、积分、微分3作用控制规律，副控制器采用单比例作用或比例积分作用控制规律即可。

而在双容水箱液位控制系统中，又存在着一定的容量滞后，所以综上所述在

此系统中，主回路选择比例、积分、微分控制规律，而副回路只需单纯的比例控制即可。

3.控制算法的确定

(1)增量型PID算法

增量型PID算法中调节器输出的是一个变化量，是当前计算值和上一次计算

值得差，当控制回路稳定即偏差为零时控制器的输出也为零，它一般被用于控制步进电机。其具体表达式如下：

u(k) u(k) u(k 1)

Kp[e(k) e(k 1)] Kie(k) Kd[e(k) 2e(k 1) e(k 2)] 式(3-1)

式中，△u(k)对应于两次采样时间间隔内控制阀开度的变化量，可通过步进

电动机等累积机构，将其转换成模拟量。

采用增量式PID控制算法时，可以从手动时的u(k-1)出发，直接计算出投

入自动运行时控制器应有的输出变化量△u(k)，从而方便了手动自动切换。另外，由于这种算法对偏差不加以累积，从而不会引起积分饱和现象。因此，在实际中较多使用该算法。

(2)位置型PID算法

在过程控制中通常选用位置型PID算法，其具体算法如下；

Ku(k) Kce(k) c

Ti

k

i 0 e(i) t KcTdi 0ke(k) e(k 1) t 式(3-2) Kce(k) KI e(i) KD[e(k) e(k 1)]

式中，KI为积分系数，KI KTKc t；KD为微分系数，KD cd； t为采 tTi

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