1、 课 程 设 计 报 告 设计题目：水箱液位控制系统的设计 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 设计时间： 2012.05.072012.05.25 摘要摘要 在过程工业中被控制量通常有以下四种: 液位、压力、流量、温度。而液位 不仅是工业过程中常见的参数，且便于直接观察， 也容易测量。过程时间常数 一般比较小。以液位过程构成实验系统,可灵活地进行组态，实施各种不同的控 制方案。 液位控制装置也是过程控制最常用的实验装置。国外很多实验室有此 类装置， 如瑞典LUND大学等。 很多重要的研究报告、 模拟仿真均出自此类装置! 本次设计也是基于这套水箱液位控制装置来实现的。这套系统由多个水箱，
2、 液位检测变送器，电磁流量计，涡轮流量计，自动调节阀，控制面板等喝多器件 构成。 液位控制的发展从七十年代到九十年代经历了几个阶段， 控制理论由经典控 制理论到现代控制理论，再到多学科交叉；控制工具由模拟仪表到DCS，再到计 算机网络控制； 控制要求与控制水平也由原来的简单、 安全、 平稳到先进、 优质、 低耗、高产甚至市场预测、柔性生产。而其中应用最广泛的就是PID 控制器。 这次首先是用一天半的时间让我们熟悉各种建模的方法。 学会建立了最初的 四种模型。接着后几天就是开始熟悉各种控制系统，以及运用它们去控制水箱的 液位，从而更加深刻的理解控制的概念。并且在过程中，要熟练学会调整PID的 参
3、数，学会使用MATLAB等。 关键词关键词：水箱液位 PID控制 串级控制 前馈控制 经验凑试法 1.引言引言 在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪 30 年代就已有应用。 过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到 自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶 段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。 目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还 是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发 展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及
4、网络为 主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库 到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。 随着信息技术、自动化技术在过程工业的广泛应用，过程控制系统在过程工 业中愈显重要。过程控制从应用于工业生产至今经历了一个由简单到复杂、从低 级到高级的过程。在过程控制中，通常对液位、温度、压力、流量等参数进行控 制。 其中， 液位控制技术在国民生活、 生产中发挥了重要作用， 如民用水塔供水， 精馏塔液位控制，锅炉气泡液位控制等。液位控制的准确度与精度都直接或间接 地影响着生产、生活的质量与安全。为了保证安全、合理高效生产，急需开展先 进的液位控制方法和策略的研究和
5、开发。 水箱液位控制系统是设计和开发先进液位控制策略的一个开放式平台， 具有 观察直观、测量容易、组态灵活，可实施各种相异的控制方案，国内外许多学者 和工程技术人员基于该类装置做出了重要的研究报告， 以验证重要的理论成果和 指导生产实践。然而，目前我国这类控制实验装置主要用于高校实验教学，存在 着实验采集数据误差较大、实验对象过于单一等不足。因此，开发具有科研功能 的试验装置具有重要的工程应用价值。 2 2 设计任务及要求设计任务及要求 （1 1） 实验系统熟悉及过程建模 描述实验系统的总体结构（结构图及语言描述） 。 利用实验建模方法建立进水阀和主管道进水流量之间关系的数学模 型。 要求：写
6、出具体的建模步骤及结果。 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） 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） 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 2） 实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计 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。 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
