单容水箱液位控制

湖南工程学院课程设计课程名称专业综合课程设计课题名称单容水箱液位控制专业班级学号姓名指导教师2014年6月23日等级:湖南工程学院课程设计任务书课程名称专业综合课程设计课题单容水箱液位控制专业班级学生姓名学号指导老师审批任务书下达日期2014年6月23日任务完成日期2014年7月4日设计内容与设计要求主要设计条件设计内容：在工业生产过程中，液体贮槽设备如进料罐、成品罐、中间缓冲容器、水箱等应用十分普遍，为保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡，因此工艺要求贮槽内的液位需维持在某个给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出，要求设计一个液位控制系统。设计要求：1)确定系统设计方案；2）选择相应的仪器设备；3）MCGS软件组态相应的监控画面；4）完成控制算法程序设计；5）在DDC控制装置中进行调试；假设贮槽设备是一水箱，生产工艺要求水箱液位应保持在200.5cm，设计控制系统满足该要求。说明书格式目录1．课程设计封面；2．任务书；3.说明书目录；4.系统总体方案选择与说明5.系统结构框图与工作原理6.各单元硬件设计说明及计算方法7.软件设计与说明（包括流程图）8.调试结果与必要的调试说明9.总结与体会10.参考文献11.课程设计成绩评分表进度安排设计时间为两周第一周星期一、上午：布置课题任务，讲课及课题介绍下午：借阅有关资料，总体方案讨论星期二、确定总体设计方案星期三、选择相应的仪器设备，进行控制算法设计星期四、控制算法编程星期五、控制算法编程第二周星期一、MCGS组态监控画面星期二、MCGS组态监控画面，在DDC装置上进行调试星期三、在DDC装置上进行调试星期四、写说明书星期五、上午：写说明书，整理资料下午：交设计资料，答辩参考文献1.过程控制与原理2.MCGS初级、高级教程3.THPCAT-2现场总线侧实验指导书4.THPCAT-2常规仪表侧实验指导书目录第1章设计目的..................................................................................1第2章系统总体设计方案..................................................................22.1液位控制的实现....................................................................22.2被控对象................................................................................22.3水箱建模................................................................................2第3章仪器设备..................................................................................53.1控制器.....................................................................................53.2执行器.....................................................................................53.3检测变送.................................................................................5第4章系统结构框图与工作原理.....................................................74.1课设原理说明.........................................................................74.2PID控制原理.........................................................................7第5章MCGS组态软件设计.................................................................9第6章调试........................................................................................12第7章课程总结................................................................................13第8章参考文献................................................................................14课程设计评分表..................................................................................151第1章设计目的课程设计旨在使学生在深入消化课堂教学内容的基础上，综合应用所学课程的基本原理与方法，解决实际设计与应用问题，提高学生分析问题与解决问题的能力，并在设计工作中，学会查阅资料、系统设计、调试与分析、撰写报告等，达到综合能力培养的目的。1.根据自动控制系统的设计要求，学会方案比较和论证，初步掌握工程设计的基本方法；2.掌握各种变送器以及自动化仪表的工作原理和调校；3.掌握自动控制系统集成技术；4.掌握控制系统的通信技术，学会PCI数据采集卡或远程数据采集模块的应用；5.应用MCGS软件，学会控制算法的设计和调试；6.熟悉MCGS组态软件，学会监控界面、通信驱动程序等的设计；7.提高总结归纳、撰写设计报告的能力，应当规范、有条理、充分、清楚地论述设计内容和调试成果。2第2章系统总体设计方案2.1液位控制的实现本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，选择了出水阀门作为控制系统的执行机构。本设计首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过A/D转换器进行A/D转换，变成数字信号后，被输入计算机中；最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值传送通过D/A转换器转换成模拟信号,控制交流变频器，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。2.2被控对象本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。单容水箱的流量特性：水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。所以，若阀2V开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。2.3水箱建模这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱（图2-3）。要对该对象进行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。正如前面提到的，单容水箱是一个自衡系统。根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。若Q1作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则3该被控对象的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有12dhQQCdt（2-1）将式（2-1）表示为增量形式12dhQQCdt（2-2）式中，1Q、2Q、h——分别为偏离某一平衡状态10Q、20Q、0h的增量；C——水箱底面积。在静态时，1Q=2Q；dhdt=0；当1Q发生变化时，液位h随之变化，阀2V处的静压也随之变化，2Q也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为1Q与h成正比，而与阀2V的阻力2R成反比，即22hQR或22hRQ（2-3）式中，2R为阀2V的阻力，称为液阻。将式（2-3）代入式（2-2）可得221dhRChRQdt（2-4）在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：2012()()()11RHsKGsQsRCsTs（2-5）式中，T=R2C为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数。令输入流量1()Qs=0/Rs，0R为常量，则输出液位的高度为：4000()(1)1/KRKRKRHssTsssT(2-6)即10()(1)tThtKRe（2-7）当t时，0()hKR因而有0()hKR输出稳态值阶跃输入（2-8）当t=T时，则有100()(1)0.6320.632()hTKReKRh（2-9）式（2-7）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示。由式（2-9）可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。t00.63h00()h00()22Th(t)2图2-3阶跃响应曲线5第3章仪器设备3.1控制器直接数字控制(DirectDigitControl)，简称为DDC系统，是用一台计算机对被控参数进行检测，再根据设定值和控制算法进行运算，然后输出到执行机构对生产进行控制，使被控参数稳定在给定值上。利用计算机的分时处理功能直接对多个控制回路实现多种形式控制的多功能数字控制系统。主要模块：1：D/A模块：采用7024模块。四路模拟输出，电流0～20mA，电压1~5V。2：A/D模块：采用7017模块，八路模拟电压1~5V的输入3：通讯模块：采用485/232转换模块，转速极高，可长距离。3.2执行器电动调节阀案工作方式可以分为气动，电动，液动三种，本系统将采用电动调节阀为执行器。电动调节阀电动调节阀的流量特性，是在阀两端压差保持恒定的条件下，介质流经电动调节阀的相对流量与它的开度之间关系。接受驱动器信号（0-10V或4-20MA）来控制阀门进行调节，也可根据控制需要，组成智能化网络控制系统，优化控制实现远程监控。水泵在水泵的出口装压力变送器，与变送器一起构成恒压供水系统。3.3检测变送液位传感器用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压强公式为：Ρ=ρ.g.H+Po式中：P：变送器迎液面所受压强ρ：被测液体密度g：当地重力加速度Po：液面上大气压H：变送器投入液体的深度同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上6的大气压Po与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的Po，使传感器测得压力为：ρ.g.H，显然,通过测取压强P，可以得到液位深度。功能特点：1稳定性好，满度、零位长期稳定性可达0.1%FS/年。在补偿温度0～70℃范围内，温度飘移低于0.1%FS，在整个允许工作温度范围内低于0.3%FS。2具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限流在35MA以内。3固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。7第4章系统结构框图与工作原理4.1课设原理说明单容水箱液位定值控制系统如下：a)系统结构图b)方框图图4-1上水箱单容液位定值控制系统本实验系统结构图和方框图如图所示。被控量为上水箱的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。将压力传感器检测到的上水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静