上水箱液位与进水流量串级控制系统设计

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I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II目录一、概述..............................................................................................................................11.1串级控制系统简介............................................................................................11.2串级控制系统的特点........................................................................................11.3主、副调节器控制规律的选择........................................................................11.4串级控制系统的整定方法................................................................................2二、课程设计使用的实验设备..........................................................................................22.1高级过程控制系统实验装置............................................................................32.1.1电源控制台............................................................................................32.1.2总线控制柜............................................................................................32.2计算机及相关软件............................................................................................32.2.1STEP7简介.......................................................................................32.2.2WINCC简介.........................................................................................4三、基本原理......................................................................................................................53.1系统组成............................................................................................................53.1.1被控对象................................................................................................53.1.2检测装置................................................................................................53.1.3执行机构................................................................................................63.1.4控制器....................................................................................................63.2系统工作原理....................................................................................................63.3控制系统流程图................................................................................................73.4系统投入运行步骤............................................................................................8四、串级控制系统PID参数整定....................................................................................114.1调节器参数整定过程......................................................................................114.1.1主调节器为PID...................................................................................114.1.2主调节器为PI.....................................................................................134.2系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能......................................................154.3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............................................................................................................................181一、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。21.4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δ2S和振荡周期T2S。(2)将副调节器的比例度置于所求得的δ2S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δ1S和振荡周期T1S。(3)根据求取的δ1S、T1S和δ2S、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δ、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/δ2＝0.5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δ2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