《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。 《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； ② P 、 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。 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 PID 控制描述 模拟过程控制的 PID 控制算式为 (2) (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) (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。 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 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。 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 ，经过 PID 计算以 后，控制输出的量程也为 0 ～ 1 ，经过控制输出增 量限幅和控制量限幅，可以保证最后计算出的 PID 控制输出量在 0~1 的范围内。但是 PLC 提供的 4 个 D/A 输出允许输出的电流值为 0mA ～ 25mA ，为 了适应调节阀门开度的控制范围，这里有必要将 0 ～ 1 范围内的控制输出，经过量程转换化为 4mA ～ 20mA 间的一个数值。 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 ，经过 PID 计算以 后，控制输出的量程也为 0 ～ 1 ，经过控制输出增 量限幅和控制量限幅，可以保证最后计算出的 PID 控制输出量在 0~1 的范围内。但是 PLC 提供的 4 个 D/A 输出允许输出的电流值为 0mA ～ 25mA ，为 了适应调节阀门开度的控制范围，这里有必要将 0 ～ 1 范围内的控制输出，经过量程转换化为 4mA ～ 20mA 间的一个数值。

五、设计要求 1 、每 3 人一组，分工合作，在 2 周时间内完成设 计与调试任务。 2 、到实验室熟悉和掌握仪器设备的基本工作原 理、使用方法，为设计工作的开展做好准备。 3 、根据设计目标，查阅相关资料手册，制定设 计方案，论证方案的可行性。 4 、选择自己熟悉的编程语言，写出控制软件， 完善帮助文档，提供相关的语句注释。

六、实验结果 ( 参考 ) 六、实验结果 ( 参考 )

七、考核要求 1 、考核方式：考查； 2 、考核内容或成绩构成：考核成绩由考勤、考 查成绩、实习报告三部分构成； 3 、评分原则和依据：平时考勤占 10 分：迟到、 早退一次扣 2 分；旷课一次 3 分。考查成绩 50 分：根据学生对考查内容完成情况酌情评定； 实习报告 40 分：根据学生完成情况评定。 4 、成绩记载方式：总计 100 分，以优、良、中、 及格、不及格五等级进行给定成绩。