双容水箱串级液位控制系统设计 开题报告
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一、选题依据
人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，
例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产等多种行业的生产加工过程，通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要维持合适的高度，太满容易溢出造成浪费，过少则无法满足需求。因此，需要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量，使得蓄液池内液位保持正常水平，以保证产品的质量和生产效益。这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问题。因此液位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，能收到很好的生产效果。水箱液位控制系统的设计应用非常长广泛，可以把一个复杂的液位控制系统简化成一个水箱液位控制系统来实现。所以就选择了该题目的设计。由于液位检测应用领域的不同，性能指标和技术要求也有差异，但适用有效的测量成为共同的发展趋势，随着电子技术及计算机技术的发展，液位检测的自动控制成为其今后的发展趋势，控制过程的自动化处理以及监控软件良好的`人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，液位检测的PID控制必将得到更加广泛的应用。
二、PID控制的发展历史与前景
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
尽管现代控制理论有了相当完善的发展，但在实际的工业应用中，PID控制仍然是最常用的经典控制方法，有资料表明工业过程控制中95%以上仍然是PID控制，究其原因，这主要得益于它在某种程度上不依赖于被控对象的精确数学模型的特点。
PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）在当今控制理论中首屈一指，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。
三、设计所需硬、软件
AE20xxB型过程控制实验装置，上位机软件组态王，工控用计
算机，RS232/485转换器一只，串口线一根。
四、设计的主要原理和内容
串级PID控制的应用原理：
串级调节系统是一个双回路系统，实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被调量准确保持为给定值。串级调节主要是用来克服落在副环内的扰动。这些扰动能在中间变量反应出来，很快就被副调节器抵消了。与单回路系统相比，干扰对被调量的影响可以减小许多倍。对于中间变量并无特殊要求，它的选择应该是，既能迅速反应扰动作用，又能使副环包括更多的、特别是幅度大而频繁的扰动。
PID控制的控制规律和传递函数
比例积分微分控制规律(PID)：
比例积分微分控制器（PID）的结构图:
设计内容：双容水箱液位控制系统的控制对象图
如上图，二阶双容水箱液位串级控制是通过控制上水箱进水量来控制下水箱的液位。所以把上水箱的液位作为中间值，下水箱液位控制作为最终的控制对象。智能调节器的串级控制通过两个PID控制回路来实现。把主回路的输出作为副回路外给定的设定值即可。
二阶双容水箱液位串级控制方框图
具体实现过程
水位测量器测量到下水箱液位信号并经变送器变送，该液位信号经智能调节器与主回路的设定值进行PID运算，主回路进行运算后的输出作为副回路外给定的设定值，并将其与上水箱的水位测量、变送器,测量到的上水箱液位信号再次进行运算，获得4mA--20mA的电流控制输出信号，电动调节阀接受到该信号后相应的改变阀门开度，从而调节上水箱的流入量最终达到控制下水箱液位的目的。REX--D900F过程控制器与上位机之间通过RS485转换器实现串口通信，通过组态王软件实现过程监控。
五、参考资料及文献
《自动控制原理》第五版胡寿松
《过程控制系统与仪表》王再英刘淮霞
《过程控制系统与仪表实验指导书》吴贺荣
《传感器及其应用》郁有文常建
《组态软件Wincc及其应用》刘华波何文雪等
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