双容水箱水位控制系统设计(论文)

河南城建学院本科毕业设计（论文）摘要I摘要双容水箱液位控制系统是采用先进的控制算法完成对过程液位的控制的控制系统，它在饮料、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均有广泛应用。在本设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。然后，设计并组建仪表过程控制系统，通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制。最后，借助数据采集模块﹑MCGS组态软件和数字控制器，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。关键词：液位,模型,PID控制,仪表过程控制系统,计算机过程控制系统河南城建学院本科毕业设计（论文）AbstractIIAbstractDoubletankwaterlevelcontrolsystemistheuseofadvancedcontrolalgorithmofprocessliquidlevelcontrolsystem,itisinthebeverage,foodprocessing,filteringsolution,chemicalproductionandotherindustriesintheproductionprocesshasbeenwidelyused.Inthedesignofthefulluseofautomationtechnology,computertechnology,communicationtechnologyandautomaticcontroltechnology,inordertoachievethewatertankliquidlevelcascadecontrol.Firstly,theobjectmodelisanalyzed,andtheexperimentalmodelingmethodformodeltransferfunction.Secondly,accordingtothecontrolledobjectmodelandthecontrolledprocesscharacteristicdesignofcascadecontrolsystem,usingdynamicsimulationtechnologytothecontrolsystemperformanceanalysis.Then,designandconstructionprocesscontrolinstrumentationsystem,throughtheintelligentcontrollerforliquidlevelcascadePIDcontrol.Finally,withthehelpofadataacquisitionmodule,MCGSconfigurationsoftwareanddigitalcontroller,designandestablishmentofaremotecomputerprocesscontrolsystem,completecontrolsystemexperimentandresultanalysisKeywords:liquidlevel，modelPIDcontrol，indicatorprocesscontrolsystem，computerprocesscontrolsystem河南城建学院本科毕业设计（论文）目录III目录摘要..............................................................ⅠAbstract...........................................................Ⅱ1绪论..............................................................12被控对象建模......................................................22.1水箱模型分析................................................22.2阶跃响应曲线法建立模型......................................33系统控制方案设计与仿真............................................73.1液位串级控制系统介绍........................................73.2PID控制原理.................................................73.3系统控制方案设计...........................................103.4控制系统仿真...............................................124建立仪表过程控制系统.............................................174.1过程仪表介绍...............................................174.2仪表过程控制系统的组建.....................................194.3仪表过程控制系统PID参数整定................................235模拟计算机过程控制系统...........................................255.1计算机过程控制系统硬件设计.................................255.2MCGS软件工程组态...........................................285.3组态软件调试...............................................386结论.............................................................40参考文献...........................................................41致谢...............................................................42附录...............................................................43河南城建学院本科毕业设计（论文）绪论11绪论双容水箱系统是一种比较常见的工业现场液位系统，在实际生产中，双容水箱控制系统在石油、化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为常见。通过液位的检测与控制从而调节容器内的输入输出物料的平衡，以便保证生产过程中各环节的物料搭配得当。经过比较和筛选，串级控制系统PID控制无论是从操作性、经济性还是从系统的控制效果均有比较突出的特性，因此采用串级控制系统PID控制对双荣水箱液位控制系统实现控制。论文以THJ-2高级过程控制实验系统为基础的实验数据作为出发点，利用MATLAB的曲线拟合的方法分别仿真出系统中上水箱、下水箱的输出响应曲线。对曲线进行处理求出各水箱的参数，用所求出的参数列写出水箱的传递函数。采用复杂控制系统中的串级控制系统列写出系统框图，根据串级控制系统PID参数整定的方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的数值，从而满足控制系统对各项性能的要求。对于控制器的选择，从经济以及控制效果考虑采用智能仪表实现控制，并应用组态软件对系统实施监控。为了能够使双容水箱系统能实现远程的检测和控制，本文又进一步的设计出计算机过程控制系统，利用ICP-7017数据采集模块实现模拟量输入通道的功能利用ICP-7024数据采集模块实现模拟量输入通道的功能（自带485通讯接口），通过RS232/485完成通讯转换实现与计算机的通讯和控制。ICP-7000系列采集模块的作用是将传感器检测到的被控参数标准信号通过A/D转换送入计算机，计算机是将控制运算发出的控制信号通过D/A转换发给执行机构（调节阀、变频器）。整个控制系统的控制算法及监控功能都在控制计算机中实现。对于计算机控制，采用的是组态软件MCGS来实现的，通过对软件进行编程使组态软件模拟出双容水箱液位控制系统的手动和自动两种工作状态。河南城建学院本科毕业设计（论文）被控对象建模22被控对象建模在控制系统设计工作中，需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型。被控对象的数学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等的重要依据。被控对象的数学模型（动态特性）是指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。在液位串级控制系统中，我们所关心的是如何控制好水箱的液位。上水箱和下水箱是系统的被控对象，必须通过测定和计算他们模型，来分析系统的稳态性能、动态特性，为其他的设计工作提供依据。上水箱和下水箱为THJ-2高级过程控制实验装置中上下两个串接的有机玻璃圆筒形水箱，另有不锈钢储水箱负责供水与储水。上水箱尺寸为：d=25cm,h=240mm;下水箱尺寸为：d=35cm,h=240mm，每个水箱分为三个槽：缓冲槽、工作槽、出水槽。2.1水箱模型分析图2.1液位被控过程简明原理图系统中上水箱和下水箱液位变化过程各是一个具有自衡能力的单容过程。如图，水箱的流入量为Q1，流出量为Q2，通过改变阀1的开度改变Q1值，改变阀2的开度可以改变Q2值。液位h越高，水箱内的静压力增大,Q2也越大。液位h的变化反映了Q1和Q2不等而导致水箱蓄水或泻水的过程。若Q1作为被控过程的输入量，h为其输出量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。根据动态物料平衡，Q1-Q2=A(dh/dt)；△Q1-△Q2=A(d△h/dt)在静态时，Q1=Q2，dh/dt=0；当Q1发生变化后，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。由流体力学可知，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简便起见，做线性化处理得Q2=△h/R2，经拉氏变换得单容液位过程的传递函数为W0(s)=H(s)/Q1(s)=R2/(R2Cs+1)=K/(Ts+1)注：△Q1﹑△Q2﹑△h:分别为偏离某一个平衡状态Q10﹑Q20﹑h0的增量。R2:阀2的阻力A:水箱截面积T:液位过程的时间常数(T=R2C)K:液位过程的放大系数(K=R2)C:液位过程容量系数Q1Q112Q2Ah河南城建学院本科毕业设计（论文）被控对象建模32.2阶跃响应曲线法建立模型在本设计中将通过实验建模的方法，分别测定被控对象上水箱和下水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。通过磁力驱动泵供水，手动控制电动调节阀的开度大小,改变上水箱/下水箱液位的给定量，从而对被控对象施加阶跃输入信号，记录阶跃响应曲线。在测定模型参数中可以通过以下两种方法控制调节阀，对被控对象施加阶跃信号：(1)通过智能调节仪表改变调节阀开度，增减水箱的流入水量大小，从而改变水箱液位实现对被控对象的阶跃信号输入。(2)改变调节阀开度,控制水箱进水量的大小，从而改变水箱液位，实现对被控对象的阶跃信号输入。图2.1水箱模型测定原理图2.2.1上水箱阶跃响应参数：记录阶跃响应参数(间隔30s采集数据):表2.1上水箱阶跃响应数据123.62744.771347.761947.64230.50845.561447.872047.09335.25946.171547.892146.52438.691047.061647.282246.41541.321147.2