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《过程控制综合实习》课程设计 设计题目：水箱液位控制系统综合设计 自动化工程系测控教研室 闫智武 一、设计目的 《过程控制综合实习》课程设计是综合控制理论、过程控制、微机控制、组态控制技术、软件程序设计等课程的相关理论知识，设计一个完整的水箱液位控制系统，全面学习和掌握典型控制系统的设计方法、控制方法、调试方法。 二、设计需求： 设备：水箱液位过程控制对象以及相应的检测装置、执行装置，计算机等。 设计目标：用所提供的设备构建下图所示系统，设计控制界面，实现液位的实时控制和监测。 三、任务要求 1、对被控对象单容水箱进行建模； 2 、根据实验室提供的硬件设备，组建过程控制系统； 3 、根据被控对象的特性，设计编写控制算法实现对单容水箱的液位定值控制； 4 、对算法和系统进行仿真，不断进行修改、完善； 5 、用组态王软件实现对系统的监控，要求在监控程序上实现如下功能： ①对整个系统的画面浏览； ②P、I、D参数的设置； ③实现控制器手动/自动切换； ④显示并设定液位的给定值、显示液位检测值和控制器的输出值的大小； ⑤实现对液位的实时、历史曲线监控； ⑥对液位进行上下限报警。 5、调试程序，整定控制参数，获取控制曲线、响应曲线。 6、撰写设计报告，报告内容应包含：设计题目、设计内容、方案设计与论证、控制算法、软件设计框图、设计难点、调试中所遇到的问题、实际问题的解决方法、结果对比与分析、达到的性能指标、体会建议与改进措施等。 四、设计原理 液位控制系统原理结构图（见下图） 控制系统的结构组成 如图7所示，计算机与可编程控制器构成主、从结构形式，计算机为主机，计算机控制软件完成用户界面的设计，控制算法的设计，以及完成与PLC的串行通讯。可编程控制器为从机，并带有A/D、D/A转换器，计算机可通过串口读入可编程控制器中A/D转换结果，在本系统中代表液位检测值；计算机可通过串口写出控制量到可编程控制器，由可编程控制器自动完成D/A转换，转换结果为4~20mA电流，控制电动流量伺服阀的开度，从而控制水箱入水量。 PID控制描述 模拟过程控制的PID控制算式为 (2) 对上式进行离散化处理，以一系列采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可得离散的PID控制算式为 (3) 若令 ， ，则上式写成 上述式子中， u(t)——t时刻的控制输出（控制量），KP——比例控制系数， TI——积分时间常数，TD——微分时间常数， KI——积分控制系数，KD——微分控制系数， T——采样时间，u(k)——第k时刻的控制输出（控制量）。 在PID控制中，比例（P）控制是起主导作用的，也保证了控制的快速性，积分（I）控制保证了系统无稳态误差，微分（D）控制为辅助控制，起到了增大系统阻尼是控制过程更加平滑。 PID算法中的量程转换问题 在工业现场中的变量量程千变万化，直接使用具有变量工程量量程的误差计算PID控制输出，虽然不会导致计算错误，但是由于量程的不统一，在PID参数整定时整定出的参数必然有很大的差异，在整定过程中操作人员也没有什么参考标准。为了消除各个变量的量程差异，需要对变量的量程进行转换，并且将误差进行归一化，例如，液位设定值的范围为0~100mm，将液位设定值/100以后，量程转化为0~1之间的值；液位测量值的范围为A/D转换对应范围L_MIN~L_MAX，如果将（液位测量值-L_MIN）/（L_MAX-L_MIN），则将测量值的量程转化为0~1之间的值。 量程转换的另外一个意义就是PID控制输出和模拟量输出之间的量程转换，上面我们已经讲过，误差的量程已经转换为0～1