双容水箱液位控制大学毕设论文.docx
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双容水箱液位控制大学毕设论文
本科生毕业设计
题目
过程控制实验装置的双容液位
控制系统设计
学院名称
地球物理与信息工程学院
专业名称
自动化
学生姓名
指导教师
起止时间:
2015年4月16日至2015年6月16日
摘要
双容水箱液位控制系统广泛应用于食品生产、工业化工等各个领域。
双容液位控制系统具有非时变、滞后等特点,根据这一特点,分别应用了PID控制、模糊控制等控制策略。
基于对过程控制实验装置的了解,建立了过程实验装置与西门子PLC的硬件连接。
然后,基于PLC实现了过程实验装置双容液位控制系统的设计,并对实验结果进行了对比分析。
在此基础上,基于OPC接口技术,建立西门子PLC与MATLAB软件的数据通讯。
进而,采用模糊控制算法应用MATLAB软件中的模糊控制工具箱,实现了对过程实验装置双容液位的控制。
最后,对实验结果进行了对比分析,得出了模糊控制算法在双容液位控制系统中应用的优点。
关键词:
双容液位;PLC;PID控制;模糊控制
ProcesscontroldeviceofLiquidLevelControlSystemDesign
ABSTRACT
Twin-tankwaterlevelcontrolsystemiswidelyusedinvariousfieldssuchasfoodproduction,industrialchemicals.LiquidLevelcontrolsystemwithanon-time-varyingcharacteristicsofthelag,accordingtothisfeature,eachapplicationofthePIDcontrol,fuzzycontrolandothercontrolstrategies.
Basedontheprocesscontroldeviceofunderstanding,thecourseoftheexperimentapparatusconnectedtoaSiemensPLChardware.Then,basedonPLCachievedduringexperimentalapparatusLiquidLevelControlSystem,andtheexperimentalresultswerecomparedandanalyzed.Onthisbasis,basedontheOPCinterfacetechnology,establishdatacommunicationSiemensPLCwithMATLABsoftware.Furthermore,theuseoftheexperimentaldeviceforLiquidLevelProcessControlFuzzyControlMATLABsoftwarefuzzycontroltoolboxachieved.Finally,theexperimentalresultswerecomparedandanalyzed,weobtainedadvantagesoffuzzycontrolalgorithminLiquidLevelControlSystem.
KeyWords:
LiquidLevel;PLC;PIDControl;FuzzyControl
第1章绪论
1.1选题的背景及意义
双容水箱在工业生产过程中极其常见,是工业生产常用的控制设备之一。
它是由装有阀门、变送器、传感器的两个水箱通过管道上下连接而成。
在生产工程中,通常需要对下水箱液位进行定值控制,与此同时选取上水箱进水流量为操纵变量,对下水箱液位进行控制。
对其液位的控制通常采用模拟仪表、计算机、PLC等单回路控制。
双容水槽一般表现出二阶特性,广泛应用于生产生活中。
液位是工业生产中最常见的控制参数之一,而液位控制也是过程控制中的典型案例。
液位控制得好坏直接影响产品的质量,甚至成为产品制造成败的关键,所以液位控制具有广泛的实际应用价值和应用前景[1]。
液位的高低在生产中是一个重要的参数,应用非常广泛。
生产中常需测量油罐等容器内的液面高度以计算产品产量和原料消耗,作为经济核算的依据。
蒸汽锅炉运行时,必须保证汽包水位有一定的高度,化工反应塔内,常需保持一定的液位也取得较高的生产率。
单回路反馈控制原理以及PID控制原理是计算机控制技术的基础。
控制对象的动态特性和数学模型是分析和设计控制系统的基础资料和基本依据。
对被控过程进行研究分析、实施控制,尤其是进行最优设计时,必须首先建立其数学模型,因此,数学模型对过程控制系统的分析设计、实现生产过程的优化控制具有极为重要的意义。
在对水箱建立PID控制之后,为了加强控制效果,本文增加了模糊控制这一先进控制方案。
模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术,它具有可控非线性、拟人思维、不拘泥于数学模型建立的特点。
模糊控制可以应用于控制难以取得相对准确的机理模型的水箱液位,它本身是一种基于数学定义的控制策略,而且在控制时有着相对的独立性,在应对一些因为出发点和控制指标出现较大差异的模型时,有着良好的效果。
在现在的工业生产中,会出现很多难以具体确定模型的控制方案,在这个时候,不需要具体数学模型而只需要系统辨识的模糊控制可以派上相当大的作用。
也正因为模糊控制的以上特点,使得各行各业对模糊控制的研究一直在进行中,模糊控制器更是广泛应用于生产生活的各个领域。
本文以双容水箱为基础,在参考了国内外相关文献之后,先确立了以PID控制为基础的控制方案,在完成该控制方案之后又在MATLAB软件上加入了先进控制策略,并在Simulink上进行了对照仿真实验,最终基本完成了毕业设计的任务。
1.2国内外研究现状
双容水箱液位控制系统作为一种十分基础的控制系统被作为一种教学模型广泛应用于国内各大高校,以此为研究对象的大学就有清华大学、合肥工业大学、中国石油大学等多所理工科大学。
在液位控制系统中,经常得到应用的是PID控制方案,但除此之外,随着技术的发展,诸如神经网络控制、模糊控制、预测控制等先进控制方案也得到了很快的发展,在统计中,大概有百分之八十以上是应用的PID控制。
也正因为其应用的广泛性,所以使得国内外各大厂家对其进行不断的研究与更新设备,客观上带动了液位控制系统的发展。
液位控制系统在国内经常应用于石油石化、化工、污水处理等各个领域,可以说应用广泛,但客观的评价,国内的液位控制器跟世界一流水平还有着不小的差距,尤其是与国外发达国家诸如美国、德国、日本等工业化自动化先进的国家相比较。
目前,国内液位控制还主要依靠的是PID控制,PID控制虽然很经典,但也有着一定的局限性,比如说它只能适应一般的控制系统,对于要求控制精度较高、较细的控制场合还有着很大的区别。
总而言之,在先进控制领域,国内技术还不成熟,适用于先进控制的商业控制仪表还难以形成品牌化。
反观之国外,在先进控制领域已经超过我国很多了,而且其先进产品在自调、自整定、自开车方面已经相对成熟,液位控制领域发展迅速。
其中德国、日本、美国等都有厂家生产出了一批商品化的、性能优异的液位控制器以及液位仪表,在各大领域都得到了很广泛的应用,我国在液位控制领域还有着很长的路要走。
1.2.1过程控制系统研究现状
过程控制的发展并不是一个孤立的过程,相反这一新兴的学科是跟随着控制理论、仪表专业、计算机技术、化工生产、石油石化等多个相关学科一起发展的[2]。
过程控制的发展大体上可以分为三个发展阶段[3]:
70年代以前可以看作是第一阶段,它是以经典控制理论为核心。
第二阶段则是70年代到80年代,它是以现代控制理论为核心。
第三阶段是90年代,是以控制论、信息论、系统论、人工智能等学科交叉,接下来本文将会简要介绍一下这三个阶段。
在第一阶段中,这一阶段的主要理论核心是经典控制理论,它又被称为自动化孤岛模式,盖因为它的控制目标仅仅是保证生产的平稳运行:
诸如在石化石油领域对进入物料多少、高低限、安全问题的实现大多运用的就是对这一理论思想的实现。
在第二阶段中,出现了一个变革思想的新系统,它就是分布式工业控制计算机系统(DCS),它的出现为先进控制理论创造了条件与应用环境.在这一系统下,诸如预测控制、神经网络控制、模糊控制等先进控制方法得到了新的发展与应用,并使得工业流程的控制进入了一个新的领域,为实现高产低耗的控制目标更进了一步。
在第三阶段里,80年代后期工业,随着新兴工业的飞速发展,多学科的相互渗透,仅仅是先进控制理论与分布式工业控制计算机系统已经不能够满足工业生产目标的要求。
随之兴起的的人工智能、智能控制、信息库的、大数据、计算机通讯技术与新型网络的出现也让人们的视野更加的开阔,为实现更高水平的自动控制提供了理论基础和实践手段。
时至今日,过程控制系统仍然在不断的发展着,现在的控制思路也随着人们对可持续发展思路的变化而变化,为了满足可持续发展的时代主题,工作人员与科研人员也开始不断研究既保证生产效率、少出事故、平稳发展的生产要素,也要满足保护环境、较少能耗、减少成本等多方面因素,最大程度上的在满足市场需求的基础上,发展技术,提高技术竞争力。
1.2.2双容液位控制概论
双容液位控制作为一种典型的控制回路在上世纪50年代便开始被人所研究。
最开始的控制思路是以经典PID控制为基础,发展而来的串级控制、均匀控制、前馈控制、比值控制等,一般称之为复杂控制。
在20世纪70年代中后期,随着可编程控制器PLC(ProgrammableLogicController)、分布式控制系统DCS(DistributedControlSystem)的出现,更是为双容液位控制提供了新的硬件平台。
时间往后推移,20世纪80年代后期至今,随着先进控制理论的不断发展,诸如模糊控制、神经网络控制、预测控制等更适应于各种环境的先进控制策略应运而生。
先进控制的先进性主要体现在当常规控制无法解决的一些情况下,先进控制可以对症下药,完成复杂的控制指标,可以说先进控制将会成为未来过程控制的发展方向。
现今,我国过程控制系统主要使用的是分布式控制系统(DCS)、可编程控制器(PLC)、进程间通信(IPC)三种系统,其中DCS的主要设计思路是控制分散、管理集中,因为其控制分散的特点,使得其安全性与之前的集中系统相比较得到了很大的提高,因此成为了大中型企业控制系统的首选方案。
进程间通信系统(IPC)作为一种配有各种输入输出接口和工业应用软件的沟通性过程控制系统,具有着开放性、灵活性、联网性、沟通性的优点,再加上其拥有着极强的计算机处理能力与图像显示功能,使得它成为工业控制领域里的佼佼者。
而本文用到的可编程逻辑控制器(PLC)则诞生于二十世纪中叶,应工业发展的要求,这种功能强大的通用控制设备在之后的岁月里得到了广泛的应用[4]。
在国内很多的工业自动生产线中和大小企业自动化控制系统中,PLC都被首选为控制程序软件。
PLC具有功能的多样化与简便化的优点,在可编程控制器中,我们既可以应用大规模集成电路技术、数据采集与控制,又可以对进行的工程进行逻辑控制与过程控制,在此基础上加上PLC本身具有着结构紧凑、运行速度快、可靠性高(跟DCS一样)的特点,这也使得PLC应用广泛。
本文的双容水箱液位控制在之后章节也将会应用到西门子S7-200PLC编程的内容。
1.2.3模糊控制研究现状
模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。
1965年美国的扎德创立了模糊集合论,1973年,他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。
1974年英国的Mamdani首先用模糊控制语句组成模糊控制器,并把它用于锅炉和蒸汽机的控制,在实验室获得成功,这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生[5]。
模糊控制主要是模拟人的思维、推理和判断的一种控制方法,它将人的经验、常识等用自然语言的形式表达出来,建立一种适用于计算机处理的输入输出过程模型,是智能控制的一个重要研究领域。
从信息技术的观点来看,模糊控制是一种基于规则的专家系统。
从控制系统技术的观点来看,模糊控制是一种普遍的非线性特征域控制器[6]。
模糊控制具有以下特点:
1.模糊控制采用语言性直接控制方法,其设计基础是专家和实际科研人员本身的知识和实践所得结论,在实际控制中并不需要精确的数学模型,而只需要通过系统辨识得到相关的函数就可以编写相应的控制规则。
2.由于工业生产中经常会遇到很多数学模型难以计算和求取的情况,所以在这个时候应用模糊控制的方法就可以取得很好的效果,尤其对那些动态不易掌握的被控对象非常适用。
3.一般在模型计算中,常常因为出发点和性能指标的不同导致较大差异,但是类似模糊控制这一类的语言控制规则却具有相对的独立性,利用相应控制之间的连接,将会更容易找到平衡点,且效果优于常规控制器。
模糊控制的研究主要体现在控制器的研究和开发以及各类实际应用中,目前模糊控制已经应用在各个行业。
各类模糊控制器也非常多,模糊控制器的研究一直是控制界研究的热点问题[7]。
1.3本文研究内容
1.本文设计的双容液位控制系统所用装置使用的是AE混合温度与液位实验装置,其由主体设备、PLC控制柜、Unical涡旋空气压缩机、储气罐及上位机组成。
在选择好本文所使用的液位回路后,根据机柜说明书,对其正确接线。
2.本文将对控制双容水箱的PLC可编程控制器进行着重研究,在PLC上进行编程设计,从而实现对液位的控制。
3.在完成了以上内容,实现对水箱的PID控制之后,本文将研究MATLAB软件,首先实现其与实验装置的数据通讯,之后对所得数据进行辨识研究,最后将有数据得出的传递函数送入Simulink仿真中,依次在仿真实验里进行PID、模糊控制实验,最后将结果进行对比分析,得出结论。
第2章过程实验装置的双容液位系统
2.1装置介绍
AE装置可根据不同的实验内容,通过各手动球阀的开闭进行自由组合,形成适合不同实验要求的控制回路,该装置有结构紧凑、使用方便、功能齐全、综合性能好等优点。
在混合温度与液位实验装置上能够较好完成自动化专业与过程控制课程相关的实践项目。
混合温度与液位实验装置主要由主体设备、PLC控制柜、Unical涡旋空气压缩机、储气罐及上位机(从左到右)组成。
混合温度与液位实验装置全貌图如图2.1所示:
图2.1混合温度与液位实验装置全貌图
FIG.2.1Themixingtemperaturelevelexperimentaldeviceupview
混合温度与液位实验装置主体设备含冷水槽1个,热水器1台,混合水箱(TANK)1个,热交换器1台,风扇1台,气动调节阀5个,水泵3台,手动阀21个,仪表及管线若干。
主体设备采用四层立式结构设计,占地面积小,实验装置布局合理,配置齐全,各工艺管线、容器、泵阀等设备标识明确。
通过调节手动球阀的开闭形成不同的控制回路,从而适应不同的过程控制实验要求,充分体现了实验装置能够适应实验目的多变性。
以下是我们根据AE的工艺流程绘制的管道仪表总流程图,如图2.2:
图2.2AE工艺流程管道仪表总流程图
FIG.2.2Generalflowchartprocesspipingandinstrumentation
因为本文目标为要能实现双容水箱的液位控制,所以工艺流程为:
水从泵P01进入,经过阀门FV01进入上水箱D01,上水箱D01液位由液位传感器LI01送入电脑,随后进入D01的水经过阀门FV05进入下水箱D02,下水箱D02液位由液位传感器LI02送入电脑,进入DO2水箱的水最后从FV04流出。
如图2.3所示:
图2.3双容水箱液位系统流程图
FIG.2.3Twin-tankwatersystemflowchart
而根据实验要求,对实验装置进行接线,如图2.4所示:
图2.4装置接线图
FIG.2.4Devicewiringdiagram
在过程控制系统中,阀门、阀门的选型都是至关重要。
在选择阀门、传感器时,要充分考虑到工艺要求、所处环境、室内常温等条件,并综合安全、控制精度以及经济等原则,最终选出适合的型号。
在本系统中,我们选择使用的传感器和阀门信号如下表四所示:
表一阀门传感器选型
序号
仪表位号
测点名称
信号类型
型式
量程
单位
1
LI-01
大水箱液位
0-100
%
2
LI-02
小水箱液位
0-100
%
3
LIT-01`
大水箱液位
4-20mA
两线制
0-40
cm
4
LIT-02
小水箱液位
4-20mA
两线制
0-37.4
cm
5
FT-01
大水箱入口流量
4-20mA
两线制
L/h
6
FT-02
大小水箱入口流量
4-20mA
两线制
L/h
7
FT-03
水泵与小水箱入口流量
4-20mA
两线制
L/h
2.2对象特性分析
在工业领域,双容水箱是一个很常见但同样很重要的设备。
经过2.1分析,可以看出双容水箱液位控制系统本身是一个复杂的控制对象,上水箱和下水箱之间的液位会互相影响。
上水箱的输入变量是由阀门FV01控制的输入水量,输出变量是由阀门FV05控制的输出水量。
而下水箱的输入变量是由阀门FV05控制的输入水量,输出变量是流经常开阀门FV04(阀门开度固定不变)的输出水量。
上下水箱的液位变化会互相影响:
1.当上水箱液位达到给定液位之后,输入输出流量相等,下水箱液位未达到给定值时,会影响到阀门FV05开度变化,进而导致上水箱输入输出流量不等且变化,进而引起上水箱液位改变。
2.当下水箱液位达到给定液位之后,输入输出流量相等,上水箱液位未达到给定值时,因为下水箱输出流量为常开且阀门开度不变的阀门FV04控制,所以会引起阀门FV05阀门开度变化,进而导致上水箱输入输出流量不等,从而使上水箱液位发生偏移,需要继续调节。
3.当上水箱和下水箱液位都未达到给定值时,阀门FV01和阀门FV05会出现不间断变化,直到两个水箱都逐渐达到给定值并稳定之后。
由此可见:
双容液位水箱控制系统是一个复杂的控制系统,其数学模型预测为二阶线性模型。
2.3控制需求分析
根据任务书要求,对本文双容水箱液位控制系统的控制目标提出了以下的要求:
1.应用本专业所学的自动控制理论、过程控制、可编程控制器等理论知识,研究对过程控制实验装置双容水箱液位系统的控制问题,应用控制算法对双容液位进行控制。
2.实现西门子S7-200对双容液位的控制。
3.要能快速、稳定、准确的控制上水箱、下水箱的液位,在稳定之后给出阶跃扰动之后仍能完成控制目标。
4,需要对比、分析控制效果。
第3章过程实验装置的双容液位控制系统设计
3.1控制系统设计
在过程控制系统中,一般习惯的将PID控制叫做基本控制,在国内工业生产控制中,PID控制仍然占据了主导地位,这主要是因为PID控制实现简单,控制稳定,具有良好的可适性。
本文对双容水箱液位系统的控制也将先从最基本的PID控制开始,由简入难,步步为营。
当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。
反馈理论的要素包括三个部分:
测量、比较和执行[7]。
测量关心的是被控变量的实际值,与期望值相比较,用这个偏差来纠正系统的响应,执行调节控制。
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。
PID控制器(比例-积分-微分控制器)是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件,由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。
这个理论和应用的关键是,做出正确的测量和比较后,如何才能更好地纠正系统。
PID控制原理简单,易于实现,对无时间延迟的单回路控制系统极为有效,到目前为止,我国大多数工业控制还沿用着PID控制算法。
PID算法作为经典控制理论推出的最为辉煌的理论成果之一最主要的特点是:
综合了各种控制器的优点,既能克服对象的容量滞后,减少动态偏差,提高系统的稳定裕度,又能消除系统的余差。
如果能对三个参数(比例P、积分I、微分D)加以适当的整定,可以使系统获得良好的控制性能。
下面分别介绍P、I、D三种控制效果:
P:
比例控制。
比例控制是最简单、最基本的控制规律,其能迅速有力的克服干扰的影响,或使被控变量能迅速跟踪设定值的变化,但会存在余差。
其偏差e(s)跟输出u(s)的关系为:
U(s)=Pe(s)(3.1)
I:
积分控制。
在比例控制的基础上加入积分控制,会减少系统的稳定裕度,是比例增益减小,过渡过程变慢,动态偏差增大是其缺点,但是它可以消除余差,使控制更加精准。
其偏差e(s)跟输出u(s)的关系为:
U(s)=
(3.2)
D:
微分控制。
在比例积分控制的基础上引入微分控制,可以增大系统的稳定裕度,使比例增益增加,从而加快过渡过程,减少动态偏差和余差,并且对对象的容量滞后有着明显的效果。
缺点是:
过强的微分作用会引起系统振荡。
其偏差e(s)跟输出u(s)的关系为:
U(s)=
(3.3)
综合在一起,PID算法为:
:
(3.4)
因为需要控制的是两个水箱,所以经过观察与查找资料,最终确定方案为:
PID串级控制。
采用不止一个控制器,而且控制器间相互连接,一个控制器的输出作为另一个控制器的输入的设定值的控制系统叫做串级控制系统。
双容水箱串级控制方框图如下图3.1所示:
图3.1双容水箱串级液位控制系统方框图
FIG.3.1Twin-tankcascadelevelcontrolsystemblockdiagram
如图所示:
准备使用两个PID控制器,一个PID控制器通过控制阀门FV01控制上水箱入水流量来控制水箱液位,另一个PID控制器通过控制阀门FV05控制下水箱入口流量来控制下水箱液位,阀门FV03常开。
在通过实际的操作之后,发现两个水箱的耦合并不严重,两个PID控制可以实现单独控制。
3.2基于PLC的双容液位控制
在决定了控制方案之后,双容液位控制系统将以PLC为平台进行控制,即在西门子S7-200PLC编程软件中编写相应的控制程序,从而实现对水箱的液位控制。
3.2.1PLC控制程序
根据第二章的介绍,本次实验需要控制上下两个水箱,而要想控制水箱液位就需要对控制流量进出的阀门进行控制。
所以本文的设定便是:
通过阀门1控制上水箱液位,通过阀门5控制下水箱液位,控制阀门4使其常开(常开流量均小于上下水箱阀门全开时的最大流量)。
所以本文的S7-200PLC编程中,在对三个阀门进行编程控制之后,使用PID控制面板设置了两个PID控制器分别控制阀门1和阀门5,具体程序如图3.2,图3.3,图3.4所示:
图3.2PLC阀门量编程
FIG.3.2ValveamountPLCprogramming
图3.3阀门开度编程
FIG.3.3Valveopeningdegreeprogram
图3.4两个PID控制器编程
FIG.3.4TwoPIDcontrollerprogramming
3.2.2PID参数整定
参数整定是通过调整控制器参数,改善系统动静态特性,从而实现最佳控制的一种常用方法。
在本文中,PLC的PID调节面板里,有着自动控制和手动控制两种。
当我们使用手动控制的时候,运用的方法是参数整定里的逐步逼近法。
逐步逼近法是指在主回路断开的
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