【正文】 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書雙容水箱液位控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)目錄摘要 IAbstract II第一章 緒論 1 1 2第二章PCT試驗(yàn)裝置介紹 3 PCT實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成簡(jiǎn)介 3 3 3 4 4 4 5 5 6 水箱液位實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)的用途 7第三章 雙容水箱液位控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì) 8 8 8 9 9 雙容水箱液位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 12 12 13 13 17 18 1Ti、Td對(duì)控制質(zhì)量的影響 20 21 24第四章 組態(tài)軟件設(shè)計(jì) 27“組態(tài)王”簡(jiǎn)介 27 28 28 29 31 33 36 38第五章 雙容水箱液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 40 40 40 42總結(jié) 43參考文獻(xiàn) 43附錄 45致謝 47第一章 緒論隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)工藝中的控制問(wèn)題也日趨復(fù)雜。在人們的生活中以及某些化工和能源的生產(chǎn)過(guò)程中，常常涉及一些液位或流量控制的問(wèn)題。在石油、化工、輕工和食品等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有許多貯罐作為原料、半成品的貯液罐，前一道工序的成品或半成品不斷地流入下一道工序的貯液罐進(jìn)行加工和處理，為保證生產(chǎn)過(guò)程能連續(xù)地正常進(jìn)行，必須對(duì)貯罐的液位進(jìn)行控制。還比如居民生活用水的供應(yīng)，通常需要使用蓄水池，蓄水池中的液位需要維持合適的高度，還有一些水處理的過(guò)程也需要對(duì)蓄水池中的液位實(shí)施控制，另外涉及蓄液容器的生產(chǎn)過(guò)程也很多見，例如在核動(dòng)力蒸汽發(fā)生器工作過(guò)程中以及乙烯工程污水處理廠的自動(dòng)排水處理場(chǎng)等，因此，需要設(shè)計(jì)合適的控制器自動(dòng)調(diào)整容器的出入液流量，使得容器內(nèi)液位保持正常水平。特別地，在出入液流量較大的情況下，為了平抑液位的變化，實(shí)際生產(chǎn)中往往選用多個(gè)互相連通的蓄液容器。上述不同背景的實(shí)際問(wèn)題都可以抽象為某種水箱的液位控制問(wèn)題。由于工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，人們對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化控制水平的要求也越來(lái)越高。每一個(gè)先進(jìn)、實(shí)現(xiàn)的控制算法的出現(xiàn)都對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有巨大的推動(dòng)作用。然而，當(dāng)前的學(xué)術(shù)研究成果與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)水平并不是同步的，甚至相差幾十年。最近幾年，國(guó)內(nèi)一些控制領(lǐng)域已接近甚至超越了國(guó)際水平，然而，就先進(jìn)理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的狀況來(lái)講，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比卻存在較大差距。其原因固然是多方面的，但是，一個(gè)很明顯的原因就是在于理論研究尚缺乏實(shí)際背景的支持，理論的算法一旦應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)就會(huì)遇到各種各樣的實(shí)際問(wèn)題，制約了其應(yīng)用前景。在目前尚不具有在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)現(xiàn)真實(shí)工業(yè)過(guò)程條件的今天，開發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的具有典型對(duì)象特性的使用裝置無(wú)疑是一條探索將理論成果轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)的捷徑。在過(guò)程工業(yè)中，被控量通常有以下四種：液位、壓力、流量、溫度，而液位不僅是工業(yè)過(guò)程中的常見參數(shù)，且便于直接觀察，也容易測(cè)量。以液位過(guò)程構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可靈活地進(jìn)行過(guò)程組態(tài)，實(shí)施各種不同的控制方案，它不僅能夠滿足實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用要求，而且可以對(duì)新理論的研究論證提供強(qiáng)有力的平臺(tái)。液位控制裝置也是過(guò)程控制最常用的實(shí)驗(yàn)裝置，國(guó)外很多實(shí)驗(yàn)室有此類裝置，如瑞典LUND大學(xué)等，很多重要的研究報(bào)告、模擬仿真均出自此類裝置。因此，液位控制系統(tǒng)是過(guò)程控制的重要研究模型，對(duì)液位控制系統(tǒng)的研究具有顯著的理論和實(shí)際意義。本課題主要以雙容水箱液位過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，介紹了其硬件構(gòu)成、系統(tǒng)建模并進(jìn)行相關(guān)控制方案及控制算法的分析、研究。利用PCT試驗(yàn)臺(tái)上的系列儀表和牛頓模塊結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，在組態(tài)軟件下編程并且通過(guò)調(diào)整和改進(jìn)控制算法，從而實(shí)現(xiàn)雙容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)利用調(diào)節(jié)器的工程整定方法，最后得到一組能穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速的達(dá)到控制要求的PID參數(shù)。通過(guò)本設(shè)計(jì)掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的基本概念，了解串級(jí)控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，即主被控參數(shù)、副被控參數(shù)、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、主回路、副回路。掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，掌握串級(jí)控制主、副控制回路的選擇。掌握串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法，熟悉PID參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的影響，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行PID參數(shù)的調(diào)整和自動(dòng)控制的投運(yùn)。并將串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)投運(yùn)到實(shí)驗(yàn)中。最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的存在的一些問(wèn)題進(jìn)行下一步的改進(jìn)。第二章PCT試驗(yàn)裝置介紹 PCT實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由上水箱、中水箱、下水箱、儲(chǔ)水箱、溫控圓筒、加熱器、液位和壓力傳感器、壓力罐、濕度傳感器、工業(yè)PH計(jì)、電磁流量傳感器、孔板流量傳感器、渦輪流量傳感器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器、水泵、加溫模塊、接線端子、電源總開關(guān)、電流指示表、比例器、DC24V開關(guān)電源以及上海萬(wàn)迅智能調(diào)節(jié)儀表組成的掛箱。下面就本設(shè)計(jì)所用到的設(shè)備及模塊做簡(jiǎn)單介紹。水箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：采用兩槽結(jié)構(gòu)，主要分溢流緩沖槽、工作槽、溢流水管。溢流緩沖槽：是為了解決水流直接注入水箱造成被測(cè)液面波動(dòng)而設(shè)計(jì)的，當(dāng)水流注入水箱后經(jīng)過(guò)溢流緩沖槽緩沖，溢出水槽沿水槽壁流下達(dá)到減少被測(cè)液面波動(dòng)。工作槽：是為了我們做實(shí)驗(yàn)而用的，工作槽中有個(gè)排水口，這排水口在做實(shí)驗(yàn)時(shí)由一個(gè)有孔有機(jī)玻璃管插上，隨著工作槽水位的上升，工作槽的排水量也會(huì)增加，這樣就可以滿足一階、二階液位實(shí)驗(yàn)的要求。 溢流水管：當(dāng)設(shè)備無(wú)人職守時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)水箱的水位已經(jīng)到達(dá)最高水位，為了防止液位滿出水箱，則多出的水可以通過(guò)溢流排水管排出。水箱I（上位水箱）液位高度：0～280mm水箱II（下位水箱）液位高度：0～280mm水箱III（不銹鋼儲(chǔ)水箱）液位高度：0～500mm液位傳感器連接水箱的底部，檢測(cè)水箱的液位，同時(shí)輸出4～20mA的電流信號(hào)。提供給計(jì)算機(jī)作為液位檢測(cè)信號(hào)。本套工業(yè)自動(dòng)化儀表實(shí)驗(yàn)采用掛箱式，組裝靈活，如果從新組裝了液位傳感器（例如改變了液位傳感器在網(wǎng)孔板上的位置或改變了所檢測(cè)的水箱），液位傳感器都要從新校正零點(diǎn)和量程。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為美國(guó)霍尼威爾的智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，可靠性高、操作方便，并可與計(jì)算機(jī)配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。該電動(dòng)調(diào)節(jié)閥具有自反饋系統(tǒng)只需要在外部加4～20mA電流即可控制，4mA為全關(guān)狀態(tài)，20mA為全開狀態(tài)，在無(wú)輸入信號(hào)的情況下電動(dòng)調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)狀態(tài)。使用時(shí)只需要將調(diào)節(jié)器輸出的4～20mA電流信號(hào)輸入到面板上的控制端口上即可。壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理和液位傳感器完全相同，其測(cè)量范圍為0~100KP，具體調(diào)試方法與液位傳感器調(diào)試方法相同。其調(diào)節(jié)時(shí)可以通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)水泵壓力，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀表監(jiān)控壓力；壓力傳感器輸出的電流通過(guò)智能儀表監(jiān)測(cè)顯示，使智能儀表顯示數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)儀表顯示數(shù)據(jù)相同。如果有誤差可通過(guò)調(diào)節(jié)壓力傳感器零點(diǎn)調(diào)節(jié)和量程調(diào)節(jié)電位器調(diào)準(zhǔn)。采用三菱FRS500變頻器，4～20mA控制信號(hào)輸入，可對(duì)流量或壓力進(jìn)行控制。 變頻器的基本操作：(1) 合上控制對(duì)象上的電源(2) 把PCTET02面板上的內(nèi)外控開關(guān)打到內(nèi)控狀態(tài)，按下設(shè)置PU燈亮(3) 設(shè)置參數(shù)如下：C5=15 P21=3 P30=1 P39=80 P53=1 P59=1 P60=4 P61=4 P62=4 P63=4(4) 按“PU/EXT”按鈕設(shè)置EXT燈亮，把PCTET02面板上的內(nèi)/外控開關(guān)打到“外控”，狀態(tài)，在PCTET02面板上變頻器輸入端子上輸入4～20mA電流即控制變頻器的頻率設(shè)定值。(5) 停止外部控制，只要把PCTET02面板上的內(nèi)/外控制開關(guān)打到內(nèi)控一端即可停止控制。(6) 由外部控制切換到內(nèi)部控制步驟：① PCTET02面板上內(nèi)外控開關(guān)打到內(nèi)控一邊。② 按變頻器上PU使PU燈亮。③ 按變頻器上“RUN”鍵使Run燈亮，旋動(dòng)變頻器上頻率設(shè)定電位器到合適值。(7) 由內(nèi)部控制切換到外部控制步驟：① 按變頻器STOP鍵停止變頻器 。 ② 按 “PU/EXT”鍵使EXT燈亮。③ 把PCTET02面板上的內(nèi)/外控開關(guān)打到“外控”狀態(tài)，其變頻器就在外部控制信號(hào)下工作。 水泵選用上海凱士循環(huán)水泵，噪音低、壽命長(zhǎng)、功耗小、AC380V供電。在水泵出口裝有壓力罐和壓力變送器，與變頻器一起構(gòu)成供水系統(tǒng)。本裝置在計(jì)算機(jī)控制和通訊上采用牛頓7000系列模塊，它是RS232轉(zhuǎn)485通訊模塊，RS232/RS485雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換。，一個(gè)RS485網(wǎng)上可掛256個(gè)模塊，3000V隔離，支持多種速率多種數(shù)據(jù)格式。通訊距離：；；。8024是D/A模塊，4通道模擬輸出模塊。電流輸出：4～20 mA，0～20 mA；電壓輸出：+/10V，0～10V，+/5V。精度14Bit。8017是A/D模塊，8通道模擬輸入模塊。模擬輸入：1～5V，4～20mA；輸入范圍：+/150 mV，+/ 500mV，+/ 1V，+/ 5V，+/ 10V，+/ 20 mA。通道數(shù)量：6路差動(dòng)/2路單端或8差動(dòng)（跳線選擇）；采樣頻率10Hz。 液位控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖上水箱和下水箱的液位信號(hào)分別由兩壓力傳感器檢測(cè)，檢測(cè)到的液位信號(hào)經(jīng)液位變送器轉(zhuǎn)換成4 20 mA 的電流信號(hào)，串聯(lián)250歐姆標(biāo)準(zhǔn)電阻轉(zhuǎn)換為15V電壓信號(hào)，再通過(guò)A/ D 模塊(Nudam7017)將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)經(jīng)RS485 總線，再由RS232/485轉(zhuǎn)換器傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)采集到的數(shù)字信號(hào)在組態(tài)軟件中由PID 控制器進(jìn)行處理得出控制信號(hào)，控制信號(hào)再經(jīng)RS232/485轉(zhuǎn)換器及RS485總線送給D/ A 模塊(Nudam7024)，最后轉(zhuǎn)換得到的模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。 水箱液位實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)的用途水箱液位控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是PCT實(shí)驗(yàn)裝置中的重要組成部分，可單獨(dú)進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)的分析和研究，且它是一種非線性、強(qiáng)耦合、多變量和大滯后的復(fù)雜系統(tǒng)，是進(jìn)行控制理論與控制工程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和研究的理想平臺(tái)，具有強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)功能。它不僅可以實(shí)現(xiàn)一階對(duì)象、二階對(duì)象，還可以實(shí)現(xiàn)更高階對(duì)象的分析、研究，而且它還可以作為一種多功能型實(shí)驗(yàn)設(shè)備去驗(yàn)證各種新型算法。它易于在實(shí)驗(yàn)中操作，直觀性強(qiáng)，適用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)；可以模擬多種實(shí)際應(yīng)用故障。我們還可以通過(guò)經(jīng)典的PID控制器設(shè)計(jì)與調(diào)試，進(jìn)行智能控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)與研究。各種控制器的控制效果通過(guò)水位的變化直觀地反映出來(lái)，同時(shí)通過(guò)液位傳感器對(duì)水位的精確檢測(cè)，方便地獲得瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，準(zhǔn)確評(píng)估控制性能。開放的控制器實(shí)驗(yàn)裝置，便于我們進(jìn)行自己的控制器設(shè)計(jì)，滿足創(chuàng)新研究的需要。液位控制實(shí)驗(yàn)裝置是過(guò)程控制中最常用的實(shí)驗(yàn)裝置，可在此裝置上探討、研究、開發(fā)各種新型控制算法，學(xué)習(xí)各種不同的控制方案，通過(guò)調(diào)試不同控制方案下的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使我們能更清楚地了解工業(yè)過(guò)程控制中系統(tǒng)的投運(yùn)和整定方法。第三章 雙容水箱液位控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)對(duì)被控系統(tǒng)的分析，是設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)資料或基本依據(jù)。要對(duì)現(xiàn)代日益復(fù)雜和龐大的被控過(guò)程進(jìn)行研究分析、實(shí)施控制，尤其是進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須了解其工作過(guò)程及其數(shù)學(xué)模型等。因此，數(shù)學(xué)模型對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化校制具有極為重要的意義。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，是反映被控過(guò)程的輸出量與輸入量關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。或者說(shuō)是描述被控過(guò)程因輸人作用導(dǎo)致輸出量(被控變量)變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式。被控過(guò)程可能既受控制輸人的作用，也受擾動(dòng)量影響?？刂戚斎肟偸橇D使被控過(guò)程按照某種期望的規(guī)律變化，而擾動(dòng)量一般總是影響被控過(guò)程偏離期望運(yùn)行狀態(tài)。但從系統(tǒng)角度來(lái)看，無(wú)論是控制輸人