單容水箱液位控制

1、等級:湖南工程學(xué)院 課 程 設(shè) 計課程名稱 專業(yè)綜合課程設(shè)計 課題名稱 單容水箱液位控制 專 業(yè) 班 級 學(xué) 號 姓 名 指導(dǎo)教師 2014年6月23 日湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書課程名稱 專業(yè)綜合課程設(shè)計 課 題 單容水箱液位控制 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)老師 審 批 任務(wù)書下達(dá)日期 2014年6月23日 任務(wù)完成日期 2014年7月4日設(shè)計內(nèi)容與設(shè)計要求設(shè)計內(nèi)容：在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液體貯槽設(shè)備如進(jìn)料罐、成品罐、中間緩沖容器、水箱等應(yīng)用十分普遍，為保證生產(chǎn)正常進(jìn)行，物料進(jìn)出需均衡，以保證過程的物料平衡，因此工藝要求貯槽內(nèi)的液位需維持在某個給定值上下，或在某一小范圍內(nèi)變化，

2、并保證物料不產(chǎn)生溢出，要求設(shè)計一個液位控制系統(tǒng)。設(shè)計要求： 1)確定系統(tǒng)設(shè)計方案； 2）選擇相應(yīng)的儀器設(shè)備； 3）MCGS軟件組態(tài)相應(yīng)的監(jiān)控畫面； 4）完成控制算法程序設(shè)計； 5）在DDC控制裝置中進(jìn)行調(diào)試；主 要 設(shè) 計 條 件假設(shè)貯槽設(shè)備是一水箱，生產(chǎn)工藝要求水箱液位應(yīng)保持在，設(shè)計控制系統(tǒng)滿足該要求。說 明 書 格 式目 錄1 課程設(shè)計封面；2 任務(wù)書；3. 說明書目錄；4. 系統(tǒng)總體方案選擇與說明5. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理6. 各單元硬件設(shè)計說明及計算方法7. 軟件設(shè)計與說明（包括流程圖）8. 調(diào)試結(jié)果與必要的調(diào)試說明9. 總結(jié)與體會10.參考文獻(xiàn)11.課程設(shè)計成績評分表進(jìn) 度 安 排

3、設(shè)計時間為兩周第一周星期一、上午：布置課題任務(wù)，講課及課題介紹 下午：借閱有關(guān)資料，總體方案討論星期二、確定總體設(shè)計方案星期三、選擇相應(yīng)的儀器設(shè)備，進(jìn)行控制算法設(shè)計星期四、控制算法編程星期五、控制算法編程第二周星期一、MCGS組態(tài)監(jiān)控畫面 星期二、MCGS組態(tài)監(jiān)控畫面，在DDC裝置上進(jìn)行調(diào)試星期三、在DDC裝置上進(jìn)行調(diào)試星期四、寫說明書星期五、上午：寫說明書，整理資料下午：交設(shè)計資料，答辯參 考 文 獻(xiàn)1. 過程控制與原理2.MCGS初級、高級教程3.THPCAT-2現(xiàn)場總線側(cè)實(shí)驗指導(dǎo)書4.THPCAT-2常規(guī)儀表側(cè)實(shí)驗指導(dǎo)書目錄第1章 設(shè)計目的1第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計方案22.1 液位控制的實(shí)

4、現(xiàn)22.2 被控對象22.3 水箱建模2第3章 儀器設(shè)備53.1控制器53.2執(zhí)行器53.3檢測變送5第4章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理74.1課設(shè)原理說明74.2 PID控制原理7第5章 MCGS組態(tài)軟件設(shè)計9第6章 調(diào)試12第7章 課程總結(jié)13第8章 參考文獻(xiàn)14課程設(shè)計評分表15第1章 設(shè)計目的 課程設(shè)計旨在使學(xué)生在深入消化課堂教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用所學(xué)課程的基本原理與方法，解決實(shí)際設(shè)計與應(yīng)用問題，提高學(xué)生分析問題與解決問題的能力，并在設(shè)計工作中，學(xué)會查閱資料、系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試與分析、撰寫報告等，達(dá)到綜合能力培養(yǎng)的目的。1. 根據(jù)自動控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，學(xué)會方案比較和論證，初步掌握工程設(shè)計

5、的基本方法；2. 掌握各種變送器以及自動化儀表的工作原理和調(diào)校；3. 掌握自動控制系統(tǒng)集成技術(shù)；4. 掌握控制系統(tǒng)的通信技術(shù)，學(xué)會PCI數(shù)據(jù)采集卡或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊的應(yīng)用；5. 應(yīng)用MCGS軟件，學(xué)會控制算法的設(shè)計和調(diào)試；6. 熟悉MCGS組態(tài)軟件，學(xué)會監(jiān)控界面、通信驅(qū)動程序等的設(shè)計；7. 提高總結(jié)歸納、撰寫設(shè)計報告的能力，應(yīng)當(dāng)規(guī)范、有條理、充分、清楚地論述設(shè)計內(nèi)容和調(diào)試成果。第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計方案2.1 液位控制的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計中以液位控制系統(tǒng)的水箱作為研究對象，水箱的液位為被控制量，選擇了出水閥門作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本設(shè)計首先由差壓傳感器檢測出水箱水位；水位實(shí)際值通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/

6、D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號后，被輸入計算機(jī)中；最后，在計算機(jī)中，根據(jù)水位給定值與實(shí)際輸出值之差，利用PID程序算法得到輸出值，再將輸出值傳送通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號,控制交流變頻器，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水位的計算機(jī)自動控制。2.2 被控對象 本設(shè)計探討的是單容水箱的液位控制問題。單容水箱的流量特性：水箱的出水量與水壓有關(guān)，而水壓又與水位高度近乎成正比。這樣，當(dāng)水箱水位升高時，其出水量也在不斷增大。所以，若閥開度適當(dāng)，在不溢出的情況下，當(dāng)水箱的進(jìn)水量恒定不變時，水位的上升速度將逐漸變慢，最終達(dá)到平衡。由此可見，單容水箱系統(tǒng)是一個自衡系統(tǒng)。2.3 水箱建模這里研究的被控對象

7、只有一個，那就是單容水箱（圖2-3）。要對該對象進(jìn)行較好的計算機(jī)控制，有必要建立被控對象的數(shù)學(xué)模型。正如前面提到的，單容水箱是一個自衡系統(tǒng)。根據(jù)它的這一特性，我們可以用階躍響應(yīng)測試法進(jìn)行建模。設(shè)水箱的進(jìn)水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開度值。若Q1作為被控對象的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控對象的數(shù)學(xué)模型就是h與Q1 之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有 （2-1）將式（2-1）表示為增量形式 （2-2）式中，、分別為偏離某一平衡狀態(tài)、的增量；C水箱底面積。 在靜態(tài)時，=；=0；當(dāng)發(fā)生變化時，液位h隨之變化，閥處的靜壓也隨之變化，也必然發(fā)生變化。由流體

8、力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線性關(guān)系。但為簡化起見，經(jīng)線性化處理，則可近似認(rèn)為與成正比，而與閥的阻力成反比，即 或 （2-3）式中，為閥的阻力，稱為液阻。將式（2-3）代入式（2-2）可得 （2-4）在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得： （2-5）式中，T=R2C為水箱的時間常數(shù)（注意：閥V2的開度大小會影響到水箱的時間常數(shù)），K=R2為過程的放大倍數(shù)。令輸入流量=，為常量，則輸出液位的高度為： (2-6)即 （2-7）當(dāng)t時， 因而有 （2-8） 當(dāng)t=T時，則有 （2-9）式（2-7）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖2-2所示。由式（2-9）可知

9、該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所對應(yīng)的時間，就是水箱的時間常數(shù)T。該時間常數(shù)T也可以通過坐標(biāo)原點(diǎn)對響應(yīng)曲線作切線，此切線與穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)所對應(yīng)的時間就是時間常數(shù)T。 圖2-3 階躍響應(yīng)曲線第3章 儀器設(shè)備3.1控制器 直接數(shù)字控制(Direct Digit Control)，簡稱為DDC系統(tǒng)，是用一臺計算機(jī)對被控參數(shù)進(jìn)行檢測，再根據(jù)設(shè)定值和控制算法進(jìn)行運(yùn)算，然后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)對生產(chǎn)進(jìn)行控制，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上。利用計算機(jī)的分時處理功能直接對多個控制回路實(shí)現(xiàn)多種形式控制的多功能數(shù)字控制系統(tǒng)。 主要模塊： 1：D/A模塊：采用7024模塊。四路模擬輸出，電流020mA，電壓15V。 2：A/D

10、模塊：采用7017模塊，八路模擬電壓15V的輸入 3：通訊模塊：采用485/232轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)速極高，可長距離。3.2執(zhí)行器 電動調(diào)節(jié)閥案工作方式可以分為氣動，電動，液動三種，本系統(tǒng)將采用電動調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行器。 電動調(diào)節(jié)閥 電動調(diào)節(jié)閥的流量特性，是在閥兩端壓差保持恒定的條件下，介質(zhì)流經(jīng)電動調(diào)節(jié)閥的相對流量與它的開度之間關(guān)系。接受驅(qū)動器信號（0-10V或4-20MA）來控制閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可根據(jù)控制需要，組成智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。 水泵 在水泵的出口裝壓力變送器，與變送器一起構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。3.3檢測變送 液位傳感器用靜壓測量原理：當(dāng)液位變送器投入到被測液體中某一深度時，傳感

11、器迎液面受到的壓強(qiáng)公式為： = .g.H + Po式中：P ：變送器迎液面所受壓強(qiáng) ：被測液體密度g ：當(dāng)?shù)刂亓铀俣萈o ：液面上大氣壓H ：變送器投入液體的深度同時，通過導(dǎo)氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓 Po 與傳感器的負(fù)壓腔相連，以抵消傳感器背面的 Po ，使傳感器測得壓力為： .g.H ，顯然 , 通過測取壓強(qiáng) P ，可以得到液位深度。 功能特點(diǎn)：1穩(wěn)定性好，滿度、零位長期穩(wěn)定性可達(dá) 0.1%FS/ 年。在補(bǔ)償溫度 0 70 范圍內(nèi)，溫度飄移低于 0.1%FS ，在整個允許工作溫度范圍內(nèi)低于 0.3%FS 。2具有反向保護(hù)、限流保護(hù)電路，在安裝時正負(fù)極接反

12、不會損壞變送器，異常時送器會自動限流在 35MA 以內(nèi)。3固態(tài)結(jié)構(gòu)，無可動部件，高可靠性，使用壽命長。第4章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理4.1課設(shè)原理說明單容水箱液位定值控制系統(tǒng)如下： a) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 b)方框圖 圖4-1 上水箱單容液位定值控制系統(tǒng)本實(shí)驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖所示。被控量為上水箱的液位高度，實(shí)驗要求它的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器檢測到的上水箱液位信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制氣動調(diào)節(jié)閥的開度，以達(dá)到控水箱液位的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。4.2 PID控制原理 一般，在控制系統(tǒng)中，控制器

13、最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。積分比例微分被控對象 + + +u(t)e(t)r(t) +-c(t)圖3-1 模擬PID制系統(tǒng)原理框圖 PID控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差 (3-1) 將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合可以構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。它的控制規(guī)律為 (3-2)寫成傳遞函數(shù)形式為 (3-3)式中 比例系數(shù)； 積分時間常數(shù)； 微分時間常數(shù)；第5章 MCGS組態(tài)軟件設(shè)計應(yīng)用MCGS組態(tài)軟件建立單容水箱液位定值控制系

14、統(tǒng)，以下是部分組建過程：進(jìn)入MCGS組態(tài)環(huán)境。 在菜單文件中選擇新建工程菜單項，生成新建工程。主要內(nèi)容包括：定義工程名稱、封面窗口名稱和啟動窗口（封面窗口退出后接著顯示的窗口）名稱，指定存盤數(shù)據(jù)庫文件的名稱以及存盤數(shù)據(jù)庫，設(shè)定動畫刷新的周期。經(jīng)過此步操作，即在MCGS 組態(tài)環(huán)境中，建立了由五部分組成的工程結(jié)構(gòu)框架。封面窗口和啟動窗口也可等到建立了用戶窗口后，再行建立。新建立工程，工程需存放在MCGS子目錄WORK的目錄下，否則工程無法運(yùn)行。添加對象元件：添加百分比填充構(gòu)建，并修改其屬性：添加按鈕構(gòu)建：工程組態(tài)好后，最終效果圖如下：第6章 調(diào)試 1） 給定設(shè)定值，利用調(diào)節(jié)器的手動操作開關(guān)把被控制

15、量“手動”調(diào)到等于給定值，觀察計算機(jī)顯示屏上的曲線，待被調(diào)參數(shù)基本達(dá)到給定值后，即可將調(diào)節(jié)器切換到純比例自動工作狀態(tài)（積分時間常數(shù)設(shè)置于最大，積分、微分作用的開關(guān)都處于“關(guān)”的位置）； 2）固定比例度值，改變PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)值Ti，然后觀察加階躍擾動后被調(diào)量的輸出波形，使靜差減小。 3）在PI調(diào)節(jié)器控制實(shí)驗的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)微分，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線得到如下曲線適當(dāng)改變上小水箱出水閥開度（改變負(fù)載）結(jié)果分析：穩(wěn)定后的系統(tǒng)對于突發(fā)的擾動具有良好的跟隨抵消作用，使系統(tǒng)在較快的時間內(nèi)恢復(fù)液位的給定值，已達(dá)到較滿意的控制目的。第7章 課程總結(jié)本次課程設(shè)計給我?guī)砹瞬灰粯拥氖斋@

16、。短短兩周的時間里，鍛煉了我主動動手解決問題和設(shè)計性思維的能力，將理論應(yīng)用于實(shí)踐中確實(shí)并非易事，剛接觸單容水箱液位控制這個課題的時候，感覺很簡單，但在具體操作中還是遇到了不少問題，首先是MCGS組態(tài)軟件的應(yīng)用，由于不熟悉操作，進(jìn)程緩慢，還有，就是對于過程控制的基礎(chǔ)知識不扎實(shí)，在設(shè)計時出現(xiàn)各種各樣的本可以避免的小錯誤。接著，是擁有一定的編寫報告的能力，感覺報告也是一個讓人頭疼的問題。在這次基于MCGS組態(tài)軟件的開發(fā)應(yīng)用的課設(shè)中，單容水箱液位控制 我們結(jié)合之前“過程控制”的課堂教學(xué)內(nèi)容及實(shí)驗經(jīng)驗，又進(jìn)一步地設(shè)計工作、調(diào)試與分析，并一一解決了實(shí)際設(shè)計與應(yīng)用問題。熟悉運(yùn)用MCGS組態(tài)軟件，學(xué)會監(jiān)控界面

17、、通信驅(qū)動程序等的設(shè)計，了解了PCI數(shù)據(jù)采集卡或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊的應(yīng)用。我在實(shí)驗老師的悉心教導(dǎo)下，同時參閱相關(guān)資料，良好培養(yǎng)了綜合能力，尤其為我以后著手畢業(yè)設(shè)計打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。通過這次的課程設(shè)計，不但讓我對過程控制有了更加深層次的認(rèn)識，而且對課本的知識起到了很好的鞏固作用。在此，我要感謝和我一組的其他同學(xué)，對我的幫助，使對MCGS組態(tài)軟件有了更多的了解，這些都是我在課本上學(xué)不到的寶貴知識。很高興這次的課程設(shè)計能夠與他們一起共進(jìn)，同時謝謝老師耐心的指導(dǎo)！通過這次的課程設(shè)計，我從不會設(shè)計開始學(xué)習(xí)，到了最后把設(shè)計搞好，這個過程讓我感到開心，設(shè)計能運(yùn)行給了自己巨大的動力，在以后的學(xué)習(xí)和工作中，我應(yīng)該更要加油，通過自己的努力做好每一件事。第8章 參考文獻(xiàn)1.過程控制與原理2.MCGS初級、高級教程3.THPCAT-2現(xiàn)場總線側(cè)實(shí)驗指導(dǎo)