过程实习

北华大学电气信息工程学院

测控综合实训实习报告

班级：测控 13-2 学号：27 姓名：王泽

专业名称：测控技术与仪器 指导教师：宋文蕾孟祥

摘要

在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题, 例如居民生活用水的供应, 饮料、食品加工等多种行业的生产加工过程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。

在这次课程设计中，我们主要是设计一个水箱液位控制系统，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID 参数整定、传感器和调节阀等一系列的知识。通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度。首先测取被控液位高度过程的图像，建立了主回路的进水流量和主管道流量、进水流量和水箱液位高度、副回路进水流量和水箱液位、双容水箱的进水流量和水箱液位之间的数学模型，从而加强了对液位控制系统的了解。然后，通过参数试凑法对PID参数的调试，使上述的模型能快速的达到稳定并且超调量和余差等满足设计要求。最后通过MATLAB仿真实验，加深了对双容水箱滞后过程以及串级水箱液位过程和前馈控制系统的理解，对工业控制工程中对控制系统设计过程有了一定的认识。在PID参数整定过程中，我对比例控制，积分控制，微分控制的作用、效果以及调试方法有了一定了解。通过这次课程设计加深我们对《自动控制原理》、《过程控制系统》等科目的理解。

关键词：水箱液位控制 PID参数整定串级控制前馈控制组态王软件参数设定.

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目录（水箱）

一、实习目的和要求 ................................................................... 3 二、实习内容 .............................................................................. 3

1.实验系统熟悉及过程建模 ................................................................................. 3 2.实现副回路进水流量的前馈控制 ..................................................................... 4 3.实现单容水箱液位的单回路控制系统设计 ..................................................... 4 4.实现水箱液位与进水流量的串级控制系统设计 ............................................. 4

三、实习步骤 .............................................................................. 5

1.液位控制系统硬件搭建............................................................................................. 5 2.工艺流程图................................................................................................................. 5

前馈控制.......................................................................................................... 6 单回路控制...................................................................................................... 7 串级控制.......................................................................................................... 8

四、系统调试及运行 ................................................................... 9

1.前馈控制.............................................................................................................. 9 2.单回路控制 ....................................................................................................... 10 3.串级控制............................................................................................................ 12

五、总结 .................................................................................... 15 六、参考文献 ............................................................................ 16

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一、实习目的和要求（水箱液位）

1、目的

掌握变频器的使用、掌握压力变送器计算及应用、进一步了解PCI1711的功能和应用方法以及调试方法、了解组态王的编程环境及其基本操作，掌握组态王的基本操作步骤、利用组态王、PCI1711采集卡、电动调节阀构成液位自整定的控制系统。

2、要求

通过在组态王的上位机程序界面中参数设定位置，SP设定值给一个固定的数值，打开电动调节阀和PCI1711采集卡，通过采集卡采集到的数据在组态王中显示出来，并且根据PID的参数设定进而改变电动调节阀的开度，进而控制水箱的进水量，从而达到一个平衡的状态。在达到稳态之后，给一个扰动，观察在达到平衡过程的液位变化的曲线，进而来计算PID参数，直到PID参数设定之后，在加一个扰动后，其液位变化曲线的衰减比达到4:1。

二、实习内容

1 实验系统熟悉及过程建模

（1）描述实验系统的总体结构（结构图及语言描述）。

（2）利用实验建模方法建立进水流量和主管道流量之间关系的数学模型。 要求写出具体的建模步骤及结果。

（3）利用实验建模方法建立进水流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型。

要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）

（4）利用实验建模方法建立副回路流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）

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（5）利用实验建模方法建立双容水箱（上下串联）的进水流量（上水箱进水）和水箱（下）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）

2.实现单容水箱液位的单回路控制系统设计

（1）画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图。详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义。说明该控制系统的控制依据和控制功能。 （2）采用经验凑试法调节PID参数，使液位设定值发生阶跃变化时，控制系统达到满意的控制质量。要求在PID参数调试过程中，按控制质量从坏到好分别（P，PI，PID）记录6组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标），并说明你做参数进一步调整的原因，进而掌握PID控制作用对控制质量的影响。

（3）控制系统稳态时，打开旁路干扰阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。

（4）打开副回路进水阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。

3.实现水箱液位与进水流量的串级控制系统设计

（1）画出此串级控制系统的控制原理图及方框图，详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义；说明该控制系统的控制依据和控制功能；分析该控制系统和液位单回路控制系统相比有哪些变化，这些变化会使得该系统有哪些优势。

（2）采用经验凑试法调节主、副控制器参数，使控制系统达到满意的控制质量。要求写出调试控制器参数的具体步骤。在PID参数调试过程中，记录10组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）来说明你的调试过程，并说明你做参数进一步调整的原因。

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图6前馈平衡调节图

图7前馈平衡图

2.单回路控制

打开组态王工程名：一阶液位控制系统。

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图8纯比例控制液位变化图

图9加入积分且比例变为原来的80%的液位变化图

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图10液位平衡图

图11加入扰动后得到的4:1衰减比振荡图

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3.串级控制

由于时间的原因，串级控制液位的试验，没有做完，所以使用Simulink仿真。 设被控对象的传递函数为：

G(S)?其中主控对象为：

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(S?1)(S?3)(2S?1)G(S)?副控对象为：

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(S?1)(S?3)G(S)?1

(2S?1)二次扰动为有限带宽的白噪声，一次扰动为阶跃信号。在单回路控制系统中得到的输出响应仿真图如下，其Simulink仿真模型结构图见附录程序图1：

图12

采用串级控制，外环采样时间T1?0.5s；内环采样时间T2?0.1s:Simulink仿真，

仿真图见附录图2,得到输出响应图如下：

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图13

由仿真结果可见由于副控回路的存在，很好的控制了二次扰动对系统的影响，说明采用串级控制能够有效的克服进入副控回路的干扰。

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