過程控制系統(tǒng)論文(水箱).doc

單容水箱液位控制系統(tǒng) 摘要：通過對(duì)單容水箱液位控制系統(tǒng)特性的測(cè)試掌握單容水箱階躍響應(yīng)測(cè)試方法，并記錄相應(yīng)液位的響應(yīng)曲線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的液位階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法確定被測(cè)對(duì)象的特征參數(shù)T和傳遞函數(shù)。 研究實(shí)際的單水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模糊推理建模問題, 首先依據(jù)不同的實(shí)際背景, 利用單容水箱模擬實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)中的蓄液容器設(shè)計(jì)了幾種典型實(shí)驗(yàn), 然后利用模糊推理建模方法, 對(duì)于單水箱液位控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的被控對(duì)象建立了數(shù)學(xué)模型, 最后通過仿真實(shí)驗(yàn)得到新模型的數(shù)據(jù)曲線, 驗(yàn)證了模糊推理建模方法在實(shí)際系統(tǒng)中的可行性。關(guān)鍵字：?jiǎn)稳菟洌何豢刂?，?shù)字模型 1. 系統(tǒng)介紹1.1 系統(tǒng)組成 本實(shí)驗(yàn)裝置由被控對(duì)象和上位控制系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)動(dòng)力支路分兩路：一路由三相（380V交流）磁力驅(qū)動(dòng)泵、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、PA電磁流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動(dòng)泵（220V變頻）、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。1、被控對(duì)象被控對(duì)象由不銹鋼儲(chǔ)水箱、圓筒形有機(jī)玻璃水箱和敷塑不銹鋼管路組成。水箱：包括上水箱和儲(chǔ)水箱。 上水箱采用淡藍(lán)色圓筒型有機(jī)玻璃，不但堅(jiān)實(shí)耐用，而且透明度高，便于學(xué)生直能接觀察到液位的變化和記錄結(jié)果。上水箱尺寸為：d=25cm,h=20 cm；水箱有三個(gè)槽，分別是緩沖槽，工作槽，出水槽。管道：整個(gè)系統(tǒng)管道采用敷塑不銹鋼管組成，所有的水閥采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。有效提高了實(shí)驗(yàn)裝置的使用年限。其中儲(chǔ)水箱底有一個(gè)出水閥，當(dāng)水箱需要更換水時(shí)，將球閥打開讓水直接排出。2、檢測(cè)裝置壓力傳感器、變送器：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的壓力傳感器和工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，擴(kuò)散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。壓力傳感器用來(lái)對(duì)上水箱的液位進(jìn)行檢測(cè)，其精度為0.5級(jí)，因?yàn)闉槎€制，故工作時(shí)需串接24V直流電源。3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來(lái)進(jìn)行控制回路流量的調(diào)節(jié)。它具有精度高、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等。變頻器：本裝置采用SIEMENS帶PROFIBUS-DP通訊接口模塊的變頻器，其輸入電壓為單相AC220V，輸出為三相AC220V。水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ-8P，流量為32升/分，揚(yáng)程為8米，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長(zhǎng)?？梢葡郤CR調(diào)壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號(hào)為420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。輸出電壓用來(lái)控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。 電磁閥：在本裝置中作為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號(hào)為：2W-160-25 ；工作壓力：最小壓力為0Kg/2，最大壓力為7Kg/。4、控制器控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，型號(hào)為315-2DP，本CPU既具有能進(jìn)行多點(diǎn)通訊功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通訊功能的DP通訊接口。5、空氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過三角膠帶傳帶動(dòng)空壓機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)連桿帶動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使汽缸、活塞、閥組所組成的密閉空間容積產(chǎn)生周期變化，完成吸氣、壓縮、排氣的空氣壓縮過程，壓縮空氣經(jīng)繞有冷卻翅片的排氣銅管、單向閥進(jìn)入儲(chǔ)氣罐。6、電源控制臺(tái) 電源控制屏面板：充分考慮人身安全保護(hù)，帶有漏電保護(hù)空氣開關(guān)、電壓型漏電保護(hù)器、電流型漏電保護(hù)器。1.2 系統(tǒng)特點(diǎn) 被控參數(shù)全面,涵蓋了連續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)過程中的液位、壓力、流量及溫度等典型參數(shù)。本裝置由控制對(duì)象、綜合上位控制系統(tǒng)、上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)三部分組成。 執(zhí)行器中既有氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，又有變頻器、可控硅移相調(diào)壓裝置，調(diào)節(jié)系統(tǒng)除了有設(shè)定值階躍擾動(dòng)外，還可以通過對(duì)象中電磁閥和手動(dòng)操作閥制造各種擾動(dòng)。 一個(gè)被調(diào)參數(shù)可在不同動(dòng)力源、不同執(zhí)行器、不同的工藝管路下演變成多種調(diào)節(jié)回路，以利于討論、比較各種調(diào)節(jié)方案的優(yōu)劣。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使2個(gè)信號(hào)在本對(duì)象中存在著相互耦合，二者同時(shí)需要對(duì)原獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)進(jìn)行整定，或進(jìn)行解耦實(shí)驗(yàn)，以符合工業(yè)實(shí)際的性能要求。能進(jìn)行單變量到多變量控制系統(tǒng)及復(fù)雜過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。1.3 系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分，下位機(jī)軟件采用SIEMENS的STEP7，上位機(jī)軟件采用SIEMENS的WINCC。1.4 裝置的安全保護(hù)體系1、三相四線制總電源輸入經(jīng)帶漏電保護(hù)器裝置的三相四線制斷路器進(jìn)入系統(tǒng)電源后又分為三相電源支路和不同的單相支路，每一支路給各自的負(fù)載供電?？傠娫丛O(shè)有通電指示燈和三相指示表。2、控制屏電源由接觸器通過起、停按鈕進(jìn)行控制。屏上裝有一套電壓型漏電保護(hù)裝置和一套電流型漏電保護(hù)裝置?？刂破羶?nèi)或強(qiáng)電的輸出（包括實(shí)驗(yàn)中的連線）若有漏電現(xiàn)象，即告警并切斷總電源，以確保實(shí)驗(yàn)安全。3、控制屏設(shè)有服務(wù)管理器（即定時(shí)器兼報(bào)警記錄儀），為指導(dǎo)老師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的考核提供一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。4、各種電源及各種儀表均有可靠的保護(hù)功能。5、實(shí)驗(yàn)強(qiáng)電接線插頭采用封閉式結(jié)構(gòu)，防止觸電事故的發(fā)生。6、強(qiáng)、弱電連線插頭采用不同的結(jié)構(gòu)插頭，以防止強(qiáng)弱電用電插頭的混淆。本套控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件采用SIEMENS公司的上位監(jiān)控組態(tài)軟件SIMATIC WINCC。1.5 組態(tài)軟件WINCC介紹WINCC指的是Windows Control Center，它是在生產(chǎn)和過程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的監(jiān)控系統(tǒng)，它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)交換使其具有高度的實(shí)用性。WINCC 是基于Windows NT 32位操作系統(tǒng)的，在Windows NT或Windows 2000標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中，WINCC具有控制自動(dòng)化過程的強(qiáng)大功能 ，它是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)，同時(shí)具有極高性價(jià)比的操作監(jiān)視系統(tǒng)。WINCC的顯著特性就是全面開放，它很容易結(jié)合用戶的下位機(jī)程序建立人機(jī)界面，精確的滿足控制系統(tǒng)的要求。不僅如此，WINCC還建立了像DDE、OLE等在Windonws程序間交換數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)接口，因此能毫無(wú)困難的集成ActiveX控制和OPC服務(wù)器、客戶端功能。WINCC軟件是基于多語(yǔ)言設(shè)計(jì)的，這意味著可以在中文、德語(yǔ)、英語(yǔ)等眾多語(yǔ)言之間進(jìn)行選擇。2 單容水箱特性測(cè)試通過對(duì)單容水箱液位控制系統(tǒng)特性的測(cè)試掌握單容水箱階躍響應(yīng)測(cè)試方法，并記錄相應(yīng)液位的響應(yīng)曲線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的液位階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法確定被測(cè)對(duì)象的特征參數(shù)T和傳遞函數(shù)。2.1 工作原理圖 圖1 單容水箱特性測(cè)試結(jié)構(gòu)圖 圖2 單容水箱的單調(diào)上升指數(shù)曲線 當(dāng)由實(shí)驗(yàn)求得圖2所示的階躍響應(yīng)曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，就是水箱的時(shí)間常數(shù)T。該時(shí)間常數(shù)T也可以通過坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)T，由響應(yīng)曲線求得K和T后，就能求得單容水箱的傳遞函數(shù)。圖3 單容水箱的階躍響應(yīng)曲線 2.3 控制系統(tǒng)流程圖 圖4 實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)流程圖上水箱液位檢測(cè)信號(hào)LT1為標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)，直接傳送到SIEMENS的模擬量輸入模塊SM331，SM331和分布式I/O模塊ET200M直接相連，ET200M掛接到PROFIBUS-DP總線上，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2 DP（CPU315-2 DP為PROFIBUS-DP總線上的DP主站），這樣就完成了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量信號(hào)到CPU的傳送。2.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 本實(shí)驗(yàn)選擇上水箱作為被測(cè)對(duì)象（也可選擇中水箱或下水箱）。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-6全開，將上水箱出水閥門F1-9開至適當(dāng)開度，其余閥門均關(guān)閉。1、 接通控制柜和控制臺(tái)的相關(guān)電源，并啟動(dòng)磁力驅(qū)動(dòng)泵，接通空壓機(jī)電源。2、 打開作上位控制的PC機(jī)，點(diǎn)擊“開始”菜單，選擇彈出菜單中的“SIMATIC”選項(xiàng)，再點(diǎn)擊彈出菜單中的“WINCC” ，再選擇彈出菜單中的“WINCC CONTROL CENTER 5.0”,進(jìn)入WINCC資源管理器，打開組態(tài)好的上位監(jiān)控程序。3、鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“一階單容水箱對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)”，系統(tǒng)進(jìn)入正常的測(cè)試狀態(tài)，呈現(xiàn)的監(jiān)控界面。2.5 實(shí)驗(yàn)曲線所得的結(jié)果表1 參數(shù)值測(cè)量值放大系數(shù)K周期T時(shí)間常數(shù)液位h正階躍輸入355.52.4128負(fù)階躍輸入305.42.2125.4平均值32.55.452.3126.73.參考文獻(xiàn)1 金以慧,萬(wàn)崇智.過程控制.北京:清華大學(xué)出版社 19932 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The cascade control system is the two regulators in series work, the output of aregulator for a given value of the system as another regulator. This system to improve the dynamic characteristics of the process, improve the quality of the sy