课程设计报告
设计题目：水箱液位控制系统
班级：自动化0901班
学号：********
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指导教师：王姝梁岩
设计时间：2012年5月7号----5月25号
摘要
在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题, 例如居民生活用水的供应, 饮料、食品加工等多种行业的生产加工过程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。
在这次课程设计中，我们主要是设计一个水箱液位控制系统，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID 参数整定、传感器和调节阀等一系列的知识。通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度。首先测取被控液位高度过程的图像，建立了主回路的进水流量和主管道流量、进水流量和水箱（上）液位高度、副回路进水流量和水箱（上）液位、双容水箱的进水流量和水箱（下）液位之间的数学模型，从而加强了对液位控制系统的了解。然后，通过参数试凑法对PID参数的调试，使上述的模型能快速的达到稳定并且超调量和余差等满足设计要求。最后通过MATLAB仿真实验，加深了对双容水箱滞后过程以及串级水箱液位过程和前馈控制系统的理解，对工业控制工程中对控制系统设计过程有了一定的认识。在PID参数整定过程中，我对比例控制，积分控制，微分控制的作用、效果以及调试方法有了一定了解。通过这次课程设计加深我们对《自动控制原理》、《过程控制系统及仪表》等科目的理解。
关键词：水箱液位控制PID参数整定串级控制前馈控制MATLAB仿真
目录
1．概述....................................................... - 4 -
2．课程设计任务及要求......................................... - 5 -
2.1 实验系统熟悉及过程建模................................. - 5 -
2.2实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计.............. - 5 -
2.3实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计.... - 6 -
2.4实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计.......... - 6 -
2.5实现副回路进水流量的前馈控制............................ - 7 -
3 实验系统熟悉及过程建模...................................... - 8 -
3.1 描述实验系统的总体结构（结构图及语言描述）。............ - 8 -
3.1.1水箱液位控制系统的原理框图······················································· - 8 -
3.1.2水箱液位控制系统的数学模型 ····················································· - 8 -
3.2 利用实验建模方法建立进水流量和主管道流量之间关系的数学模型。- 9 -
3.3 进水流量和上水箱液位模型.............................. - 11 -
3.4 副回路流量与上水箱液位数学模型........................ - 12 -
3.5双容水箱串联进水流量与下水箱液位模型................... - 14 -
4 单容水箱液位的单回路控制系统设计........................... - 16 -
4.1 结构原理.............................................. - 16 -
4.2 单容水箱控制器PID参数整定............................ - 17 -
4.3 旁路阶跃干扰响应曲线.................................. - 19 -
4.4 副回路进水阶跃干扰响应曲线............................ - 20 -
4.5 干扰频繁剧烈变化的解决办法............................ - 20 -
5.实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计 ....... - 22 -
6.实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计............. - 27 -
7.实现副回路进水流量的前馈控制............................... - 33 -
8.总结....................................................... - 36 -
1．概述
本次课程设计，是让我们应用自控控制原理和过程控制理论知识来设计水箱液位控制系统。在实验过程中，我们用到了wincc软件，调节阀，传感器，PLC等原件，使得我们对于工厂的一些基础设备有了一定了解。在设计过程中，我们通过手动和自动调节使液位保持平衡，以及通过经验凑试法来调节PID参数，这使得我们对于自动控制原理和过程控制系统及仪表课本加深理解，对工业生产中的液位控制有了一定了解，同时也学以致用，不再局限于书本的知识，培养我们独立思考的能力和小组合作精神。
2．课程设计任务及要求
2.1 实验系统熟悉及过程建模
①描述实验系统的总体结构（结构图及语言描述）。
②利用实验建模方法建立进水流量和主管道流量之间关系的数学模型。
要求写出具体的建模步骤及结果。
③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）
④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）
⑤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
①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。
②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，按控制质量从坏到好分别（P，PI，PID）记录6组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标），并说明你做参数进一步调整的原因，进而掌握PID控制作用对控制质量的影响。
③控制系统稳态时，打开旁路干扰阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。
④打开副回路进水阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。
