水箱液位控制课程设计Word格式文档下载.doc

水箱液位控制课程设计Word格式文档下载.doc

《水箱液位控制课程设计Word格式文档下载.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水箱液位控制课程设计Word格式文档下载.doc（46页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

目录

一、序章

1.1系统描述

本实验使用多功能过程控制科研教学装置，它主要包括上位机监控软件平台和实验系统硬件平台两部分，液位的给定由上位机监控软件给出，通过以太网络传输到硬件平台的实验控制器中，实际液位信号经过液位传感器进行测量反馈，控制器根据给定高度和实际高度的误差产生控制信号，对水泵进行控制。

1.2硬件平台

单容水箱液位系统硬件平台即多功能过程控制实验平台，如图所示：

多功能过程控制平台具有嵌入式专用控制器，手控盒，四个温度传感器，三个流量传感器，两个液位传感器，一个压力传感器，两个过程水箱，两个水泵，一个比例阀门，一个加热水箱，一个蓄水箱和加热器以及散热器和搅拌器等。

多功能过程控制平台可以进行从简单到复杂的多种实验，包括多种温度控制、压力控制、液位控制和流量控制的实验，并且有很强的易用性。

它具有以太网接口，可实现实时计算机网络化远程控制。

而且，内部的嵌入式专用控制器和MATLAB软件具有无缝接口，可以在Simulink中搭建算法模型，编译链接形成控制器可读的文件（.dlm）并下载到控制器中实时运行，不需要底层代码的编写，从而大大提高了工作效率。

这里对单容水箱液位系统中的执行机构和检测机构的特性予以简单的介绍。

（1）检测机构：

Honeywell的26PC型压差传感器

压差型传感器通过一定的设计结构或按规定安装，把压力前后相差的变转换传感器内置压敏原件的变化，再把由压敏元件形变产生的微弱输出信号进行处理调制或通过数模转换和芯片运算处理，输出模拟信号或数字信号。

本实验使用Honeywell的26PC型压差传感器作为液位传感器，根据水箱内水的上下表面压力差进行折算得到相应的液位从而进行反馈。

26PC差压传感器的压力范围是1psi，量程14.7mV18.7mV，灵敏度为16.7mV/psi，最大过压为20psi。

（2）执行机构：

TOTTONPUMPS的DC15/5型磁耦合离心泵

离心泵之所以能把水送出去是由于离心力的作用。

在工作前，水泵和进水管必须灌满水形成真空状态，当叶轮快速转动，叶片促使水快速旋转，旋转着的水在离心力的作用下从叶轮中飞出，泵内的水被抛出后，叶轮中心部分形成真空区域。

水在大气压力或水压的作用下，通过水管压到了进水管内，这样循环就可以实现连续抽水。

需要注意的是，离心泵启动前一定要向泵壳内充满水后，方可启动，否则水泵产生“空转”，产生震动、造成泵体发热，无水流出，对水泵造成损坏。

本实验使用TOTTONPUMPS的DC15/5型水泵，其采用磁耦合设计，能够防止漏液，输入电压为12VDC，最大体压1.4bar，最大容积15L/min，最大水泵扬程为6m，电机输出功率25W，工作温度-20度~+85度。

1.3上位机监控软件平台

上位机监控软件主要包括两部分：

用于编写控制程序的MATLAB中的simulink软件包和用于监控作用的EasyControl系列实验软件。

（1）Simulink软件包

Simulink软件包是MathWorks公司开发的系统仿真软件。

Simlink提供了强大的可视化建模功能，可以拖拉软件包提供的模块的方式，快速的建立系统的模型，病对搭建的系统模型进行仿真。

Simulink可以与MATLAB无缝连接，所有仿真数据可以在MATLAB工作空间中显示并调用，突出了MATLAB分析运算的功能，可使得系统仿真数据的分析更加直观，更加准确。

而且，Simlink中的模块不仅具有仿真能力的模块，还能够进行系统仿真操作，并生成代码进行系统实现的多功能模块。

这样就直接解决了传统的系统开发方法带来的系统设计仿真和系统显示互相分离的问题，提高了系统开发的效率，方便了开发人员的操作。

（2）EasyControl实验软件介绍

EasyControl系列实验软件由东大智能公司自主研发的。

该软件的特点是可以通过MATLAB软件的Simulink工具包完成控制器的搭建，并快速实现实时代码的自动产生，使设计和改变参数更加方便、快速，便于反复实验。

此外，EasyControl软件不但可以实时的观察系统运行曲线，并可以对参数进行保存和读取，极大地方便了调试工作，提高了效率。

EasyControl软件具有如下的特点：

（1）用于开放式结构的快速控制原型开发、硬件样机在线测试，可以有效地缩短开发周期，保证系统柔性；

（2）由于可以采用实时在线测试，应用于难以精确数学模型的系统，可以降低建模和控制器的设计难度；

（3）与MATLAB系统的无缝集成，便于开发者使用MATLAB中的各种先进算法；

（4）该软件通过与TCP/IP网络的集成性，可应用于网络控制，远程设置控制方案，便于调试和升级。

二、传感器及执行器参数整定

2.1压差传感器的参数整定

实验中需要整定二号水箱液位传感器的参数。

液位传感器采用压差式液位传感器，输入量为压差传感器测定值（单位mv），输出量应为水箱实际液位（单位cm）。

其输入输出为线性关系：

通过实验对，进行整定。

实验时，关闭二号水箱的出水阀门，手动给水箱加水，通过simulink编程，且输出端加滤波，可以得到不同水位时压差传感器输出的电压值，程序如图1-1所示：

图1-1压力传感器参数整定编程

实验结果如表1.1所示：

h（cm）

1

2

3

4

U（mV）

0.325

0.400

0.475

0.555

0.630

5

6

7

8

9

0.703

0.776

0.85

0.92

1.0

10

11

12

14

16

1.075

1.148

1.22

1.36

1.51

18

表1.1压力传感器测试结果

1.65

由最小二乘法拟合，拟合曲线如图1-2所示：

x=[1.651.511.361.221.1481.0751.00.920.850.7760.7030.6300.5550.4750.4000.325];

>

y=[1816141211109876543210];

f=inline（'

a

（1）*x+a

（2）'

'

a'

x'

）;

[xx,res]=lsqcurvefit（f,[1,1],x,y）

Optimizationterminated:

first-orderoptimalitylessthanOPTIONS.TolFun,

andnonegative/zerocurvaturedetectedintrustregionmodel.

xx=

13.5602-4.4962

res=

0.0588

y1=13.5602*x-4.4962;

plot（x,y）;

holdon;

plot（x,y1）

通过最小二乘法拟合得到：

k=13.5602b=-4.4962

故二号水箱压差式液位传感器输入输出关系为：

2.2水泵占空比到流量的参数整定

水泵占空比到电压为比例关系。

电压到流量为一阶惯性环节，由于电机惯性较小，可以近似为比例环节。

于是，水泵占空比到流量可近似认为是比例关系。

通过实验对水泵占空比到流量的比例系数进行整定。

打开二号水箱进水出水阀门，应用simulink编程如图1-4所示：

图1-4所示水泵占空比到流量整定程序

通过给定不同的占空比时流量传感器测得的流量，可以得到占空比与流量的关系。

实验数据如表1.2所示。

PWM（%）

35

40

42

44

46

q1（L/min）

0.85

1.45

1.6

1.8

1.95

48

50

52

54

56

2.12

2.3

2.44

2.57

2.75

58

60

62

64

66

2.9

3.08

3.24

3.37

3.5

表1.2占空比到流量实验数据

由最小二乘发拟合，拟合曲线如图1-5所示

x=[0.350.400.420.440.460.480.500.520.540.560.580.600.620.640.66];

y=[0.851.451.61.81.952.122.32.442.572.752.93.083.243.373.5];

8.2625-1.8853

0.0405

y1=8.2625*x-1.8853;

k=8.2625b=-1.8853

故水泵占空比到流量输入输出关系为：

2.3流量传感器参数整定

实验用流量传感器为GEMS流量传感器，通过累计流过液体体积的脉冲信号，计算得到液体流量，传感器单位时间内输出的脉冲值经过转换可以得到液体的流量值。

设单位时间内输出的脉冲值为n，n7.5/575即是单位时间内液体的流量（L/min），由simulink编程，且在输出处增加滤波器减少纹波，程序如图1-3所示：

三、被控对象