双容水箱水位控制系统设计毕业论文设计40论文41.docx
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双容水箱水位控制系统设计毕业论文设计40论文41
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双容水箱水位控制系统设计
摘要
双容水箱液位控制系统是采用先进的控制算法完成对过程液位的控制的控制系统,它在饮料、食品加工、溶液过滤、化工生产等多种行业的生产加工过程中均有广泛应用。
在本设计中充分利用自动化仪表技术,计算机技术,通讯技术和自动控制技术,以实现对水箱液位的串级控制。
首先对被控对象的模型进行分析,并采用实验建模法求取模型的传递函数。
其次,根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统,采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。
然后,设计并组建仪表过程控制系统,通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制。
最后,借助数据采集模块﹑MCGS组态软件和数字控制器,设计并组建远程计算机过程控制系统,完成控制系统实验和结果分析。
关键词:
液位,模型,PID控制,仪表过程控制系统,计算机过程控制系统
Abstract
Doubletankwaterlevelcontrolsystemistheuseofadvancedcontrolalgorithmofprocessliquidlevelcontrolsystem,itisinthebeverage,foodprocessing,filteringsolution,chemicalproductionandotherindustriesintheproductionprocesswidelyused.Inthedesignofthefulluseofautomationtechnology,computertechnology,communicationtechnologyandautomaticcontroltechnology,inordertoachievethewatertankliquidlevelcascadecontrol.Firstly,theobjectmodelisanalyzed,andtheexperimentalmodelingmethodformodeltransferfunction.Secondly,accordingtothecontrolledobjectmodelandthecontrolledprocesscharacteristicdesignofcascadecontrolsystem,usingdynamicsimulationtechnologytothecontrolsystemperformanceanalysis.Then,designandconstructionprocesscontrolinstrumentationsystem,throughtheintelligentcontrollerforliquidlevelcascadePIDcontrol.Finally,withthemodule,MCGSconfigurationsoftwareanddigitalcontroller,designandestablishmentofaremotecomputerprocesscontrolsystem,completecontrolsystemexperimentandresultanalysis
Keywords:
liquidlevel,modelPIDcontrol,indicatorprocesscontrolsystem,computerprocesscontrolsystem
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
1绪论1
2被控对象建模2
2.1水箱模型分析2
2.2阶跃响应曲线法建立模型3
3系统控制方案设计与仿真7
3.1液位串级控制系统介绍7
3.2PID控制原理7
3.3系统控制方案设计10
3.4控制系统仿真12
4建立仪表过程控制系统17
4.1过程仪表介绍17
4.2仪表过程控制系统的组建19
4.3仪表过程控制系统PID参数整定23
5模拟计算机过程控制系统25
5.1计算机过程控制系统硬件设计25
5.2MCGS软件工程组态28
5.3组态软件调试38
6结论40
参考文献41
致谢42
附录43
1绪论
双容水箱系统是一种比较常见的工业现场液位系统,在实际生产中,双容水箱控制系统在石油、化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为常见。
通过液位的检测与控制从而调节容器内的输入输出物料的平衡,以便保证生产过程中各环节的物料搭配得当。
经过比较和筛选,串级控制系统PID控制无论是从操作性、经济性还是从系统的控制效果均有比较突出的特性,因此采用串级控制系统PID控制对双荣水箱液位控制系统实现控制。
论文以THJ-2高级过程控制实验系统为基础的实验数据作为出发点,利用MATLAB的曲线拟合的方法分别仿真出系统中上水箱、下水箱的输出响应曲线。
对曲线进行处理求出各水箱的参数,用所求出的参数列写出水箱的传递函数。
采用复杂控制系统中的串级控制系统列写出系统框图,根据串级控制系统PID参数整定的方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的数值,从而满足控制系统对各项性能的要求。
对于控制器的选择,从经济以及控制效果考虑采用智能仪表实现控制,并应用组态软件对系统实施监控。
为了能够使双容水箱系统能实现远程的检测和控制,本文又进一步的设计出计算机过程控制系统,利用ICP-7017数据采集模块实现模拟量输入通道的功能
利用ICP-7024数据采集模块实现模拟量输入通道的功能(自带485通讯接口),通过RS232485完成通讯转换实现与计算机的通讯和控制。
ICP-7000系列采集模块的作用是将传感器检测到的被控参数标准信号通过AD转换送入计算机,计算机是将控制运算发出的控制信号通过DA转换发给执行机构(调节阀、变频器)。
整个控制系统的控制算法及监控功能都在控制计算机中实现。
对于计算机控制,采用的是组态软件MCGS来实现的,通过对软件进行编程使组态软件模拟出双容水箱液位控制系统的手动和自动两种工作状态。
2被控对象建模
在控制系统设计工作中,需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型。
被控对象的数学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等的重要依据。
被控对象的数学模型(动态特性)是指过程在各输入量(包括控制量和扰动量)作用下,其相应输出量(被控量)变化函数关系的数学表达式。
在液位串级控制系统中,我们所关心的是如何控制好水箱的液位。
上水箱和下水箱是系统的被控对象,必须通过测定和计算他们模型,来分析系统的稳态性能、动态特性,为其他的设计工作提供依据。
上水箱和下水箱为THJ-2高级过程控制实验装置中上下两个串接的有机玻璃圆筒形水箱,另有不锈钢储水箱负责供水与储水。
上水箱尺寸为:
d=25cm,Toolbox)可以对控制对象的未知对象进行辨识和建模。
MATLAB的仿真工具箱(Simulink)提供了交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。
它用结构框图代替程序智能化地建立和运行仿真,适应线性、非线性系统;连续、离散及混合系统;单任务,多任务离散事件系统。
通过MATLAB中的SIMULINK工具箱可以动态的模拟所的构造系统的响应曲线,以控制框图代替了程序的编写,只需要选择合适仿真设备,添加传递函数,设置仿真参数便可完成系统的仿真。
下面根据前文的水箱模型传递函数对串级控制系统进行仿真,以模拟实际中的阶跃响应曲线,考察串级系统的设计方案是否合理。
3.4.2阶跃响应性能
通过手动切换开关(ManualSwitch)可以实现副回路的引入与切除,以了解副回路对控制性能的影响,比较串级控制和非串级控制对双容水箱液位的控制能力仿真框图如下。
图3.3SIMULINK仿真框图
在时间为0时对系统加入大小为30的阶跃信号,设置主控制器PID参数KP=60TI=50TD=3;副控制器P参数为KP=50,观察阶跃响应曲线如下。
图3.4双闭环阶跃响应仿真曲线
通过手动切换开关将副回路切除成单闭环可得其仿真图像。
图3.5单闭环阶跃响应仿真曲线
由图3.4和图3.5相比较可以看出,引入副回路的双闭环串级系统能够更好的提高系统的响应速度,使系统更加的稳定,稳态误差更小。
3.4.3抗扰动能力
维持初始阶跃信号不变,并在副回路中加入扰动信号,观察响应曲线.在100s经过惯性环节向副回路加入阶跃值为70的扰动信号。
控制器参数不变。
图3.6加入扰动后的SIMULINK仿真框图
图3.7加入扰动后的双闭环阶跃响应仿真曲线
图3.8加入扰动后的单闭环阶跃响应仿真曲线
由图3.7和图3.8可以看出串级控制通过副回路能够很有效的把干扰抑制到最小,能够满足系统各项参数的需要,同时也解决了双容水箱大滞后的缺点,使系统稳定快速的运行,同时也进一步验证了选择串级PID来控制双容水箱能够达到比较理想。
4建立仪表过程控制系统
4.1过程仪表介绍
4.1.1检测﹑变送装置
采用工业用的BP800型扩散硅压力变送器对水箱液位变化进行测量,含不锈钢隔离模片,同时采用信号隔离技术,对传感器温度漂移跟随补偿。
当水箱中注水导致液位变化时,BP800压力变送器对被控过程中的流体压力进行测量,过程压力通过压力传感器将压力信号转换成电信号,经差分放大器、输出放大器放大后,再经过VA转换器,转换为与输入压力成线性对应关系的标准电流输出信号。
BP800型压力变送器技术指标如下:
表4.1压力变送器技术指标
被测介质:
液体
机械保护:
IP65
测量范围:
-100KPa~100MPa
防爆等级:
IaⅡCT5
输出:
4~20mADC二线制
关联设备:
EXZ231B安全栅
准确度:
0.5级
温度极限:
-10~80。
C40~120。
C
零点温度系数:
小于0.02%。
C
过载极限:
额定量程的1.5~3倍
满程温度系数:
小于0.02%。
C
相对湿度:
小于95%
电源电压:
24DC二线制
负载电阻:
≤750欧姆
4.1.2执行机构
(1)水泵
采用16CQ-8P型磁力驱动泵,流量为32升分,扬程为8米,功率为180W.为三相380恒压供水输入。
(2)调节阀
采用QSVP-16K型电动调节阀实现对双容水箱液位系统进水量的控制。
其由QSL智能型电动执行机构与阀门组合构成。
通过将压力变送器检测到的电压电流信号输入到QSL电动执行机构的智能放大器,和来自位置信号发生器产生的开度信号相比较并放大后,向消除其偏差的方向驱动并控制电机转动,以改变调节阀的开度,同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统。
当其偏差值达到零时,电机停
表4.2电动调节阀技术指标
阀开关形式:
电开式
动作速度:
0.25mms
输入控制信号:
4~20mADC1~5VDC
流量特性:
直线
输出信号:
4~20mADC
额定流量系数Kv:
1.2
输入阻抗:
250Ω500Ω
介质温度:
-4~200。
C
输出最大负载:
<500Ω
死区:
≤±1.0%
电源:
220V50Hz
回差:
≤±1.0%
公称直径:
20mm
可调范围:
50:
1
公称压力:
1.6MPa
防护等级:
IP65
行程:
10mm
功耗:
5VA
4.1.3.控制器
在仪表过程控制系统中,使用智能调节仪表作为控制器。
采用上海万讯仪表有限公司的AI-808型仪表,采用AI人工智能调节方式,内含PID调节算法。
其可以在误差较大时运用模糊算法进行调节,以消除PID积分饱和现象;当误差趋小时,采用改进后的PID算法调节,调节优化效果。
选用的AI-808P型仪表技术指标如下:
表4.3智能仪表技术指标
热电偶输入:
K﹑S﹑R﹑E﹑J等
响应时间:
≤0.5s
热电阻输入:
Cu50﹑Pt100
调节方式:
位式调节方式AI人工智能调节
线性电压输入:
0~5V
输出规格:
4~20mA
线性电流输入:
420mA
报警功能:
上限﹑下限﹑正负偏差
测量范围:
-1999~9999
电源:
100~240VAC50Hz
测量精度:
0.2级
环境温度:
0~50。
C
表4.4AI-808P引脚说明
引脚号
引脚名称
引脚定义
1
Vin
0-5V1-5V输入
2
Iexec+
作为Vin的地
3
Sense+
0-5V1-5V输入
4
Sense-
作为Sense+的地
5
Iout-
4-20mA输出负端
7
Iout+
4-20mA输出正端
9
ACL
电源火线
10
ACN
电源地线
11(13)
AL1+(AL1-)
与AL1-(AL2-)构成报警
14(16)
AL2+(AL2-)
与AL1+(AL2+)构成报警
18(17)
Data+(Data-)
RS-485接口数据线
19(20)
IV变换
内接电阻将电流变为电压
6(12)(15)
无
分别与5(13)(16)形成常闭触点
4.2仪表过程控制系统的组建
4.2.1仪表控制系统电路设计:
根据电路原理图可以连接出实际的仪表串级PID负反馈控制。
通过三相380V10A交流电源向三相磁力泵和2205A交流电源向调节仪表供电。
压力变送器测定的下水箱液位值(电压反馈信号)送到主调节器(智能调节仪1)输入端。
调节器的给定值可由仪表控制面板或MCGS监控界面设定,与反馈信号相比较后输出调节信号。
由于其输出的信号为4~20mA的电流信号,需要经IV转换电路转化为1~5V电压信号送到副调节仪的输入端,与压力变送器测定的上水箱液位值(电压反馈信号)相比较后,输出4~20mA的电流信号到电动调节阀控制信号输入端,控制电动调节阀的开度,消除下水箱液位的测量值与给定值的偏差。
图4.1仪表系统电路原理图
4.2.2仪表参数设定
(1)Sn:
输入规格调节仪1中Sn=33表示1~5V电压输入;调节仪2中Sn=32表示0.2~1V电压输入。
(2)ADDR:
通讯地址用于定义仪表地址,有效范围是0~100。
调节仪1中ADDR=1;调节仪2中ADDR=2。
(3)diH:
输入上限显示值,用于定义线性输入信号上限刻度值。
调节仪1中diH=50;调节仪2中diL=0。
(4)diL:
输入下限显示值用于定义线性输入信号下限刻度值。
调节仪1中diH=50;调节仪2中diL=0。
(5)CF:
系统功能选择CF=A*1+B*2+C*4+D*8+E*16+F*32+G*64
调节仪1中CF=0,表示A=0,调节仪1为反作用调节方式,输入增大时,输出趋向减小;B=0,仪表报警无上电;D=0,不允许外部给定,程序时间以分为单位;E=0,无分段频率限制功能;F=0,仪表光柱指示输出值;G=0,仪表为AI-808P工作模式。
调节仪2中CF=8,表示A=0,调节仪1为反作用调节方式,输入增大时,输出趋向减小;B=0,仪表报警无上电;D=1,允许外部给定,程序时间以秒为单位;E=0,无分段功率限制功能;F=0,仪表光柱指示输出值;G=0,仪表为AI-808P工作模式。
(6)SV:
下水箱液位给定值,根据需要设置。
(7)P:
调节器比例系数,根据需要设置。
(8)I:
调节器积分时间,根据需要设置。
(9)D:
调节器微分时间,根据需要设置。
4.2.3计算机与仪表通讯设置
通过在AI808型仪表的内部安装RS485通讯接口模块,可利用计算机实现对仪表的监控和操作。
采用AIBUS通讯协议,8个数据位,12个停止位,无校验位。
需要在计算机的MCGS软件的用户窗口添加脚本程序以实现计算机对仪表系统的监控,时在设备窗口中完成设备通道连接设置。
(1)启动脚本程序
!
setdevice(调节仪1,1,"")
!
setdevice(调节仪1,6,"write(0,0)")
!
setdevice(调节仪1,6,"write(24,0)")
!
setdevice(调节仪2,1,"")
!
setdevice(调节仪2,6,"write(0,0)")
!
setdevice(调节仪2,6,"write(24,0)")
(2)循环脚本程序
下水箱液位SV1=SV1
下水箱液位PV1=PV1
上水箱液位SV1=20*OP1100
上水箱液位PV1=PV2
if下水箱液位PV1>20then
下水箱液位PV1=20
endif
if上水箱液位PV1>20then
上水箱液位PV1=20
(3)退出脚本程序
!
SetDevice(调节仪1,2,"")
!
SetDevice(调节仪2,2,"")
endif
程序注释:
SetDevice(DevName,DevOp,CmdStr)
函数意义:
按照设备名字对设备进行操作。
返回值:
数值型。
返回值:
=0:
调用正常。
<>0:
调用不正常。
参数:
DevName,设备名,字符型;
DevOp,设备操作码,数值型;
CmdStr,设备命令字符串,只有当DevOp=6时CmdStr才有意义。
DevOp取值范围及相应含义:
1:
启动设备开始工作。
2:
停止设备的工作使其处于停止状态。
3:
测试设备的工作状态。
4:
启动设备工作一次。
5:
改变设备的工作周期,CmdStr中包含新的工作周期,单位为ms。
6:
执行指定的设备命令,CmdStr中包含指定命令的格式
4.2.4计算机设备窗口设置:
表4.5AI-808P智能仪表设置
设备名称:
调节仪1
调节仪2
设备注释:
宇光-AI808P仪表
宇光-AI808P仪表
初始工作状态:
1-启动
1-启动
最小采集周期(ms):
500
500
模块地址:
1
2
设置小数点位数:
1-1位小数
1-1位小数
输入范围:
10-1~5V
10-1~5V
连接通道
通道类型
数据对象1
数据对象2
0
通讯状态
mm1
mm2
1
PV值(液位测量值)
pv1
pv2
2
SV值(液位给定值)
sv1
sv2
3
MV值(调节器输出值)
op1
op2
18
CTRL控制方式
ctrl1
ctrl2
23
Sn输入规格
sn1
sn2
25
dil下限显示
dil1
dil2
26
dih上限显示
dih1
dih2
32
CF系统功能
cf1
cf2
34
通讯地址
addr1
addr2
为了能够使计算机与智能仪表顺利通信,智能仪表的采样周期必须与串行接口有相同的采样周期,这里设定采样周期为500ms.
4.3仪表过程控制系统PID参数整定
在组建仪表系统设备构件,实现计算机与仪表系统通讯后,完成仪表液位控制系统的调试运行,完成PID参数的整定,完成仪表控制系统的实验。
根据液位串级控制系统的设计原则和被控过程模型,主副被控过程的时间常数之比在4.5:
1左右。
主副回路的工作频率和操作周期相差较大,其动态联系很小可忽略不计。
所以副调节器按单回路系统方法整定后,可以将副回路作为主回路的一个环节,按单回路控制系统的整定方法,整定主调节器的参数,而不再考虑主调节器参数变化对副回路的影响。
而且在液位控制系统的设计中,对于主参数下水箱液位的质量指标要求较高,对副参数上水箱液位没有严格的要求。
设置副参数的目的是为了进一步提高主参数的控制质量,只要通过主调节器参数整定保证主参数质量,副参数的控制质量可以牺牲一些。
采用两步整定法整定调节仪表PID参数:
(1)在工况稳定﹑主回路闭合、主副调节器都在纯比例作用的条件下,主调节器的比例度置于100%,用单回路控制系统的阻尼振荡法整定,求取副调节器比例度和操作周期。
(2)将副调节器的比例度置于
(1)中所求得的数值上,把副回路作为主回路的一个环节,用同样的方法整定主回路,求取主回路的比例度和操作周期。
(3)根据以上求得的数据,按单回路系统阻尼振荡法整定公式计算主副调节器的比例度﹑积分时间和微分时间的数值。
(4)按先副后主﹑先比例后积分﹑适当加入微分的整定程序,设置主﹑副调节器的参数,再观察过渡过程曲线,必要时进行适当调整,直到系统质量达到最佳为止。
主副调节器参数整定结果如下:
主调节器比例系数P=20,积分时间I=80,微分时间D=10;副调节器比例系数P=40。
对仪表控制系统设置下水箱液位给定值为50mm,待系统稳定后,突加阶跃扰动型号,设定下水箱液位值为70mm,得到下水箱液位输出响应曲线。
图4.2下水箱液位阶跃响应曲线
5模拟计算机过程控制系统
以下将设计组建远程数据采集过程控制系统实现对双容水箱液位系统的控制。
虽然仍然是基于“THJ-2高级过程控制系统实验装置”组建,但是远程数据采集过程控制系统不同于以智能仪表带上位机监控为主的仪表过程控制系统。
远程数据采集过程控制系统属于计算机DDC控制系统,它是将模拟量输入AI模块和模拟量输出AO模块,开关量输入输出DI,DO模块置于计算机之外,计算机通过RS232485通讯转换装置同ICP-7000系列采集模块(自带485通讯接口)通讯。
ICP-7000系列采集模块的作用是将传感器检测到的被控参数标准信号通过AD转换送入计算机,计算机同时也将通过控制运算发出的控制信号通过DA转换发给执行机构(调节阀、变频器)。
整个控制系统的控制算法及监控功能都在控制计算机中实现。
5.1计算机过程控制系统硬件设计
5.1.1信号采集
为了实现计算机控制,需要对输入的模拟信号进行采样,转换为计算机可以利用的数字信号。
应从技术和经济的角度综合考虑信号采集速度和信号数字化精度这两个问题。
根据香农采样定理:
对于一个具有有限频谱的连续信号进行采样,采样频率必须大于或等于信号所含最高频率的两倍,信号采样所得的数值才可以完全复现原来的信号。
需要依据液位对象的特性﹑加入对象的扰动大小和频率和系统性能指标要求综合选择适当采样周期。
5.1.2模拟量输入通道
在计算机控制系统中,模拟量输入通道一般包括了IV变换电路﹑多路转换器﹑采样保持器﹑AD转换器﹑接口﹑控制逻辑。
模拟量输入通道的任务是把通过压力变送器检测到的模拟信号(4~20标准电流信号),经过IV变换转换成对应的1~5电压信号,在经过采样为离散的模拟信号并量化成为二进制的数字信号,经接口送到计算机中。
在远程数据采集过程控制系统,将使用ICP-7017数据采集模块实现模拟量输入通道的功能。
7017AD转换模块:
数据采集程序存储在EEPROM中,由内部控制器控制逻辑执行,控制转换开关在8路模拟信号间转换,模拟量送入AD通道后,转换为数字信号并将其与模拟量输入通道号对应,等待计算机查询,数据通过RS-485接口传送至计算机。
7017AD转换模块技术指标:
模拟输入类型:
mV,V,mA.采样率:
10次s带宽:
15.7Hz准确率:
±0.1%零点漂移:
20μV℃波特率:
9600bps量程:
-10V~10V–5
- 配套讲稿:
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