双容水箱水位控制系统设计
目录
1 概述 2
2 双容水箱液位控制系统原理设备选择 3
21设备工作原理 3
22设备选择 4
221 THJ3型高级程控制系统实验装置 4
222 WINCC组态软件 5
223模块选择S7300 5
23控制系统流程 5
24水箱液位实验控制系统途 6
3 双容水箱液位控制系统分析设计 7
31双容水箱液位控制系统分析 7
32 液位控制系统控制目标 8
33 液位控制系统模型分析 8
4 PID控制简介整定方法 11
41 PID控制简介 11
411 PID控制原理 11
412 PID控制算法 12
42 PID 调节环节调节程 13
421 例控制调节程 13
422 例积分调节 14
423 例积分微分调节 15
43 PID控制特点 15
44 PID参数整定方法 16
5 实验分析 17
51实验程 17
52实验结果 19
总 结 25
参考文献 26
1 概述
工业实际生产中液位程控制系统重控量石油﹑化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤重工业生产程动化中常常需某设备容器液位进行测量控制通液位检测控制解容器中原料﹑半成品成品数量便调节容器输入输出物料衡保证生产程中环节物料搭配通控制计算机断监控生产运行程时监视控制容器液位保证产品质量数量
双容水箱系统种较常见工业现场液位系统 实际生产中较筛选串级控制系统PID控制操作性济性系统控制效果均较突出特性采串级控制系统PID控制双荣水箱液位控制系统实现控制
文THJ3高级程控制实验系统基础实验数作出发点利MATLAB曲线拟合方法分仿真出系统中水箱水箱输出响应曲线曲线进行处理求出水箱参数求出参数列写出水箱传递函数采复杂控制系统中串级控制系统列写出系统框图根串级控制系统PID参数整定方法整定出控制器副控制器PID数值满足控制系统项性求控制器选择济控制效果考虑采智仪表实现控制应组态软件系统实施监控通软件进行编程组态软件模拟出双容水箱液位控制系统手动动两种工作状态
2 双容水箱液位控制系统原理设备选择
21设备工作原理
水箱中水箱串联作控象中水箱液位高度系统控制量求中水箱液位稳定定量压力传感器LT2检测中水箱液位信号作反馈信号定量较差值通调节器控制调节阀开度达控制中水箱液位目实现系统阶跃定阶跃扰动作静差控制系统调节器应PIPID控制调节器参数整定采章第节述意种整定方法实验系统结构图方框图图21示
图21 双容液位定值控制系统 (a)结构图 (b)方框图
22设备选择
221 THJ3型高级程控制系统实验装置
实验象系统包含：锈钢储水箱中三串接机玻璃圆筒型水箱三相45kW电加热锅炉（锈钢锅炉胆加温筒封闭式外循环锈钢冷锅炉夹套构成）铝塑盘组成
系统动力系统两套：套三相（380V交流）锈钢磁力驱动泵电动调节阀交流电磁阀涡轮流量计等组成套日三菱变频器三相锈钢磁力驱动泵（220V变频）涡轮流量计等组成整套象系统完全锈钢材料制造包括象框架道底板甚颗紧固螺钉
系统特点
1 调参数囊括流量压力液位温度四热工参数
2 执行器中电动调节阀仪表类执行机构变频器等电力拖动类执行器
3 系统改变调节器设定值作阶跃扰动外象中通电磁阀手操作阀制造种扰动
4 调参数动力源执行器工艺线路演变成种调节回路利讨较种调节方案优劣
图221 THJ3型高级程控制系统实验装置
222 WINCC组态软件
WINCC指Windows Control Center生产程动化中解决视化控制务监控系统提供适工业图形显示消息档报表功模板高性功耦合快速画面更新数交换具高度实性
WINCC 基Windows NT 32位操作系统Windows NTWindows 2000标准环境中WINCC具控制动化程强功 基计算机时具极高性价操作监视系统WINCC显著特性全面开放容易结合户位机程序建立机界面精确满足控制系统求仅WINCC建立DDEOLE等Windonws程序间交换数标准接口毫困难集成ActiveX控制OPC服务器客户端功
WINCC软件基语言设计意味着中文德语英语等众语言间进行选择
223模块选择S7300
表223模块选择
电源模块
3071EA000AA0
CPU模块
3152AG100AB0
太网通讯模块
3431EX210XE0
LINK模块
1532BA810XB0
DPPA链接
1570AC820XA0
23控制系统流程
控制系统流程图图23示
图23 控制系统流程图
水箱液位检测信号LT1标准模拟信号直接传送SIEMENS模拟量输入模块SM331SM331分布式IO模块ET200M直接相连ET200M挂接PROFIBUSDP总线PROFIBUSDP总线挂接控制器CPU3152 DP（CPU3152 DPPROFIBUSDP总线DP站）样完成现场测量信号CPU传送
系统执行机构带PROFIBUSPA通讯接口阀门定位器挂接PROFIBUSPA总线PROFIBUSPA总线通LINKCOUPLER组成DP链路PROFIBUSDP总线交换数PROFIBUSDP总线挂接控制器CPU3152 DP样控制器CPU3152 DP发出控制信号PROFIBUSDP总线达PROFIBUSPA总线控制执行机构阀门定位器
24水箱液位实验控制系统途
水箱液位控制实验系统PCT实验装置中重组成部分单独进行种实验分析研究种非线性强耦合变量滞复杂系统进行控制理控制工程教学实验研究理想台具强实验功仅实现阶象二阶象实现更高阶象分析研究作种功型实验设备验证种新型算法易实验中操作直观性强适教学实验模拟种实际应障通典PID控制器设计调试进行智控制教学实验研究种控制器控制效果通水位变化直观反映出时通液位传感器水位精确检测方便获瞬态响应指标准确评估控制性开放控制器实验装置便进行控制器设计满足创新研究需
液位控制实验装置程控制中常实验装置装置探讨研究开发种新型控制算法学种控制方案通调试控制方案实验系统更清楚解工业程控制中系统投运整定方法
3 双容水箱液位控制系统分析设计
31双容水箱液位控制系统分析
控系统分析设计程控制系统基础资料基现代日益复杂庞控程进行研究分析实施控制尤进行优设计时必须解工作程数学模型等数学模型程控制系统分析设计实现生产程优化校制具极重意义
控象数学模型反映控程输出量输入量关系数学描述者说描述控程输作导致输出量(控变量)变化数学表达式控程受控制输作受扰动量影响控制输入总力图控程某种期规律变化扰动量般总影响控程偏离期运行状态系统角度控制输扰动属输入量会影响输出变化
工业程动态数学模型表达方式复杂程度相差悬殊数学模型应根实际应情况提出适求般说控制数学模型求十分准确闭环控制身具定鲁棒性模型身误差视干扰闭环控制某种程度具动消干扰力
实际生产程动态特性非常复杂需作似处理似处理需作线性化处理降阶处理等满足控制求建立数学模型两基方法机理法测试法测试法般建立输入输出模型研究工业程视黑匣子完全外部特性测试描述动态性质需深入掌握部机理
32 液位控制系统控制目标
水箱液位变化范围h0300mm求通设计合适控制器控象(水箱)液位值稳准快稳定定液位值稳态液位误差超5mm系统发生扰动(正扰动负扰动)时控量迅速恢复系统原求液位值
33 液位控制系统模型分析
利解析法双容水箱进行建模解析法建模般步骤：
① 明确程输出变量输入变量中间变量
② 程机理关定理定律公式列写静态方程动态方程
③ 消中间变量求取输入输出变量关系方程
④ 简化成控制求某种形式高阶微分（差分）方程传递函数（脉传递函数）等
双容水箱模型图312示
图31 双容水箱模型图
根动态物料衡关系单位时间贮罐液体流入量单位时间贮罐液体流出量差应等贮罐中液体贮存量变化率列出增量方程：
式(31)
式(32)
式(33)
式(34)
式(31)式(23)消：
式(35)
转换传递函数形式：
式(36)
中
式(22)式(24)消：
式(37)
转换传递函数形式：
式(38)
式(26)式(28)：
式(39)
控象含延迟特性双容水箱模型终二阶惯性加纯滞环节描述：
式(310)
4 PID控制简介整定方法
41 PID控制简介
411 PID控制原理
动控制技术绝部分基反馈概念反馈理包括三基素：测量较执行测量关心变量期值相较误差纠正调节控制系统响应反馈理动控制中应关键：做出正确测量较系统纠正调节
十年里PID控制例积分微分控制工业控制中广泛应控制理技术飞速发展天工业程控制中95控制回路具PID结构许高级控制PID控制基础
常规PID控制系统原理图31示典型单位负反馈控制系统PID控制器控象组成
图41 PID控制系统原理图
PID控制器种线性控制器根定值r(t)实际输出值e(t)构成
偏差 e(t)r(t)c(t)
412 PID控制算法
典型PID 模拟控制系统图32示图中sp(t)定值pv(t)反馈量c(t)系统输出量PID 控制器输入输出关系式：
（41）
输出例项+积分项+微分项+输出初始值KcPID回路增益TITD分积分时间微分时间常数
式中等号右边前3项分例积分微分部分分误差误差积分微分呈正果取中项两项组成PPDPI控制器需较动态品质较高稳态精度时选PI控制方式控制象惯性滞较时应选择PID控制方式图32示分设定值0突变1时例（P）作例积分（PI）作例积分微分作调量T(s)变化度程出例积分微分作效果佳迅速T(s)达设定值1例积分作需稍长时间例作终达设定值余差
M(t)
e(t)
PID调节器
执行机构
控象
sp(t)
测量元件
pv(t)
c(t)
图42 模拟量闭环控制系统
图33 PPIPID调节阶跃响应曲线
方便计算机实现PID控制算式必须微分方程式（31）改写成差分作似
（42）
（43）
中T控制周期n控制周期序号（n012···）e(n1)e(n)分第(n1)第n控制周期偏差式（32）（33）代入式（41）中差分方程
（44）
中M(n)第n时刻控制量果控制周期T控象时间常数TD较相种似合理连续控制十分接
42 PID 调节环节调节程
水箱液位控制系统目前采PID(例积分微分)控制方式种方式控制象PID参数
421 例控制调节程
例作实际种线性放(缩)功例调节显著特点差调节果采例调节负荷扰动调节程结束调量设定值准确相等间定残差采样偏差旦产生控制器立产生正偏差控制作调量误差减方变化作通例增益度量例增益时响应速度快稳态误差会产生较超调产生稳定Kc会响应速度缓慢调节时间加长调节精度降低
例调节中调节器输出信号u(n)偏差信号e成例例系数Kc称例增益程控制中惯增益倒数表示调节器输入输出间例关系
（48）
δ称例带δ具重物理意义果M直接代表调节阀开度变化量 δ代表调节阀开度改变100％全关全开时需调量变化范围根P调节器输入输出测试数容易确定例带
例调节残差例带加加方考虑希量减例带然减例带等加调节系统开环增益果导致系统激烈振荡甚稳定稳定性闭环控制首求例带设置必需保证系统具定稳定裕度δ意味着调节阀动作幅度调量变化较稳甚没超调残差调节时间长减δ加调节阀动作幅度引起调量回波动系统稳定残差相应减δ界值时系统处稳定边界情况进步减δ系统稳定δ界值根实验测定
422 例积分调节
积分作种记忆误差进行累积利消静差积分作果太强会引起较超调振荡实际中会常碰积分饱现象I调节中调节器输出偏差信号积分成正I调节特点差调节P调节差调节成鲜明偏差e零时I调节器输出会保持变然时调节器输出停值意味着控象负荷扰动调节程调量没残差调节阀停新负荷求开度
PI调节综合PI两种调节优点利P调节快速抵消干扰时利I调节消余差PI调节引入积分动作带消系统残差时降低原系统稳定性保持控制系统原衰减率PI调节器例带必须适加PI调节稍微牺牲控制系统动态品质换取较稳态性例带变情况减积分时间系统稳定性降低振荡加剧调节程加快振荡频率升高
423 例积分微分调节
微分作产生提前控制作改善动态特性减调整时间系统易稳定例调节积分调节根时偏差方进行调节控象中流入流出量间衡衡决定着调量变化趋势
调量变化速度(包括方)反映时稍前时间流入流出量间衡情况果调节器够根调量变化速度移动调节阀等调量已出现较偏差开始动作调节效果会更等赋予调节器某种预见性种调节动作称微分调节单纯微分调节器工作实际调节器定失灵区果控象流入流出量相差少致调量调节器察觉速度缓慢变化时调节器会动作时间相长时间调量偏移积累相数字校正种情况容许微分调节起辅助调节作调节动作结合成PDPI调节动作
43 PID控制特点
事实表明PID样简单控制器够适广泛工业民象高性价市场中占着重位充分反映PID控制器良品质概括讲PID控制优点体现两方面：
(1)原理简单结构简明实现方便种够满足实际需基控制器
(2)控制器适种象算法结构具较强鲁棒性确切说情况控制品质控象结构参数振动敏感
方面讲控制算法普适性反映PID控制器控制品质局限性具体分析局限性方面：
(1)算法结构简单性决定PID控制较适SISO相位系统处理时滞开环稳定程等难控象时需通PID控制器控制器组合较控制效果
(2)算法结构简单性时决定PID控制确定闭环系统少数极点闭环特性根基动态特性低阶似假定
(3)出样原决定单PID控制器法时满足假定设定值控制伺服踪控制性求
44 PID参数整定方法
（1）ZieglerNichols验公式(ZN公式法)该方法先求取系统开环阶跃响应曲线根象纯迟延时间时间常数放系数ZieglerNichols验公式计算PID参数
（2）稳定边界法(界例度法)该方法需做稳定边界实验闭环系统中控制器例作定值作阶跃扰动较例带开始逐渐减直控象现界振荡止记界振荡周期界例带
（3）衰减曲线法该方法界例度法类似闭环系统中控制器例作定值作阶跃扰动较例带开始逐渐减直控量出现41衰减程止记时例带相邻波峰间时间然验公式确定PID参数
5 实验分析
51实验程
设计选择水箱中水箱串联作双容象（选择中水箱水箱）实验前先储水箱中贮足水量然阀门F11F12F16全开水箱出水阀门F19中水箱出水阀门F110开适开度（求阀F19稍阀F110）余阀门均关闭
1接通控制柜控制台电源电源启动磁力驱动泵空压机
2开作位控制PC机点击开始菜单选择弹出菜单中SIMATIC选项点击弹出菜单中WINCC 选择弹出菜单中WINCC CONTROL CENTER 50进入WINCC资源理器开组态位监控程序点击理器工具栏激活（运行）钮进入实验界面
3鼠标左键点击实验项目 串接双容水箱液位PID整定实验系统进入正常测试状态呈现监控界面图3示
图3 程参数监控界面
界面左边实验流程图右边参数整定面排六切换功键
4位机监控界面中点击手动设定值输出值设置合适值操作通设定值输出值旁边相应滚动条输出输入框实现
5启动磁力驱动泵磁力驱动泵电水适增加减少输出量水箱液位衡设定值
6验法动态特性参数法整定PI调节器参数整定PI参数进行调节器参数设置
7液位稳定定值调节器切换动控制状态液位衡加干扰： 突增（突减）设定值正（负）阶跃增量变化干扰均求扰动量控制量5％～15％干扰造成水箱中水溢出系统稳定加入干扰水箱液位便离开原衡状态段调节时间水箱液位稳定新设定值（采面两种干扰方法稳定原设定值）观察计算机记录时设定值输出值参数液位响应程曲线图4示
图4 液位响应程曲线
8分适量改变调节器PI参数重复步骤7通实验界面边钮切换观察计算机记录控制规律系统阶跃响应曲线
9分PPIPID三种控制规律重复步骤4～8通实验界面边钮切换观察计算机记录控制规律系统阶跃响应曲线
52实验结果
图51 P控制KP25响应曲线
图52 P控制KP35响应曲线
然P控制阶跃扰动设定值40KP35液位响应程曲线图53示
图53 P控制阶跃扰动KP35响应曲线
2控制方式PI控制时液位设定值80KP0605TI200000时液位响应程曲线分图44图45示
图54 PI控制KP06TI200000响应曲线
图55 PI控制KP05TI200000响应曲线
然PI控制液位设定值80KP05TI250000时液位响应程曲线分图56示
图56 PI控制KP05TI250000响应曲线
然PI控制阶跃扰动设定值40KP05TI250000时液位响应程曲线图57示
图57 PI控制阶跃响应KP05TI250000响应曲线
3控制方式PID时液位设定值80KP0612TI40000TD10000时液位响应程曲线图58图59示
图58 PID控制KP06TI40000TD10000响应曲线
图59 PID控制KP12TI40000TD10000响应曲线
然PID控制设定值80KP12TI100000TD25000时液位响应程曲线图510示
图510 PID控制KP12TI100000TD25000响应曲线
然PID控制阶跃扰动设定值40KP12TI100000TD25000时液位响应程曲线图511示
图511 PID控制阶跃响应KP12TI100000TD25000响应曲线
总 结
通次课程设计书学知识动控制原理程控制原理微机控制技术等应实际控制系统组建中完成仪表程控制系统计算机程控制系统组建实现双容水箱液位控制实际工程实践中受益非浅学许新知识掌握实际操作技特够书中知识实际设计联系起动控制理解升新台阶实际控制系统组建中控制方案设计系统设计核心设计方案够系统设计事半功倍应根控程特性工程求综合设计系统设计两种控制系统做进步改进设计方案方面通控制电动调节阀开度改变水箱液位增加输入水流量作控制象调节阀控制更加直接时水箱间输水阀水箱总出水箱输水阀开度会液位控制造成影响应考虑进行控制硬件设备方面采集速度更快仪表加强控制器调节力改善电动调节阀工作性条件允许情况采更高精度采集模块控制器方面控制方法进行改善然电动调节阀控制信号位置信号调节阀动作通控制电机改变阀位考虑否采增量算法直接控制电机克服位置算法中需累加偏差造成执行机构动作缺点
实际工作岗位设计控制系统工业现场程控制系统实验中控制系统设计更书中理公式根工业生产实际情况进行设计面远实验室复杂现场环境设计系统未必先进现代化必须效行
参考文献
[1] 邵裕森 程控制工程 机械工业出版社 20041
[2] 海生 微型计算机控制技术清华学出版社20041
[3] 金慧 程控制清华学出版社20036
[4] 刘金琨 先进PID控制MALAB仿真电子工业出版社20049
沈阳理工学课程设计
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目录
1 概述 2
2 双容水箱液位控制系统原理设备选择 3
21设备工作原理 3
22设备选择 4
221 THJ3型高级程控制系统实验装置 4
222 WINCC组态软件 5
223模块选择S7300 5
23控制系统流程 5
24水箱液位实验控制系统途 6
3 双容水箱液位控制系统分析设计 7
31双容水箱液位控制系统分析 7
32 液位控制系统控制目标 8
33 液位控制系统模型分析 8
4 PID控制简介整定方法 11
41 PID控制简介 11
411 PID控制原理 11
412 PID控制算法 12
42 PID 调节环节调节程 13
421 例控制调节程 13
422 例积分调节 14
423 例积分微分调节 15
43 PID控制特点 15
44 PID参数整定方法 16
5 实验分析 17
51实验程 17
52实验结果 19
总 结 25
参考文献 26
1 概述
工业实际生产中液位程控制系统重控量石油﹑化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤重工业生产程动化中常常需某设备容器液位进行测量控制通液位检测控制解容器中原料﹑半成品成品数量便调节容器输入输出物料衡保证生产程中环节物料搭配通控制计算机断监控生产运行程时监视控制容器液位保证产品质量数量
双容水箱系统种较常见工业现场液位系统 实际生产中较筛选串级控制系统PID控制操作性济性系统控制效果均较突出特性采串级控制系统PID控制双荣水箱液位控制系统实现控制
文THJ3高级程控制实验系统基础实验数作出发点利MATLAB曲线拟合方法分仿真出系统中水箱水箱输出响应曲线曲线进行处理求出水箱参数求出参数列写出水箱传递函数采复杂控制系统中串级控制系统列写出系统框图根串级控制系统PID参数整定方法整定出控制器副控制器PID数值满足控制系统项性求控制器选择济控制效果考虑采智仪表实现控制应组态软件系统实施监控通软件进行编程组态软件模拟出双容水箱液位控制系统手动动两种工作状态
2 双容水箱液位控制系统原理设备选择
21设备工作原理
水箱中水箱串联作控象中水箱液位高度系统控制量求中水箱液位稳定定量压力传感器LT2检测中水箱液位信号作反馈信号定量较差值通调节器控制调节阀开度达控制中水箱液位目实现系统阶跃定阶跃扰动作静差控制系统调节器应PIPID控制调节器参数整定采章第节述意种整定方法实验系统结构图方框图图21示
图21 双容液位定值控制系统 (a)结构图 (b)方框图
22设备选择
221 THJ3型高级程控制系统实验装置
实验象系统包含：锈钢储水箱中三串接机玻璃圆筒型水箱三相45kW电加热锅炉（锈钢锅炉胆加温筒封闭式外循环锈钢冷锅炉夹套构成）铝塑盘组成
系统动力系统两套：套三相（380V交流）锈钢磁力驱动泵电动调节阀交流电磁阀涡轮流量计等组成套日三菱变频器三相锈钢磁力驱动泵（220V变频）涡轮流量计等组成整套象系统完全锈钢材料制造包括象框架道底板甚颗紧固螺钉
系统特点
1 调参数囊括流量压力液位温度四热工参数
2 执行器中电动调节阀仪表类执行机构变频器等电力拖动类执行器
3 系统改变调节器设定值作阶跃扰动外象中通电磁阀手操作阀制造种扰动
4 调参数动力源执行器工艺线路演变成种调节回路利讨较种调节方案优劣
图221 THJ3型高级程控制系统实验装置
222 WINCC组态软件
WINCC指Windows Control Center生产程动化中解决视化控制务监控系统提供适工业图形显示消息档报表功模板高性功耦合快速画面更新数交换具高度实性
WINCC 基Windows NT 32位操作系统Windows NTWindows 2000标准环境中WINCC具控制动化程强功 基计算机时具极高性价操作监视系统WINCC显著特性全面开放容易结合户位机程序建立机界面精确满足控制系统求仅WINCC建立DDEOLE等Windonws程序间交换数标准接口毫困难集成ActiveX控制OPC服务器客户端功
WINCC软件基语言设计意味着中文德语英语等众语言间进行选择
223模块选择S7300
表223模块选择
电源模块
3071EA000AA0
CPU模块
3152AG100AB0
太网通讯模块
3431EX210XE0
LINK模块
1532BA810XB0
DPPA链接
1570AC820XA0
23控制系统流程
控制系统流程图图23示
图23 控制系统流程图
水箱液位检测信号LT1标准模拟信号直接传送SIEMENS模拟量输入模块SM331SM331分布式IO模块ET200M直接相连ET200M挂接PROFIBUSDP总线PROFIBUSDP总线挂接控制器CPU3152 DP（CPU3152 DPPROFIBUSDP总线DP站）样完成现场测量信号CPU传送
系统执行机构带PROFIBUSPA通讯接口阀门定位器挂接PROFIBUSPA总线PROFIBUSPA总线通LINKCOUPLER组成DP链路PROFIBUSDP总线交换数PROFIBUSDP总线挂接控制器CPU3152 DP样控制器CPU3152 DP发出控制信号PROFIBUSDP总线达PROFIBUSPA总线控制执行机构阀门定位器
24水箱液位实验控制系统途
水箱液位控制实验系统PCT实验装置中重组成部分单独进行种实验分析研究种非线性强耦合变量滞复杂系统进行控制理控制工程教学实验研究理想台具强实验功仅实现阶象二阶象实现更高阶象分析研究作种功型实验设备验证种新型算法易实验中操作直观性强适教学实验模拟种实际应障通典PID控制器设计调试进行智控制教学实验研究种控制器控制效果通水位变化直观反映出时通液位传感器水位精确检测方便获瞬态响应指标准确评估控制性开放控制器实验装置便进行控制器设计满足创新研究需
液位控制实验装置程控制中常实验装置装置探讨研究开发种新型控制算法学种控制方案通调试控制方案实验系统更清楚解工业程控制中系统投运整定方法
3 双容水箱液位控制系统分析设计
31双容水箱液位控制系统分析
控系统分析设计程控制系统基础资料基现代日益复杂庞控程进行研究分析实施控制尤进行优设计时必须解工作程数学模型等数学模型程控制系统分析设计实现生产程优化校制具极重意义
控象数学模型反映控程输出量输入量关系数学描述者说描述控程输作导致输出量(控变量)变化数学表达式控程受控制输作受扰动量影响控制输入总力图控程某种期规律变化扰动量般总影响控程偏离期运行状态系统角度控制输扰动属输入量会影响输出变化
工业程动态数学模型表达方式复杂程度相差悬殊数学模型应根实际应情况提出适求般说控制数学模型求十分准确闭环控制身具定鲁棒性模型身误差视干扰闭环控制某种程度具动消干扰力
实际生产程动态特性非常复杂需作似处理似处理需作线性化处理降阶处理等满足控制求建立数学模型两基方法机理法测试法测试法般建立输入输出模型研究工业程视黑匣子完全外部特性测试描述动态性质需深入掌握部机理
32 液位控制系统控制目标
水箱液位变化范围h0300mm求通设计合适控制器控象(水箱)液位值稳准快稳定定液位值稳态液位误差超5mm系统发生扰动(正扰动负扰动)时控量迅速恢复系统原求液位值
33 液位控制系统模型分析
利解析法双容水箱进行建模解析法建模般步骤：
① 明确程输出变量输入变量中间变量
② 程机理关定理定律公式列写静态方程动态方程
③ 消中间变量求取输入输出变量关系方程
④ 简化成控制求某种形式高阶微分（差分）方程传递函数（脉传递函数）等
双容水箱模型图312示
图31 双容水箱模型图
根动态物料衡关系单位时间贮罐液体流入量单位时间贮罐液体流出量差应等贮罐中液体贮存量变化率列出增量方程：
式(31)
式(32)
式(33)
式(34)
式(31)式(23)消：
式(35)
转换传递函数形式：
式(36)
中
式(22)式(24)消：
式(37)
转换传递函数形式：
式(38)
式(26)式(28)：
式(39)
控象含延迟特性双容水箱模型终二阶惯性加纯滞环节描述：
式(310)
4 PID控制简介整定方法
41 PID控制简介
411 PID控制原理
动控制技术绝部分基反馈概念反馈理包括三基素：测量较执行测量关心变量期值相较误差纠正调节控制系统响应反馈理动控制中应关键：做出正确测量较系统纠正调节
十年里PID控制例积分微分控制工业控制中广泛应控制理技术飞速发展天工业程控制中95控制回路具PID结构许高级控制PID控制基础
常规PID控制系统原理图31示典型单位负反馈控制系统PID控制器控象组成
图41 PID控制系统原理图
PID控制器种线性控制器根定值r(t)实际输出值e(t)构成
偏差 e(t)r(t)c(t)
412 PID控制算法
典型PID 模拟控制系统图32示图中sp(t)定值pv(t)反馈量c(t)系统输出量PID 控制器输入输出关系式：
（41）
输出例项+积分项+微分项+输出初始值KcPID回路增益TITD分积分时间微分时间常数
式中等号右边前3项分例积分微分部分分误差误差积分微分呈正果取中项两项组成PPDPI控制器需较动态品质较高稳态精度时选PI控制方式控制象惯性滞较时应选择PID控制方式图32示分设定值0突变1时例（P）作例积分（PI）作例积分微分作调量T(s)变化度程出例积分微分作效果佳迅速T(s)达设定值1例积分作需稍长时间例作终达设定值余差
M(t)
e(t)
PID调节器
执行机构
控象
sp(t)
测量元件
pv(t)
c(t)
图42 模拟量闭环控制系统
图33 PPIPID调节阶跃响应曲线
方便计算机实现PID控制算式必须微分方程式（31）改写成差分作似
（42）
（43）
中T控制周期n控制周期序号（n012···）e(n1)e(n)分第(n1)第n控制周期偏差式（32）（33）代入式（41）中差分方程
（44）
中M(n)第n时刻控制量果控制周期T控象时间常数TD较相种似合理连续控制十分接
42 PID 调节环节调节程
水箱液位控制系统目前采PID(例积分微分)控制方式种方式控制象PID参数
421 例控制调节程
例作实际种线性放(缩)功例调节显著特点差调节果采例调节负荷扰动调节程结束调量设定值准确相等间定残差采样偏差旦产生控制器立产生正偏差控制作调量误差减方变化作通例增益度量例增益时响应速度快稳态误差会产生较超调产生稳定Kc会响应速度缓慢调节时间加长调节精度降低
例调节中调节器输出信号u(n)偏差信号e成例例系数Kc称例增益程控制中惯增益倒数表示调节器输入输出间例关系
（48）
δ称例带δ具重物理意义果M直接代表调节阀开度变化量 δ代表调节阀开度改变100％全关全开时需调量变化范围根P调节器输入输出测试数容易确定例带
例调节残差例带加加方考虑希量减例带然减例带等加调节系统开环增益果导致系统激烈振荡甚稳定稳定性闭环控制首求例带设置必需保证系统具定稳定裕度δ意味着调节阀动作幅度调量变化较稳甚没超调残差调节时间长减δ加调节阀动作幅度引起调量回波动系统稳定残差相应减δ界值时系统处稳定边界情况进步减δ系统稳定δ界值根实验测定
422 例积分调节
积分作种记忆误差进行累积利消静差积分作果太强会引起较超调振荡实际中会常碰积分饱现象I调节中调节器输出偏差信号积分成正I调节特点差调节P调节差调节成鲜明偏差e零时I调节器输出会保持变然时调节器输出停值意味着控象负荷扰动调节程调量没残差调节阀停新负荷求开度
PI调节综合PI两种调节优点利P调节快速抵消干扰时利I调节消余差PI调节引入积分动作带消系统残差时降低原系统稳定性保持控制系统原衰减率PI调节器例带必须适加PI调节稍微牺牲控制系统动态品质换取较稳态性例带变情况减积分时间系统稳定性降低振荡加剧调节程加快振荡频率升高
423 例积分微分调节
微分作产生提前控制作改善动态特性减调整时间系统易稳定例调节积分调节根时偏差方进行调节控象中流入流出量间衡衡决定着调量变化趋势
调量变化速度(包括方)反映时稍前时间流入流出量间衡情况果调节器够根调量变化速度移动调节阀等调量已出现较偏差开始动作调节效果会更等赋予调节器某种预见性种调节动作称微分调节单纯微分调节器工作实际调节器定失灵区果控象流入流出量相差少致调量调节器察觉速度缓慢变化时调节器会动作时间相长时间调量偏移积累相数字校正种情况容许微分调节起辅助调节作调节动作结合成PDPI调节动作
43 PID控制特点
事实表明PID样简单控制器够适广泛工业民象高性价市场中占着重位充分反映PID控制器良品质概括讲PID控制优点体现两方面：
(1)原理简单结构简明实现方便种够满足实际需基控制器
(2)控制器适种象算法结构具较强鲁棒性确切说情况控制品质控象结构参数振动敏感
方面讲控制算法普适性反映PID控制器控制品质局限性具体分析局限性方面：
(1)算法结构简单性决定PID控制较适SISO相位系统处理时滞开环稳定程等难控象时需通PID控制器控制器组合较控制效果
(2)算法结构简单性时决定PID控制确定闭环系统少数极点闭环特性根基动态特性低阶似假定
(3)出样原决定单PID控制器法时满足假定设定值控制伺服踪控制性求
44 PID参数整定方法
（1）ZieglerNichols验公式(ZN公式法)该方法先求取系统开环阶跃响应曲线根象纯迟延时间时间常数放系数ZieglerNichols验公式计算PID参数
（2）稳定边界法(界例度法)该方法需做稳定边界实验闭环系统中控制器例作定值作阶跃扰动较例带开始逐渐减直控象现界振荡止记界振荡周期界例带
（3）衰减曲线法该方法界例度法类似闭环系统中控制器例作定值作阶跃扰动较例带开始逐渐减直控量出现41衰减程止记时例带相邻波峰间时间然验公式确定PID参数
5 实验分析
51实验程
设计选择水箱中水箱串联作双容象（选择中水箱水箱）实验前先储水箱中贮足水量然阀门F11F12F16全开水箱出水阀门F19中水箱出水阀门F110开适开度（求阀F19稍阀F110）余阀门均关闭
1接通控制柜控制台电源电源启动磁力驱动泵空压机
2开作位控制PC机点击开始菜单选择弹出菜单中SIMATIC选项点击弹出菜单中WINCC 选择弹出菜单中WINCC CONTROL CENTER 50进入WINCC资源理器开组态位监控程序点击理器工具栏激活（运行）钮进入实验界面
3鼠标左键点击实验项目 串接双容水箱液位PID整定实验系统进入正常测试状态呈现监控界面图3示
图3 程参数监控界面
界面左边实验流程图右边参数整定面排六切换功键
4位机监控界面中点击手动设定值输出值设置合适值操作通设定值输出值旁边相应滚动条输出输入框实现
5启动磁力驱动泵磁力驱动泵电水适增加减少输出量水箱液位衡设定值
6验法动态特性参数法整定PI调节器参数整定PI参数进行调节器参数设置
7液位稳定定值调节器切换动控制状态液位衡加干扰： 突增（突减）设定值正（负）阶跃增量变化干扰均求扰动量控制量5％～15％干扰造成水箱中水溢出系统稳定加入干扰水箱液位便离开原衡状态段调节时间水箱液位稳定新设定值（采面两种干扰方法稳定原设定值）观察计算机记录时设定值输出值参数液位响应程曲线图4示
图4 液位响应程曲线
8分适量改变调节器PI参数重复步骤7通实验界面边钮切换观察计算机记录控制规律系统阶跃响应曲线
9分PPIPID三种控制规律重复步骤4～8通实验界面边钮切换观察计算机记录控制规律系统阶跃响应曲线
52实验结果
图51 P控制KP25响应曲线
图52 P控制KP35响应曲线
然P控制阶跃扰动设定值40KP35液位响应程曲线图53示
图53 P控制阶跃扰动KP35响应曲线
2控制方式PI控制时液位设定值80KP0605TI200000时液位响应程曲线分图44图45示
图54 PI控制KP06TI200000响应曲线
图55 PI控制KP05TI200000响应曲线
然PI控制液位设定值80KP05TI250000时液位响应程曲线分图56示
图56 PI控制KP05TI250000响应曲线
然PI控制阶跃扰动设定值40KP05TI250000时液位响应程曲线图57示
图57 PI控制阶跃响应KP05TI250000响应曲线
3控制方式PID时液位设定值80KP0612TI40000TD10000时液位响应程曲线图58图59示
图58 PID控制KP06TI40000TD10000响应曲线
图59 PID控制KP12TI40000TD10000响应曲线
然PID控制设定值80KP12TI100000TD25000时液位响应程曲线图510示
图510 PID控制KP12TI100000TD25000响应曲线
然PID控制阶跃扰动设定值40KP12TI100000TD25000时液位响应程曲线图511示
图511 PID控制阶跃响应KP12TI100000TD25000响应曲线
总 结
通次课程设计书学知识动控制原理程控制原理微机控制技术等应实际控制系统组建中完成仪表程控制系统计算机程控制系统组建实现双容水箱液位控制实际工程实践中受益非浅学许新知识掌握实际操作技特够书中知识实际设计联系起动控制理解升新台阶实际控制系统组建中控制方案设计系统设计核心设计方案够系统设计事半功倍应根控程特性工程求综合设计系统设计两种控制系统做进步改进设计方案方面通控制电动调节阀开度改变水箱液位增加输入水流量作控制象调节阀控制更加直接时水箱间输水阀水箱总出水箱输水阀开度会液位控制造成影响应考虑进行控制硬件设备方面采集速度更快仪表加强控制器调节力改善电动调节阀工作性条件允许情况采更高精度采集模块控制器方面控制方法进行改善然电动调节阀控制信号位置信号调节阀动作通控制电机改变阀位考虑否采增量算法直接控制电机克服位置算法中需累加偏差造成执行机构动作缺点
实际工作岗位设计控制系统工业现场程控制系统实验中控制系统设计更书中理公式根工业生产实际情况进行设计面远实验室复杂现场环境设计系统未必先进现代化必须效行
参考文献
[1] 邵裕森 程控制工程 机械工业出版社 20041
[2] 海生 微型计算机控制技术清华学出版社20041
[3] 金慧 程控制清华学出版社20036
[4] 刘金琨 先进PID控制MALAB仿真电子工业出版社20049
沈阳理工学课程设计
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