- - - - 优质- 成 绩 评 定 表 学生姓名 班级学号 专 业 自动化 课程设计题目 上水箱液位与进水流量串级控制系统设计 评 语 组长签字： 成绩 日期 20 年 月 日 - - - - 优质- 课程设计任务书 学 院 自动化与电气工程 专 业 自动化 学生姓名 班级学号 课程设计题目 上水箱液位与进水流量串级控制系统设计 实践教学要求与任务: 1、设计液位-流量串级控制系统，包括仪表选型和画出系统结构图。 2、进行串级控制系统 PID参数整定。 3、基于 WinCC 的监控界面设计。 4、系统投运运行，记录阶跃响应曲线。 5、分析阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。 工作计划与进度安排: 第 13 周：查阅相关资料、了解设计内容，完成大体设计。 第 1-2天：1 深入了解课程设计内容及任务。 2 查找文献、资料，确立设计方案。 第 3-5天:根据题目开展实验。 第 14 周：进行第二次试验，并进行调试，完成设计。 第 15 周：完成课程设计报告，针对所完成课程设计题目进行答辩。 指导教师： 201 年 月 日 专业负责人： 201 年 月 日 学院教学副院长： 201 年 月 日 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 摘 要 设计采用水箱液位和注水流量串级控制，设计系统主要由水箱、管道、三相磁力泵、水压传感器、涡轮流量计、变频器、可编程控制器及其输入输出通道电路等构成。系统中由液位 PID 控制器的设定值端口设置液位给定值，水压力传感器检测液位。涡轮流量计测流量，变频器调节水泵的转速，采用 PID 算法得出变频器输出值，实现流量的控制。流量控制是内环，液位控制是外环。 用 WinCC 组件制作相对应的控制画面，让画面的个按钮与变量相对应，对系统的个参数进行整定，通过不断的调试，使系统尽可能的保持在要求的位置。 系统电源由接触器和按钮控制， 系统电源接通后 PLC进行必要的自检和初始化，控制器接收到系统启动按钮动作信号后，通过接触器接通电机电源，启动动力系统工作，开始两个闭环系统的调节控制。 关键词：串级控制；PLC控制；PID控制；WinCC 组件 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 目录 一、概述 . 1 1.1 串级控制系统简介 . 1 1.2 串级控制系统的特点 . 1 1.3 主、副调节器控制规律的选择 . 1 1.4 串级控制系统的整定方法 . 2 二、课程设计使用的实验设备 . 2 2.1 高级过程控制系统实验装置 . 3 2.1.1 电源控制台 . 3 2.1.2 总线控制柜 . 3 2.2 计算机及相关软件 . 3 2.2.1 STEP 7 简介 . 3 2.2.2 WINCC简介 . 4 三、基本原理 . 5 3.1 系统组成 . 5 3.1.1 被控对象 . 5 3.1.2 检测装置 . 5 3.1.3 执行机构 . 6 3.1.4 控制器 . 6 3.2 系统工作原理 . 6 3.3 控制系统流程图 . 7 3.4 系统投入运行步骤 . 8 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 四、串级控制系统 PID参数整定 . 11 4.1 调节器参数整定过程 . 11 4.1.1 主调节器为 PID . 11 4.1.2 主调节器为 PI . 13 4.2 系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能 . 15 4.3 主、副调节器采用不同 PID参数时对系统动态性能的影响 . 16 结束语 . 17 参考文献 . 18 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 一、概述 1.1 串级控制系统简介 图 2.1 是串级控制系统的方框图。该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值 R，它的输出 m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出 m2控制执行器，以改变主参数 C1。 图 1.1 串级控制系统方框图 1.2 串级控制系统的特点 (1) 改善了过程的动态特性； (2) 能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力； (3) 提高了系统的鲁棒性； (4) 具有一定的自适应能力。 1.3 主、副调节器控制规律的选择 在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差） ，故一般宜采用 PI 或 PID 调节器。由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用 P 或 PI 调节器。 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 1.4 串级控制系统的整定方法 在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种： 1、逐步逼近法：在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，把副调节器的参数设置在所求的数值上，然后使主回路闭合，仍按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。尔后，将主调节器参数设置在所求得的数值上，再进行整定，求取第二次副调节器的整定参数值，然后再整定主调节器。依此类推，逐步逼近，直至满足动态品质指标要求为止。 2、两步整定法：两步整定法就是第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。整定的具体步骤为： (1) 在工况稳定，主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器的比例度置于 100%，然后用单回路控制系统的衰减（如 4：1）曲线法来整定副回路。记下相应的比例度 2S和振荡周期 T2S。 (2) 将副调节器的比例度置于所求得的 2S值上，且把副回路作为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主回路的比例度 1S和振荡周期 T1S。 (3) 根据求取的 1S 、T1S 和 2S 、T2S 值，按单回路系统衰减曲线法的整定公式，计算主、副调节器的比例度 、积分时间 TI 和微分时间 Td 的数值。 (4) 按“ 先副后主” ，“ 先比例后积分最后微分” 的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当地调整，直到过程的动态品质达到满意为止。 3、一步整定法：一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。具体的整定步骤为： (1) 在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据 K02/20.5 这一关系式，通过副回路的放大系数 K02，求取副调节器的比例放大系数 2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。 (2) 按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。 (3) 改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数 K1 和副调节器放大系数 K2的匹配原理， 适当调整调节器的参数， 使主参数的动态品质指标最佳。(4) 如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度或增大积分时间常数 TI，即可得到改善。 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 二、课程设计使用的实验设备 2.1 高级过程控制系统实验装置 2.1.1 电源控制台 电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。 仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。 2.1.2 总线控制柜 总线控制柜有以下几部分构成： (1) 控制系统供电板：该板的主要作用是把工频 AC220V 转换为 DC24V，给主控单元和 DP 从站供电。 (2) 控制站：控制站主要包含 CPU、以太网通讯模块、DP 链路、分布式 I/O DP从站和变频器 DP 从站构成。 (3) 温度变送器： PA 温度变送器把PT100 的检测信号转化为数字量后传送给DP 链路。 2.2 计算机及相关软件 2.2.1 STEP 7 简介 STEP 7 是用于 SIMATIC S7-300/400 站创建可编程逻辑控制程序的标准软件， 可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是 SIEMENS SIMATIC 工业软件的组成部分。STEP 7 以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统，总体说来，它有如下功能特性： 1.可通过选择 SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展 2.为功能摸板和通讯处理器赋参数值 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 3.强制和多处理器模式 4.全局数据通讯 5.使用通讯功能块的事件驱动数据传送 6.组态连接 2.2.2 WINCC简介 WINCC指的是 Windows Control Center，它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。 WINCC 是基于Windows NT 32 位操作系统的， 在Windows NT 或Windows 2000标准环境中，WINCC具有控制自动化过程的强大功能 ，它是基于个人计算机，同时具有极高性价比的操作监视系统。WINCC的显著特性就是全面开放，它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面，精确的满足控制系统的要求。不仅如此，WINCC还建立了像 DDE、OLE等在 Windonws 程序间交换数据的标准接口，因此能毫无困难的集成 ActiveX 控制和 OPC 服务器、客户端功能。 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 三、基本原理 3.1 系统组成 本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相（380V 交流）磁力驱动泵、气动调节阀、直流电磁阀、PA 电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V 变频） 、涡轮流量计及手动调节阀组成。 3.1.1 被控对象 水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。 模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。 盘管：长 37 米（43 圈） ，可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。 管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。 3.1.2 检测装置 压力传感器、变送器：采用 SIEMENS带 PROFIBUS-PA 通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。 流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用 SIEMENS带 PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 3.1.3 执行机构 调节阀：采用 SIEMENS带 PROFIBUS-PA 通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。 变频器： 本装置采用 SIEMENS带 PROFIBUS-DP 通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相 AC220V，输出为三相 AC220V。 水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为 16CQ-8P，流量为 32 升/ 分，扬程为 8米，功率为 180W。 可移相 SCR 调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为 420mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。 电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为 0Kg/ 2，最大压力为 7Kg/ 2 ；工作温度：580。 3.1.4 控制器 控制器采用 SIEMENS公司的 S7300 CPU，型号为 315-2DP，本 CPU 既具有能进行多点通讯功能的 MPI接口，又具有 PROFIBUS-DP 通讯功能的 DP 通讯接口。 3.2 系统工作原理 本系统的主控量为上水箱的液位高度 H，副控量为气动调节阀支路流量 Q，它是一个辅助的控制变量。系统由主、副两个回路所组成。主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控制量 H等于给定值，因而系统的主调节器应为 PI 或 PID控制。副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量 H的控制目的，因而副调节器可采用 P 控制。但选择流量作副控参数时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样比例控制作用偏弱， 为此需引入积分作用， 即采用 PI 控制规律。 引入积分作用的目的不是消除静差，而是增强控制作用。显然，由于副对象管道的时间常数小于主对象上水箱的时间常长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，通过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响。本实验系统结构图和方框图如图 3.1 所示。 图 3.1 上水箱液位与进水流量串级控制系统 (a) 结构图 (b) 方框图 3.3 控制系统流程图 控制系统流程图如图 3.2 所示。 图 3.2 控制系统流程图 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 本设计主要涉及三路信号，其中两路是现场测量信号上水箱液位和管道流量，另外一路是控制阀门定位器的控制信号。 本设计中的上水箱液位信号是标准的模拟信号，与 SIEMENS的模拟量输入模块SM331 相连， SM331 和分布式 I/O 模块 ET200M 直接相连，ET200M 挂接到PROFIBUS-DP总线上， PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器 CPU315-2 DP （CPU315-2 DP 为 PROFIBUS-DP总线上的 DP 主站） ，这样就完成了现场测量信号向控制器CPU315-2 DP的传送。 本设计中的流量检测装置（电磁流量计）和执行机构（阀门定位器）均为带PROFIBUS-PA 通讯接口的部件，挂接在 PROFIBUS-PA 总线上，PROFIBUS-PA 总线通过 LINK和 COUPLER组成的 DP 链路与 PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器 CPU315-2 DP。 由于 PROFIBUS-PA 总线和 PROFIBUS-DP总线中信号传输是双向的，这样既完成了现场检测信号向 CPU 的传送，又使得控制器CPU315-2 DP发出的控制信号经 PROFIBUS-DP 总线到达 PROFIBUS-PA 总线， 以控制执行机构阀门定位器。 3.4 系统投入运行步骤 本实验选择上水箱和气动调节阀支路组成串级控制系统（也可采用变频器支路） 。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门 F1-1、F1-2、F1-6 全开，将上水箱出水阀门 F1-9开至适当开度，其余阀门均关闭。 1、接通控制系统电源，打开用作上位监控的的 PC 机，进入的实验主界面如本实验指导书第二章第一节中的图 2-5所示。 2、 在监控主界面中选择本实验项即 “上水箱液位与进水口流量串级控制实验” ，系统进入正常的测试状态，呈现的监控界面如图 3.3 所示。 3、在上位机监控界面中，将副调节器设置为“手动” ，并将输出值设置为一个合适的值。 4、合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/ 减少副调节器的输出量，使上水箱的液位稳定于设定值。 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 5、 按本章第一节中任一种整定方法整定调节器的参数，并按整定得到的参数对调节器进行设定。 图 3.3 实验界面 6、 待上水箱进水流量相对稳定， 且其液位稳定于给定值时， 将调节器切换到 “自动”状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰： （1） 突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化； （2） 将气动调节阀的旁路阀 F1-3或 F1-4（同电磁阀）开至适当开度； （3） 将阀 F1-5、F1-13开至适当开度； 以上几种干扰均要求扰动量为控制量的 515，干扰过大可能造成水箱中水溢出。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定于新的设定值 （后面两种干扰方法仍稳定在原设定值） 。通过实验界面下边的切换按钮，观察计算机记录的设定值、输出值和参数，上水箱液位的响应过程曲线将如图 3.4 所示。 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 图 3.4 上水箱液位阶跃响应曲线 适量改变调节器的 PID 参数，重复步骤 6，观察计算机记录不同参数时系统的响应曲线。 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 四、串级控制系统 PID参数整定 4.1 调节器参数整定过程 4.1.1 主调节器为 PID 在工况稳定情况下，主回路闭合，主调节器采用 PID调节器、副调节器采用 PI调节器，设定值（SV）设为 70mm 。 主调节器的比例增益设为 7.0，积分时间和微分时间分别为 40000、20000。 副调节器的比例增益设为 2，积分时间为 30000。 响应曲线如图 4.1 所示。 图 4.1 系统震荡较为严重，超调量大，此时应减小比例增益 K，同时应注意根据 Z-N公式，积分时间与微分时间应成 4 倍关系。 于是将主调节器比例增益减小为 1，微分时间调整为 10000，其他设定值不变。 响应曲线如图 4.2 所示。 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 图 4.2 系统超调量约为1007070120% 71.4%依然较大，继续减小比例增益 K。 于是将主调节器比例增益减小为 1，积分时间调整为 60000，微分时间调整为15000，其他设定值不变。 响应曲线如图 4.3 所示。 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 图 4.3 系统衰减比接近于 6:1，在 4:110:1 范围内，但超调量依然较大，若继续减小比例增益 K 则衰减比会继续减小，故不能继续减小 K。由于积分作用会降低系统稳定性，所以此时将副调节器改为 P 调节器。 响应曲线如图 4.4 所示。 图 4.4 系统超调量约为100505070=40%，衰减比接近于 4:1，曲线较为理想。 4.1.2 主调节器为 PI 主调节器采用 PI 调节器、副调节器采用 P 调节器，设定值（SV）设为 50mm 。 主调节器的比例增益设为 7.0，积分时间为 20000。 副调节器的比例增益设为 2，积分时间为 30000。 响应曲线如图 4.5 所示。 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 图 4.5 系统震荡较为严重，超调量大，此时应减小比例增益 K。 于是将主调节器比例增益减小为 1，其他设定值不变。 响应曲线如图 4.6 所示。 图 4.6 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 系统趋于衰减震荡，衰减比大于 10:1 ，超调量约为100505090%=80% 。 于是将主调节器积分时间调整为 80000，其他设定值不变。 响应曲线如图 4.7 所示。 图 4.7 衰减比在 4:110:1 范围内，超调量约为100707090% 28.6%，曲线较为理想。 对比主调节器为 PID所确定的最终理想曲线，最终选定调节器的参数为： 主调节器：PI 控制，K=1，I=80000； 副调节器：P 控制，K=2。 4.2 系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能 选定最终确定的调节器，待上水箱进水流量相对稳定，且其液位稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待液位平衡后， 突增液位设定值的大小，使其有一个正阶跃增量的变化，得到如图 4.8 所示的响应过程曲线。 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 图 4.8 由于主调节器采用的是 PI 调节，I 的作用使得系统为无差调节。改变液位设定值后，系统经过 1.5min 后重新进入稳定状态。 4.3 主、副调节器采用不同 PID参数时对系统动态性能的影响 1、P 特点是控制作用简单，调整方便，且负荷变化时，克服扰动能力强，控制作用及时，过渡过程时间短，稳态时，存在余差。 控制规律控制及时但不能消除余差；I控制特点是能于消除余差，但作用缓慢，不能及时有效的克服扰动的影响。D控制规律能消除余差但控制不及时且一般不单独使用。 2、比例系数越小，过渡过程越平缓，稳态误差越大；反之，过渡过程振荡越激烈，稳态误差越小；若 K过大，则可能导致发散振荡。 I越大，积分作用越弱，过渡过程越平缓，消除稳态误差越慢；反之，过渡过程振荡越激烈，消除稳态误差越快。 D 越大，微分作用越强，过渡过程趋于稳定，最大偏差越小；但 D 过大，则会增加过渡过程的波动程度。 3、PID控制器校正后系统响应速度最快，但超调量最大，若 PI 控制器能满足控长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 制要求，则可采用 PI 控制器。 结束语 本次课程设计的内容是串级控制系统，实验的内容让我们加深对于控制系统的建模、参数的整定、以及实际调试的掌握。在这次实践的过程中领略到了别人在处理专业问题时显示出的优秀品质更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制，最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化在没有做课程设计以前觉得课程设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点太片面。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前总是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。虽然这个设计做的也不是太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，它使我终身受益。 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测- - - - 优质- 参考文献 1 李国勇、何小刚、阎高伟编 过程控制系统 （第 2 版） 电子工业出版社，2013； 2 俞金寿、孙自强编 过程控制系统 机械工业出版社，2009； 3 金以慧编 过程控制 清华大学出版社，1995； 4 俞金、蒋慰孙编 过程控制工程 电子工业出版社，2007； 5 刘泽祥编 现场总线技术 机械工业出版社，2005。 长签字年月日优质课程设计任务书学院自动化与电气工程专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目上水箱液位与进水流量串级控制系统设计实践教学要求与任务设计液位流量串级控制系统包括仪表选型和画出系统结构图进行串级时对系统主控制量的影响工作计划与进度安排第周查阅相关资料了解设计内容完成大体设计第天深入了解课程设计内容及任务查找文献资料确立设计方案第天根题目开展实验第周进行第二次试验并进行调试完成设计第周完成课程设采用水箱液位和注水流量串级控制设计系统主要由水箱管道三相磁力泵水压传感器涡轮流量计变频器可编程控制器及其输入输出通道电路等构成系统中由液位控制器的设定值端口设置液位给定值水压力传感器检测液位涡轮流量计测