双容水箱水位控制系统设计（1103010437孟源）

沈阳理工大学课程设计

目录

1 概述............................................................................................................................ 3 2 双容水箱液位控制系统原理及设备选择................................................................ 4

2.1设备工作原理................................................................................................. 4 2.2设备选择......................................................................................................... 4

2.2.1 THJ-3型高级过程控制系统实验装置............................................. 4 2.2.2 WINCC组态软件................................................................................. 5 2.2.3模块选择S7-300................................................................................ 6 2.3控制系统流程................................................................................................. 6 2.4水箱液位实验控制系统的用途..................................................................... 7 3 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 3.2 液位控制系统的控制目标............................................................................ 8 3.3 液位控制系统的模型分析............................................................................ 9 4 PID控制简介及其整定方法................................................................................. 11

4.1 PID控制简介............................................................................................... 11

4.1.1 PID控制原理................................................................................... 11 4.1.2 PID控制算法................................................................................... 12 4.2 PID 调节的各个环节及其调节过程.......................................................... 13

4.2.1 比例控制与其调节过程.................................................................. 13 4.2.2 比例积分调节.................................................................................. 14 4.2.3 比例积分微分调节.......................................................................... 15 4.3 PID控制的特点........................................................................................... 15 4.4 PID参数整定方法....................................................................................... 16

1

沈阳理工大学课程设计

5 实验分析.................................................................................................................. 17

5.1实验过程....................................................................................................... 17 5.2实验结果....................................................................................................... 19 总 结............................................................................................................................ 25 参考文献...................................................................................................................... 26

2

沈阳理工大学课程设计

1 概述

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。通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。

双容水箱系统是一种比较常见的工业现场液位系统 ，在实际生产中，经过比较和筛选，串级控制系统PID控制无论是从操作性、经济性还是从系统的控制效果均有比较突出的特性，因此采用串级控制系统PID控制对双荣水箱液位控制系统实现控制。

论文以THJ-3高级过程控制实验系统为基础的实验数据作为出发点，利用MATLAB的曲线拟合的方法分别仿真出系统中上水箱、下水箱的输出响应曲线。对曲线进行处理求出各水箱的参数，用所求出的参数列写出水箱的传递函数。采用复杂控制系统中的串级控制系统列写出系统框图，根据串级控制系统PID参数整定的方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的数值，从而满足控制系统对各项性能的要求。对于控制器的选择，从经济以及控制效果考虑采用智能仪表实现控制，并应用组态软件对系统实施监控。通过对软件进行编程使组态软件模拟出双容水箱液位控制系统的手动和自动两种工作状态。

3

沈阳理工大学课程设计

2 双容水箱液位控制系统原理及设备选择

2.1设备工作原理

以上水箱与中水箱串联作为被控对象，中水箱的液位高度为系统的被控制量。要求中水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。本实验系统结构图和方框图如图2.1所示。

图2.1 双容液位定值控制系统 (a)结构图 (b)方框图

2.2设备选择

2.2.1 THJ-3型高级过程控制系统实验装置

实验对象系统包含有：不锈钢储水箱；上、中、下三个串接有机玻璃圆筒型水箱；三相4.5kW电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成）和铝塑盘管组成。

系统动力系统有两套：一套由三相（380V交流）不锈钢磁力驱动泵、电动调节阀、交流电磁阀、涡轮流量计等组成；另一套由日本三菱变频器、三相

4