单容水箱液位定值控制系统.docx

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单容水箱液位定值控制系统

辽宁工业大学

过程控制课程设计（论文）

题目：

单容水箱液位定值控制系统

院（系）：

专业班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

（签字）

起止时间：

2010年6月27日—7月8日

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电气工程学院教研室：

自动化

学号

学生姓名

专业班级

课程设计（论文）题目

单容水箱液位定值控制系统

课程设计（论文）任务

课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数

试设计单容水箱液位定值控制系统。

具体设计要求如下:

（1）确定控制对象的传递函数；

（2）根据对象特征选择控制方案，给出相应闭环系统原理图；

（3）根据设计方案选择相应的控制仪表；

（4）通过仿真结果分析控制方案优缺点，仿真研究系统的抗干扰特性和跟踪特性（动态和静态性能）；给出带控制点的控制流程图和闭环系统原理图；

选择控制规律对设计系统进行仿真整定运行参数。

进度计划

1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。

（2天，分散完成）

2、确定系统的控制方案，绘制PID图、系统框图。

（1天，实验室完成）

3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数。

（2天，分散完成）

4、确定控制器的控制规律、控制器正反作用方式以及保证系统无余差。

（实验室1天）

5、仿真分析或实验测试、答辩。

（3天，实验室完成）

6、撰写、打印设计说明书（1天，分散完成）

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

随着工业的发展，液位控制在各种过程控制中的应用越来越广泛。

本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题,了解各系统的结构与组成，明确各系统的被控对象、执行机构、调节器及测量变送单元分别是什么。

记录数据并做出相应曲线，分析各自特点及参数变化对系统性能的影响。

用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。

根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。

比较不同PI参数对系统的性能产生的影响。

关键词：

单容水箱，液位控制系统，定值控制，过程控制

第1章绪论

过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。

尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；工矿企业的排水与进水，如果排水或进水控制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精流塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。

在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。

可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。

所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。

液位控制工业最大的特点就是连续性，随着科学技术的迅猛发展，以液位控制为代表的连续工业逐步向大型化、连续化、自动化和集成化方向发展。

为了提高竞争能力，液位控制工业在不断地通过提高自动化水平来提高产品质量、节省能源、降低成本以获取更加显著的经济效益。

从控制工程的观点看，液位控制有如下一些特点：

①液体工业生产往往伴随有物化反应、生化反应等，因此过程机理比较复杂；

②被控对象往往是大惯性、高维、大时滞、严重不确定性与非线性等，控制起来非常困难；

③液位控制工业经常在高温、高压、易燃、易爆等环境下运行，生产的安全性是至关重要的。

根据液位控制的特点及其在生产中的工艺要求，可以知道，实现液位过程控制的目的和要求可归纳为：

抑制外界扰动的影响；确保液位控制过程的稳定性；使工厂生产状况更加优化。

传统的液位控制多采用包含手动控制方式的单回路控制，同时采用传统的指针式机械仪表来显示液位的当前值，如浮子式、磁电式、接近开关式、电容式、声波式等。

传统的液位控制在生产中一直占有主导地位，但随着科学技术的发展、生产线的更新，不仅要求偶更直观、准确、稳定的液位控制系统，同时还要求在降低生产设备的成本、提高设备安全条件等方面有所突破，这就要求我们开发新型既实用又廉价的液位控制系统。

液位控制的发展从七十年代到九十年代经历了几个阶段，控制理论由经典控制理论到现代控制理论，再到多学科交叉；控制工具由常规仪表到DCS，再到计算机网络控制；控制要求与控制水平也由原来的简单、安全、平稳到先进、优质、低耗、高产甚至市场预测、柔性生产。

可以说，在很短的时间内，液位控制技术得到了飞跃性的发展。

近年来，在控制工具方面，更是出现了如预测控制、单片机控制、自适应控制、非线性控制、鲁棒控制、以及智能控制等控制策略。

同时，也有了一种新的控制系统，称之为现场总线系统。

现场总线技术是计算机技术、通信技术、控制技术的综合与集成。

它的特点是全数字化、全分散化、全开放、可互操作和开放式互连网络。

它对液位自动控制系统的体系结构、设计方法、安装调试方法和产品结构方面产生了深远的影响。

尽管先进液位过程控制能提高控制质量并产生较好的经济效益，但它们仍然知识相互孤立的控制系统。

于是就出现了综合自动化系统，它是将控制、优化、调度、管理等集于一体的新的控制模式，并将信号处理技术、数据库技术、通信技术以及计算机网络技术进行有机结合而发展起来的高级自动化系统，也被称为计算机集成过程系统（CIPS）。

这便是液位过程控制系统的又一崭新的发展阶段。

在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。

针对过程控制试验台中液位控制系统装置的特点，建立PID液位控制模拟界面和算法程序。

虽然PID控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。

但是，要想取得良好的控制效果，必须合理的整定PID的控制参数，使之具有合理的数值。

第2章

课程设计的方案

概述

针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：

用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池，实现对高液位池液位高度的自动控制。

实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。

1、以RTGK.2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的定值控制。

2、组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；

3、选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数；

4、分析系统基本控制特性，并得出相应的结论。

本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。

为了能更好的选取控制方法和参数有必要知道被控对象—上水箱的结构和特性。

由图2.1所示可以知道，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2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。

图2.1单容水箱结构图

目前，已经开发出来的控制策略很多，但其中许多算法仍然只是停留在计算机仿真或实验装置的验证上，真正能有效地应用在工业过程中的并有发展潜力的仍为数不多。

以下是一些得到工程界公认的先进控制策略：

1、改进的或复合PID控制算法。

大量的事实证明，传统的PID控制算法对于绝大部分工业过程的被控对象可取得较好的控制效果。

采用改进的PID算法或者将PID算法与其他算法进行有机结合往往可以进一步提高控制质量。

2、预测控制。

预测控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型控制算法。

它高度结合了工业实际的要求，综合控制质量比较高。

预测控制有三要素，即预测模型、滚动优化和反馈校正。

它的机理表明它是一种开放式的控制策略，体现了人们在处理带有不确定性问题时的一种通用的思想方法。

3、自适应控制。

在液位过程工业中，很多过程是时变的，如采用参数与结构固定不变的控制器，则控制系统的性能会不断恶化，这时就需要采用自适应控制系统来适应时变的过程。

它是辨识与控制的结合。

目前，比较成熟的自适应控制分3类：

自整定调节器及其他简单自适应控制器；模型参考自适应控制；自校正调节与控制。

4、智能控制。

随着科学技术的发展，对工业过程不仅要求控制的精确性，更加注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和自学习能力。

另外，被控工业过程日益复杂，过程严重的非线性和不确定性，使许多系统无法用数学模型精确描述。

没有精确的数学模型作前提，传统控制系统的性能将大打折扣。

而智能控制器的设计却不依赖过程的数学模型，因而对于复杂的工业液位过程往往可以取得很好的控制效果。

系统结构图

图2.2单容水箱液位控制系统设计框图

PID指令回路主要内容

表2.1PID指令回路表主要内容

偏移地址

功能

描述

0

PVn过程变量测量值（实数）

0.0~1.0

4

设定值

0.0~1.0

8

输出值

0.0~1.0

12

增益KC

16

采样时间

20

积分时间TI

24

微分时间TD

第3章实验设备

为了更好的理解液位控制系统的控制原理，便于对象、系统的建模和仿真，就必须对该系统硬件部分和其原有的控制方式进行一定的了解。

在硬件部分中，除TKGK.1型过程控制实验装置外，变频器、传感器也是非常重要的器件，有必要知道它们的一些组成、原理。

TKGK.1过程控制实验装置

TKGK.1型过程控制实验装置是针对于过程控制的专用实验系统，它集中了液位、流量、温度等多种被控变量，功能强大，使用方便，可进行综合性实验。

系统组成

TKGK.1型过程控制实验装置的控制参数有：

压力、温度、液位和流量，差不多包含了目前工业控制中的过程控制参数。

它的基本过程是水流回路，回路中的部件包括：

被控对象（上水箱、下水箱、管路、直流电机及水泵、交流电机及水泵、手动调节阀、复合加热水箱、电热丝、储水箱等），信号变送器（压力检测器、流量检测器、温度检测器、液位检测器等）。

在系统装置上有直流调速器、交流变频器、固态继电器等部件，它们可和直流电机及水泵、交流电机及水泵、电热丝等一起作为执行器。

另外，装置中还有多种调节器，主要包括温度智能调节器、单片机控制系统、计算机控制系统（配置有RS232微机通讯接口单元）、模拟调节器（含比例P调节、比例积分PI调节、比例微分PD调节、比例积分微分PID调节）、位式调节器、PLC控制器等；

如图3.1所示，为系统的工艺流程图。

供水线路有两条，一条是由直流电机从储水箱中抽水，通过阀7或阀8分别供水给上、下两个水箱，另一条由交流电机从储水箱中抽水，一方面它可以通过阀5或阀6供给复合温控水箱，另一方面它也可以经过电磁流量计（FT）后，通过阀1或阀3分别供水给上、下两个水箱。

该装置中，两个水箱内均装有液位传感器（LT1，LT2）和溢流口，并且每个水箱的出水口均经过线性化处理，上水箱的水通过阀2的调节流到下水箱；在上水箱中还安装了压力传感器（PT），用于检测压力大小，而下水箱的水会经阀4流到复合加热水箱的外套，最后经溢流口3流回储水箱，这样就构成了一个水的循环系统。

同时，在复合加热水箱的内套安装了加热器和PT100温度传感器（TT），用于检测温度的大小。

图3.1系统装置结构显示板与PID调节器控制面图

供水系统

1、直流电机供水部分：

由直流电机驱动齿轮泵，将储水箱中的水经阀7、8分别注入上、下水箱。

2、交流电机供水部分：

由三相交流鼠笼电动机驱动齿轮泵，将储水箱中的水经流量计和阀1、3、6将水分别注入上、下水箱和复合加热水箱的外套水箱。

复合水箱的内套水箱通过阀5一次性加满水后即将它关闭。

调节阀2、阀4，可调节上、下水箱的排水量。

各水箱的过量水都通过溢流口1、2、3回流到储水箱中。

控制对象

如图3.1左图所示，装置结构展示屏示有三个实验对象，上下两个水箱的水位控制对象，和一个温度控制对象（是一个由复合水箱与电加热容器构成）。

模拟PID调节器

如图3.1右图所示，为一路PID调节器和一路给定信号源。

P、I、D参数设置：

“P比例调节”——比例系数KC（即放大系数）

的调节。

它是比例度δ的倒数，即KC=1/δ。

“I积分调节”——指积分时间常数Ti的调节，调节范围“0.01至2.5分”和“0.1至25分”。

“D微分调节器”——指微分时间常数Td的调节，调节范围“0.01至10分”。

以上主要简要介绍了系统装置及某些重要部件的组成。

结合系统装置的总体结构可以知道该装置具有灵活、控制参数多、控制方式多（模拟PID控制、位式控制、PLC控制等）、控制算法多（P、PI、PID、模糊控制、神经元控制、自定义算法等）的特点。

变频器

在该水位控制系统中，是用变频器来改变电机的转速，以控制水泵的抽水量，也就是控制流入水箱的水流量，从而达到控制水箱水位的目的。

这里主要介绍变频器的类型、基本构成、功能、调速原理。

变频器的种类、组成及功能

变频器是一种静止的频率变换器，可将配电网电源的50Hz恒定频率变成可调频率的交流电，作为电动机的电源装置，当前国内外使用较为普遍。

使用变频器可以节能、提高产品质量和劳动生产率。

一、变频器的种类

1．按变换频率的方法可分为：

交—直—交变频器、交—交变频器。

2．按改变变频器输出电压（或电流）的方法分为：

PAM、PWM。

3．按电压等级分为：

低压型变频器、高压大容量变频器。

二、变频器的基本构成

变频器在异步电动机调速运转中的结构图。

通常由变频器主回路给异步电动机提供调压调频电源。

此电源的输出电压或输出电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。

而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。

对于需要高精度或快速响应的场合，还应由变频器主回路和传动系统检测出来的信号进行必要的运算。

保护回路除应防止因变频器主回路的过压、过流引起的损坏外，还应保护异步电动机及传动系统等等。

图3.2变频器的构成

三、变频器的功能

目前比较先进的变频器都有如下功能：

速度与转矩特性

快速响应功能

AVR（自动电压调整）功能保证了高起动转矩的实现

电机参数自动调整功能

模糊逻辑加、减速功能

降低能源消耗，自动节能运行功能

降低电机噪声，实现静音运行

多段速度功能

内装PI或PID调节功能

变频器的调速原理

变频器调速主要有恒压频比（V/f）控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制四种结构形式，这里主要简要介绍前三种工作原理。

1．V/f恒定控制

根据电机学的原理，异步电动机的同步转速由电频率和电机极数决定，在改变频率时，电机的同步转速随着改变。

当电机负载运行时，电机转子转速略低于电机的同步转速，即存在滑差，滑差的大小与电机的负载大小有关。

V/f恒定控制是在控制电动机的电源变化的同时控制变频器的输出电压，并使二者之比Ｖ/f恒定。

从而使电动机的磁通基本保持恒定。

它主要应用于范围要求不高的场合。

如风机、水泵的节能调速，它的突出优点是可以进行电机的开环速度控制。

Ｖ/f恒定控制存在的主要问题是低速性能较差。

其原因是低速时异步电动机定子电阻压降所占比重增大，不能忽略，不能认为定子电压和电机感应电势近似相等，仍按Ｖ/f比恒定控制已不能保持电机磁通恒定。

为此我们常常采用低频磁通补偿的方法进行V/f恒定控制。

2．转差频率控制

异步电动机的转矩与气隙磁通、转子电流以及转子电路的功率因数有关，

不是独立的变量，难以直接测量和控制。

但当气隙磁通不变时，异步电动机的转矩近似和转差频率成正比，因此，在恒磁通的条件下，通过控制转差频率，就可以实现转矩控制的目的，这就是转差频率控制的基本思想。

3．矢量控制

根据异步电动机的动态数学方程式，它具有和直流电动机的动态方程式相同的形式，因而如果选择合适的控制策略，异步电动机应能得到和直流电动机相类似的控制性能，这就是矢量控制。

从产生电动机的旋转磁场看，三相绕组中通以三相对称电流可以产生圆形旋转磁场，二相绕组中通以互差的电流亦可以产生圆形旋转磁场，因而从磁场作用看，三相绕组产生的磁场可以用二相绕组产生的磁场来等效。

矢量控制中的３/２，２/３变换计算就是一种等效计算，另外，从产生旋转磁场的角度考虑，我们可以设想交流电机的旋转磁场是由直流电产生的，那么产生磁场的绕组需要以电动机的同步转速旋转，这时，在控制计算中需要增加旋转变换，即将静止的定子绕组通以交流电产生的旋转磁场等效为由旋转的绕组通以直流电所产生的磁场。

基于以上变换可以构成异步电动机矢量控制。

矢量控制技术在变频调速中已获得广泛应用，但它需要对电机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的课题。

传感器

控制系统中，要控制水箱的水位，就必须知道每时每刻水箱中的水位，并把它反馈给控制量，以便更加准确的实行控制，这就要用到传感器技术。

在这一节里，主要介绍传感器的定义、组成、分类、特性以及在TKGK.1过程控制实验装置中用到的差压传感器的功能原理。

传感器的定义和组成

传感器的作用是将被测非电物理量转换成与其有一定关系的电信号，它获得的信息正确与否，直接关系到整个系统的精度。

图3.3传感器组成框图

依照规定，传感器的定义是：

能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

传感

器的组成如图3.3所示。

传感器的特性

传感器测量静态量表现为静态特性，测量动态量表现为动态特性。

为了降低或消除传感器在测量控制系统中的误差，传感器必需具有良好的静态和动态特性，才能使信号或能量按准确的规律转换。

被控对象

本课题探讨的是单容水箱的液位控制问题。

为了能更好的选取控制方法和参数，有必要知道被控对象—上水箱的结构和特性。

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

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。

第4章

软件设计

MCGS工控组态软件介绍

MCGS即“监视与控制通用系统”，英文全称为MonitorandControlGeneratedSystem。

MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作简单、可视性好、可维护性强等突出特点。

MCGS工控组态软件的功能

概念简单，易于理解和使用。

功能齐全，便于方案设计。

实时性与并行处理。

建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行。

设立“设备工具箱”，针对外部设备的特征，用户从中选择某种“构件”，设置于设备窗口内，赋予相关的属性，建立系统与外部设备连接关系，即可实现对该种设备的驱动和控制。

“面向窗口”的设计方法，增加了可视性和可操作性。

利用丰富的“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动的动态画面。

引入“运行策略”的概念。

MCGS系统由五大功能部件组成，主要的功能部件以构件的形式来构造。

MCGS组态软件构成

MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。

两部分互相独立，又紧密相关。

MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。

用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。

MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。

在运行环境中完成对工程的控制工作。

MCGS工程的五大部分

MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。

主控窗口：

是工程的主窗口或主框架。

设备窗口是连接和驱动外部设备的工作环境。

用户窗口：

本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：

生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。

实时数据库：

是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。

运行策略：

本窗口主要完成工程运行流程的控制

第5章

实验数据及分析

稳定边界法（临界比例度法）

稳定边界法整定实质：

使闭环系统工作在临界稳定状态，测得此时临界比例度k和临界振荡周期Tk。

表5.1临界振荡整定计算公式

调节参数

控制规律

P

PI

PID

等幅振荡过程

图5.1临界等幅振荡图

PID控制原理

一般，在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。

常规PID控制系统原理框图如图5.3所示。

系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

图5.2模拟PID控制系统原理框图

PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差

（5.1）

将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。

它的控制规律为

（5.2）

写成传递函数形式为

（5.3）

式中

——比例系数；

——积分时间常数；

——微分时间常数

程序的运行与调试

图5.3单容水箱液位比例控制控制图

图5.4比例控制图

当取

时，系统出现等幅震荡，此时求出：

求出：

比例控制及其调节过程

积分环节主要用来消除系统的稳态误差。

越小，系统的静态误差消除越快，但

过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。

若

过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。

所以要合理调节

和

来达到要求。

由表6.1可求出：

输入理论值看看输出曲线并不能达到要求，当取

=100，

=6时，才能得出。

图5.5单容水箱液面积分比例控制图

图5.6比例积分控制图

比例积分微分调节

可求出：

图5.7单容水箱液面比例积分微分控制图

图5.8比例积分微分控制

由上可得出：

微分环节能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。

但

过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。

第6章

课程设计总结

本次课程设计可正确实现单容水箱液位的控制，而且可靠性安全性高，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。

通过这次课程设计我发现实践是非常重要的，利用PLC梯形图程序可以很直观的看出运行过程。

利用可编程控制器控制，具有接