基于組態(tài)王的單容水箱液位控制系統(tǒng).docVIP

內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院測(cè)控專業(yè)畢業(yè)實(shí)習(xí)報(bào)告題 目：基于組態(tài)王的單容水箱液位控制系統(tǒng)學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：專 業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí)：測(cè)控2009-1指導(dǎo)教師：李文濤 教授前 言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的控制問(wèn)題也日趨復(fù)雜。在人們的生活中以及某些化工和能源的生產(chǎn)過(guò)程中，常常涉及一些液位或流量控制的問(wèn)題。比如，在石油、化工、輕工等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有許多貯罐作為原料、半成品的貯液罐，前一道工序的成品或半成品不斷地流入下一道工序的貯液罐進(jìn)行加工和處理，為保證生產(chǎn)過(guò)程能連續(xù)進(jìn)行，必須對(duì)貯罐的液位進(jìn)行控制。此外，居民生活用水的供應(yīng)，通常需要使用蓄水池，蓄水池中的液位需要維持合適的高度。還有一些水處理的過(guò)程也需要對(duì)蓄水池中的液位實(shí)施控制。這些實(shí)際問(wèn)題都可以抽象為某種水箱的液位控制。因此，液位控制系統(tǒng)是過(guò)程控制的重要研究模型，對(duì)液位控制系統(tǒng)的研究具有顯著的理論和實(shí)際意義。本課題主要以單容水箱作為研究對(duì)象，運(yùn)用研華PCI1710及1720板卡進(jìn)行單容水箱對(duì)象特性的測(cè)試，從而求得其數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB軟件進(jìn)行了控制系統(tǒng)的仿真及分析，并確定出一組合適的PID參數(shù)對(duì)其進(jìn)行控制。其次，采用組態(tài)王進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控，通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)器PID參數(shù)的整定，實(shí)現(xiàn)了水箱液位的閉環(huán)控制，使水箱液位穩(wěn)定在設(shè)定值，滿足設(shè)計(jì)要求。一、總體方案設(shè)計(jì) 該設(shè)計(jì)方案硬件部分由計(jì)算機(jī)，水泵，電磁閥，液位變送器，PCI-1710與1720板卡組成，軟件部分以組態(tài)王來(lái)實(shí)現(xiàn)編程控制。組態(tài)王通過(guò)從 PCI-1710與1720板卡兩個(gè)I/ O模塊與外界硬件設(shè)備通訊,對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)啟動(dòng)后，水泵由水源抽水，通過(guò)管道將水送到上水箱，液位變送器測(cè)得水箱液位通過(guò)板卡PCI-1710轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，組態(tài)監(jiān)控中心對(duì)測(cè)得信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)PID運(yùn)算，輸出控制信號(hào)由板卡PCI-1720進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，傳送給電磁閥，進(jìn)而控制水的流量實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位控制。系統(tǒng)方框圖如圖1.1所示。圖1.1系統(tǒng)方框圖二、單容水箱對(duì)象特性測(cè)試及分析2.1被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性概述被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指被控對(duì)象的輸入發(fā)生變化時(shí)，其輸出（被調(diào)量）隨時(shí)間變化的規(guī)律。研究動(dòng)態(tài)特性的原因是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案都是依據(jù)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行的，特別是調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定也是依據(jù)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行的。從控制觀點(diǎn)看，被控對(duì)象本質(zhì)上都有相同之處，分析被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，可知被控對(duì)象控制的難易程度與調(diào)節(jié)過(guò)程的快慢。要評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)的工作質(zhì)量，只看穩(wěn)態(tài)是不夠的，還應(yīng)看動(dòng)態(tài)過(guò)程中被調(diào)量隨時(shí)間的變化情況。因此，研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性就顯得特別重要。2.2被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立建立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的方法主要有三種，分別是機(jī)理法、實(shí)驗(yàn)法、機(jī)理法與實(shí)驗(yàn)法相結(jié)合的混合法。機(jī)理法根據(jù)被控過(guò)程的內(nèi)部機(jī)理，運(yùn)用已知的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，用數(shù)學(xué)解析的方法求取被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)法是先給被控過(guò)程人為地施加一個(gè)輸入作用，然后記錄過(guò)程的輸出變化量，得到一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線，最后再根據(jù)輸入輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定其模型的結(jié)構(gòu)（包括模型形式、階次與純滯后時(shí)間等）與模型的參數(shù)?；旌戏ㄊ菣C(jī)理演繹法與實(shí)驗(yàn)辯識(shí)法相互交替使用的一種方法。2.2.1機(jī)理法建立單容水箱的數(shù)學(xué)模型從機(jī)理出發(fā)，依據(jù)物料平衡和能量平衡的關(guān)系，用理論的方法推導(dǎo)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。單容水箱的模型如下圖2.1所示：圖2.1單容水箱模型圖其中：被控參數(shù)-h；輸入量-Qi；干擾量-Qo 分析水位在調(diào)節(jié)閥1開度擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，即確定hQi之間的數(shù)學(xué)關(guān)系根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系，在任何時(shí)刻水位的變化均滿足在起始的穩(wěn)定平衡工況下有如下關(guān)系式：（式2-1）（式2-2）兩式相減得增量形式的平衡方程:(式2-3)假設(shè)（式2-4）則單容液位過(guò)程的微分方程增量式 （式2-5）傳遞函數(shù)為 （式2-6）T-被控過(guò)程的時(shí)間常數(shù)T=RC; K-被控過(guò)程的放大系數(shù),K=R;C-被控過(guò)程的容量系數(shù)，C=A有些被控過(guò)程存在純滯后，則具有純滯后的單容過(guò)程相應(yīng)的傳遞函數(shù)為 （式2-7）其階躍響應(yīng)曲線與無(wú)滯后的曲線形狀相同，只是在時(shí)間上推遲了。由此可見(jiàn)，用機(jī)理法建立數(shù)學(xué)模型的首要條件是被控過(guò)程的機(jī)理必須為人們充分掌握，并且可以比較確切的加以數(shù)學(xué)描寫?？紤]到參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性與復(fù)雜性，排除機(jī)理法的使用。2.2.2階躍響應(yīng)曲線法建立單容水箱的數(shù)學(xué)模型階躍響應(yīng)曲線法是實(shí)驗(yàn)法的一種，即對(duì)被控對(duì)象施加一階躍信號(hào),并且階躍響應(yīng)獲取應(yīng)注意以下的問(wèn)題：（1）合理選擇階躍擾動(dòng)的幅度(一般約為額定負(fù)荷的10%20%)（2）實(shí)際閥門只能以有限速度移動(dòng)（3）一般認(rèn)為階躍信號(hào)是在t1 /2時(shí)加入（4）試驗(yàn)前確保被控對(duì)象處于穩(wěn)定工況（5）考慮過(guò)程的非線性特性，應(yīng)進(jìn)行多次測(cè)試。（6）若過(guò)程不允許同一方向擾動(dòng)加入，則采用矩形脈沖擾動(dòng)，可從脈沖響應(yīng)曲線求出所需的階躍響應(yīng)。 根據(jù)以上原則，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，得出在階躍擾動(dòng)為穩(wěn)態(tài)值的10%時(shí)，時(shí)間與液位高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表2.1所示(t=10輸出無(wú)變化)：表2.1液位過(guò)程的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)t/s1020406080100140180250300400500600h/mm02820365488118144166184192196由于是單容水箱，則其數(shù)學(xué)模型可以用一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲的傳遞函數(shù)即 （式2-8）來(lái)近似，確定參數(shù)k、T、有兩種方法：作圖法、參數(shù)兩點(diǎn)法。 用作圖法求參數(shù)時(shí)需注意：（1）t1/2處為擾動(dòng)起點(diǎn)（2）在s型響應(yīng)曲線找拐點(diǎn)，并作切線。T、值如下且 圖2.2（a）階躍信號(hào) 圖2.2（b）一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲顯然，用這種方法求直線效果是很差的。首先，與式（2-8）所對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)是一條向后平移了時(shí)刻的指數(shù)曲線，它不可能完美的擬合成S型的曲線，再次，在做圖中，切線的畫法也有很大的隨意性，這將直接關(guān)系到和T的取值，因此，參數(shù)的確定排除用此方法，選用參數(shù)兩點(diǎn)法，首先，將響應(yīng)曲線標(biāo)幺 （式2-9） （式2-10）取y*(t1)=0.39，取y*(t2)=0.63，記t1和t2則 (式2-11) （式2-12）取 驗(yàn)證 基于以上原理，用Matlab編程,程序見(jiàn)附錄A,并且在誤差的范圍之內(nèi)，可以接受。則數(shù)學(xué)模型為： （式2-13）2.2.3利用simulink工具箱驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性在matlab中打開simulink，編寫以下程序并在命令窗口對(duì)曲線進(jìn)行處理，程序見(jiàn)附錄A：圖2.3 廣義對(duì)象階躍響應(yīng)框圖則用數(shù)據(jù)擬合出的曲線（原系統(tǒng)）與建立模型后的曲線（近似曲線）如下圖2.4所示：圖2.4 單容水箱階躍響應(yīng)曲線對(duì)比2.2.4 PID控制器校正單容水箱系統(tǒng)利用Simulink仿真模塊集在模型編輯窗口建立PID控制器，如下圖2.5所示：圖2.5 PID控制子模塊之后，點(diǎn)擊EditMask Subsystem，對(duì)其進(jìn)行封裝。其封裝圖如圖2.6所示。圖2.6 PID控制器的封裝加入PID調(diào)節(jié)器后，系統(tǒng)方框圖如下圖2.7所示：圖2.7系統(tǒng)方框圖 此后，反復(fù)調(diào)試PID參數(shù)，得到如下較為理想的曲線。因?yàn)槲⒎謱?duì)純延遲環(huán)節(jié)不起作用，則純延遲部分始終無(wú)法消除，其參數(shù)設(shè)計(jì)如圖2.8所示.圖2.8 PID參數(shù)對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線如下圖2.9所示。圖2.9 理想PID參數(shù)下的階躍響應(yīng)曲線三、單容水箱監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì) 3.1組態(tài)王設(shè)計(jì)步驟建立新工程項(xiàng)目：在運(yùn)行組態(tài)王程序時(shí)，彈出組態(tài)王工程管理器畫面，此時(shí)建立一個(gè)新工程，執(zhí)行以下的操作步驟： （1）在工程管理器中選擇菜單“文件/新建工程”，彈出“新建工程向?qū)б粴g迎使用本向?qū)А睂?duì)話框。（2）點(diǎn)擊“下一步”，彈出“新建工程向?qū)Фx擇工程所在路徑”對(duì)話框。從對(duì)話框中選擇或指定工程所在路徑，倘若用戶需要更改工程路徑，請(qǐng)單擊“瀏覽”按鈕；如果路徑或文件夾不存在，請(qǐng)選擇創(chuàng)建。（3）點(diǎn)擊“下一步”，彈出 “新建工程向?qū)こ堂Q和描述”對(duì)話框。往對(duì)話框中輸入工程名稱：水箱液位控制界面。（4）點(diǎn)擊“完成”，再點(diǎn)擊“是”，將新建的工程設(shè)為組態(tài)王當(dāng)前工程，此時(shí)組態(tài)王工程管理器中出現(xiàn)新建的工程。制作動(dòng)態(tài)畫面：按照實(shí)際工程的要求繪制監(jiān)控畫面，并使靜態(tài)畫面隨著過(guò)程控制對(duì)象產(chǎn)生動(dòng)態(tài)效果。（1）新建畫面命名：?jiǎn)稳菟湟何豢刂?，選擇畫面風(fēng)格“大小可變”和“覆蓋式”。單擊確定后進(jìn)入開發(fā)系統(tǒng)新畫面進(jìn)行設(shè)計(jì)。點(diǎn)擊工具欄中的“打開圖庫(kù)”，選擇需要的圖素。水箱液位監(jiān)控畫面如圖3.1所示。 圖3.1 水箱液位監(jiān)控畫面3.2動(dòng)態(tài)畫面的連接畫面設(shè)置完之后，要定義板卡及變量的信息，接下來(lái)就要實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫的連接。其中這部分連接包括儀表對(duì)象、當(dāng)前液位值顯示文本對(duì)象、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警窗口、退出界面等。連接之后，接下來(lái)就是編寫命令語(yǔ)言。3.3 水箱液位PID參數(shù)控制界面用上述同樣的方法可以對(duì)KP、KI、Kd、SV、UK、Pv后的”#”,進(jìn)行動(dòng)畫連接。水箱液位PID參數(shù)控制界面運(yùn)行畫面如下圖所示。圖3.2 水箱液位PID參數(shù)設(shè)置畫面 總 結(jié)本設(shè)計(jì)用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了水箱液位的監(jiān)控，并且能夠通過(guò)PID參數(shù)的設(shè)計(jì)達(dá)到控制液位的目的。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，增加了我對(duì)專業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和了解，尤其是過(guò)程控制和智能儀器知識(shí)的運(yùn)用。經(jīng)過(guò)大量相關(guān)資料的查閱，包括控制系統(tǒng)工作原理以及如何利用過(guò)程控制及智能調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)各種功能，我不僅學(xué)會(huì)了許多知識(shí)，而且培養(yǎng)了我獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，同時(shí)在對(duì)硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，鞏固了我的專業(yè)課知識(shí)，使我受益匪淺?？傊?，通過(guò)本次設(shè)計(jì)不僅進(jìn)一步強(qiáng)化了專業(yè)知識(shí)，還掌握了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法、步驟等，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。再者，我對(duì)Matlab比較感興趣，并且經(jīng)過(guò)上學(xué)期的學(xué)習(xí)有了一定的基礎(chǔ)，上手比較容易，首先經(jīng)過(guò)對(duì)資料的整理、理解和消化，我對(duì)自己的設(shè)計(jì)內(nèi)容思路清晰了，仿真達(dá)到預(yù)期效果時(shí)，我就開始整理自己的思路，最終明確了參數(shù)的影響。達(dá)到了課設(shè)的目的。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)不但鞏固我所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，而且提高我的動(dòng)手能力和動(dòng)腦能力。所以總的來(lái)說(shuō)，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我學(xué)到很多！參考文獻(xiàn)李文濤.過(guò)程控制M.北京：科學(xué)出版社，2012.2雄偉.工控組態(tài)軟件及應(yīng)M.北京：中國(guó)電力出版社，2011.3PCI-1710/1710HG快速安裝手冊(cè).4潘海.基于組態(tài)王的水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.科技資訊，2009(26).5張玲霞,李學(xué)軍,李杰.基于組態(tài)王的液位控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)J. 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求取參數(shù)k、T、tw=10;%輸出無(wú)變化的時(shí)間t=10,20,40,60,80,100,140,180,250,300,400,500,600-tw;h=0,2,8,20,36,54,88,118,144,166,184,192,196;h=h/h(length(h);h1=0.39;t1=interp1(h,t,h1)+tw;%利用一維線性插值計(jì)算h=0.39時(shí)的時(shí)間t1h2=0.63;t2=interp1(h,t,h2)+tw;%利用一維線性插值計(jì)算h=0.63時(shí)的時(shí)間t2T=2*(t2-t1),tao=2*t1-t2得出：T =136.7077 tao =58.0462t3=0.8T+tao=167.41236 t4=2T+tao=331.4616時(shí)h3= interp1(t,h,167.41236)時(shí)得 0.5921而理論值為0.55h4= interp1(t,h,331.4616)時(shí)得0.8850而理論值為0.87