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1、 综合成绩优秀( ）良好（ )中等（ )及格（ )不及格（ ）教师（签名）批改日期 年 月 日控制系统课程设计报告院系 电子与电气工程学院 专业 自动化 班级 学号 姓名 2013年2月基于WIC的水箱液位串级控制系统设计-界面设计一、实验目的1.通过实验了解水箱液位串级控制系统的工艺流程与动态特性。2.学会win的操作以及组态方法。掌握液位串级控制系统的控制设计以及参数设置等。二、实验设备.THJFCS-1型高级过程控制系统实验装置。2计算机及相关软件。三、串级控制系统单元元件的选择一、串级控制系统的概述图5-1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
2、主调节器有自己独立的给定值，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m控制执行器，以改变主参数C1。图5-1 串级控制系统方框图R-主参数的给定值； C-被控的主参数 ; 2-副参数；1(t)作用在主对象上的扰动； f2()-作用在副对象上的扰动。二、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PD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。三、主、副
3、调节器正、反作用方式的选择正如单回路控制系统设计中所述,要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须采用负反馈。对于串级控制系统来说,主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统,即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。 各环节的放大系数极性是这样规定的：当测量值增加，调节器的输出也增加，则调节器的放大系数Kc为负（即正作用调节器),反之,Kc为正(即反作用调节器）;本装置所用电动调节阀的放大系数v恒为正；当过程的输入增大时，即调节器开大，其输出也增大，则过程的放大系数K0为正，反之K为负。四、实验原理本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。主控回路中
4、的调节器称主调节器，控制对象为中水箱,中水箱的液位为系统的主控制量。副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为上水箱,又称副对象，上水箱的液位为系统的副控制量。主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。副调节器的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制,系统的主调节器应为P或PI控制。由于副控回路的输出要求能快速、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调节器。本实验系统结构图和方框图如图5-2所示。图-2 水箱液位串级控制系统()结构图 (b)方框图五
5、、实验内容与步骤本实验选择上水箱和中水箱串联作为被控对象(也可选择中水箱和下水箱)。实验之前先将储水箱贮足水量，然后将阀门F1-、1-6全开,将上水箱出水阀门F1-9、中水箱出水阀门10开至适当开度(要求阀-9稍大于阀110）,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下图2-所示。 图2-3 实验主界面、在实验主界面中选择本实验项即“水箱液位串级控制实验”,系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如下图所示。3、在上位机监控界面中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/减少主调节器的输出量,使中水箱的液位平衡
6、于设定值,且上水箱液位也稳定于某一值（此值一般为35cm,以免超调过大，水箱断流或溢流)。、按本章第一节中任一种整定方法整定调节器参数,并按整定得到的参数进行调节器设定。、待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：(） 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;（) 将阀F-、1-12开至适当开度（改变负载);(）将电动调节阀的旁路阀F1-3开至适当开度；以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5%5,干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。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，水箱液位稳定至新的设定值（后面
7、两种干扰方法仍稳定在原设定值）。记录此时的设定值、输出值和参数，中水箱液位的响应过程曲线将如图5-4所示。图5-4水箱液位的响应过程曲线7、适量改变主、副控的PID参数，重复步骤6,通过实验界面下边的切换按钮，观察计算机记录不同参数时系统的响应曲线。六、系统的参数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:（一) 逐步逼近法所谓逐步逼近法,就是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,然后将副调节器的参数设置在所求的数值上，使主回路闭合,按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。而后，将主调节器参数设在所求得的数值上,再进行整定,求取第二次副调节器的整定参
8、数值,然后再整定主调节器。依此类推，逐步逼近,直至满足质量指标要求为止。(二) 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： .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S和振荡周期2。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S和振荡周期T1S。3根据求取的S、T1S和S、T2值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度、积分时间TI和微分
9、时间d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，必要时进行适当调整，直到过程的动态品质达到满意为止。（三） 一步整定法由于两步整定法要寻求两个4:的衰减过程，这是一件很花时间的事。因而对两步整定法做了简化,提出了一步整定法。所谓一步整定法，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.这一关系式，通过副过程放大系数0,求取副调节器的比例放大系数或按经验选取,并将其设置在副调节器上。2按
10、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K的匹配原理，适当调整调节器的参数,使主参数品质指标最佳。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。七、设计心得在基于wincc的水箱液位串级系统课程设计过程中，我得到指导老师和同学的无私帮助，顺利完成这次控制系统课程设计。在将近一周的控制系统课程设计，我收获颇丰，不仅熟悉了wnc组态软件的使用方法,还了解到水箱液位串级控制系统的工作过程，同时了解到了其内部硬件电路的构成、每部分电路的设计等，还学会了串级控制
11、系统的参数整定方法、incc界面设计等。通过此次课程设计的锻炼,我们加深了对组态软件wincc的认识和理解，也知道了winc应用于工业监控的优点，更重要的是我们看到了自己知识的匮乏,也坚定了以后要不断的学习,不断的向身边的人虚心请教,同时要借助于图书馆和网络来扩充自己的知识面的决心。也只有这样，在以后的社会竞争中,自己才能有立足之地，才能有所作为。八、参考文献1方康玲.过程控制系统武汉:武汉理工大学出版社,200.6 2蒋慰孙，俞金寿过程控制工程上海：中国石化出版社，1999.3何衍庆，蒋慰孙，俞金寿.工业生产过程控制北京：化学工业出版社，204邵裕森,戴先中.过程控制工程.北京:机械工业出版社，2000 5刘巨良.过程控制仪表.北京：化学工业出版社，99
