本科毕业设计（论文）
题目 学生姓名 教学院系 专业年级 指导教师 单 位
完成日期
水箱液位控制系统设计
胡 辰
学 号 0807010414 电气信息学院 测控技术与仪器2008级 张 禾
职 称
副教授
测控技术与仪器教研室
2010年 6月 7日
西南石油大学本科毕业设计（论文）
SOUTHWEST PETROLEUM UNIVERSITY
Graduation Thesis(Paper)
Tank level control system design
Student: Hu Cheng Number: 0807010414
School: Electrical Information Engineering Major and Grade: Measuring & Control Technology and Instrumentation, 2008
Tutor: Zhang He Occupation: associate professor
Unit: Measuring & Control Technology and
Instrumentation Division
Completed Date: June 6, 2012
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水箱液位控制系统设计
摘要
微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表结构的根本性变革，以微型计算机为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，与传统仪表的常规测量电路相比较，在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面取得了巨大进展。智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。
PID是一种应用非常广泛的自动控制装置，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合液位控制的要求。
本文旨在介绍水箱液位控制系统的设计，研究内容包括单容水箱液位定值控制系统设计、双容水箱液位定值控制系统设计、水箱液位串级控制系统设计，采用PID控制算法，分别通过电动调节阀和变频器的控制作用进行液位定值控制研究，通过PID各参数的不同设定值了解各参数对控制系统的影响。实验装置的硬件主要包括水箱、磁力驱动泵、压力传感器、压力变送器、智能调节器、变频器、电源、管道、阀门。监控软件采用力控组态软件，主要用于建立监控画面，便于观察和保存历史数据。实验装置与上位机之间通过串口RS485/232连接，并进行数据通信及数据采集。 实验证明，控制系统效果比较令人满意，具有较大的工程实用价值。
关键词：PID；液位控制；智能仪表；人机界面
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西南石油大学本科毕业设计（论文）
Abstract
Nowadays intelligent measuring appliance is improving more and more quickly.It has been used in more an more place of our life.It can make Electric circuit much easier than before.And the control can be realized much more precise and convenient. Microelectronics and computer technology continues to develop, led to fundamental changes in the structure of instruments to micro-computer (single chip) as the main body, the computer technology and the organic integration of detection technology to form a new generation of \"smart meters\" in Measurement of process automation, measurement data processing and functional diversification of the traditional instrument, compared to conventional measuring circuit, tremendous progress has been made.
PID is a very useful control installment . It is widely used in a lot of control system in our lives. It can make Electric circuit much easier than before.And the control can be realized much more precise and convenient.It very suits the control of water level. It will relay the traditional control technology, computer and communication technologies together with the control, and operation of flexible convenient, high reliability, suitable for continuous long-term characteristics of the work, very suitable for liquid level control requirements.
This paper aims to introduce water level control system design, the study includes a single let water level fixed value control system design, double let water level fixed value control system design, water level cascade control system design, PID control algorithm, through electric regulator and frequency converter respectively of the liquid level control function setting value control research, through the PID parameters of different parameters on the set value understanding the influence of the control system. Experiment device hardware mainly including water tank, magnetic drive pumps, pressure transducer, pressure transmitter, intelligent regulator, frequency converter, power supply, pipe, valve. Monitoring software using force control configuration software, mainly used to establish monitoring menu, observing and save historical data. The experiment device and the upper machine through a serial port between RS485/232 connections, data communication and data collection.
The experiment proved that the control system effect is satisfactory, has large engineering practical value.
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水箱液位控制系统设计
Keywords: PID;Water Level Control;Intelligent measuring appliance;HMI
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目录
1绪论
1.1 设计目的意义 1.2 设计的主要内容
2. 过程控制实验装置简介 3. 水箱液位控制系统实验研究 3.1 PID控制原理
3.2 单容水箱液位定值控制系统 3.3 双容水箱液位定值控制系统 3.4 水箱液位串级控制系统 4. 监测软件设计 4.1 力控组态软件简介 4.2力控组态软件设计
4.2.1 单容水箱液位定值控制系统 4.2.2 双容水箱液位定值控制系统 4.2.3 水箱液位串级控制系统 5.系统调试与结果
5.1单容水箱液位定值控制系统 5.2双容水箱液位定值控制系统 5.3水箱液位串级控制系统 6 总结与展望 6.1总结 6.2 展望 致谢 参考文献
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水箱液位控制系统设计
1 绪论
1.1设计目的意义
液位是工业生产过程控制中很重要的被控变量。工业生产中的润滑油、冷却水、调速油、油质加工、液态燃料供应、废油净化、溶液加工与传输等场合，常需对容器中液位进行有效可靠的控制，否则将不能使液体循环系统乃至整个机组正常运行。另外，在这些生产领域里，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的损失。可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以，为了保证安全、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。 工业生产过程中的液位系统通常是时变的，具有明显的滞后特性。在热工生产与传输质量或能量的过程中，存在着各种形式的容积和阻力，加上对象多具有分布参数，好像被不同的阻力和容积相互分隔着一样。生产实际中的被控对象往往是由多个容积和阻力构成的多容对象。两个串连的单容对象构成的双容对象就比较典型。例如在饮料、食品加工、溶液过滤、化工生产等多种行业的生产加工过程中都有与之相似的数学模型，理论上均可用双容水箱的模型对上述过程液位进行适当的控制。通过液位的检测与控制，可以了解容器中的原料、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，即时显示容器的液位，保证产品的质量和数量。
1.2 设计的主要内容
本文旨在介绍水箱液位控制系统的设计，主要内容有：
① 熟悉过程控制实验装置，实验装置的硬件主要包括水箱、磁力驱动泵、压力传感器、压力变送器、流量传感器、流量变送器、温度传感器、盘管、模拟锅炉、仪表控制台面板、比值器、前馈-反馈装置、解耦控制装置、三相SCR移相调压装置、智能调节器、电动调节阀、变频器、电磁阀、电源、管道、阀门。
② 研究主题是对单容水箱液位定值控制系统、双容水箱液位定值控制系统、双容水箱液位串级控制系统进行分析研究。
③ 研究过程中采用PID控制算法并调节控制参数。
④ 分别通过电动调节阀和变频器的控制作用进行液位定值控制研究，通过PID
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的各参数的不同设定值了解各参数对控制系统的影响。
⑤ 监控软件采用力控组态软件，主要用于建立监控画面，便于观察和保存历史数据。实验装置与上位机之间通过串口RS485/232连接，并进行数据通信及数据采集。
过程控制实验装置方框图如图1.1所示。
水箱液 位 压力传感器、变送器 智能仪表 电动调节阀/变频器（下位机） 上位机 图1.1
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水箱液位控制系统设计
2 过程控制实验装置简介
过程控制实验装置如图2.1所示。该系统主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成；两路均会用到智能仪表。
图2.1
本实验主要研究水箱液位控制系统，使用电动调节阀和变频器控制。需要的装置有水箱、三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、涡轮流量计、手动调节阀、变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、智能仪表。
被控对象：由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、4.5KW三相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。
水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲
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槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。
模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。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，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。
盘管：模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米（43圈），在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。盘管的出水通过手动阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。
管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。
压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为0～5KP，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：4～20mADC。
温度传感器：装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。Pt100测温范围：-200～+420℃。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。
流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。流量范围：0～1.2m3/h；精度：1.0%；输出：4～20mADC。
电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电
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水箱液位控制系统设计
动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。
技术指标： 电源220VAC 50Hz
输入控制信号：4~20mA DC 或1~5 DC 公称压力：1.6Mpa 公称直径： 20mm 重复精度：±1% 介质温度： -4~+200℃ 行程： 10mm 功耗： 5VA
可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输出控制信号为4~20mA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。
水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。
电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，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：－5～80℃；工作电压：24VDC。
三相电加热管：由三根1.5KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温，每根加热管的电阻值约为50Ω左右。
智能仪表：采用上海万迅仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，型号是AI-818型，输出为4～20mADC信号，该仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。主要特点有：
① AI系列仪表操作方便，通俗易学，且不同功能档次相互兼容。 ② 具有国际上同类仪表的几乎所有功能，通用性强、技术成熟可靠。 ③ 全通用的85~246VAC范围开关电源或者24VDC电源供电，并具备多种外形尺寸。
④ 输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精
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度稳定。
⑤ 采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定(AT)功能。
⑥ 采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能满足各种应用场合的需要。 ⑦ 通过IS09002质量认证，品质可靠。具备符合要求的抗干扰性能。 变频器：本装置采用日本三菱(FR-S520S-0.4K-CH(R))变频器，控制信号输入为4-20mADC或0~5VDC，~220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。 (1) 技术规格
热电偶：K、S、R、E、J、T、B、N 热电阻：Cu50、Pt100
线性电压：0-5V、1-5V 、0-1V、0-100mV、0-20mV等 线性电流（需外接分流电阻）：0-10mA、1-20mA、4-20mA （2）测量精度
0.2级（热电阻、线性电压、线性电流及热电偶输入且采用铜电阻补偿或冰点补偿冷端时） 02%FS±2.0 (3)响应时间 响应时间≤0.5秒
(4)AI人工智能调节，包含模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法 (5)输出规格（模块化）
继电器触点开关输出（常开＋常闭）：250VAC/0.2A（持续），2A（20mS瞬时，重复周
期大于5S）
(6)报警功能
上限、下限、正偏差、负偏差、等四种方式，最多可输出三路，有上电免除报警选择功能。 （7）手动功能
自动/手动双向无扰动切换（仅AI-808/808P系列具备此功能） （8）电源：100-240VAC 电源功耗：≤5W
电源：380V的三相电源，用于恒压供水。220V的单相电源，用于磁力驱动泵变频调速
比值器、前馈-反馈装置：此控制器与调节器一起使用既可以实现流量的单闭环比值、双闭环比值控制系统实验，又可以实现液位与流量、温度与流量的前馈-反馈
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水箱液位控制系统设计
控制系统实验。
解耦控制装置：此控制器与调节器一起使用可以实现锅炉内胆与锅炉夹套的温度、上水箱液位与出口温度的解耦控制系统实验。 仪表控制台面板：仪表控制台面板由三部分组成：
1) 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。
2) 仪表面板：一块变频调速面板、三块AI/818A智能调节仪面板、一块AI/708智
能位式调节仪、解耦装置面板，比值器、前馈-反馈装置面板，各装置外接线端子通过面板上自锁紧插孔引出。
3) I/O信号接口面板：该面板的作用主要是将各传感器检测及执行器控制信号同面
板上自锁紧孔相连，再通过航空插头同对象系统连接，便于自行连线组成不同的控制系统。
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3水箱液位控制系统实验研究
3.1 PID控制原理
PID控制具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点，又称比例、积分、微分控制。
比例控制( P )：其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stade error）。
积分控制（I）：控制器的输出与输入误差信号的积分成正比例关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的，或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制系统中必须引人“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而增大，它推动控制器的输出增大，使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分控制（D）：控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
P 、 I 、 D 参数的预置是相辅相成的，运行现场应根据实际情况进行如下细调：被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间 I ，如仍有振荡，可适当减小比例增益 P。被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益 P ，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间 I ，还可加大微分时间 D。
PID常用口诀: 参数整定找最佳，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分加；曲线振荡很频繁，比例度盘要放大；曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳；曲线偏
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水箱液位控制系统设计
离回复慢，积分时间往下降；曲线波动周期长，积分时间再加长；曲线振荡频率快，先把微分降下来；动差大来波动慢。微分时间应加长；理想曲线两个波，前高后低4比1；一看二调多分析，调节质量不会低。
3.2 单容水箱液位定值控制系统
所谓单容指只有一个贮蓄容器。定值指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏
后，不需要操作人员或设备等干预，依靠其自身重新恢复平衡并保持一固定值的过程。 据此可设计出如图3.1和3.2所示的简单控制系统，其中图3.1采用电动调节阀控制，图3.2采用变频器控制。
干扰 调节器 — 液位变送器 执行机构(电动调节阀) H(液位) 下水箱 给定量 + 图3.1基于电动调节阀的单容水箱液位定值控制系统
如图3.1所示，该控制系统使用到的实验仪器有下水箱、压力传感器、压力变送器、380V的磁力驱动泵、仪表控制台面板、智能调节器、电动调节阀、电源、管道、阀门。选择下水箱作为实验对象，压力传感器用于感受水箱底部的压力，并通过压力变送器转换成1-5V的电压输给智能仪表，智能仪表输出4-20mA的直流电流供给电动调节阀作为控制信号，电动调节阀根据接收到的电流大小确定阀门的正反转，从而达到定值控制的目的。控制台面板上有380V和220V电压接口，380V电压用于给磁力驱动泵供电，220V电压用于给智能仪表和电动调节阀供电。 给定量 执行机构(变频器 ) 干扰 H(液位) 下水箱 调节器 液位变送器 图3.2基于变频器的单容水箱液位定值控制系统 如图3.2所示，该控制系统使用到的实验仪器有下水箱、压力传感器、压力变送
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器、220V的磁力驱动泵、仪表控制台面板、智能调节器、变频器、电源、管道、阀门。选择下水箱作为实验对象，压力传感器用于感受水箱底部的压力，并通过压力变送器转换成1-5V的电压输给智能仪表，智能仪表输出4-20mA的直流电流供给变频器作为控制信号，变频器根据接收到的电流大小确定频率增大或减小，从而改变水的流量达到定值控制的目的。控制台面板上有380V和220V电压接口，选择220V电压用于给智能仪表、磁力驱动泵和变频器供电。
3.3双容水箱液位定值控制系统
双容水箱液位定值控制系统是在单容水箱的基础上再加一个水箱，组成两个贮蓄容器，任意选择两个相邻水箱。定值指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或设备等干预，依靠其自身重新恢复平衡并保持一固定值的过程。双容水箱能够引入干扰的情况更多，因此更接近实际工业情况。据此可设计出如图3.3和3.4所示的简单控制系统，其中图3.3采用电动调节阀控制，图3.4采用变频器控制。 干扰 干扰 电动调给定值 下水箱 调节器 中水箱 节阀 + — 液位变送器 图3.3基于电动调节阀的双容水箱液位定值控制系统
h(液位) 如图3.3所示，该控制系统使用到的实验仪器有中水箱、下水箱、压力传感器、压力变送器、380V的磁力驱动泵、仪表控制台面板、智能调节器、电动调节阀、电源、管道、阀门。选择下水箱作为实验对象，压力传感器用于感受水箱底部的压力，并通过压力变送器转换成1-5V的电压输给智能仪表，智能仪表输出4-20mA的直流电流供给电动调节阀作为控制信号，电动调节阀根据接收到的电流大小确定阀门的正反转，从而达到定值控制的目的。控制台面板上有380V和220V电压接口，380V电压用于给磁力驱动泵供电，220V电压用于给智能仪表和电动调节阀供电。与单容水箱液位定值控制系统不同的地方在于采用双容时中水箱的作用相当一个滞后环节，同时中水箱出口阀门和入口阀门的开度，中水箱液位的高度等都对下水箱的液位控制有影
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水箱液位控制系统设计
响。 干扰 干扰 给定值 中水箱 调节器 变频器 上水箱 + — 液位变送器 图3.4基于变频器的双容水箱液位定值控制系统
h(液位) 如图3.4所示，该控制系统使用到的实验仪器有中水箱、下水箱、压力传感器、压力变送器、220V的磁力驱动泵、仪表控制台面板、智能调节器、变频器、电源、管道、阀门。选择下水箱作为实验对象，压力传感器用于感受水箱底部的压力，并通过压力变送器转换成1-5V的电压输给智能仪表，智能仪表输出4-20mA的直流电流供给变频器作为控制信号，变频器根据接收到的电流大小确定增大或减小频率，从而改变流量，达到定值控制的目的。控制台面板上有380V和220V电压接口，选择220V电压用于给智能仪表、磁力驱动泵和变频器供电。与单容水箱液位定值控制系统不同的地方在于采用双容时中水箱的作用相当一个滞后环节，同时中水箱出口阀门和入口阀门的开度，中水箱液位的高度等都对下水箱的液位控制有影响。
3.2.3 水箱液位串级控制系统
水箱液位串级控制系统是在双容水箱液位定值控制系统基础上的进一步加深，
想要组成串级控制系统则前一个水箱智能调节器的输出必须作为后一个水箱智能调节器的输入，这样两个水箱就紧密结合起来组成了串级控制系统。据此可设计出如图3.5和3.6所示的复杂控制系统，其中图3.5采用电动调节阀控制，图3.6采用变频器控制。
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给定值 + 二次干扰 主调节 器 + — 副调节 器 电动阀 液位变送器1 中水箱 h 一次干扰 下水箱 — 液位变送器2 图3.5 基于电动调节阀的水箱液位串级控制系统
如图3.5所示，该控制系统使用到的实验仪器有中水箱、下水箱、压力传感器、压力变送器、380V的磁力驱动泵、仪表控制台面板、智能调节器、电动调节阀、电源、管道、阀门。选择下水箱作为主控制对象，中水箱作为副控制对象，压力传感器用于感受水箱底部的压力(下水箱)，并通过压力变送器转换成1-5V的电压输给智能仪表二，智能仪表二输出4-20mA的直流电流经转换成1-5V电压后，供给智能仪表一作为输入，压力变送器一输出的电压加载在智能仪表一的0.2-1V接线端之间，其中智能仪表一用于检测中水箱的数据变化，智能仪表二作为检测下水箱的数据变化。智能仪表二的输出作为电动调节阀的控制信号，电动调节阀根据接收到的电流大小确定阀门的正反转，从而达到定值控制的目的。控制台面板上有380V和220V电压接口，380V电压用于给磁力驱动泵供电，220V电压用于给智能仪表和电动调节阀供电。 二次 一次干扰 干扰 给定值 h + 主调节 器 + — 副调节 器 变频器 中水箱 下水箱
— 液位变送器1 液位变送器2 图3.6 基于变频器的水箱液位串级控制系统
如图3.6所示，该控制系统使用到的实验仪器有中水箱、下水箱、压力传感器、压力变送器、220V的磁力驱动泵、仪表控制台面板、智能调节器、变频器、电源、管道、阀门。选择下水箱作为主控制对象，中水箱作为副控制对象，压力传感器用于
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感受水箱底部的压力(下水箱)，并通过压力变送器转换成1-5V的电压输给智能仪表二，智能仪表二输出4-20mA的直流电流经转换成1-5V电压后，供给智能仪表一作为输入，压力变送器一输出的电压加载在智能仪表一的0.2-1V接线端之间，其中智能仪表一用于检测中水箱的数据变化，智能仪表二作为检测下水箱的数据变化。智能仪表二的输出作为电动调节阀的控制信号，电动调节阀根据接收到的电流大小确定阀门的正反转，从而达到定值控制的目的。控制台面板上有380V和220V电压接口，220V电压用于给磁力驱动泵、智能仪表和变频器供电。
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4监测软件设计
4.1 力控组态软件简介
本次实验选用的组态软件是力控软件，力控软件的工程管理器中有多个选项，包括新建、删除、运行、开放、搜索、备份、恢复、打包和退出，并且都是针对工程而言。界面图如图4.1所示。
图4.1
在新建工程后，进入力控组态主界面，可以看到界面中有以下几个大类，包括工程项目、系统配置、属性设置、工具箱、帮助说明、工作区以及常见的菜单栏工具栏等。
工程项目：此选项卡中包括窗口、变量、动作、菜单、数据表管理和工具。双击窗口可新建一个窗口；变量中的数据库组态选项可以建立各种数据点，包括模拟I/O点、数字I/O点、累计点、控制点、运算点、组合点，I/O设备组态中有多种I/O连接选项；菜单选项中包括了自定义函数和配方两个子选项；数据表管理选项卡中有三个子选项，包括数据表绑定、SQL数据表模版和内置数据表。
工具选项卡中有多种工具，可分为基本图元、常用组件、Window 控件、复合组件、ActiveX控件几大类。
工作区主要用来新建工程。
4.2力控组态软件设计
4.2.1 单容水箱液位定值控制系统
如图4.2所示，该实验采用电动调节阀控制，压力传感器用于感受水箱底部的压
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水箱液位控制系统设计
力，并通过压力变送器转换成1-5V的电压输给智能仪表，智能仪表输出4-20mA的直流电流供给电动调节阀作为控制信号，电动调节阀根据接收到的电流大小确定阀门的正反转，从而达到定值控制的目的。实时曲线反应的是液位随时间变化的瞬时值，代表液位的当前状态，历史曲线反应的是操作者设定的固定时间内的液位高度曲线。右侧的两个小文本框反应的是当前液位的高度值。
图4.2采用电动调节阀控制的单容定值控制系统组态监控界面
图4.3采用变频器控制的单容定值控制系统组态监控界面
本实验采用变频器对水箱液位进行控制，选择下水箱作为实验对象，压力传感器用于感受水箱底部的压力，并通过压力变送器转换成1-5V的电压输给智能仪表，智能仪表输出4-20mA的直流电流供给变频器作为控制信号，变频器根据接收到的电流大小确定阀门的正反转，从而达到定值控制的目的。其它图形简介与图4.2相同。
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4.3 双容水箱液位定值控制系统
图4.4采用电动调节阀控制的双容定值控制系统组态监控界面
如图4.4所示，选择下水箱作为实验对象，压力传感器用于感受水箱底部的压力，并通过压力变送器转换成1-5V的电压输给智能仪表，智能仪表输出4-20mA的直流电流供给电动调节阀作为控制信号，电动调节阀根据接收到的电流大小确定阀门的正反转，从而达到定值控制的目的。实时曲线反应的是液位随时间变化的瞬时值，历史曲线反应的是操作者设定的固定时间内的液位高度曲线。右侧的两个小文本框反应的是当前液位的高度值。
图4.5采用变频器控制的双容定值控制系统组态监控界面
如图4.5所示，选择下水箱作为实验对象，压力传感器用于感受水箱底部的压力，并通过压力变送器转换成1-5V的电压输给智能仪表，智能仪表输出4-20mA的直流电
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水箱液位控制系统设计
流供给变频器作为控制信号，变频器根据接收到的电流大小确定增大或减小频率，从而改变流量，达到定值控制的目的。其它图形简介与图4.4相同。
4.4水箱液位串级控制系统
图4.6采用电动调节阀控制的双容串级控制系统组态监控界面
如图4.6所示，选择下水箱作为主控制对象，中水箱作为副控制对象，压力传感器用于感受水箱底部的压力(下水箱)，并通过压力变送器转换成1-5V的电压输给智能仪表二，智能仪表二输出4-20mA的直流电流经转换成1-5V电压后，供给智能仪表一作为输入，压力变送器一输出的电压加载在智能仪表一的0.2-1V接线端之间，其中智能仪表一用于检测中水箱的数据变化，智能仪表二作为检测下水箱的数据变化。智能仪表二的输出作为电动调节阀的控制信号，电动调节阀根据接收到的电流大小确定阀门的正反转，从而达到定值控制的目的。实时曲线反应的是液位随时间变化的瞬时值，代表液位的当前状态，历史曲线反应的是操作者设定的固定时间内的液位高度曲线。
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图4.7采用变频器控制的双容串级控制系统组态监控界面
如图4.7所示，选择下水箱作为主控制对象，中水箱作为副控制对象，压力传感器用于感受水箱底部的压力(下水箱)，并通过压力变送器转换成1-5V的电压输给智能仪表二，智能仪表二输出4-20mA的直流电流经转换成1-5V电压后，供给智能仪表一作为输入，压力变送器一输出的电压加载在智能仪表一的0.2-1V接线端之间，其中智能仪表一用于检测中水箱的数据变化，智能仪表二作为检测下水箱的数据变化。智能仪表二的输出作为电动调节阀的控制信号，电动调节阀根据接收到的电流大小确定阀门的正反转，从而达到定值控制的目的。其它图表简介与图4.6相同。
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水箱液位控制系统设计
5.系统调试与结果
5.1单容水箱液位定值控制系统
(1) 电动调节阀控制单容液位定值控制系统
① 如图4.2所示，将阀门F1-1、F1-6、F2-14全开，将出水阀门F1-9开至适当开度（40%-70%），其余阀门均关闭。如图5.1连接好实验电路，将“LT1下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2。
② 接通总电源空气开关和钥匙开关，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
③ 打开上位机组态环境，并进入运行状态
④ 设定好参数，SV=10CM ，P=20，I=40，D=0；CF=0，ADDR=1，CTRL=1。合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，待平衡后将SV设定为SV=13,使下水箱的液位平衡于设定值。
图5.1 电动调节阀控制单容液位定值控制实验接线图 实验结果如图5.2所示。
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图5.2
考虑到第一个波有一定大的误差，故选择第二个波进行参数计算： 超调量δ= (h(tp)-h(∞))/h(∞)=(137.25-130)/130*100%=5.57%; 由图得调节时间ts=220s；
稳态误差e(∞)=(128.85-130)=-1.15mm
(2)变频器控制单容液位定值控制系统
如图5.3接好实验电路。其余步骤与电动调节阀控制的相同。实验结果如图5.4
图5.3 变频器控制单容液位定值控制实验接线图
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水箱液位控制系统设计
图5.4
同理选择第二个波进行参数计算：
超调量δ= (h(tp)-h(∞))/h(∞)=(122.25-120)/120*100%=1.875%; 由图得调节时间ts=167s；
稳态误差e(∞)=122.05-120=2.05mm
5.2双容水箱液位定值控制系统
(1) 电动调节阀控制双容液位定值控制系统
如图4.4所示，将阀门F1-1、F1-6、F1-14全开，将中水箱出水阀门F1-9、下水箱出水阀门F1-15开至适当开度，其余阀门均关闭。如图5.1连接好实验电路，设定好参数：SV=10CM ，P=20，I=60，D=0；CF=0，ADDR=1，CTRL=1,中水箱阀门开度70-90%，下水箱开度50%.其余步骤与图5.1的相同，待稳定后将SV设为SV=12。
实验结果如图5.5所示.。
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图5.5
同理选择第二个波进行参数计算：
超调量δ= (h(tp)-h(∞))/h(∞)=(124.50-120)/120*100%=3.75%; 调节时间ts由图得ts=377s；
稳态误差e(∞)=119.75-120=-0.25mm
(2)变频器控制双容液位定值控制系统
如图5.3接好实验电路。其余步骤与电动调节阀控制的相同。实验结果如图5.6。
图5.6
同理选择第二个波进行参数计算：
超调量δ= (h(tp)-h(∞))/h(∞)=(123.00-120)/120*100%=2.5%; 调节时间ts由图得ts=401s； 稳态误差e(∞)=121.50-120=1.50mm
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水箱液位控制系统设计
5.3水箱液位串级控制系统
(1)电动调节阀控制水箱液位串级控制系统
如图4.6所示，将阀门F1-1、F1-6、F1-14全开，将中水箱出水阀门F1-9、下水箱出水阀门F1-15开至适当开度（要求阀F1-9稍大于阀F1-15），其余阀门均关闭。照图5.7连接好实验电路，通过对系统的调试确定好中水箱和下水箱的出口阀门开度，选择好一组参数：主控制器SV=10,P= 20 ,I= 60 ,D= 0 ;副控制器P= 5 ;其余实验步骤与图5.1相同。
待下水箱液位稳定后将SV设为SV=12.直至稳定得实验结果如图5.8所示。
图5.7电动调节阀控制水箱液位串级控制系统实验接线图
图5.8
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同理选择第二个波进行参数计算：
超调量δ= (h(tp)-h(∞))/h(∞)=(131.59-120)/120*100%=9.65%; 调节时间ts由图得ts=333s；
稳态误差e(∞)=(121.03-120)=1.03mm
(2)变频器控制水箱液位串级控制系统
如图5.9接好实验电路。其余步骤与电动调节阀控制的相同。实验结果如图5.10。
图5.9
图5.10
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同理选择第二个波进行参数计算：
超调量δ= (h(tp)-h(∞))/h(∞)=(134.37-120)/120*100%=11.98%; 调节时间ts由图得ts=211s；
稳态误差e(∞)=(119.17-120)=-0.83mm
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6 总结与展望
6.1总结
本文在实验室环境下设计了基于PID的水箱液位控制系统，综合运用了过程控制中PID算法、单回路控制原理、串级控制原理、和网络方面的知识，完成了控制系统的设计。总结如下：
(1) 通过单容水箱研究了单容的定值控制的原理和特点，结合双容水箱控制对象分析了双容液位的定值控制、串级控制的原理及主要特点，提出了本次设计的总体方案：水箱液位控制系统设计。
(2) 学习了高级过程控制智能装置，并利用该控制装置完成对水箱液位串级控制系统的搭建。进行系统硬件连接，上、中水箱液位变送器信号接入AI-808的输入模块，电动调节阀由AI-808模块输出调节，完成硬件方面的设计。
(3)通过力控组态软件建立控制器与上位机的通信，并建立I/O连接实现软件和控制器之间的通信，然后使用力控软件采集RS485/232输出的数字信号，并通过实时图和历史图了解水箱液位走向，完成对水箱液位控制系统的软件设计。
（4）系统调试，对系统进行PID参数整定，实现基于PID过程控制系统的水箱液位控制，并通过实验验证系统的控制效果。
6.2 展望
虽然按照本次设计的要求取得了一定的进展，但某些方面还存在着不足，今后需要进一步探索的内容：
（1）可以更充分的利用PID控制研究液位的三级控制，利用变频器研究液位的滞后控制，利用锅炉研究温度控制等等。
（2）可以利用组态软件进一步的研究组态控制，组态的I/O连接里有大量的连接方式，学会各种不同连接方式的作用和功能。
（3）在这次试验中虽然常常用到组态软件，但却没有进行动作连接，自己希望接下来能够进一步学习。
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水箱液位控制系统设计
致谢
几经彷徨求索，论文终于得以完成。回顾这一程求学路，不禁生出无尽感慨。我本愚钝之辈，能够有幸跻身于此圣洁的殿堂，感谢西南石油大学给我机会！
饮其流时思其源，成吾学时念吾师。二零零八年九月我考入西南石油大学测控专业，开始了本科阶段的求学。老师们学识渊博、治学严谨、循循善诱、诲人不倦。四年的学习生活中，我既提高了自己的专业素养更领悟到了做人的真谛。四载教诲，师恩似海，在毕业论文完成之时，本科求学生涯结束之际，请允许我向我的恩师们表示最诚挚的谢意和最美好的祝福。
感谢和我一起生活四年的同学们以及实验室的师兄、师姐，是你们的帮助，让我取得了不断的进步，真诚的感谢你们的帮助和支持！本论文的完成要特别感谢张老师与石老师的指点，感谢他们给予我的极大的帮助。
最后感谢我的亲人和所有关心支持我的朋友们，是你们让我有机会、有毅力完成了全部的学业，鼓励我、支持我一步步走到了今天，没有你们就没有我的今天。愿你们一生平安、健康!
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参考文献
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